Forskningsframgang og utviklingsrettning av tunge gass turbine og deres varmebarrieredyninger (1)

Innen tung industri er den mer vanlige varme-kraft konverteringstype oppdragsutstyr - tung gass turbine, på grunn av sin lille arealbruk, kort syklus, høy effektivitet, lite forurensning og andre egenskaper, brukes mye i nettets topplast, energiutvinning og transport, havnedrift, fremtidige skipskraftverk, luft- og romfart og andre områder, og kalles "den industrielle perlen". På en viss måte er det overordnede utviklingsnivået til nasjonale produksjonsnæringen tett knyttet til forsknings- og utviklingsnivået av tunge gass-turbiner.

I 1939 produserte den svissiske BBC-selskapet verdenes første tunge gass turbine for strømproduksjon, noe som startet den raske utviklingen av tunge gass turbiner over hele verden. I de siste årene har kravene om energibesparelse og miljøvern økt, og ytelseskravene til tunge gass turbiner har også blitt forbedret, med mål om høy effektivitet og lave utslipp [1]. Det er to hovedfaktorer som påvirker effektiviteten til gass turbiner: én er turbinnens innlettemperatur, og den andre er kompressorens trykkforhold. Blant disse er det mer kritisk hvordan man øker turbinnens innlettemperatur [2]. Derfor, som de kjernekomponentene i gass turbiner, avhenger forbedringen av turbinnens innlettemperatur hovedsakelig av tre punkter, nemlig høytemperaturmetallmaterialer, avansert kjølingsteknologi og termisk barrierebekleingsteknologi.

I de siste årene har superlegemebladets rettet kristall/enkeltkristall-formingsteknologi, varmebarrieredytteknologi og gassfilmkjølingsteknologi vært sterkt utviklet [3]. En stor mengde studier har vist at bruk av den designede kjølingsstrukturen kan redusere overflatedemperaturen på de varme endene av komponentene (turbinblader, forbreningskammer osv.) med omtrent 500 ° C, men det er fortsatt ikke nok for å oppfylle kravene. Likevel, for å fortsette å forbedre kjølevannsteknologien, er de kjølevansker som forskerne har designet og produsert ikke bare veldig komplekse, men også vanskelige å behandle. I tillegg har mange superlegemer som brukes til å lage tunggassøyler nådd sine grense temperaturer, mens keramiske matrisekomposit med bedre varmemotstand enda ikke er modne for anvendelse [4]. I motsetning til dette, har termisk barrierebehandling en lavere kostnad og utmerket varmeisolering. Studier har vist at den termiske barrierebeklæringen av 100 ~ 500 μ m avlageres på turbinbladets overflate ved hjelp av termisk sprøytingsteknologi, som kan unngå direkte kontakt mellom høytemperert gass og turbinbladet i tunggassøylen, og redusere overflatedemperaturen med omtrent 100 ~ 300 ℃ , slik at tunggassøylen kan settes i drift sikkert [5-6].

Derfor, ved å ta hensyn til ulike faktorer, er den eneste mulige og effektive metoden for å oppnå høy effektivitet, lave utslipp og lang levetid for tunge gassdriftere termodisiplinert deknings teknologi. Denne teknologien brukes mye i varmeendepartikler av gassdriftere og flymotorer. For eksempel blir en termodisiplinert dekning spredd på overflaten av en turbinblad for å skille det fra høytemperert gass for å redusere bladets overflate temperatur, forlenge bladets tjenesteliv og gjøre det mulig å jobbe på en høyere temperatur, dermed forbedre effektiviteten til gassdrevet. Siden utviklingen i slutten av 1940- og begynnelsen av 1950-tallet har termodisiplinert dekning vakt stor oppmerksomhet og blitt sterkt fremmet og utviklet av mange forskningsinstitutter og dekningsprodusenter rundt om i verden, og etterspørselen etter termodisiplinert deknings teknologi i moderne industri blir stadig mer akutt. Derfor har studiet av termodisiplinert dekning for gassdriftere stor praktisk og strategisk betydning.

