Напредак истраживања и тренд развоја гасних турбина за тешке услове рада и њихових термичких баријера (1)

U području teške industrije, češći tip opreme za pretvaranje topline u elektro energiju - teški plinski turbine, zahvaljujući maloj zemljišnoj površini, kratkom ciklusu, visokom efikasnosti, manjem zagađivanju i drugim karakteristikama, su široko primenjivane u mreži za vrhunski opterećivanje, istraživanje i prenos energije, oceansku proizvodnju električne energije, napredne brodove snage, aero-kosmičke tehnologije i druge oblasti, nazvane "industrijskim jastukom". U određenom smislu, ukupni nivo razvoja nacionalne proizvodnje je blizu povezan sa nivoom istraživanja i razvoja teških plinskih turbine.

1939. godine, švicarska BBC kompanija je proizvela prvu tešku plinsku turbine na svetu za generisanje električne energije, što je započelo brzo razvoj teških plinskih turina širom sveta. U poslednjih nekoliko godina, rastu zahtevi za čuvanjem energije i zaštitoškom okoliša, a i performanse teških plinskih turina su se poboljšale, usmeravajući se prema cilju visoke efikasnosti i niskim emisijama [1]. Postoji dva glavna činjeničara koji utiču na efikasnost plinskih turina: jedan je temperatura ulaznog plina u turbinu, a drugi je kompresorski omjer stiskanja. Među njima, ključnija stvar jeste kako povećati temperaturu ulaznog plina u turbinu [2]. Stoga, krovne ploče turbine, kao centralni deo plinskih turina, zavise od tri osnovna aspekta za povećanje temperature ulaznog plina u turbinu, a to su: otporni metalni materijali na visoke temperature, napredna tehnologija hlađenja i termodijelovička tehnologija obloga.

U poslednjih godina, intenzivno se razvijaju tehnologije formiranja smerovitih kristala/jedinstvenih kristala od superlegura, tehnologija toplinsko-barerskih obloženja i tehnologija plinske film kojeće [3]. Brojna istraživanja su pokazala da se pomoću dizajnirane hlađenoj strukture može smanjiti površinska temperatura komponenti na toplem kraju (turbinske lopaticе, sagorevači itd.) za oko 500 ° C, ali to još uvek nije dovoljno da ispunjava zahteve. Međutim, kako bi se nastavilo na poboljšanju tehnologije hlađenja turbine, hlađajuće strukture koje su istraživači dizajnirali i proizveli nisu samo vrlo složene, već i teške za obradu. Takođe, mnogi superlegure koji se koriste za izradu lopatica tunelne plinske turbine dostigli su svoje granične temperature, dok se keramički matricni kompozitni materijali sa boljom toplinskom otpornostišu još uvijek ne mogu zrelo primenjivati [4]. U usporedbi, tehnologija termodijonskog obloga ima niže troškove i odličnu toplinsku izolaciju. Istraživanja su pokazala da se termodijonski oblog deponira na površinu lopatice turbine termospriskom tehnologijom, što može sprečiti direktni kontakt visokotemperaturnih plinova sa lopaticom tunelne plinske turbine i smanjiti površinsku temperaturu za oko 100 ~ 300 μ m, što se oslanja na površinu lopatice turbine, a smanjuje površinsku temperaturu za oko 100 ~ 300 ℃ C, tako da se tunelna plinska turbina može sigurno upotrebljavati [5-6].

Stoga, uzimajući u obzir razne faktore, jedini mogući i efikasan način da se postigne visoka efikasnost, niske emisije i dugi životni vek teških plinskih turbine jeste tehnologija toplinskih barijernih obloga. Ova tehnologija je široko korišćena u komponentama na toploj strani plinskih turbiina i avijskih motora. Na primer, toplinska barijerana obloga se namazuje na površinu lopatica turbine kako bi je odvojila od visokotemperaturne pline, smanjujući temperaturu površine lopate, produžavajući njen životni vek i omogućavajući joj da radi pri višoj temperaturi, čime se povećava efikasnost plinske turbine. Kako je počela da se razvija u kasnim 1940-ima i ranim 1950-ima, tehnologija toplinskih barijernih obloga privukla je veliku pažnju i jachno je promovisana i razvijana od strane mnogih naučnoistraživačkih institucija i proizvođača obloga širom sveta, a zahtev za tehnologijom toplinskih barijernih obloga u savremenom průmyslu sve više raste. Stoga, istraživanje toplinskih barijernih obloga za plinske turbine ima ogromnu praktičnu i strategiju važnost.

