Progreso ng pag-aaral at trend sa pag-unlad ng mga matinding gas turbine at ng kanilang thermal barrier coatings (1)

Sa larangan ng heavy industry, ang mas karaniwang heat-power conversion type power generation equipment - heavy gas turbine, dahil sa maliit na presyo ng lugar, maikling siklo, mataas na efisiensiya, kaunting polusyon at iba pang katangian ay madalas gamitin sa pagsasanay ng puno ng elektro, pag-uunlad ng enerhiya at pagdadala, pag-gawa ng kuryente sa dagat, advanced ship power, aerospace at iba pa, tinatawag na "industrial pearl". Sa isang tiyak na kahulugan, ang kabuuan ng antas ng pag-unlad ng pambansang industriya ay malapit na may ugnayan sa antas ng pag-aaral at paggawa ng heavy gas turbines.

Noong 1939, ang Swiss BBC company ay nagproduko ng unang gas turbine na makapagtrabaho para sa paggawa ng enerhiya sa buong mundo, na nagsimula sa mabilis na pag-unlad ng mga heavy-duty gas turbine sa iba't ibang bahagi ng mundo. Sa kamakailan, ang demand para sa konsensyon ng enerhiya at pangangalaga sa kapaligiran ay lumago, at ang mga kinakailangang pagganap ng mga heavy-duty gas turbine ay dinulot ding maitaas patungo sa layunin ng mataas na ekasiyensiya at mababang emisyones [1]. May dalawang pangunahing paksang nakakaapekto sa ekasiyensiya ng gas turbine: isa ay ang temperatura ng pambubukas ng turbiyong, at ang pangalawa ay ang rasyo ng kompresyon ng compressor. Sa kanilang gitnang mas kritikal na bagay ay kung paano maiitataas ang temperatura ng pambubukas ng turbiyong [2]. Kaya't ang mga bintana ng turbiyo, bilang mga pangunahing bahagi ng gas turbine, ang pagtaas ng temperatura ng pambubukas ng turbiyong ay talagang nakadepende sa tatlong punto, na ito'y matatag na metal na anyo, unanghanging teknolohiya ng paglalamig at thermal barrier coating technology.

Sa mga taon ngayon, mabilis na umunlad ang teknolohiya para sa pagsasa-halimbawa ng direksyon ng blade superalloy / single crystal, termal barrier coating technology at gas film cooling technology [3]. Sa pamamagitan ng malawak na pag-aaral, natuklasan na gamit ang disenyo ng cooling structure maaaring bumaba ang temperatura ng ibabaw ng mga komponente ng init (turbine blades, combustion chambers, etc.) ng halos 500 ° C, ngunit hindi pa ito sapat upang tugunan ang mga kinakailangan. Gayunpaman, upang patuloy na imprastruhin ang teknolohiya ng pagkukulit ng turbine, ang mga estraktura ng pagkukulit na disenyo at ginawa ng mga mananaliksik ay hindi lamang napakatatlo, kundi mahirap ding iproseso. Sa dagdag din, marami sa mga superalloy na ginagamit para gawing mga talahib ng turbine ng gas na pang-malala ay nakarating na sa kanilang limitasyon ng temperatura, habang ang mga kompositong materyales na may basihan ng porsera na mas resistente sa init ay hindi pa madurog para sa aplikasyon [4]. Sa kontrata, ang teknolohiya ng thermal barrier coating ay may mas mababang gastos at napakasiguradong insulation. Nakita sa mga pag-aaral na ang thermal barrier coating na 100 ~ 500 μ m ay inilagay sa ibabaw ng talahib ng turbine gamit ang thermal spraying technology, na maaaring maiwasan ang diretso na pakikipag-ugnayan ng mataas na init na gas at ang talahib ng turbine ng malalaking gas, at bumaba ng halos 100 ~ 300 ℃ sa temperatura, upang maaaring maipagana nang ligtas ang malalaking turbine ng gas [5-6].

