Onderzoek naar voortgang en ontwikkelingstrend van zware gasturbines en hun thermische barrièrbestrijkingen (1)

In het veld van de zware industrie wordt de veel voorkomende warmte-kraamconversie type elektriciteitsopwekkingseinrichting - de zware gasturbine, vanwege de kleine voetprint, korte cyclus, hoge efficiëntie, minder verontreiniging en andere kenmerken breed toegepast in netpieken, energie winning en transport, mariene opwekking, geavanceerde schepenmachinerie, luchtvaart en ruimtevaart en andere gebieden, en wordt genoemd als de "industriële parel". Op een bepaalde manier is het algemene ontwikkelingsniveau van de nationale fabricage nauw verbonden met het onderzoeks- en ontwikkelingsniveau van zware gasturbinen.

In 1939 produceerde het Zwitserse bedrijf BBC de wereldwijde eerste zware gasturbine voor elektriciteitsopwekking, wat het begin vormde van de snelle ontwikkeling van zware gasturbinen over de hele wereld. In recente jaren neemt de vraag naar energiebesparing en milieubescherming toe, en zijn de prestatie-eisen voor zware gasturbinen ook verhoogd, gericht op het doel van hoge efficiëntie en lage emissies [1]. Er zijn twee belangrijke factoren die de efficiëntie van gasturbinen beïnvloeden: de een is de turbine-inlatetemperatuur, en de ander is het compressieverhouding van de compressor. Daaronder valt vooral hoe de turbine-inlatetemperatuur verhoogd kan worden [2]. Turbinemotoren, als kernonderdelen van gasturbinen, verbeteren de turbine-inlatetemperatuur voornamelijk op drie punten: namelijk hoogtemperatuurgevoelige metalen materialen, geavanceerde koelingstechnologieën en thermische barrièrbestrijkingstechnologie.

In de afgelopen jaren zijn er grote ontwikkelingen geweest in de technologie voor richtingscristal/enkelcristalvorming van superlegerraden, thermische barrièrbekleedingsotechnologie en gasfilmkoeltechnologie [3]. Veel onderzoek heeft aangetoond dat het gebruik van een speciaal ontworpen koelstructuur de oppervlaktetemperatuur van de hete onderdelen (turbinevleugels, brandstofkamers, etc.) met ongeveer 500 kan verlagen ° C, maar het is nog steeds niet voldoende om aan de eisen te voldoen. Om turbinekoeltechnologie voortdurend te verbeteren, zijn de door onderzoekers ontworpen en gefabriceerde koelstructuren niet alleen zeer complex, maar ook moeilijk te verwerken. Bovendien hebben veel nikkelbasismaterialen die worden gebruikt voor de productie van zware gasturbinebladen hun limiettemperaturen bereikt, terwijl keramische matrixcomposities met betere hittebestendigheid nog niet volledig rijp zijn voor toepassing [4]. In tegenstelling tot dit, biedt thermisch barrièrcoulaag-technologie een lagere kostenstructuur en uitstekende thermische isolatie. Studies hebben aangetoond dat een thermisch barrièrcoulaag van 100 ~ 500 μ m wordt afgezet op de oppervlakte van de turbinebladen door middel van thermisch spuiten, wat de directe contact tussen hoge-temperatuur gas en de turbinebladen van de zware gasturbine kan voorkomen en de oppervlaktetemperatuur ongeveer met 100 ~ 300 ℃ laat dalen, zodat de zware gasturbine veilig in bedrijf kan worden genomen [5-6].