I de siste årene er det yttriumstabiliserte sirkonia (6-8YSZ) med en massefraksjon på 6 wt.% ~ 8 wt.% som fortsatt er den mest brukte overflatedekningen for tunge gassøyler, men YSZ-dekningen er ikke bare nokså utsett for fasetransformasjon og sintering, men også nokså utsett for saltkorrosjon ved temperaturer over 1 200 ℃ . Dette betyr nemlig CMAS-korrosjon (CaO-MgO-Al2O3-SiO2 og andre silikatstoffer) og termisk korrosjon. For å gjøre dekningen funksjonell ved temperaturer over 1 200 ℃ i lang tid har forskere gjort mange anstrengelser, inkludert å finne og utvikle nye varmebarrieredypper, forbedre forberedelsesprosessen for varmebarrieredypper og regulere strukturen på dyppen. Derfor, på grunnlaget for å diskutere tilstanden til store gassrørstyrker og systemstrukturen, materialene og forberedelsesmetodene for varmebarrieredypper, summerer denne artikkelen statusen av forskning på varmebarrieredypper mot CMAS-korrosjon og andre nøkkelegenskaper for gassrør, og gir en referanse for forskning på varmebarrieredypper mot CMAS-korrosjon.

1 Status og utviklingsretning for store gassrørstyrker

Ettersom den første gass turbine i verden kom ut i 1920, har gass turbiner begynt å utvikle seg raskt i industrielt felt. I de siste årene har størrelsen på den globale markedet for tunge gass turbiner fortsett å vokse, landene setter mer fokus på forskning og utvikling av tunge gass turbiner, og fortsetter å øke kapital- og mannskapsinvesteringer, og teknologinivået til tunge gass turbiner har blitt konstant forbedret. Teknologinivået til tunge gass turbiner bestemmes av turtinnføringstemperaturenivået, som kan deles inn i E, F og H-klasser etter temperaturintervallet [7]. Blant disse er kraften i klasse E 100 ~ 200 MW, kraften i klasse F 200 ~ 300 MW, og kraften i klasse H mer enn 300 MW.

1.1 Nåværende tilstand av domesticke tunge gass turbiner

I 1950-erne måtte Kina introdusere tunge gassøyler fra utländske selskaper [General Electric (GE), Tysklands Siemens (Siemens), Japans Mitsubishi Heavy Industries (MHI)], før de kunne designes, utvikles og fremstilles uavhengig. I denne fasen har Kinas teknologi for tunge gassøyler utviklet seg raskt. I 1980-erne oppsto alvorlige problemer med brist på olje og gass i Kina, og utviklingen av teknologien for tunge gassøyler ble tvunget inn i en nedgangstid. Det var ikke før 2002, med gassoverføringen vest-øst og utviklingen og introduksjonen av naturgass i landet, at problemet med olje og gass ble løst, og Kinas tunge gassøyler begynte endelig en ny runde med utvikling [8]. I dag baserer Kinas produksjon av tunge gassøyler seg hovedsakelig på selskaper som Shanghai Electric, Dongfang Electric, Harbin Electric og andre.

I 2012, i prosjektet "863" innen energifeltet, fullførte Shenyang Leing Company sammen med viktige universiteter i Kina en vellykket 72-timers lasttest av den tunge gassdriven motoren R0110, som de hadde utviklet. Dette markerer den første vellykkede produksjonen av en tung gassdriven turbine med egen intellektuell eiendom, og dens baselast er 114,5 MW. Termisk effektivitet er 36%. Deretter ble Kina det femte landet i verden som har evne til uavhengig forskning og utvikling av tunge gassdrivne turbiner. I 2014 kjøpte Shanghai Electric aksjer i Ansaldo i Italia, noe som brøt fremmed monopol på gassdrivne turbinindustrien og gjorde at Kina kunne realisere lokalproduksjon av E/F-klassetrake gassdrivne turbiner. I 2019, ledet av China Re-Combustion, klarte flere institusjoner å manufakturere den første faseens bevegelige blad, den første faseens statiske blad og forbreningskammeret til en F-klasses 300 MW gassdriven turbine, noe som markerer at Kina nå kan produsere varmeende-komponenter for tunge gassdrivne turbiner; Samme år utviklet Shanghai Electric og Ansaldo en H-klasses tunge gassdriven turbine GT36, som ble den første H-klasses tunge gassdriven turbine som ble utviklet i vårt land. I 2020, i prosjektet "973", fullførte China Dongfang Electric og Xi'an Jiaotong University vellykket en fulllast stabil test av den første F-klasses 50 MW tunge gassdriven turbine (kalt G50) som ble uavhengig utviklet i Kina, hvilket indikerer at Kina nå kan uavhengig utvikle F-klasses tunge gassdrivne turbiner. I juni 2022, deltok Jiangsu Yonghan i utviklingen av 300 MW tunge gassdrivne turbineblader etter en initiell suksess i testing, noe som markerer ytterligere framgang i Kinas forskning og utvikling av 300 MW tunge gassdrivne turbiner. Likevel, selv om teknologinivået for tunge gassdrivne turbiner i Kina øker raskt, er E/F-klassetrake gassdrivne turbiner fortsatt hovedsakelig i bruk i den domesticke gassdrivne turbinmarkedet. Den mest avanserte enkelcyklus-effektiviteten for tunge gassdrivne turbiner på den domesticke marked er 42% til 44%, mens kombinert cyklus-effektiviteten er 62% til 64%[10].

