Progresul cercetării și tendința de dezvoltare a turbinelor gaze grele și a revestirilor lor termice (1)

În domeniul industriei grele, echipamentul de generare electrică mai comun de tip conversie căldură-putere - turbina gaz heavy, din cauza mării sale reduse, ciclului scurt, eficienței ridicate, poluării reduse și alte caracteristici este folosit pe scară largă în reglementarea creșterii sarcinii rețelelor electrice, exploatarea și transportul energiei, generarea electrică pe platformele marine, motorizarea navală avansată, spațială și alte domenii, fiind denumită „perla industriei”. Într-un anumit sens, nivelul general de dezvoltare al industriei naționale este strâns legat de nivelul de cercetare și dezvoltare al turbinelor gaze grele.

În 1939, compania elvețiană BBC a produs prima turbină gaz heavy-duty din lume pentru generarea de energie electrică, ceea ce a început dezvoltarea rapidă a turbinelor gaz heavy-duty în întreaga lume. În ultimii ani, cererea privind economia de energie și protecția mediului a crescut, iar cerințele de performanță ale turbinelor gaz heavy-duty au fost de asemenea îmbunătățite, spre obiectivul eficienței ridicate și a emisiilor reduse [1]. Există două factori principali care afectează eficiența turbinelor gaz: unul este temperatura de intrare a turbinei, iar celălalt este raportul de compresie al compressorului. Printre acestea, lucrul mai crucial este cum să se crească temperatura de intrare a turbinei [2]. Astfel, lamele turbinei, ca componente nucleare ale turbinelor gaz, îmbunătățesc temperatura de intrare a turbinei în principal pe trei puncte, anume: materiale metalice rezistente la temperaturi ridicate, tehnologie avansată de răcire și tehnologia de acoperire termică.

În ultimii ani, s-a dezvoltat viguros tehnologia de formare a cristalilor direcționali/singuri în superalioane, tehnologia de acoperire cu barieră termică și tehnologia de răcire prin film de gaz. Un număr mare de studii au constatat că utilizarea structurii de răcire proiectate poate reduce temperatura de suprafață a componentelor din capătul cald (pale de turbină, camere de combustie, etc.) cu aproximativ 500 ° C, dar încă nu este suficient pentru a îndeplini cerințele. Cu toate acestea, pentru a continua să se îmbunătățească tehnologia de răcire a turbinelor, structurile de răcire proiectate și fabricate de căutători sunt nu numai foarte complexe, dar și dificil de procesat. De asemenea, multe superaleații folosite pentru a fabrica pârghiile turbinelor cu gaz greu au ajuns la temperaturile lor limite, în timp ce compozitelor cu matrice ceramică care au o rezistență mai bună la căldură nu li s-a maturizat încă aplicarea [4]. În contrast, tehnologia de acoperire termică are un cost mai mic și o izolație termică excelentă. Studiile au arătat că acoperirea termică de 100 ~ 500 μ m este depusă pe suprafața pârghiei turbinei prin tehnologia de proiecție termică, ceea ce poate evita contactul direct între gazele ardente și pârghia turbinei cu gaz greu, reducând temperatura de la suprafață cu aproximativ 100 ~ 300 ℃ , astfel încât turbina cu gaz greu să poată fi pusă în funcțiune în siguranță [5-6].

Prin urmare, având în vedere diverse factori, singura metodă viabilă și eficientă pentru a atinge o eficiență ridicată, emisii reduse și o viață utilă lungă a turbinelor cu gaz greu este tehnologia de bardaj termic. Această tehnologie este folosită pe scară largă în componentele extremului cald al turbinelor cu gaz și motorilor aerodinamici. De exemplu, un bardaj termic este proiectat pe suprafața unei pale de turbină pentru a o separa de gazele la temperaturi ridicate, reducând temperatura de suprafață a palei, prelungind durata de viață a acesteia și permitându-i să lucreze la temperaturi mai mari, ceea ce îmbunătățește eficiența turbinei cu gaz. De la începutul dezvoltării din anii '40 și '50 ai secolului trecut, bardajul termic a atras o atenție mare și a fost promovat și dezvoltat viguros de multe instituții de cercetare științifică și producători de bardaje din întreaga lume, iar cererea de tehnologie de bardaj termic în industria modernă devine din ce în ce mai urgentă. Prin urmare, studiul bardajului termic pentru turbinele cu gaz are o importanță practică și strategică majoră.