Kaya, sa pamamagitan ng pagtutulak ng iba't ibang mga faktor, ang pinakamahusay at epektibong paraan upang maabot ang mataas na ekapasyon, mababang emisyon at mahabang buhay ng mga gas turbine na may malaking saklaw ay ang teknolohiyang coating ng thermal barrier. Ang teknolohiya na ito ay madalas gamitin sa mga komponente ng mainit na bahagi ng gas turbine at aeroengine. Halimbawa, isinasabaw ang thermal barrier coating sa ibabaw ng isang turbine blade upang ipag-uwi ito mula sa mataas na temperatura ng gas upang bawasan ang temperatura ng ibabaw ng blade, pahabaan ang kanyang buhay, at payagan itong magtrabaho sa mas mataas na temperatura, kung kaya't maiimprove ang ekapasyon ng gas turbine. Mula noong huling bahagi ng 1940s at unang bahagi ng 1950s, ang thermal barrier coating ay nagdulot ng malaking pansin at mabilis na pinagtuunan ng pansin at inilipat ng maraming institusyong pang-aklatan at mga gumagawa ng coating sa buong mundo, at ang demand para sa teknolohiyang thermal barrier coating sa modernong industriya ay dumadami nang dumadami. Kaya, ang pag-aaral ng thermal barrier coating para sa gas turbines ay may malaking praktikal at estratehikong kahalagahan.

Sa mga taon ngayon, ang pinakamadaling gamit na coating para sa mga heavy-duty gas turbines ay patuloy na ang yttrium stabilized zirconia (6-8YSZ) na may mass fraction na 6 wt.% ~ 8 wt.%, ngunit ang coating na YSZ ay hindi lamang madaling magdaan ng pagbabago ng fase at sintering, kundi din madaling maimpleng molten salt corrosion sa temperatura na mas mataas sa 1 200 ℃ . Ito ay, CMAS corrosion (CaO-MgO-Al2O3-SiO2 at iba pang silicate substances) at thermal corrosion. Upang gumawa para gumana ang coating sa temperatura na mas mataas sa 1 200 ℃ sa isang mahabang panahon, gumawa ang mga mananaliksik ng maraming pagsisikap, kabilang dito ang paghahanap at pag-unlad ng bagong thermal barrier coatings, pagpapabuti sa proseso ng paghahanda ng thermal barrier coatings, at pagpapanatili sa estraktura ng coating. Kaya't sa pamamagitan ng pag-uusap tungkol sa katayuan ng mga heavy-duty gas turbines at ang sistema, anyo, at paraan ng paghahanda ng thermal barrier coatings, itinuturing ng sanaysay ang katayuan ng pag-aaral tungkol sa thermal barrier coatings ng turbinyang-gas na nakakawala sa korosyon ng CMAS at iba pang mahalagang katangian, na nagbibigay ng isang talaksan para sa pag-aaral ng thermal barrier coatings na nakakawala sa korosyon ng CMAS.

1 Katayuan at patuloy na direksyon ng pag-unlad ng mga heavy-duty gas turbines

Mula nang lumabas ang unang gas turbine sa mundo noong 1920, mabilis na umunlad ang mga gas turbine sa larangan ng industriya. Sa mga taon ngayon, patuloy na lumalaki ang kalakihan ng pamilihan ng mga heavy gas turbine sa buong mundo, pinapansinan ng mga bansa ang pagsusuri at pag-uunlad ng mga heavy gas turbine, at patuloy na dagdag ang puhunan at kapital para dito, at ang antas ng teknolohiya ng mga heavy gas turbine ay patuloy na umaangat. Ang antas ng teknolohiya ng mga heavy-duty gas turbine ay tinutukoy ng antas ng temperatura sa turbine inlet, na maaaring ibahagi sa klase E, F, at H batay sa saklaw ng temperatura [7]. Sa kanilang gitna, ang kapangyarihan ng klase E ay 100 ~ 200 MW, ang kapangyarihan ng klase F ay 200 ~ 300 MW, at ang kapangyarihan ng klase H ay higit sa 300 MW.

1.1 Katayuan ng mga lokal na heavy-duty gas turbines

Sa dekada 1950, kinakailangang ipakilala ng Tsina ang mga pangunahing gas turbine mula sa mga panayamang dayuhan [General Electric (GE), Siemens ng Alemanya (Siemens), Mitsubishi Heavy Industries ng Hapon (MHI)], at pagkatapos ay i-disenyo, i-imbento, at i-gawa nang independiyente. Sa yugtong ito, mabilis na umunlad ang teknolohiya ng pangunahing gas turbine ng bansa. Sa dekada 1980, dumating ang malubhang problema ng kakulangan sa langis at gas sa Tsina, at pinilit na bumagsak ang pag-unlad ng teknolohiya ng pangunahing gas turbine. Hanggang noong 2002, kasama ang transmisyon ng gas mula kanlatan hanggang silangan at ang pag-unlad at pagsasanay ng natural na gas sa aming bansa, nasolve na ang isyu ng langis at gas, at simulan na muli ng aming bansa ang bagong round ng pag-unlad [8]. Kasalukuyan, ang paggawa ng pangunahing gas turbine sa Tsina ay halos nakabatay sa Shanghai Electric, Dongfang Electric, Harbin Electric at iba pang kumpanya.