Daarom, met inachtneming van verschillende factoren, is de enige haalbare en effectieve methode om hoge efficiëntie, lage emissies en een lange levensduur van zware gasturbines te bereiken de technologie van thermische barrièrbestrijking. Deze technologie wordt breed toegepast in de hete onderdelen van gasturbines en vliegtuigmotoren. Bijvoorbeeld, een thermische barrièrbestrijking wordt opgespoten op het oppervlak van een turbinevleugel om deze te scheiden van de hoge-temperatuurgassen, waardoor de oppervlaktetemperatuur van de vleugel verlaagt, de dienstlevensduur verlengt en het mogelijk maakt om bij hogere temperaturen te werken, wat resultert in een verbeterde efficiëntie van de gasturbine. Sinds de ontwikkeling in de late jaren 1940 en vroege jaren 1950 heeft thermische barrièrbestrijking veel aandacht getrokken en wordt deze krachtig bevorderd en ontwikkeld door vele wetenschappelijke instituten en bestrijkingfabrikanten over de hele wereld, terwijl de vraag naar thermische barrièrbestrijkingstechnologie in de moderne industrie steeds dringender wordt. Daarom heeft het onderzoek naar thermische barrièrbestrijking voor gasturbines grote praktische en strategische betekenis.

In de afgelopen jaren is het meest gebruikte coating voor zware gas-turbines nog steeds yttrium gestabiliseerde zirkonia (6-8YSZ) met een massafractie van 6 wt.% ~ 8 wt.%, maar YSZ-coating is niet alleen vatbaar voor fasetransformatie en sinteren, maar ook voor vlamcorrosie bij temperaturen boven 1 200 ℃ . Dit betekent namelijk CMAS-corrosie (CaO-MgO-Al2O3-SiO2 en andere silicaatstoffen) en thermische corrosie. Om het coating te laten werken bij temperaturen boven 1 200 ℃ gedurende een lange tijd hebben onderzoekers veel inspanningen gedaan, waaronder het vinden en ontwikkelen van nieuwe thermische barrièrbestrijkingen, het verbeteren van de bereidingsoptie van thermische barrièrbestrijkingen en het reguleren van de structuur van de coating. Daarom, op basis van een discussie over de huidige situatie van zware gasturbines en de systeemstructuur, materialen en bereidingsopties van thermische barrièrbestrijkingen, vat dit artikel de onderzoeksstatus samen van thermische barrièrbestrijkingen tegen CMAS-corrosie en andere sleutelkenmerken van gasturbines, wat een referentie biedt voor onderzoek naar thermische barrièrbestrijkingen tegen CMAS-corrosie.

1 Status en ontwikkelingsrichting van zware gasturbines

Sinds de wereldse eerste gasturbine in 1920 verscheen, zijn gasturbinen snel gaan ontwikkelen in het industriële veld. In recente jaren blijft de omvang van de wereldwijde markt voor zware gasturbinen groeien, betalen landen meer aandacht aan onderzoek en ontwikkeling van zware gasturbinen, en blijven ze kapitaal- en mankrachtinvesteringen vergroten, waardoor het technische niveau van zware gasturbinen voortdurend verbetert. Het technische niveau van zware gasturbinen wordt bepaald door de turbine-invoertemperatuur, die kan worden ingedeeld in E-, F- en H-klassen volgens het temperatuurbereik [7]. Hiervan bedraagt de vermogen van klasse E 100 ~ 200 MW, het vermogen van klasse F 200 ~ 300 MW, en het vermogen van klasse H meer dan 300 MW.

1.1 Huidige staat van zware nationale gasturbinen

In de jaren 1950 moesten zware gas turbines in China worden geïntroduceerd door buitenlandse bedrijven [General Electric (GE), Siemens uit Duitsland (Siemens), Mitsubishi Heavy Industries uit Japan (MHI)], waarna ze zelfstandig werden ontworpen, ontwikkeld en gefabriceerd. In deze fase is de technologie van zware gasturbines in ons land snel ontwikkeld. In de jaren 1980 trad er een ernstig probleem op met gebrek aan olie en gas in China, en de ontwikkeling van de technologie voor zware gasturbines raakte daardoor in een dal. Pas in 2002, met de west-oost gasoverbrenging en de ontwikkeling en introductie van aardgas in ons land, is het probleem van olie en gas opgelost, en hebben de zware gasturbines in ons land eindelijk een nieuwe fase van ontwikkeling gestart [8]. Momenteel staat de productie van zware gas turbines in China voornamelijk onder leiding van bedrijven zoals Shanghai Electric, Dongfang Electric, Harbin Electric en andere ondernemingen.