În ultimii ani, cea mai utilizată acoperire pentru turbinele cu gaz de mare performanță rămâne încă zirconia stabilizată cu itrium (6-8YSZ) cu o fracțiune masivă de 6 wt.% ~ 8 wt.%, dar acoperirea YSZ este nu numai predispusă la transformare de fază și sintereză, dar și la coroziune prin sare lichidă la temperaturi superioare 1 200 ℃ . Adică, coroziune CMAS (CaO-MgO-Al2O3-SiO2 și alte substanțe silicate) și coroziune termică. Pentru a face ca acoperirea să funcționeze la temperaturi superioare 1 200 ℃ de mult timp, cercetătorii au făcut multe eforturi, inclusiv găsirea și dezvoltarea de noi revărsuri termice, îmbunătățirea procesului de pregătire al revărsurilor termice și reglementarea structurii revărsurilor. Prin urmare, pe baza discuțiilor privind starea actuală a turbinelor gaze grele și a structurii sistemului, materialelor și metodelor de pregătire ale revărsurilor termice, această lucrare rezumă starea cercetării legată de revărsurile termice ale turbinelor gaze împotriva coroziunii CMAS și a altor proprietăți cheie, oferind o referință pentru cercetarea revărsurilor termice împotriva coroziunii CMAS.

1 Starea și tendințele de dezvoltare ale turbinelor gaze grele

De când prima turbină cu gaz din lume a fost lansată în 1920, turbinele cu gaz au început să se dezvolte rapid în domeniul industrial. În ultimii ani, mărimea pieței globale de turbine grele cu gaz continuă să crească, țările acordând mai multă atenție cercetării și dezvoltării turbinelor grele cu gaz, crescând investițiile financiare și umane, iar nivelul tehnic al turbinelor grele cu gaz a fost în mod constant îmbunătățit. Nivelul tehnic al turbinelor grele este determinat de temperatura intrării în turbină, care pot fi clasificate în clase E, F și H în funcție de intervalul de temperatură [7]. Printre acestea, puterea clasei E este de 100 ~ 200 MW, puterea clasei F este de 200 ~ 300 MW, iar puterea clasei H este de peste 300 MW.

1.1 Starea actuală a turbinei grele cu gaz din țară

În anii 1950, turbinele gaze grele din China trebuiau să fie introduse de companii străine [General Electric (GE), Siemens din Germania (Siemens), Mitsubishi Heavy Industries din Japonia (MHI)], și apoi să fie proiectate, dezvoltate și fabricate independent. În această fază, tehnologia turbinelor gaze grele a noastră s-a dezvoltat rapid. În anii 1980, s-a produs în China o problemă gravă de scădere a resurselor de țiței și gaze, ceea ce a dus la o stare de depresie a dezvoltării tehnologiei turbinelor gaze grele. Până în 2002, cu transmiterea gazei de vest în est și dezvoltarea și introducerea gazei naturale în țara noastră, problema țițeiului și gazei a fost rezolvată, iar turbinele gaze grele ale țării noastre au început în sfârșit un nou ciclu de dezvoltare [8]. În prezent, fabricarea turbinelor gaze grele din China se bazează în principal pe întreprinderi precum Shanghai Electric, Dongfang Electric, Harbin Electric și altele.

În 2012, în proiectele majore "863" din domeniul energiei, turbină gaz heavy R0110 dezvoltată de compania Shenyang Leing și universitățile majore din China a reușit să finalizeze cu succes operațiunea de testare la sarcină de 72 de ore, ceea ce marchează producerea cu succes a primei turbine gaz heavy cu drepturi de proprietate intelectuală independente, având o sarcină de bază de 114,5MW. Eficiența termică este de 36%. Din momentul respectiv, China a devenit al cincilea țară din lume care are capacitatea de cercetare și dezvoltare independentă a turbinei gaz heavy. În 2014, Shanghai Electric a achiziționat o parte din acțiuni ale lui Ansaldo din Italia, spargând monopolul străin asupra industriei de turbine gaz, ceea ce a făcut ca China să realizeze inițial localizarea turbinei gaz heavy de clasa E/F. În 2019, condusă de China Re-Combustion, tehnologia comună a mai multor instituții a reușit să fabricheze cu succes primul disc mobil, primul disc static și camera de combustie a turbinei gaz F-classe de 300 MW, ceea ce marchează că China este acum capabilă să fabricheze inițial componentele extrem de calde ale turbinei gaz heavy; În aceeași anul, Shanghai Electric și Ansaldo au reușit să dezvolte cu succes o turbină gaz heavy de clasa H GT36, devenind prima turbină gaz heavy de clasa H dezvoltată în țara noastră. În 2020, în cadrul proiectului „973”, prima turbină gaz heavy de clasa F de 50 MW (denumită G50) dezvoltată independent de China Dongfang Electric și Universitatea din Xi'an Jiaotong a reușit să finalizeze cu succes operațiunea de testare stabilă la sarcină maximă [9], ceea ce indică că China este acum capabilă să dezvolte independent turbine gaz heavy de clasa F. În iunie 2022, Jiangsu Yonghan a participat cu succes la dezvoltarea palelor turbinei unei turbine gaz heavy de 300 MW, marcamd astfel succesul ulterior al cercetării și dezvoltării turbinei gaz heavy de 300 MW din China. Cu toate acestea, deși nivelul tehnologiei turbinei gaz heavy din China se îmbunătățește rapid, turbinele gaz de clasa E/F sunt încă utilizate în principal pe piața domestică a turbinei gaz. Printre acestea, eficiența monociclică a celei mai avansate turbine gaz heavy de pe piața domestică este între 42% și 44%, iar eficiența ciclului combinat este între 62% și 64%[10].

