Ağır gaz türbinlerinin ve termal engel kaplamalarının araştırma ilerlemesi ve geliştirme eğilimi (1)

Ağır sanayi alanında, daha yaygın olan ısı-güç dönüşümü tipi elektrik üretim ekipmanı - ağır gaz türbini, küçük alan kaplama, kısa çevrim, yüksek verimlilik, az kirlilik ve diğer özellikler nedeniyle enerji çıkarma ve aktarımı, deniz elektrik üretimi, ileri gemi gücü, havacılık ve uzay teknolojisi gibi alanlarda güç ağı zirve yükünde yaygın olarak kullanılmaktadır ve "endüstriyel inci" olarak adlandırılır. Belirli bir anlamda, ulusal imalat endüstrisinin genel gelişim seviyesi, ağır gaz türbinlerinin araştırma ve geliştirme seviyesi ile yakından ilişkilidir.

1939 yılında, İsviçreli BBC şirketi, güç üretimi için dünyanın ilk ağır gaz türbini üretti, bu da küresel olarak ağır gaz türbinlerinin hızlı gelişimine başlamasını sağladı. Son yıllarda, enerji tasarrufu ve çevresel koruma gereksinimi artmış ve ağır gaz türbinlerinin performans istekleri de geliştirilmiştir, yüksek verimlilik ve düşük emisyon hedefine yönelik [1]. Gaz türbinlerinin verimliliğini etkileyen iki ana faktör vardır: birisi türbin giriş sıcaklığı ve diğeri ise kompresör sıkıştırma oranı. Bunların arasında daha kritik olanı, nasıl türbin giriş sıcaklığını artırabileceğimizdir [2]. Bu nedenle, gaz türbinlerinin çekirdek bileşenleri olan türbin pencereleri, türbin giriş sıcaklığını artırmak için üç temel noktaya dayanır: yani yüksek sıcaklığa dayanıklı metal malzemeler, ileri düzeyde soğutma teknolojisi ve termal engel kaplama teknolojisi.

Son yıllarda, süperalümin leke定向 kristal/tek kristal shaping teknolojisi, termal engel katmanı teknolojisi ve gaz filmi soğutma teknolojisi büyük bir şekilde geliştirilmiştir [3]. Sayısız araştırmalar, tasarlanmış soğutma yapısının kullanılarak高温 bileşenlerinin (turbin lekeleri, yanma odaları vb.) yüzey sıcaklığının yaklaşık 500 derece azaltılabileceği bulunmuştur. ° C, ancak bu, gereksinimleri karşılamak için yeterli değil. Ancak, türbin soğutma teknolojisinin sürekli olarak geliştirilmesi için araştırmacılar tarafından tasarlanan ve üretilen soğutma yapıları sadece çok karmaşık değil, aynı zamanda işleme zor olanlardır. Ayrıca, ağır görevli gaz türbini pencerelerini üretmek için kullanılan birçok süper alaşımın sıcaklık sınırına ulaştı, oysa daha iyi ısı dayanımı gösteren keramik matris bileşikleri henüz uygulama için olgunlaşmadı [4]. Karşılaştırıldığında, termal engel katmanı teknolojisi daha düşük maliyetlere sahip ve mükemmel termal yalıtım sağlar. Çalışmalar, 100 ~ 500 μ m kalınlığındaki termal engel kaplaması, termal sıvılaştırma tekniğiyle türbin penceresi üzerine yerleştirildiğinde, yüksek sıcaklıklı gaz ile ağır görevli gaz türbini pencereleri arasındaki doğrudan teması önleyebilir ve yüzey sıcaklığını yaklaşık 100 ~ 300 ℃ derece düşürebilir, böylece ağır görevli gaz türbini güvenle hizmete sokulabilir [5-6].