In 2012, in het kader van de "863"-grote projecten op het gebied van energie, heeft de R0110 zware gasturbine, ontwikkeld door Shenyang Leing Company en vooraanstaande universiteiten in China, met succes de 72-uur belastingsproef voltooid. Dit markeert het succesvolle productie van de eerste zware gasturbine met zelfstandige intellectuele eigendommen, met een basisbelasting van 114,5 MW en een thermische efficiëntie van 36%. Sindsdien is China het vijfde land ter wereld geworden dat zelfstandig onderzoek en ontwikkeling van zware gasturbines kan uitvoeren. In 2014 kocht Shanghai Electric een aandelenbelang in Ansaldo, Italië, wat de buitenlandse monopolisatie van de gasturbine-industrie brak en ook ervoor zorgde dat China beginnend de localisatie van E/F-klasse zware gasturbines realiseerde. In 2019, geleid door China Re-Combustion, slaagden verschillende instellingen erin om samen de eerste fase beweegbare bladen, de eerste fase statische bladen en de brandkamer van een F-klasse 300 MW gasturbine te produceren, wat aantoont dat China nu in staat is om beginnend de hete onderdelen van zware gasturbines te fabriceren; Hetzelfde jaar ontwikkelden Shanghai Electric en Ansaldo met succes een H-klasse zware gasturbine GT36, wat de eerste H-klasse zware gasturbine wordt die in ons land wordt ontwikkeld. In 2020, in het kader van het "973"-project, voltooide de eerste F-klasse 50 MW zware gasturbine (genaamd G50), onafhankelijk ontwikkeld door China Dongfang Electric en Xi'an Jiaotong University, met succes de volledig belaste stabiele testoperatie [9], wat aangeeft dat China nu in staat is om beginnend zelfstandig F-klasse zware gasturbines te ontwikkelen. In juni 2022 behaalde Jiangsu Yonghan een beginnende succes bij het ontwikkelen van de turbinebladen van een 300 MW zware gasturbine, wat de verdere succesvolle ontwikkeling van Chinas 300 MW zware gasturbines markeert. Toch, hoewel het niveau van zware gasturbietechnologie in China snel verbetert, worden E/F-klasse gasturbines nog steeds voornamelijk gebruikt op de binnenlandse gasturbinemarkt. Hiervan is de single-cyclus efficiëntie van de meest geavanceerde zware gasturbines op de binnenlandse markt 42% tot 44%, en de combinatiecyclus efficiëntie 62% tot 64% [10].

1.2 Status quo van zware aardgas-turbines buitenland

Ondanks de snelle ontwikkeling van de wereldwijde wetenschap, technologie en economie in de recente jaren, heeft het technische niveau van zware gas-turbines geleidelijk verbeterd, maar een groot deel van de wereldmarkt voor zware gas-turbines is nog steeds verdeeld tussen de Amerikaanse GE, de Japanse MHI, de Franse Alstom en de Duitse Siemens. Met de ontwikkeling van industriële technologieën is de technologie van zware gas-turbines meer volwassen geworden, en het onderzoeks- en ontwikkelingsfokus is geleidelijk verschoven van het veld van luchtvaartgas-turbines naar het veld van zware gas-turbines, en zijn E-, F-, G-, H-, J-klasse gas-turbines ontwikkeld.

