В области тяжелой промышленности наиболее распространенное оборудование для генерации электроэнергии с преобразованием тепла в энергию - тяжелая газовая турбина, благодаря малым габаритам, короткому циклу, высокой эффективности, меньшему загрязнению и другим характеристикам широко используется в пиковых нагрузках электросетей, добыче и передаче энергии, производстве энергии в океане, передовой судовой энергетике, аэрокосмической отрасли и других областях, называемых "промышленной жемчужиной". В определенном смысле общий уровень развития национальной обрабатывающей промышленности тесно связан с уровнем исследований и разработок тяжелых газовых турбин.
В 1939 году швейцарская компания BBC выпустила первую в мире сверхмощную газовую турбину для выработки электроэнергии, что положило начало быстрому развитию сверхмощных газовых турбин по всему миру. В последние годы растет спрос на энергосбережение и защиту окружающей среды, а также повышаются требования к производительности сверхмощных газовых турбин в направлении достижения высокой эффективности и низкого уровня выбросов [1]. Существует два основных фактора, влияющих на эффективность газовых турбин: один из них — температура на входе в турбину, а другой — степень сжатия компрессора. Среди них наиболее важным является то, как повысить температуру на входе в турбину [2]. Поэтому лопатки турбины, как основные компоненты газовых турбин, повышают температуру на входе в турбину, в основном опираясь на три момента, а именно: на высокотемпературные стойкие металлические материалы, передовую технологию охлаждения и технологию покрытия термическим барьером.
В последние годы интенсивно развиваются технологии направленного формирования кристаллов/монокристаллов из суперсплавов, технологии нанесения термобарьерных покрытий и технологии газового пленочного охлаждения [3]. Большое количество исследований показало, что использование разработанной охлаждающей структуры может снизить температуру поверхности компонентов горячего конца (турбинных лопаток, камер сгорания и т. д.) примерно на 500 ° C, но этого все еще недостаточно для удовлетворения требований. Однако для того, чтобы продолжать совершенствовать технологию охлаждения турбин, охлаждающие конструкции, разработанные и изготовленные исследователями, не только очень сложны, но и трудны в обработке. Кроме того, многие суперсплавы, используемые для изготовления лопаток газовых турбин большой мощности, достигли своих предельных температур, в то время как композиты с керамической матрицей с лучшей термостойкостью еще не созрели для применения [4]. Напротив, технология покрытия тепловым барьером имеет более низкую стоимость и отличную теплоизоляцию. Исследования показали, что покрытие тепловым барьером 100 ~ 500μм наносится на поверхность лопатки турбины с помощью технологии термического напыления, что позволяет избежать прямого контакта между высокотемпературным газом и лопаткой турбины тяжелой газовой турбины и снизить температуру поверхности примерно на 100 ~ 300 ℃),, чтобы можно было безопасно ввести в эксплуатацию мощную газовую турбину [5-6].
Поэтому, принимая во внимание различные факторы, единственным возможным и эффективным методом достижения высокой эффективности, низкого уровня выбросов и длительного срока службы мощных газовых турбин является технология термобарьерного покрытия. Эта технология широко используется в компонентах горячего конца газовых турбин и авиационных двигателей. Например, термобарьерное покрытие напыляется на поверхность лопатки турбины, чтобы отделить ее от высокотемпературного газа, чтобы снизить температуру поверхности лопатки, продлить срок службы лопатки и дать ей возможность работать при более высокой температуре, тем самым повышая эффективность газовой турбины. С момента разработки в конце 1940-х и начале 1950-х годов термобарьерное покрытие привлекло большое внимание и активно продвигалось и развивалось многими научно-исследовательскими институтами и производителями покрытий по всему миру, и спрос на технологию термобарьерного покрытия в современной промышленности становится все более и более актуальным. Поэтому изучение термобарьерного покрытия для газовых турбин имеет большое практическое и стратегическое значение.
В последние годы наиболее широко используемым покрытием для мощных газовых турбин по-прежнему остается стабилизированный иттрием диоксид циркония (6-8YSZ) с массовой долей 6 мас.% ~ 8 мас.%, однако покрытие YSZ не только подвержено фазовому превращению и спеканию, но и подвержено коррозии расплавленными солями при температурах выше 1 200 ℃),. То есть коррозия CMAS (CaO-MgO-Al2O3-SiO2 и другие силикатные вещества) и термическая коррозия. Для того, чтобы покрытие работало при температурах выше 1 200 ℃), В течение длительного времени исследователи прилагали много усилий, включая поиск и разработку новых теплозащитных покрытий, улучшение процесса подготовки теплозащитных покрытий и регулирование структуры покрытия. Поэтому на основе обсуждения текущего состояния тяжелых газовых турбин и структуры системы, материалов и методов подготовки теплозащитных покрытий в этой статье суммируется статус исследований теплозащитных покрытий газовых турбин против коррозии CMAS и других ключевых свойств, предоставляя ссылку для исследований теплозащитных покрытий против коррозии CMAS.