Bu nedenle, çeşitli faktörleri göz önüne alarak, ağır yüklu gaz türbinlerinin yüksek verimlilik, düşük emisyon ve uzun ömür özelliklerini elde etmek için tek gerçekçi ve etkili yöntem, termal engel katmanı teknolojisidır. Bu teknoloji, gaz türbinlerinin ve hava motorlarının sıcak uç bileşenlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Örneğin, bir türbin kanadının yüzeyine termal engel katmanı püskürtülerek, kanağı yüksek sıcaklıklı gazdan ayırmak için kullanılır; bu da kanağın yüzey sıcaklığını düşürür, hizmet ömrünü uzatır ve daha yüksek sıcaklıklarda çalışmasını sağlar ki bu da gaz türbininin verimliliğini artırır. 1940'ların sonlarından ve 1950'lerin başından itibaren geliştirilen termal engel kaplaması, dünya çapında birçok bilimsel araştırma kurumu ve kaplama üreticisi tarafından büyük ilgi çekmiş ve enerjik bir şekilde teşvik edilip geliştirilmiştir; modern endüstride termal engel kaplama teknolojisiyle ilgili talep giderek daha acildir. Bu nedenle, gaz türbinleri için termal engel kaplama üzerine yapılan araştırmalar büyük pratik ve stratejik öneme sahiptir.

Son yıllarda, ağır işlevli gaz türbinleri için en yaygın olarak kullanılan kaplama hala 6-8YSZ (yttriyum ile stabilize edilmiş zirkonyum oksit) olup, kütlesi fractionı %6 ~ %8'dir, ancak YSZ kaplaması faz dönüşümü ve sinterleme eğiliminde bulunmasının yanı sıra, 1200 derece üzerindeki sıcaklıklarda eriyen tuz korozyonuna da maruz kalabilir. ℃ . Yani, CMAS korozyonu (CaO-MgO-Al2O3-SiO2 ve diğer silikat maddeler) ve termal korozyon. Kaplamanın 1200 derece üzerindeki sıcaklıklarda çalışabilmesi için ℃ Uzun süre boyunca, araştırmacılar yeni termal engel kaplamaları bulma ve gelişturma, termal engel kaplamalarının hazırlık sürecini iyileştirme ve kaplama yapısını düzenleme dahil olmak üzere birçok çabayı gösterdi. Bu nedenle, ağır gaz türbinlerinin durumu ve sistem yapısı, malzemeleri ve termal engel kaplamalarının hazırlık yöntemleri üzerine tartışıldığı temelinde, bu makale CMAS korozyonuna karşı gaz türbini termal engel kaplamalarının araştırma durumunu ve diğer ana özelliklerini özetlemektedir, bu da CMAS korozyonuna karşı termal engel kaplamaları konusundaki araştırmalar için bir başvuru sağlar.

1 Ağır Gaz Türbinlerinin Durumu ve Gelişme Eğilimi

Dünyadaki ilk gaz türbini 1920'de piyasaya çıktığı beri, gaz türbinleri endüstriyel alanda hızlı bir şekilde gelişmeye başladı. Son yıllarda, küresel ağır gaz türbini pazarının boyutu sürekli artmaya devam ediyor, ülkeler ağır gaz türbinlerinin araştırmalarına ve geliştirmesine daha fazla dikkat ediyor ve sermaye ve insan gücü yatırımlarını artırıyor; ağır gaz türbinlerinin teknolojik seviyesi sürekli olarak iyileşiyor. Ağır gaz türbinlerinin teknolojik seviyesi, türbin giriş sıcaklığı seviyesiyle belirlenir ve sıcaklık aralığına göre E, F ve H sınıflarına bölünebilir [7]. Bunların arasında, E sınıfının gücü 100 ~ 200 MW'dır, F sınıfının gücü 200 ~ 300 MW'dır ve H sınıfının gücü 300 MW'den fazladır.

1.1 Yerli ağır gaz türbinlerinin mevcut durumu

1950'lerde, Çin'in ağır boru havacı türbinleri yabancı şirketler tarafından [General Electric (GE), Almanya'nın Siemens (Siemens), Japonya'nın Mitsubishi Heavy Industries (MHI)] tanıtılmış ve ardından bağımsız olarak tasarlanmıştır, geliştirilmiş ve üretilmiştir. Bu aşamada, bizim ülkenin ağır boru havacı türbini teknolojisi hızlı bir şekilde gelişmiştir. 1980'lerde, Çin'de ciddi bir petrol ve doğalgaz eksikliği sorunu yaşandı ve ağır boru havacı türbini teknolojisinin gelişimi bir çöküş durumuna zorlandı. 2002 yılına kadar, batı-doğu gaz aktarımı ve ülkeye doğal gazın geliştirmesi ve tanıtımıyla, petrol ve doğalgaz sorunu çözülmüş ve bizim ülkenin ağır boru havacı türbinleri sonunda yeni bir gelişme döngüsüne girmiştir [8]. Şu anda, Çin'in ağır boru havacı türbini üretimi esasen Shanghai Electric, Dongfang Electric, Harbin Electric ve diğer firmalar üzerine dayanmaktadır.

