Pokrok vo výskume a trend vývoja vysokovýkonných plynových turbín a ich tepelne bariérových povlakov（1） Slovensko

V oblasti ťažkého priemyslu sa bežnejšie zariadenie na výrobu energie typu konverzie tepla a energie - ťažká plynová turbína, vďaka malej ploche, krátkemu cyklu, vysokej účinnosti, menšiemu znečisteniu a iným charakteristikám, široko používa pri špičkovom zaťažení elektrickej siete, energii ťažba a prenos, výroba energie z oceánov, pokročilá lodná energia, letectvo a iné oblasti, nazývané „priemyselná perla“. Celková úroveň rozvoja národného spracovateľského priemyslu v určitom zmysle úzko súvisí s úrovňou výskumu a vývoja ťažkých plynových turbín.

V roku 1939 švajčiarska spoločnosť BBC vyrobila prvú ťažkú ​​plynovú turbínu na svete na výrobu energie, čím sa začal rýchly vývoj vysokovýkonných plynových turbín po celom svete. V posledných rokoch rastie dopyt po úspore energie a ochrane životného prostredia a zlepšujú sa aj požiadavky na výkon vysokovýkonných plynových turbín, smerom k cieľu vysokej účinnosti a nízkych emisií [1]. Účinnosť plynových turbín ovplyvňujú dva hlavné faktory: jedným je vstupná teplota turbíny a druhým je kompresný pomer kompresora. Spomedzi nich je kritickejšie, ako zvýšiť vstupnú teplotu turbíny [2]. Preto lopatky turbín, ako základné komponenty plynových turbín, zlepšujú vstupnú teplotu turbíny, sa spoliehajú hlavne na tri body, a to kovové materiály odolné voči vysokej teplote, pokročilú technológiu chladenia a technológiu tepelnej bariéry.

V posledných rokoch sa intenzívne vyvinula technológia smerového kryštálov/jednokryštálov s čepeľou zo superzliatiny, technológia tepelnej bariérovej povrchovej úpravy a technológia chladenia plynovým filmom [3]. Veľké množstvo štúdií zistilo, že použitie navrhnutej chladiacej štruktúry môže znížiť povrchovú teplotu komponentov horúceho konca (lopatky turbíny, spaľovacie komory atď.) o približne 500 ° C, ale na splnenie požiadaviek to stále nestačí. Aby však bolo možné pokračovať v zlepšovaní technológie chladenia turbín, chladiace konštrukcie navrhnuté a vyrobené výskumníkmi sú nielen veľmi zložité, ale aj náročné na spracovanie. Okrem toho mnohé superzliatiny používané na výrobu vysokovýkonných lopatiek plynových turbín dosiahli svoje limitné teploty, zatiaľ čo kompozity s keramickou matricou s lepšou tepelnou odolnosťou neboli zrelé na aplikáciu [4]. Na rozdiel od toho má technológia tepelnej bariéry nižšiu cenu a vynikajúcu tepelnú izoláciu. Štúdie ukázali, že povlak tepelnej bariéry 100 ~ 500μm sa nanáša na povrch lopatky turbíny technológiou tepelného striekania, ktorá môže zabrániť priamemu kontaktu medzi vysokoteplotným plynom a lopatkou turbíny vysokovýkonnej plynovej turbíny a znížiť povrchovú teplotu asi o 100 ~ 300℃, aby bolo možné vysokovýkonnú plynovú turbínu bezpečne uviesť do prevádzky [5-6].