С тех пор, как в 1920 году в мире появилась первая газовая турбина, газовые турбины начали быстро развиваться в промышленной сфере. В последние годы масштаб мирового рынка тяжелых газовых турбин продолжает расти, страны уделяют больше внимания исследованиям и разработкам тяжелых газовых турбин и продолжают увеличивать капитальные и трудовые инвестиции, а технический уровень тяжелых газовых турбин постоянно совершенствуется. Технический уровень тяжелых газовых турбин определяется уровнем температуры на входе в турбину, который можно разделить на классы E, F и H в соответствии с диапазоном температур [7]. Среди них мощность класса E составляет 100 ~ 200 МВт, мощность класса F составляет 200 ~ 300 МВт, а мощность класса H составляет более 300 МВт.
1.1 Статус-кво отечественных мощных газовых турбин
В 1950-х годах китайские газовые турбины большой мощности должны были быть представлены иностранными компаниями [General Electric (GE), Siemens (Siemens) в Германии, Mitsubishi Heavy Industries (MHI) в Японии], а затем независимо спроектированы, разработаны и изготовлены. На этом этапе технология газовых турбин большой мощности в нашей стране быстро развивалась. В 1980-х годах в Китае возникла серьезная проблема нехватки нефти и газа, и развитие технологии газовых турбин большой мощности было вынуждено перейти в состояние спада. К 2002 году, с передачей газа с запада на восток и разработкой и внедрением природного газа в нашей стране, проблема нефти и газа была решена, и газовые турбины большой мощности в нашей стране, наконец, начали новый виток развития [8]. В настоящее время производство газовых турбин большой мощности в Китае в основном опирается на Shanghai Electric, Dongfang Electric, Harbin Electric и другие предприятия.
В 2012 году в рамках «863» крупных проектов в области энергетики, газовая турбина большой мощности R0110, разработанная компанией Shenyang Leing Company и крупными университетами Китая, успешно завершила 72-часовую нагрузочную испытательную операцию, что знаменует собой успешное производство первой газовой турбины большой мощности с независимыми правами интеллектуальной собственности, а ее базовая нагрузка составляет 114.5 МВт. Тепловой КПД составляет 36%. С тех пор Китай стал пятой страной в мире с независимыми исследованиями и разработками в области возможностей газовых турбин большой мощности. В 2014 году Shanghai Electric купила долю в Ansaldo, Италия, разрушив иностранную монополию на газовую турбинную промышленность, что также заставило Китай изначально реализовать локализацию тяжелых газовых турбин класса E/F. В 2019 году под руководством China Re-Combustion совместная технология нескольких институтов успешно изготовила подвижную лопатку первой ступени, статическую лопатку первой ступени и камеру сгорания газовой турбины F-класса мощностью 300 МВт, что свидетельствует о том, что Китай изначально смог изготовить компоненты горячего конца тяжелых газовых турбин; В том же году Shanghai Electric и Ansaldo успешно разработали тяжелую газовую турбину класса H GT36, став первой тяжелой газовой турбиной класса H, разработанной в нашей стране. В 2020 году в проекте «973» первая тяжелая газовая турбина F-класса мощностью 50 МВт (называемая G50), независимо разработанная China Dongfang Electric и Сианьским университетом Цзяотун, успешно завершила стабильную испытательную эксплуатацию при полной нагрузке [9], что свидетельствует о том, что Китай изначально смог самостоятельно разработать тяжелые газовые турбины F-класса. В июне 2022 года компания Jiangsu Yonghan приняла участие в разработке лопатки турбины тяжелой газовой турбины мощностью 300 МВт после первоначального успеха испытаний, что ознаменовало дальнейший успех исследований и разработок тяжелой газовой турбины мощностью 300 МВт в Китае. Однако, хотя уровень технологии тяжелых газовых турбин в Китае быстро улучшается, газовые турбины класса E/F по-прежнему в основном используются на внутреннем рынке газовых турбин. Среди них эффективность одноциклового режима самых современных тяжелых газовых турбин на внутреннем рынке составляет от 42% до 44%, а эффективность комбинированного цикла — от 62% до 64%[10].