2012'de, enerji alanında "863" büyük projelerinde, Shenyang Leing şirketi ve Çin'in önde gelen üniversiteleri tarafından geliştirilen R0110 ağır gaz türbini, 72 saatlik yük test işlemesini başarıyla tamamladı. Bu da bağımsız entellektüel mülkiyet haklarına sahip ilk ağır gaz türbininin başarılı bir şekilde üretilmesini işaret etmektedir ve temel yüklü güç kapasitesi 114,5 MW'dır. Isı verimliliği %36'dır. O zamandan beri, Çin, dünyada bağımsız olarak ağır gaz türbini geliştirebilen beşinci ülke olmuştur. 2014'te, İtalya'nın Ansaldo şirketinde hisse satın alan Shanghai Electric, yabancıların gaz türbini endüstrisindeki monopoliyi kırdı ve bu da Çin'in E/F sınıfı ağır gaz türbinlerinin yerelleştirilmesini başlattı. 2019'da, Çin Re-Combustion liderliğinde birden fazla kurumun ortak teknolojisiyle, F sınıfı 300 MW gaz türbini için birinci aşamadaki hareketli pano, birinci aşamadaki statik pano ve yanma odası başarıyla üretilmiştir. Bu da Çin'in ağır gaz türbinlerinin sıcak uç bileşenlerini başlangıçta üretme yeteneğine sahip olduğunu göstermektedir; aynı yıl, Shanghai Electric ve Ansaldo, H sınıfı ağır bir gaz türbini GT36 geliştirmeyi başarıyla gerçekleştirdi ve bu da bizim ülkemiznede geliştirilen ilk H sınıfı ağır gaz türbinidir. 2020'de, "973" projesinde, Çin Dongfang Elektrik ve Xi'an Jiaotong Üniversitesi tarafından bağımsızca geliştirilen ilk F sınıfı 50 MW ağır gaz türbini (G50 adıyla anılır) tam yükle stabil test işlemesini başarıyla tamamladı [9], bu da Çin'in F sınıfı ağır gaz türbinlerini bağımsızca geliştirebilme yeteneğine sahip olduğunu göstermektedir. Haziran 2022'de, Jiangsu Yonghan, 300 MW ağır gaz türbini türbin pano testinin ilkel başarıya ulaşmasında rol aldı ve bu da Çin'in 300 MW ağır gaz türbini geliştirmesi konusundaki başarısını daha da artırmıştır. Ancak, Çin'deki ağır gaz türbini teknolojisinin seviyesi hızlı bir şekilde gelişse de, hala iç pazar gaz türbini piyasasında E/F sınıfı gaz türbinleri baskındır. Bunlar arasında, iç pazardaki en ileri ağır gaz türbinlerinin tek çevrim verimliliği %42-%44 arasındadır ve birleşik çevrim verimliliği %62-%64 arasındadır [10].

1.2 Yurtdışında ağır görevli gaz türbinlerinin mevcut durumu

Son yıllarda küresel bilim ve teknoloji ile ekonomide yaşanan hızlı gelişmelere rağmen, ağır gaz türbinlerinin teknik seviyesi yavaş yavaş artmaya devam etmektedir, ancak dünyanın büyük bir kısmındaki ağır gaz türbini pazarı hala Amerika'nın GE'si, Japonya'nın MHI'si, Fransa'nın Alstom'u ve Almanya'nın Siemens'i tarafından bölünmüştür. Endüstriyel teknolojinin gelişimiyle birlikte, ağır gaz türbini teknolojisi daha da olgunlaşmıştır ve araştırma ve geliştirme odak noktası, havacılık gaz türbinleri alanından ağır gaz türbinleri alanına kaydı ve E, F, G, H, J sınıfı gaz türbinleri geliştirilmiştir.