Vzhľadom na rôzne faktory je preto jedinou uskutočniteľnou a účinnou metódou na dosiahnutie vysokej účinnosti, nízkych emisií a dlhej životnosti vysokovýkonných plynových turbín technológia tepelnej bariéry. Táto technológia je široko používaná v horúcich koncových komponentoch plynových turbín a leteckých motorov. Napríklad tepelná bariéra sa nastrieka na povrch lopatky turbíny, aby ju oddelil od vysokoteplotného plynu, aby sa znížila povrchová teplota lopatky, predĺžila sa životnosť lopatky a umožnila sa jej práca pri vyššej teplote. , čím sa zlepší účinnosť plynovej turbíny. Od vývoja koncom 1940-tych a začiatkom 1950-tych rokov XNUMX. storočia priťahoval povlak tepelnej bariéry veľkú pozornosť a bol dôrazne propagovaný a vyvíjaný mnohými vedeckými výskumnými inštitúciami a výrobcami povlakov na celom svete a dopyt po technológii povlakov s tepelnou bariérou v modernom priemysle sa zvyšuje. a naliehavejšie. Preto má štúdium tepelnej bariéry pre plynové turbíny veľký praktický a strategický význam.

V posledných rokoch je najpoužívanejším povlakom pre vysokovýkonné plynové turbíny stále ytriom stabilizovaný oxid zirkoničitý (6-8YSZ) s hmotnostným podielom 6 % hm. ~ 8 % hm., ale povlak YSZ nie je náchylný len na fázovú transformáciu a spekanie, ale tiež náchylné na koróziu roztavenej soli pri teplotách nad 1 200℃. Teda korózia CMAS (CaO-MgO-Al2O3-SiO2 a iné silikátové látky) a tepelná korózia. Aby náter fungoval pri teplotách nad 1 200 st℃ po dlhú dobu výskumníci vynaložili veľa úsilia, vrátane hľadania a vývoja nových povlakov tepelnej bariéry, zlepšovania procesu prípravy povlakov tepelnej bariéry a regulácie štruktúry povlaku. Preto na základe diskusie o súčasnom stave vysokovýkonných plynových turbín a štruktúre systému, materiáloch a metódach prípravy povlakov tepelnej bariéry tento článok sumarizuje stav výskumu povlakov tepelnej bariéry plynových turbín proti korózii CMAS a ďalšie kľúčové vlastnosti, poskytuje referenciu pre výskum tepelne bariérových povlakov proti korózii CMAS.

1 Stav a trend vývoja vysokovýkonných plynových turbín

Odkedy bola v roku 1920 uvedená prvá plynová turbína na svete, plynové turbíny sa začali rýchlo rozvíjať v priemyselnej oblasti. V posledných rokoch rozsah globálneho trhu s ťažkými plynovými turbínami naďalej rastie, krajiny venujú väčšiu pozornosť výskumu a vývoju ťažkých plynových turbín a naďalej zvyšujú investície do kapitálu a pracovnej sily a technická úroveň ťažkých plynových turbín sa neustále zlepšoval. Technická úroveň vysokovýkonných plynových turbín je určená úrovňou vstupnej teploty turbíny, ktorú je možné rozdeliť do tried E, F a H podľa teplotného rozsahu [7]. Medzi nimi je výkon triedy E 100 ~ 200 MW, výkon triedy F je 200 ~ 300 MW a výkon triedy H je viac ako 300 MW.

1.1 Status quo domácich vysokovýkonných plynových turbín

V 1950. rokoch minulého storočia bolo potrebné, aby čínske plynové turbíny pre veľké zaťaženie boli predstavené zahraničnými spoločnosťami [General Electric (GE), nemeckým Siemensom (Siemens), japonským Mitsubishi Heavy Industries (MHI)] a následne nezávisle navrhnuté, vyvinuté a vyrobené. V tejto fáze sa rýchlo rozvíjala technológia vysokovýkonných plynových turbín našej krajiny. V 1980-tych rokoch minulého storočia sa v Číne vyskytol vážny problém nedostatku ropy a plynu a vývoj technológie vysokovýkonných plynových turbín sa dostal do útlmu. Do roku 2002 sa západo-východnou prepravou plynu a rozvojom a zavedením zemného plynu u nás vyriešil problém ropy a plynu a vysokovýkonné plynové turbíny u nás konečne začali nové kolo vývoja [8]. V súčasnosti sa čínska výroba ťažkých plynových turbín spolieha hlavne na Shanghai Electric, Dongfang Electric, Harbin Electric a ďalšie podniky.