Noong 2012, sa mga '863' pangunahing proyekto sa larangan ng enerhiya, ang R0110 heavy-duty gas turbine na inilimbag ng Shenyang Leing Company at ng mga pangunahing unibersidad sa Tsina ay matagumpay na nagpunan ng 72-oras na pagsubok ng operasyon sa loheng-pruweba, na nangangailangan ng matagumpay na produksyon ng unang heavy-duty gas turbine na may independiyenteng propiedade intelektwal, at ang base load nito ay 114.5MW. Ang termal na ekasiyensiya ay 36%. Mula noon, ang Tsina ay naging ika-limang bansa sa buong mundo na may kakayanang magkaroon ng independiyenteng pagsusuri at pag-uulat ng heavy-duty gas turbine. Noong 2014, bumili ang Shanghai Electric ng bahagi sa Ansaldo sa Italya, na sumira sa monopoliya ng mga dayuhang kompanya sa industriya ng gas turbine, na ginawa din upang ma-realize ng Tsina ang pagiging lokal ng E/F klase ng mabigat na gas turbines. Noong 2019, pinamunuan ng China Re-Combustion ang teknolohiya ng ilang institusyon na matagumpay na gumawa ng unang tahap ng galaw na blade, unang tahap ng estatikong blade at ng combustion chamber ng F-klase 300 MW gas turbine, na nagsisignifica na ang Tsina ay maaaring matagumpay na gumawa ng mga bahagi ng init sa huling bahagi ng mabigat na gas turbines; Sa parehong taon, matagumpay na inilimbag ng Shanghai Electric at Ansaldo ang H-klase mabigat na gas turbine GT36, na naging unang H-klase mabigat na gas turbine na inilimbag sa aming bansa. Noong 2020, sa proyekto '973', ang unang F-klase 50 MW mabigat na gas turbine (tinatawag na G50) na independiyenteng inilimbag ng China Dongfang Electric at ng Xi'an Jiaotong University ay matagumpay na nagpunan ng buong-load na maligalig na pruweba ng operasyon [9], na nangangahulugan na ang Tsina ay maaaring matagumpay na independiyenteng mag-isda ng F-klase mabigat na gas turbines. Noong Hunyo 2022, sumali ang Jiangsu Yonghan sa pag-unlad ng 300 MW mabigat na gas turbine turbine blade pagkatapos ng unang tagumpay sa pruweba, na nagsisignifica na ang tagumpay sa pag-unlad ng 300 MW mabigat na gas turbine ng Tsina ay lumago pa. Gayunpaman, bagama't ang antas ng teknolohiya ng mabigat na gas turbine sa Tsina ay dumadakila nang mabilis, ang E/F klase ng gas turbines ay patuloy na pangunahin sa domestikong merkado ng gas turbine. Sa kanila, ang single-cycle efficiency ng pinakamataas na mabigat na gas turbine sa domestikong merkado ay 42% hanggang 44%, at ang combined cycle efficiency ay 62% hanggang 64%[10].

1.2 Katayuan ng mga gas turbine na may malaking saklaw sa ibang bansa

Sa kabila ng mabilis na pag-unlad ng sikyentipikong at ekonomikong teknolohiya sa buong mundo noong mga taong ito, ang antas ng teknolohiya ng mga gas turbine na may malaking saklaw ay paulit-ulit na naiimprove, ngunit malawak na bahagi pa rin ng market ng mga gas turbine na may malaking saklaw sa buong mundo ay hinati-hati pa rin ng GE ng Amerika, MHI ng Hapon, Alstom ng Pransya, at Siemens ng Alemanya. Sa pamamagitan ng pag-unlad ng industriyal na teknolohiya, ang teknolohiya ng mga gas turbine na may malaking saklaw ay naging mas matatag, at ang pokus ng pag-aaral at pag-unlad ay paulit-ulit na umuwi mula sa larangan ng mga gas turbine para sa awisyon papunta sa larangan ng mga gas turbine na may malaking saklaw, at sinunod ang pag-unlad ng klase E, F, G, H, J ng mga gas turbine.

