Napredek raziskav in trendi razvoja težkih plinskih turbine in njihovih toplinskih bariernih oblepov (1)

V področju težke industrije so običajne tople-energetske konverzije tipa elektrarna opreme - težki plinski turbine, zaradi male zasedene površine, kratkega cikla, visoke učinkovitosti, manjše onesnaženosti in drugih lastnosti široko uporabljene v omrežju za vrhunske obremenitve, izkopi energije in prenos, oceanistično elektrino, napredne ladje, letalstvo in vesoljske tehnologije. Imenujejo jo "industrijska perla". V določenem smislu je skupni razvojni stopnji nacionalne proizvodne industrije tesno povezan z raziskovalnim in razvojnimi ravni težkih plinskih turbin.

V letu 1939 je švicarska podjetja BBC izdelala prvo težko plinsko turbine na svetu za proizvodnjo električne energije, kar je zaznamovalo hitro razvoj težkih plinskih turbin po vsem svetu. V zadnjih letih se je povečevala potreba po varstvu energije in okolja, zaradi česar se tudi zahtevnosti glede na učinkovitost težkih plinskih turbin povečuje, s ciljem dosega visoke učinkovitosti in nize emisij [1]. Obstajata dve glavni faktorji, ki vplivata na učinkovitost plinskih turbin: ena je temperatura vhoda v turbine, druga pa strojni kompresijski omara. Med njima je bolj kritična točka, kako povišljivo temperature vhoda v turbine [2]. Zato so turbinine listke, kot jedrski del plinskih turbin, odvisni predvsem od treh točk za povišljivo temperature vhoda v turbine, in sicer visoko-temperature metalne snovi, napredne tehnologije hladjenja in termične barierne revrstitev tehnologijo.

V zadnjih letih se je zelo razvijala tehnologija smerne kristalizacije/enotnega kristala superlegure, termično barjerska revrstitev in tehnologija plinske filmske hladjenja [3]. Številne študije so pokazale, da uporaba dizajnirane hlađevalne strukture morebiti zmanjša površinsko temperaturo komponent visoke temperature (vrtinjski listi, gorišča itd.) za približno 500 ° C, vendar pa je še vedno premalo za izpolnitev zahtev. Vendar pa, da bi nadaljevali z izboljšavo tehnologije hlađenja turbine, so hlačne strukture, ki jih raziskovalci načrtujejo in izdelujejo, ne le zelo kompleksne, ampak tudi težko obdelave. Poleg tega so mnogi superleguri, uporabljeni za izdelavo teslinskih listov visoke obremenitve, dosegli svoje meje temperature, medtem ko imajo keramične matrične kompozite s boljšo toplotočnostjo še vedno problematično uporabo [4]. V primerjavi pa ima tehnologija termičnih baranskih oblepov nižjo ceno in odlično toplinsko izolacijo. Raziskave so pokazale, da se termični baranski oblep 100 ~ 500 μ m nanese na površino teslinskega listva s pomočjo termičnega spritaljenja, kar lahko prepreči neposredni stik visokotemnega plina z teslinskim listom visoke obremenitve in zmanjša površinsko temperaturo za približno 100 ~ 300 ℃ , tako da se lahko visokoobremenjena turbina varno vključi v storitev [5-6].

Zato, ko upoštevamo različne dejavnike, edini realen in učinkovit način za dosego visoke učinkovitosti, nizke emisije in dolge življenjske dobe težkih plinskih turbine predstavlja tehnologija termičnih varnostnih oblepov. Ta tehnologija se široko uporablja v toplem delu komponent plinskih turbine in letalskih motorjev. Na primer, termični varnostni oblep je namaljan na površino greda turbine, da jo loči od visokotemperaturnega plina, zmanjša temperaturo površine grede, podaljuje njeno uporabno dobo in omogoča delovanje pri višji temperaturi, s čimer poveča učinkovitost plinske turbine. Od konca 40. in začetka 50. let 20. stoletja pritegne tehnologija termičnih varnostnih oblepov veliko pozornosti in je bila posvetljivo spodbujana in razvijana s strani mnogih znanstvenih inštitucij in proizvajalcev oblepov po vsem svetu, medtem ko se potreba po tehnologiji termičnih varnostnih oblepov v sodobni industriji vedno večja. Zato ima raziskovanje termičnih varnostnih oblepov za plinske turbine velik praktičen in strategski pomen.