Momenteel genieten vele producten van Mitsubishi uit Japan veel populariteit in de markt voor zware gasturbines. Daaronder valt de JAC-type gasturbine van Mitsubishi Heavy Industries, die bekend staat als de meest efficiënte gasturbine ter wereld, met een efficiëntie van geconjugeerd cycluskracht op 64% of hoger. De M701J gasturbine, de gasturbine met de hoogste thermische efficiëntie ter wereld voor elektriciteitsproductie, heeft een eenvoudige cyclusvermogen van 470 MW en een geconjugeerde cyclusvermogen van 680 MW. Bovendien blijft de M501J gasturbine zelfs onder 50% belastingsvoorwaarden nog een thermische efficiëntie van 55% behalen, en presteert deze uitzonderlijk goed.

De 50 HZ SGT5-9 000HL klasse zware gasturbine, ontwikkeld en gefabriceerd door Siemens in Duitsland, is de krachtigste zware gasturbine ter wereld met de hoogste uitkomstvermogen van een enkele eenheid. De zware gasturbine kan tot 840 MW elektriciteit produceren in combinatiemodus, en de efficiëntie van de combinatiecyclus bedraagt ook 63%, maar het is niet de meest efficiënte gasturbine in combinatiemodus.

In oktober 2019 lanceerde GE de 7HA.03 zware aardgas-turbine, die een maximaal combinatiecyclus-uitvoer vermogen heeft dat licht onder dat van Siemens' SGT5-9000HL-klasse zware aardgas-turbine ligt, met 821 MW, maar waarvan het maximale combinatiecyclus-efficiëntie wordt geschat op tot 63,9%. In 2022 werd de 7HA.03 gasturbine voor het eerst commercieel in bedrijf genomen, met een combinatiecyclus-stroomopwekkingsefficiëntie van meer dan 64% en een belastingsgroei van tot 75 MW/min. De 7HA.03 gasturbine kan emissies met 70% reduceren. Om koolstofemissies uit gasgestookte stroomopwekking verder te verminderen, ondersteunt GE's 7HA.03 gasturbine momenteel het verbranden van 50% waterstof per volume en heeft een netto-uitkomst van 430 MW in een enkelvoudige cyclus. Een "een-naar" 7HA.03 zware gasturbinecentrale kan een stroomopwekking leveren van maximaal 640 MW, terwijl een "twee-naar" 7HA.03 zware gasturbinecentrale een stroomopwekking kan leveren van maximaal 1 282 MW.

Vandaag de dag is de inkomstemperatuur van de wereldwijde meest geavanceerde zware gas turbines tot 1.600 ° C [11]. Sommige professionals hebben voorspeld dat de maximale inkomstemperatuur van gas turbines in de toekomst kan bereiken 1.700 ℃ , en de efficiëntie van enkelvoudige cyclus en combinatiecyclus kan bereiken 44% ~ 45% en 65% respectievelijk [10].

Samenvattend, hoewel het technische niveau van zware gasturbines in China veel voortgang heeft geboekt ten opzichte van vroeger, bestaat er nog steeds een groot verschil in het niveau van productietechnologie en onderhoud vergeleken met ontwikkelde landen, zoals weergegeven in Tabel 1. Vanwege dit feit moeten binnenlandse producenten en onderzoekers allereerst duidelijk inzicht hebben in de ontwikkelingsstatus van Chinees zware gasturbines, het belang van onderzoek en ontwikkeling van zware gasturbines verhogen, tegelijkertijd met de steun van nationaal beleid, blijven investeren in de technologische ontwikkeling van zware gasturbines, zich richten op de voordelen van alle partijen voor de volledige ontwikkeling van zware gasturbines. Proberen het verschil tussen het technische niveau van onze landelijke zware gasturbines en dat van andere ontwikkelde landen te verkleinen. Daarom heeft het technische niveau van zware gasturbines in China nog steeds een enorme ontwikkelingsruimte, en de toekomstige ontwikkelingstrends richten zich voornamelijk op deze vier aspecten, namelijk hoge parameters, hoge prestaties, lage vervuiling en grote schaal [12].