1.2 Status quo av tunge gassøyler utlandet

Trotte på den raske utviklingen innen global vitenskap, teknologi og økonomi de siste årene, har teknologinivået for tunge gassøyler gradvis forbedret seg, men et stort del av verdens marked for tunge gassøyler er fortsatt delt mellom USA GE, Japan MHI, Frankrike Alstom og Tyskland Siemens. Med utviklingen av industriell teknologi har teknologien for tunge gassøyler blitt mer moden, og fokus for forskning og utvikling har gradvis skiftet fra luftfartsgassøyler til tunge gassøyler, og E, F, G, H, J-klasser gassøyler har blitt utviklet.

I dag er mange av Japans Mitsubishi-produkter populære i den tunge gass turbine-markedet. Blant disse er JAC-typen gass turbine fra Mitsubishi Heavy Industries kjent som verdens mest effektive gass turbine, med en kombinert syklus effektivitet som kan nå 64% eller høyere. M701J-gassturbinen, som er verdens mest varmeffektive turbine for kraftproduksjon, har en enkel syklus kraft på 470 MW og en kombinert syklus kraft på 680 MW. I tillegg har M501J-gassturbinen fortsatt 55% varmeanvendelse ved 50% lastbetingelser, og dens ytelse er meget fremragende.

Den 50 HZ SGT5-9 000HL-klassen tung gass turbine som er utviklet og produsert av Siemens i Tyskland, er den mest kraftfulle tunge gass turbinen med høyest utgangsprestasjon fra en enkelt enhet i verden. Den tunge gass turbinen kan produsere opp til 840 MW elektrisitet i kombinert syklusmodus, og dens effektivitet i kombinert syklus er også opp til 63%, men den er ikke den mest effektive gass turbinen i kombinert syklus.

I oktober 2019 lanserte GE den 7HA.03-tunggassøylen, som har en maksimal kombinert syklusutgangsomtak litt lavere enn Siemens' SGT5-9000HL-klasse tunggassøyler, som når 821 MW, men dens maksimale kombinerte sykluseffektivitet er estimert til å være så høy som 63,9%. I 2022 ble den 7HA.03-gassøylen satt i drift for første gang, med en effektivitet for kombinert syklusstrømproduksjon på over 64% og lastvekst på opp til 75 MW/min. Den 7HA.03-gassøylen kan redusere utslipp med 70%. For å videre redusere karbonutslipp fra gassdrivne kraftverk støtter GEs 7HA.03-gassøyler forbrenning av 50% hydrogen volumvis og har en nettoutgang på 430 MW i enkeltsyklus. En "en-dra" 7HA.03-tunggassøyleplass kan produsere opp til 640 MW strøm, mens en "to-dra" 7HA.03-tunggassøyleplass kan produsere opp til 1 282 MW.

I dag er innlettemperaturen av verden sine mest avanserte tunge gass turbine så høy som 1 600 ° C [11]. Noen fagfolk har forutsagt at den maksimale innlettemperaturen til gasturbiner i fremtiden kan nå 1 700 ℃ , og effektiviteten av enkelt- og kombinert sirkel kan nå 44% ~ 45% og henholdsvis 65% [10].

I oppsummering, selv om den tekniske nivået av tunggasseturbin i Kina har gjort store fremsteg sammenlignet med fortiden, finnes det fortsatt en stor skillnad i nivået av produksjonsteknologi og vedlikehold sammenlignet med utviklede land, som vist i Tabell 1. Grunnet dette bør domesticke produsenter og forskere først og fremst klart forstå utviklingsstatusen av Kinas tunge gasseturbiner, øke betyelsen av forskning og utvikling av tunge gasseturbiner, samtidig med støtte fra nasjonale politikker, fortsette å øke kapitalinvesteringene i teknologiforskning av tunge gasseturbiner, fokusere på fordelen til alle parter for full utvikling av tunge gasseturbiner. Prøv å forkorte skillnaden mellom vårt lands teknologinivå av tunge gasseturbiner og andre utviklede land. Derfor har den tekniske nivået av tunge gasseturbiner i Kina fortsatt et stort utviklingsrom, og dens fremtidige utviklingsretning er hovedsakelig rettet mot disse fire aspektene, nemlig høy parametere, høy ytelse, lav forurensning og stor skala [12].