V zadnjih letih je najpogosteje uporabljeno revrstvo za težke plinske turbine še vedno zirkonia stabilizirana z itrijem (6-8YSZ) s masnim deležem 6 wt.% ~ 8 wt.%, vendar je revrstvo YSZ podrljivo k fazi spremembam in sinteziranju, ter tudi k solnemu razgradnju pri temperaturah nad 1 200 ℃ . To pomeni CMAS korozijo (CaO-MgO-Al2O3-SiO2 in druge silikatne snovi) in toplinski koroziji. Da bi se revrstvo lahko uporabljalo pri temperaturah nad 1 200 ℃ dolg čas so raziskovalci vložili mnogo truda, vključno s iskanjem in razvijanjem novih toplotnih varnostnih oblepov, izboljšavo postopka priprave toplotnih varnostnih oblepov ter urejanjem strukture oblepa. Zato na osnovi razprave o stanju tehtnih plinskih turbine in sistemske strukture, materialih in postopkih priprave toplotnih varnostnih oblepov, ta članek povzema stanje raziskovanja toplotnih varnostnih oblepov za plinske turbine proti korozijskim učinkom CMAS in drugim ključnim lastnostim, s čimer ponuja skrbno osnovo za raziskovanje toplotnih varnostnih oblepov proti korozijskim učinkom CMAS.

1 Stanje in trendi razvoja tehtnih plinskih turbine

Od tedaj, ko je prvi plinski turbine na svetu izšel leta 1920, se plinske turbine hitro razvijajo v industrijskem področju. V zadnjih letih se velikost svetovnega trga težkih plinskih turbine nadaljuje povečevati, države več pozornosti namenjujejo raziskovanju in razvoju težkih plinskih turbine, ter neprestano povečujejo finančne in ljudske vloge, pri čemer se tehnični stopnji težkih plinskih turbine neustano izboljšujejo. Tehnični stopnji težkih plinskih turbine določajo temperaturni stopnji vhoda v turino, ki jih lahko glede na temperaturno območje razdelimo na E, F in H razrede [7]. Med njimi je moč razreda E 100 ~ 200 MW, moč razreda F 200 ~ 300 MW, in moč razreda H več kot 300 MW.

1.1 Trenutno stanje domačih težkih plinskih turbine

V 1950-ih so težke plinske turbine v Kitajskem bile potrebne za uvoz s strani tujih podjetij [General Electric (GE), Nemčija Siemens (Siemens), Japonska Mitsubishi Heavy Industries (MHI)], nato pa so bile samostojno zasnovane, razvite in proizvedene. V tem obdobju se je hitro razvila tehnologija težkih plinskih turbin v naši državi. V 1980-ih je v Kitajski prišlo do resnega problema pomanjkanja nafte in plina, kar je prisililo razvoj tehnologije težkih plinskih turbin v dolobratno stanje. Do leta 2002, ko je bil uveden prenos plina iz zahoda v vzhod in razvoj ter uvoz naravnega plina v naši državi, se je problem nafte in plina rešil, in so se težke plinske turbine v naši državi končno začele razvijati v novem krogu [8]. Trenutno je proizvodnja težkih plinskih turbin v Kitajski glavno odvisna od podjetij Shanghai Electric, Dongfang Electric, Harbin Electric in drugih.

V letu 2012 je v "863" glavnem projektu na področju energije uspešno zaključil 72-urni testni delovni režim R0110 težke plinske turbine, ki jo je razvila Shenyang Leing Company skupaj s pomembnimi univerzami v Kitiji. To označuje uspešno proizvodnjo prve težke plinske turbine z lastnimi intelektualnimi pravicami, pri čemer je osnovni obremenitveni moč 114,5 MW in toplotna učinkovitost 36 %. Od tedaj naprej je Kitajska postala peta država na svetu, ki ima sposobnost samostojnega razvoja težkih plinskih turin. V letu 2014 je Shanghai Electric pridružil dele Ansaldo v Italiji, kar je prekinilo tujino monopolo v industriji plinskih turin in omogočilo Kitajski začetno lokalizacijo E/F razrednih težkih plinskih turin. V letu 2019 je pod vodstvom China Re-Combustion skupna tehnologija več institucij uspešno izdelala prvi premikajoči se list, prvi stacionarni list in goriščo F-razredne 300 MW plinske turbine, kar pomeni, da je Kitajska zdaj sposobna začetno izdelati topne delove težkih plinskih turin; V istem letu je Shanghai Electric skupaj s Ansaldo uspešno razvil H-razredni težki plinski turbogeneratorski sistem GT36, ki predstavlja prvi H-razredni težki plinski turbogeneratorski sistem, ki ga je razvil naše državo. V letu 2020 je v okviru projekta "973" prva F-razredni 50 MW težka plinska turbina (imenovana G50), ki jo je samostojno razvila kitajska podjetja Dongfang Electric in Xi'an Jiaotong University, uspešno zaključila polnoobremenitveni stabilen testni delovni režim [9], kar pomeni, da je Kitajska bila sposobna začetno samostojno razviti F-razredne težke plinske turbine. V juniju 2022 je Jiangsu Yonghan sodeloval v razvoju 300 MW težke plinske turbine, po začetnih uspešnih poskusih z listi turbine, kar označuje še boljši uspeh razvoja 300 MW težke plinske turbine v Kitaji. Kljub temu, da se ravnotežje tehnologije težkih plinskih turin v Kitiji hitro izboljšuje, so E/F razredni plinski turbini še vedno glavni v domačem trgu plinskih turin. Med njimi je enociklična učinkovitost najnaprednejših težkih plinskih turin na domačem trgu 42 % do 44 %, medtem ko je učinkovitost združenega cikla 62 % do 64 %[10].