U poslednjih godina, najšire komponenta za oblogu kod velikih plinskih turbine je još uvijek cirkonia stabilizovana yttrijumom (6-8YSZ) sa masenim omjerom od 6 wt.% ~ 8 wt.%, ali se YSZ obloga lako transformiše u drugu fazu i sinteruje, a takođe je podložna taljenju i korišćenju pri temperaturama iznad 1 200 ℃ . To jest, CMAS korozija (CaO-MgO-Al2O3-SiO2 i druge silikatne tvari) i termička korozija. Da bi se obloga mogla koristiti pri temperaturama iznad 1 200 ℃ dugo vreme, istraživači su uveliko trudili, uključujući pronalaženje i razvoj novih toplinsko-barne plasme, unapređivanje procesa pripreme toplinsko-barne plasme i regulisanje strukture plasme. Stoga, na osnovu rasprave o stanju teških plinovih turbine i sistemske strukture, materijale i metode pripreme toplinsko-barne plasme, ovaj rad sažima stanje istraživanja toplinsko-barne plasme plinovih turbine protiv CMAS korozije i drugih ključnih osobina, pružajući referencu za istraživanje toplinsko-barne plasme protiv CMAS korozije.

1 Stanje i trendovi razvoja teških plinovih turbine

Od kada je prva plinska turbine na svetu izvedena 1920. godine, plinske turbine brzo se razvijaju u industrijskom sektoru. U poslednjih nekoliko godina, skala globalnog tržišta teških plinskih turbiina neprestano raste, zemlje više paže istraživanju i razvoju teških plinskih turbiina, a stalno povećavaju ulaganja kapitala i radne sile, uz stalno poboljšavanje tehnološkog nivoa teških plinskih turbiina. Tehnološki nivo teških plinskih turbiina određen je temperaturnim nivoom ulazne struje u turbine, a može se podijeliti u klase E, F i H prema temperaturnom opsegu [7]. Među njima, snaga klase E je 100 ~ 200 MW, snaga klase F je 200 ~ 300 MW, a snaga klase H je veća od 300 MW.

1.1 Trenutno stanje domaćih teških plinskih turbiina

U 1950-ima, teške plinske turbine koje je Kina trebalo da uveze od strane inostranih kompanija [General Electric (GE), Nemacka Siemens (Siemens), Japanska Mitsubishi Heavy Industries (MHI)], a zatim da samostalno dizajnira, razvija i proizvodi. U ovom fazu, tehnologija teških plinskih turbiina u našoj zemlji se brzo razvila. U 1980-ima, u Kiniji je nastupio ozbiljan problem nedostatka naftovog i plinovog goriva, što je uzrokovalo da se razvoj tehnologije teških plinskih turbiina upao u depresivno stanje. Do 2002. godine, sa prenosom plina sa zapada na istok i razvojem i uvodjenjem prirodnog plina u našoj zemlji, problem naftovog i plinovog goriva je rešen, a teške plinske turbine u našoj zemlji su konačno počele novi krug razvoja [8]. Trenutno, proizvodnja teških plinskih turbiina u Kiniji uglavnom ovisi o poduzećima poput Shanghai Electric, Dongfang Electric, Harbin Electric i drugih.

2012. godine, u okviru "863" velikih projekata u oblasti energije, teški plinski turbine R0110, razvijene od strane kompanije Shenyang Leing i glavnih univerziteta u Kini, uspešno su izvršile 72sati testiranje opterećenja, što označava uspešnu proizvodnju prve teške plinske turbine sa nezavisnim intelektualnim pravima, a njena osnovna snaga je 114,5MW. Termička efikasnost iznosi 36%. Od tada, Kina je postala peti zemaljski po redu koji poseduje sposobnost nezavisnog istraživanja i razvoja teških plinskih turina. 2014. godine, Shanghai Electric je nabavio delovi akcije kompanije Ansaldo iz Italije, što je prekinulo inozemni monopol nad industrijom plinskih turina, čime je takođe Kina početno ostvarila lokalizaciju E/F klase teških plinskih turina. 2019. godine, pod vodstvom Chine Re-Combustion, zajednička tehnologija nekoliko institucija uspešno je proizvela prvi fazni pokretni list, prvi fazni statični list i sagorevač F klase 300 MW plinske turbine, što označava da je Kina bila u stanju početno da proizvede topne komponente teških plinskih turina; Iste godine, Shanghai Electric i Ansaldo uspešno su razvili H klasu tešku plinsku turbine GT36, postajući prva H klasa teška plinska turbina koja se razvija u našoj zemlji. 2020. godine, u projektu "973", prva F klasa 50 MW teška plinska turbina (nazvana G50), nezavisno razvijena od strane China Dongfang Electric i Xi'an Jiaotong Univerziteta, uspešno je izvršila puno opterećeno stabilno testiranje [9], što ukazuje na to da je Kina bila u stanju početno nezavisno da razvije F klasu teških plinskih turina. U junu 2022. godine, Jiangsu Yonghan je sudjelovala u razvoju lisica turbine za 300 MW tešku plinsku turbinu nakon početnog uspjeha testiranja, što označava daljnji uspjeh istraživanja i razvoja 300 MW teških plinskih turina u Kiniji. Međutim, iako se nivo tehnologije teških plinskih turina u Kini brzo povećava, E/F klasa plinskih turina još uvijek predominira na domaćem tržištu plinskih turina. Među njima, jednokrilna efikasnost najnaprednijih teških plinskih turina na domaćem tržištu iznosi 42% do 44%, a kombinovana krilna efikasnost iznosi 62% do 64%[10].