1.2 Starea actuală a turbinei cu gaz greu la străini

În ciuda dezvoltării rapide ale științei, tehnologiei și economiei globale din ultimii ani, nivelul tehnic al turbinei cu gaz greu s-a îmbunătățit treptat, dar o mare parte a pieței mondiale de turbine cu gaz greu este încă divizată de GE din Statele Unite, MHI din Japonia, Alstom din Franța și Siemens din Germania. Cu dezvoltarea tehnologiei industriale, tehnologia turbinei cu gaz greu a devenit mai mature, iar accentul cercetării și dezvoltării s-a mutat treptat de la domeniul turbinei cu gaz aerian la cel al turbinei cu gaz greu, fiind dezvoltate turbine de clase E, F, G, H, J.

În prezent, pe piața turbinelor cu gaz greu, multe produse ale Mitsubishi din Japonia sunt mai populare la public. Printre acestea, turbina cu gaz de tip JAC fabricată de Mitsubishi Heavy Industries este cunoscută drept cea mai eficientă turbina cu gaz din lume, iar eficiența sa de generare a energiei în ciclu combinat poate ajunge la 64% sau chiar mai mult. Turbina cu gaz M701J, cea mai eficientă termic din lume pentru generarea de energie electrică, are o putere de 470 MW în ciclu simplu și o putere de 680 MW în ciclu combinat. De asemenea, turbina cu gaz M501J menține încă o eficiență termică de 55% sub condițiile unei sarcini de 50%, iar performanța sa este foarte excelentă.

Turbina gaz heavy de clasa SGT5-9 000HL cu 50 HZ dezvoltată și produsă de Siemens din Germania este cea mai puternică turbina gaz heavy din lume, având cea mai mare putere de ieșire a unei unități unice. Turbina gaz heavy poate produce până la 840 MW de electricitate în mod combinat, iar eficiența sa în ciclu combinat ajunge și până la 63%, dar nu este cea mai eficientă turbina gaz în ciclu combinat.

În octombrie 2019, GE a lansat turbină gaz heavy-duty de tip 7HA.03, care are o putere maximă combinată ușor mai mică decât cea a turbinei heavy-duty SGT5-9000HL a lui Siemens, ajungând la 821 MW, dar eficiența sa maximă combinată este estimată să fie de până la 63,9%. În 2022, turbină gaz 7HA.03 a intrat în funcțiune comercială pentru prima dată, cu o eficiență de generare de energie electrică combinată depășind 64% și o rată de creștere a sarcinii de până la 75 MW/min. Turbina gaz 7HA.03 poate reduce emisiile cu 70%. Pentru a reduce mai mult emisiile de carbon ale centralelor electrice cu gaz, turbina 7HA.03 a lui GE suportă actualmente combustia unui volum de 50% hidrogen și are o ieșire netă de 430 MW în ciclu simplu. O centrală electrică cu turbina gaz heavy-duty 7HA.03 „un-tow” poate furniza o generare de energie electrică de până la 640 MW, în timp ce o centrală electrică cu turbina gaz heavy-duty 7HA.03 „două-tow” poate furniza o generare de energie electrică de până la 1 282 MW.

Astăzi, temperatura de intrare a turbinelor cu gaz mai grele și mai avansate din lume este atât de ridicată cât și 1.600 ° C [11]. Unii profesioniști au prevăzut că temperatura maximă de intrare a turbinelor cu gaz în viitor poate să ajungă la 1.700 ℃ , iar eficiența ciclului simplu și al ciclului combinat poate să ajungă la 44% ~ 45% respectiv 65% [10].

În rezumat, deși nivelul tehnic al turbinei cu gaz greu din China a făcut progrese semnificative comparativ cu trecutul, există încă o diferență considerabilă în ceea ce privește nivelul tehnologiei de fabricație și mentenanță față de țările dezvoltate, așa cum se arată în Tabelul 1. Din această cauză, producătorii naționali și cercetătorii ar trebui să înțeleagă în primul rând starea de dezvoltare a turbinei cu gaz greu din China, să-și crească importanța cercetării și dezvoltării turbinei cu gaz greu, în același timp cu sprijinul politicilor naționale, să continue să crească investițiile financiare în cercetarea tehnologiei turbinei cu gaz greu, să se concentreze pe avantajele tuturor părților pentru dezvoltarea completă a turbinei cu gaz greu. Să încearcă să micșoreze diferența dintre nivelul tehnologic al turbinei cu gaz greu a țării noastre și cel al altor țări dezvoltate. Prin urmare, nivelul tehnic al turbinei cu gaz greu din China are încă un spațiu uriaș de dezvoltare, iar tendința sa de dezvoltare viitoare se orientează în principal spre aceste patru aspecte, anume, parametri înalte, performanță ridicată, poluare redusă și la scară largă [12].