Şu anda, ağır gaz türbini piyasasında Japonya'nın Mitsubishi ürünlerinden birçoğu kamusal alanda daha popüler. Bunların arasında, Mitsubishi Heavy Industries tarafından üretilen JAC tipi gaz türbini, dünyanın en verimli gaz türbini olarak bilinir ve birleşik çevrim elektrik üretim verimliliği %64 veya daha fazla olabilir. M701J gaz türbini, dünyadaki en yüksek termal verimlilikte elektrik üretimi yapan gaz türbinidir, basit çevrim gücü 470 MW ve birleşik çevrim gücü 680 MW'dir. Ayrıca, M501J gaz türbini, yükleme koşullarında %50'inde hala %55 termal verimliliğe sahip olup, performansı çok üstündür.

Almanya'daki Siemens tarafından geliştirilen ve üretilen 50 HZ SGT5-9 000HL sınıfı ağır gaz türbini, dünyadaki en güçlü ağır gaz türbini ve aynı zamanda tek birim olarak en yüksek çıkış gücüne sahip olanıdır. Ağır gaz türbini, birleşik çevrimde maksimum 840 MW elektrik üretimi yapabilir ve birleşik çevrim verimliliği de %63'e ulaşabilir, ancak bu, birleşik çevrimde en verimli gaz türbini değildir.

Ekim 2019'da, GE, maksimum birleşik çevrim çıkış gücü, Siemens'in SGT5-9000HL sınıfı ağır gaz türbini'nin biraz altında olan ve 821 MW'ye ulaşan 7HA.03 ağır görevli gaz türbini piyasaya sürmüştür; ancak birleşik çevrim verimliliği %63.9'a kadar tahmin edilmektedir. 2022 yılında, 7HA.03 gaz türbini ilk kez ticari olarak işletmeye alınmış, birleşik çevrim elektrik üretim verimliliği %64'ten fazla olmuş ve yük büyüme oranı 75 MW/dk'ya ulaşmıştır. 7HA.03 gaz türbini emisyonları %70 oranında azaltabilir. Gaz ile çalışan elektrik üreten sanayiden karbon salınımını daha da azaltmak için, GE'nin 7HA.03 gaz türbini şu anda hacimsel olarak %50 hidrojen yakmasını desteklemekte ve tek çevrimde net 430 MW çıkartmaktadır. Bir "tek-sürükleme" 7HA.03 ağır görevli gaz türbini elektrik santrali en fazla 640 MW elektrik üretimi sağlayabilirken, "çift-sürükleme" 7HA.03 ağır görevli gaz türbini elektrik santrali en fazla 1 282 MW elektrik üretimi sağlayabilir.

Bugün, dünyadaki en ileri ağır yüklu gaz türbinlerinin giriş sıcaklığı 1.600 derece kadar yüksektir ° C [11]. Bazı uzmanlar, gelecekte gaz türbinlerinin maksimum giriş sıcaklığının 1.700 dereceye ulaşabileceğini tahmin etmiştir ℃ , ve tek döngü ve kombinasyon döngüsünün verimliliği sırasıyla %44 ~ %45 ve %65 olabilir [10].

Özetle, Çin'deki ağır işlevli gaz türbini teknolojisinin geçmişle karşılaştırıldığında büyük bir ilerleme kaydettiği görülmektedir ancak yapımı ve bakım teknolojisi açısından gelişmiş ülkelerle kıyaslandığında hala büyük bir fark bulunmaktadır, Tablo 1'de gösterildiği gibi. Bu nedenle, yerel üreticiler ve araştırmacılar öncelikle Çin'in ağır gaz türbini konusundaki gelişim durumunu net bir şekilde anlamalı, ağır gaz türbini araştırmaya ve geliştirmeye olan önemini artırmalıdır. Aynı zamanda ulusal politikaların desteğiyle, ağır gaz türbini teknolojisi üzerine yapılan sermaye yatırımlarını sürekli artırarak, tüm tarafların avantajlarına odaklanmalı ve ağır gaz türbinlerinin tam geliştirilmesi için çaba göstermelidir. Ülkenin ağır gaz türbini teknolojisi seviyesi ile diğer gelişmiş ülkeler arasındaki farkı mümkün olduğunca azaltmaya çalışmalıdır. Dolayısıyla, Çin'deki ağır gaz türbinleri teknolojisi hala büyük bir gelişme alanı sunmaktadır ve gelecekteki gelişim eğilimi ana olarak şu dört yöne doğru gidecektir: yüksek parametreler, yüksek performans, düşük kirlilik ve büyük ölçekli [12].