1.2 Stanje tehnologije tujih velikih plinskih turbine

Vendar je v zadnjih letih, kljub hitremu razvoju svetovne znanosti, tehnologije in gospodarstva, tehnološka stopnja velikih plinskih turbine postajala počasi bolj izboljšana, vendar je velika delo svetovnega trga za težke plinske turbine še vedno podeljena med ZDA GE, Japonsko MHI, Francijo Alstom in Nemčijo Siemens. S razvojem industrijske tehnologije se je tehnologija težkih plinskih turbine postala bolj zrela, in srednje točke raziskav in razvoja se sta počasi premaknili iz območja letalskih plinskih turbine na območje težkih plinskih turbine, kjer so bile razvite turbine razreda E, F, G, H, J.

Trenutno na trgu težkih plinskih turbine veliko Mitsubishi-jevih izdelkov iz Japonskega uvrstijo med priljubljene. Med njimi je plinska turbina tipa JAC, proizvedena od Mitsubishi Heavy Industries, poznana kot najučinkovitejša plinska turbina na svetu, pri čemer je učinkovitost združenega cikla moči lahko 64 % ali še več. Plinska turbina M701J, ki ima najvišjo toplotno učinkovitost na svetu za proizvodnjo električne energije, doseže enostavno ciklno moč 470 MW in združeno ciklno moč 680 MW. Poleg tega ohranja plinska turbina M501J še 55 % toplotne učinkovitosti pri pogoju 50 % obremenitve, kar pomeni zelo odlično izvajanje.

Težka plinska turbine razreda SGT5-9 000HL, ki jo je razvila in izdelala nemška podjetja Siemens, je najmočnejša težka plinska turbine v svetu z najvišjo močjo ene enote. Težka plinska turbine lahko v kombiniranem ciklu proizvede do 840 MW električne energije, pri čemer je učinkovitost v kombiniranem ciklu tudi do 63%, vendar ni najučinkovitejše plinske turbine v kombiniranem ciklu.

V oktobru 2019 je GE predstavil težki plinski turbine model 7HA.03, ki ima maksimalno združeno ciklno izhodno moč malo nižjo od Siemensove težke plinske turbine razreda SGT5-9000HL, ki doseže 821 MW, vendar pa je njena maksimalna združena ciklana učinkovitost ocenjena na visoko 63,9 %. Leta 2022 je bila plinska turbine 7HA.03 prvič vključena v trgovino, z združeno ciklno učinkovitostjo termoelektrarne, ki presega 64 % in hitrostjo rasti obremenitve do 75 MW/min. Plinska turbine 7HA.03 lahko zmanjša emisije za 70 %. Za še večji zmanjšek ogljikovih emisij pri plinskih elektrarnah podpira GEjeva plinska turbine 7HA.03 sprožanje do 50 % hidrogena po volumenu in ima neto izhodno moč 430 MW v enem ciklu. "Eno-zavezno" težko plinsko turbinasto elektrarno z 7HA.03 je mogoče opremiti za moč do 640 MW, medtem ko "dvojno-zavezno" težko plinsko turbinasto elektrarno z 7HA.03 omogoča proizvodnjo energije do 1 282 MW.

Danes je vstopna temperatura svetovno najnaprednejših težkih plinskih turbine tako visoka kot 1.600 ° °C [11]. Nekateri strokovnjaki so napovedali, da bo maksimalna vstopna temperatura plinskih turbine v prihodnje lahko dosegle 1.700 ℃ , in da bo učinkovitost enostopenjskega in združenega cikla lahko dosegle 44% ~ 45% in 65% oz. [10].

V sklopu, kljub temu, da je tehnična stopnja težkega plinskega turbine v Kitajskem napredovala v primerjavi s preteklostjo, še vedno obstaja velik razmik v ravni proizvodnje in održavanja v primerjavi z razvitimi državami, kot je prikazano v tabeli 1. Zaradi tega morajo domači proizvajalci in raziskovalci predvsem jasno razumeti stanje razvoja težke plinske turbine v Kitajskem, povišati pomembnost raziskave in razvoja težke plinske turbine, hkrati pa imeti podporo državnih politik in neprestano povečevati finančne vloge za raziskovanje tehnologije težke plinske turbine, se osredotočiti na prednosti vseh strani za poln razvoj težkih plinskih turbine. Poskusite zmanjšati razmik med tehnološko stopnjo težke plinske turbine v naši državi in drugih razvitih državah. Zato še vedno obstaja ogromen prostor za razvoj tehnične stopnje težke plinske turbine v Kitajski, njena prihodnja trenda razvoja so glavno usmerjena v teštiri aspekte, imenujmo jih visoki parametri, visoka učinkovitost, nizka onesnaženost in velikost [12].