Sa kasalukuyan, sa pamamagitan ng makabagong market para sa mga gas turbine, marami sa mga produkto ng Mitsubishi sa Japan ang mas pinopopular sa publiko. Sa kanila, ang JAC type gas turbine na ginawa ng Mitsubishi Heavy Industries ay kilala bilang ang pinakamahusay na gas turbine sa buong mundo, at ang kanyang combined cycle power generation efficiency ay maaaring umabot sa 64% o higit pa. Ang M701J gas turbine, ang may pinakamataas na thermal efficiency na gas turbine para sa paggawa ng elektrisidad sa buong mundo, ay may simpleng siklo ng kapangyarihan na 470 MW at combined cycle na kapangyarihan na 680 MW. Sa dagdag pa rito, ang M501J gas turbine ay may 55% thermal efficiency pa rin sa mga kondisyon ng 50% load, at ang kanyang pagganap ay talagang napakagaling.

Ang 50 HZ SGT5-9 000HL klase ng masusing gas turbine na inilimbag at ginawa ng Siemens sa Alemanya ay ang pinakamalakas na masusing gas turbine na may pinakamataas na output ng isang unit sa buong mundo. Maaaring magproducce ng hanggang 840 MW ng elektrisidad ang masusing gas turbine sa anyo ng combined cycle, at ang kanyang efisyensiya sa combined cycle ay pati na rin ayumab 63%, ngunit ito'y hindi ang pinakaepektibong gas turbine sa combined cycle.

Noong Oktubre 2019, ipinakilala ng GE ang 7HA.03 heavy-duty gas turbine, na may maximum combined cycle output power na kaunti lamang mas mababa kaysa sa SGT5-9000HL klase ng heavy-duty gas turbine ng Siemens, na umabot sa 821 MW, ngunit ang kanyang maximum combined cycle efficiency ay tinataya na mataas hanggang 63.9%. Sa 2022, ang 7HA.03 gas turbine ay unang inilagay sa commercial operation, na may combined cycle power generation efficiency na humahanda sa higit sa 64% at load growth rate na umabot sa 75 MW/min. Ang 7HA.03 gas turbine ay maaaring bumawas ng emisyon ng 70%. Upang pangalawang bawasan ang carbon emissions mula sa gas-fired power generation, suporta ang 7HA.03 gas turbine ng GE para sa pagbubusog ng 50% hydrogen sa pamamagitan ng volume at may net output na 430 MW sa isang siklo. Isang "one-tow" 7HA.03 heavy-duty gas turbine power plant maaaring magbigay ng kapagitan na hanggang 640 MW, samantalang isang "two-tow" 7HA.03 heavy-duty gas turbine power plant maaaring magbigay ng kapagitan na hanggang 1 282 MW.

Ngayon, ang temperatura ng inlet ng pinakamodernong mga gas turbine na may malalaking saklaw ay taas ng 1,600 ° C [11]. Ang ilang mga propesyonal ay nagharap na ang pinakamataas na temperatura ng inlet ng mga gas turbine sa kinabukasan ay maaaring umabot sa 1 700 ℃ , at ang ekispisyensiya ng isang siklo at pagsamasama ng siklo ay maaaring umabot sa 44% ~ 45% at 65% na babala [10].

Sa huling analisis, bagaman ang antas ng teknolohiya ng mabigat na gas turbine sa Tsina ay nagpatuloy na gumaganap ng malaking pag-unlad kumpara sa nakaraan, mayroon pa ring malaking hiwa sa antas ng pamamalakad at pagsusustento kumpara sa mga nabubuhay na bansa, tulad ng ipinapakita sa Talahanayan 1. Dahil dito, dapat muna alamin ng mga lokal na tagagawa at mananaliksik ang kasalukuyang katayuan ng pag-unlad ng mabigat na gas turbine sa Tsina, taasain ang kahalagahan ng pag-aaral at pagpapatupad ng mabigat na gas turbine, habang tinatanggap ang suporta ng pambansang polisiya, patuloy na dagdagan ang puhunan sa pag-aaral ng teknolohiya ng mabigat na gas turbine, at magtugon sa mga kapaki-pakinabang ng bawat sektor para sa buong pag-unlad ng mabigat na gas turbines. Subukang pigilan ang hiwa sa antas ng teknolohiya ng mabigat na gas turbine sa ating bansa at ng iba pang nabubuhay na bansa. Kaya naman, ang antas ng teknolohiya ng mabigat na gas turbine sa Tsina ay may malaking puwang para sa pag-unlad, at ang pangunahing direksyon ng kinabukasan ng pag-unlad ay palaging patungo sa apat na aspeto, na ang mga ito ay mataas na parameter, mataas na pagganap, mababang polusyon at malawak [12].