V roku 2012, v rámci „863“ veľkých projektov v oblasti energetiky, vysokovýkonná plynová turbína R0110 vyvinutá spoločnosťou Shenyang Leing Company a významnými univerzitami v Číne úspešne dokončila 72-hodinovú prevádzkovú záťažovú skúšku, čo znamená úspešnú výrobu prvého ťažkého - prevádzková plynová turbína s nezávislými právami duševného vlastníctva a jej základné zaťaženie je 114.5 MW. Tepelná účinnosť je 36%. Odvtedy sa Čína stala piatou krajinou na svete s nezávislým výskumom a vývojom vysokovýkonných plynových turbín. V roku 2014 Shanghai Electric kúpila podiel v Ansaldo v Taliansku, čím prelomila zahraničný monopol na priemysel plynových turbín, čo tiež prinútilo Čínu spočiatku realizovať lokalizáciu ťažkých plynových turbín triedy E/F. V roku 2019 pod vedením China Re-Combustion spoločná technológia niekoľkých inštitúcií úspešne vyrobila pohyblivú lopatku prvého stupňa, statickú lopatku prvého stupňa a spaľovaciu komoru plynovej turbíny triedy F s výkonom 300 MW, čo znamená, že Čína bola schopná spočiatku vyrábať komponenty horúceho konca ťažkých plynových turbín; V tom istom roku Shanghai Electric a Ansaldo úspešne vyvinuli ťažkú ​​plynovú turbínu GT36 triedy H, ktorá sa stala prvou ťažkou plynovou turbínou triedy H vyvinutou v našej krajine. V roku 2020 v projekte „973“ prvá vysokovýkonná plynová turbína triedy F s výkonom 50 MW (nazývaná G50) nezávisle vyvinutá spoločnosťami China Dongfang Electric a Xi 'an Jiaotong University úspešne dokončila stabilnú skúšobnú prevádzku pri plnom zaťažení [9] , čo naznačuje, že Čína bola spočiatku schopná nezávisle vyvinúť vysokovýkonné plynové turbíny triedy F. V júni 2022 sa Jiangsu Yonghan podieľal na vývoji 300 MW ťažkej plynovej turbínovej lopatky po počiatočnom úspechu testu, čo znamenalo ďalší úspech čínskeho výskumu a vývoja ťažkej plynovej turbíny s výkonom 300 MW. Aj keď sa úroveň technológie vysokovýkonných plynových turbín v Číne rýchlo zlepšuje, plynové turbíny triedy E/F sa stále používajú hlavne na domácom trhu s plynovými turbínami. Spomedzi nich je účinnosť jedného cyklu najpokročilejších vysokovýkonných plynových turbín na domácom trhu 42 % až 44 % a účinnosť kombinovaného cyklu je 62 % až 64 %[10].

1.2 Status quo vysokovýkonných plynových turbín v zahraničí

Napriek rýchlemu rozvoju globálnej vedy, techniky a ekonomiky v posledných rokoch sa technická úroveň vysokovýkonných plynových turbín postupne zlepšovala, no veľkú časť svetového trhu s vysokovýkonnými plynovými turbínami stále rozdeľujú Spojené štáty GE, Japonsko MHI , Francúzsko Alstom a Nemecko Siemens. S rozvojom priemyselnej techniky dozrela technológia ťažkých plynových turbín a ťažisko výskumu a vývoja sa postupne presunulo z oblasti leteckých plynových turbín do oblasti ťažkých plynových turbín a E, F, G, H, J boli vyvinuté plynové turbíny triedy.