1.2 Status quo velikih plinskih turbine u inozemstvu

Inače, uz brzo razvojanje globalne znanosti, tehnologije i ekonomije u poslednjim godinama, tehnički nivo velikih plinskih turbine je postepeno poboljšan, ali je veliki deo svetske tržište velikih plinskih turbine još uvijek podijeljen između američke firme GE, japanske firme MHI, francuske firme Alstom i njemačke firme Siemens. Uz razvoj industrijske tehnologije, tehnologija velikih plinskih turbine je postala zrelijom, a fokus istraživanja je postepeno pomaknut sa oblasti avijskih plinskih turbine na oblast velikih plinskih turbine, a razvijene su turbine klase E, F, G, H, J.

U trenutku, na tržištu teških plinskih turbine, Mitsubishi-ovi proizvodi iz Japana su popularniji kod javnosti. Među njima, plinska turbina tipa JAC proizvedena od strane Mitsubishi Heavy Industries poznata je kao najefikasnija plinska turbina na svetu, a njen efikasnost kombinovanog ciklusa može doseći 64% ili više. Plinska turbina M701J, sa najvećom toplom efikasnošću za generisanje električne energije na svetu, ima jednostavnu ciklusnu snagu od 470 MW i kombinovanu ciklusnu snagu od 680 MW. Pored toga, plinska turbina M501J još uvek ima 55% tople efikasnosti pri opterećenju od 50%, a njen performans je vrlo odličan.

Turbina 50 HZ SGT5-9 000HL klase, razvijena i proizvedena od strane Siemensa iz Nemačke, je najmoćnija teža plinska turbina sa najvećom snatom jedne jedinice na svetu. Teža plinska turbina može da proizvede do 840 MW električne energije u kombinovanom režimu rada, a efikasnost u kombinovanom režimu rada je takođe do 63%, ali to nije najefikasnija plinska turbina u kombinovanom režimu.

U oktobru 2019. godine, GE je predstavio tešku plinsku turbine modela 7HA.03, koja ima maksimalnu kombinovanu ciklusnu izlaznu snagu malo nižu od Siemensove klase SGT5-9000HL teške plinske turbine, dostižući 821 MW, ali se procenjuje da je njena maksimalna kombinovana ciklusna efikasnost visoka do 63,9%. U 2022. godini, plinska turbine 7HA.03 je prvi put upućena u komercijalnu eksploataciju sa kombinovanom ciklusnom efikasnošću proizvodnje električne energije preko 64% i brzinom rasta opterećenja do 75 MW/min. Plinska turbineska grupa 7HA.03 može smanjiti emisije za 70%. Da bi se dalje smanjile ugljične emisije iz plinske proizvodnje električne energije, GE-ova plinska turbineska grupa 7HA.03 trenutno podržava sagorevanje 50% hidrogena po zapremini i ima neto izlaznu snagu od 430 MW u jednom ciklusu. „Jedan-veoma“ elektrostan na osnovu teške plinske turbine 7HA.03 može obezbediti proizvodnju električne energije do 640 MW, dok „dva-veoma“ elektrostan na osnovu teške plinske turbine 7HA.03 može obezbediti proizvodnju električne energije do 1 282 MW.

Danas, temperatura ulaznog zraka najnaprednijih težih plinsenih turbine na svetu iznosi do 1.600 ° C [11]. Neki stručnjaci su predvideli da će maksimalna temperatura ulaznog zraka plinsenih turbine u budućnosti moći dostići 1.700 ℃ , a efikasnost jednog i kombinovanog ciklusa može dostići od 44% ~ 45% i 65% redom [10].

U krizi, iako je tehnički nivo teškog plinovnog turbinara u Kini napredovao u odnosu na prošlost, postoji još veliki razmak u nivou proizvodnje i održavanja u poređenju sa razvijenim zemljama, kao što je prikazano u Tabeli 1. Zbog toga, domaće proizvođačke kuće i istraživači prvo treba da jasno razumeju stanje razvoja teškog plinovnog turbinara u Kiniji, povećati važnost istraživanja i razvoja teškog plinovnog turbinara, uz podršku državnih politika, nastaviti da povećavaju finansijsku ulaganje u istraživanje tehnologije teškog plinovnog turbinara, fokusirati se na prednosti svih strana za potpuni razvoj teških plinovnih turbinara. Pokušati smanjiti razmak između nivou tehnologije naše zemlje i drugih razvijenih zemalja u oblasti teškog plinovnog turbinara. Stoga, tehnički nivo teškog plinovnog turbinara u Kiniji još uvijek ima ogroman prostor za razvoj, a njegov budući trend razvoja glavnim pravcem ide prema ovim četiri aspekta, a to su visoki parametri, visoka performansa, mala zagađenja i veliki obim [12].