Несмотря на бурное развитие мировой науки и техники и экономики в последние годы, технический уровень тяжелых газовых турбин постепенно улучшается, но большую часть мирового рынка тяжелых газовых турбин по-прежнему делят между собой GE (США), MHI (Япония), Alstom (Франция) и Siemens (Германия). С развитием промышленных технологий технология тяжелых газовых турбин становится более зрелой, и фокус исследований и разработок постепенно смещается из области авиационных газовых турбин в область тяжелых газовых турбин, и разрабатываются газовые турбины классов E, F, G, H, J.
В настоящее время на рынке тяжелых газовых турбин многие продукты японской компании Mitsubishi пользуются большей популярностью у общественности. Среди них газовая турбина типа JAC, производимая компанией Mitsubishi Heavy Industries, известна как самая эффективная газовая турбина в мире, а ее эффективность комбинированного цикла выработки электроэнергии может достигать 64% и даже выше. Газовая турбина M701J, самая высокая в мире термическая эффективность газовой турбины для выработки электроэнергии, имеет мощность простого цикла 470 МВт и мощность комбинированного цикла 680 МВт. Кроме того, газовая турбина M501J по-прежнему имеет 55% термической эффективности при 50% нагрузке, и ее производительность очень превосходна.
Тяжелая газовая турбина класса 50 Гц SGT5-9 000HL, разработанная и произведенная немецкой компанией Siemens, является самой мощной тяжелой газовой турбиной с самой высокой выходной мощностью отдельного блока в мире. Тяжелая газовая турбина может производить до 840 МВт электроэнергии в режиме комбинированного цикла, а ее эффективность в комбинированном цикле также составляет до 63%, но это не самая эффективная газовая турбина в комбинированном цикле.
В октябре 2019 года GE запустила мощную газовую турбину 7HA.03, которая имеет максимальную выходную мощность в комбинированном цикле немного ниже, чем у мощной газовой турбины класса SGT5-9000HL компании Siemens, достигая 821 МВт, но ее максимальный КПД в комбинированном цикле оценивается в 63.9%. В 2022 году газовая турбина 7HA.03 была впервые введена в коммерческую эксплуатацию, при этом КПД выработки электроэнергии в комбинированном цикле превысил 64%, а скорость роста нагрузки достигла 75 МВт/мин. Газовая турбина 7HA.03 может сократить выбросы на 70%. Для дальнейшего сокращения выбросов углерода при выработке электроэнергии на газе газовая турбина GE 7HA.03 в настоящее время поддерживает сжигание 50% водорода по объему и имеет чистую мощность 430 МВт за один цикл. «Однобуксировочная» газотурбинная электростанция большой мощности 7HA.03 может обеспечить выработку электроэнергии до 640 МВт, а «двубуксировочная» газотурбинная электростанция большой мощности 7HA.03 может обеспечить выработку электроэнергии до 1 282 МВт.
Сегодня температура на входе самых современных в мире мощных газовых турбин достигает 1,600 °C. ° C [11]. Некоторые специалисты предсказывают, что максимальная температура на входе в газовые турбины в будущем может достичь 1 700 ℃),, а эффективность одиночного цикла и комбинированного цикла может достигать 44% ~ 45% и 65% соответственно [10].
Подводя итог, можно сказать, что хотя технический уровень тяжелых газовых турбин в Китае достиг большого прогресса по сравнению с прошлым, все еще существует большой разрыв в уровне производственных технологий и обслуживания по сравнению с развитыми странами, как показано в таблице 1. Из-за этого отечественные производители и исследователи должны в первую очередь четко понимать состояние развития тяжелых газовых турбин Китая, повышать важность исследований и разработок тяжелых газовых турбин, в то же время при поддержке национальной политики продолжать увеличивать капиталовложения в исследования технологий тяжелых газовых турбин, сосредотачиваться на преимуществах всех сторон для полного развития тяжелых газовых турбин. Постарайтесь сократить разрыв между уровнем технологий тяжелых газовых турбин нашей страны и другими развитыми странами. Таким образом, технический уровень тяжелых газовых турбин в Китае все еще имеет огромное пространство для развития, и его будущая тенденция развития в основном направлена на эти четыре аспекта, а именно: высокие параметры, высокая производительность, низкий уровень загрязнения и крупномасштабность [12].
2024-12-31
2024-12-04
2024-12-03
2024-12-05
2024-11-27
2024-11-26
Наша профессиональная команда продаж ждет вашей консультации.