V súčasnosti je na trhu s ťažkými plynovými turbínami u verejnosti obľúbenejšie množstvo produktov japonského Mitsubishi. Spomedzi nich je plynová turbína typu JAC vyrobená spoločnosťou Mitsubishi Heavy Industries známa ako najefektívnejšia plynová turbína na svete a jej účinnosť výroby energie v kombinovanom cykle môže dosiahnuť 64 % alebo dokonca vyššiu. Plynová turbína M701J, plynová turbína s najvyššou tepelnou účinnosťou na svete na výrobu energie, má výkon v jednoduchom cykle 470 MW a výkon v kombinovanom cykle 680 MW. Okrem toho má plynová turbína M501J stále 55% tepelnú účinnosť pri 50% zaťažení a jej výkon je veľmi vynikajúci.

Ťažká plynová turbína triedy SGT50-5 9HL s výkonom 000 Hz vyvinutá a vyrobená spoločnosťou Siemens v Nemecku je najvýkonnejšou ťažkou plynovou turbínou s najvyšším výstupným výkonom jedného agregátu na svete. Vysokovýkonná plynová turbína dokáže v kombinovanom cykle vyrobiť až 840 MW elektriny a jej účinnosť v kombinovanom cykle je tiež až 63 %, nie je to však najefektívnejšia plynová turbína v kombinovanom cykle.

V októbri 2019 spoločnosť GE uviedla na trh ťažkú ​​plynovú turbínu 7HA.03, ktorá má maximálny výstupný výkon v kombinovanom cykle o niečo nižší ako ťažká plynová turbína triedy SGT5-9000HL od spoločnosti Siemens a dosahuje 821 MW, ale jej maximálna účinnosť v kombinovanom cykle je odhaduje sa až na 63.9 %. V roku 2022 bola prvýkrát uvedená do komerčnej prevádzky plynová turbína 7HA.03 s účinnosťou výroby elektriny v kombinovanom cykle presahujúcou 64 % a rýchlosťou rastu zaťaženia až 75 MW/min. Plynová turbína 7HA.03 dokáže znížiť emisie o 70 %. Aby sa ďalej znížili emisie uhlíka pri výrobe energie spaľovaním plynu, plynová turbína GE 7HA.03 v súčasnosti podporuje spaľovanie 50 % objemu vodíka a má čistý výkon 430 MW v jednom cykle. Ťažká plynová turbínová elektráreň 7HA.03 s „jedným ťahom“ môže poskytnúť energiu až do 640 MW, zatiaľ čo „dvojťahová“ 7HA.03 vysokovýkonná plynová turbínová elektráreň môže poskytnúť energiu až do 1 282 MW.

Dnes je vstupná teplota najpokročilejších vysokovýkonných plynových turbín na svete až 1,600 XNUMX ° C [11]. Niektorí odborníci predpovedali, že maximálna vstupná teplota plynových turbín môže v budúcnosti dosiahnuť 1 700℃a účinnosť jedného cyklu a kombinovaného cyklu môže dosiahnuť 44 % ~ 45 % a 65 % [10].

Stručne povedané, hoci technická úroveň vysokovýkonných plynových turbín v Číne urobila veľký pokrok v porovnaní s minulosťou, stále existuje veľký rozdiel v úrovni výrobnej technológie a údržby v porovnaní s vyspelými krajinami, ako ukazuje tabuľka 1. Pretože z toho domáci výrobcovia a výskumníci by mali v prvom rade jasne pochopiť stav vývoja ťažkej plynovej turbíny v Číne, zlepšiť význam výskumu a vývoja ťažkých plynových turbín a zároveň s podporou národných politík pokračovať vo zvyšovaní kapitálových investícií v technológii ťažkých plynových turbín výskum, zamerať sa na výhody všetkých strán pre úplný vývoj ťažkých plynových turbín. Pokúste sa zmenšiť priepasť medzi úrovňou technológie vysokovýkonných plynových turbín v našej krajine a v iných rozvinutých krajinách. Technická úroveň vysokovýkonných plynových turbín v Číne má preto stále obrovský priestor na rozvoj a jej budúci vývojový trend smeruje najmä k týmto štyrom aspektom, a to k vysokým parametrom, vysokému výkonu, nízkemu znečisteniu a veľkému rozsahu [12] .