Tiến bộ nghiên cứu và xu hướng phát triển của tua-bin khí công suất lớn và lớp phủ rào cản nhiệt của chúng (1)

Trong lĩnh vực công nghiệp nặng, thiết bị phát điện chuyển đổi nhiệt-lực phổ biến hơn - tua-bin khí nặng, do có diện tích chiếm dụng nhỏ, chu kỳ ngắn, hiệu suất cao, ít ô nhiễm và các đặc điểm khác nên được sử dụng rộng rãi trong việc điều tiết tải cao của lưới điện, khai thác và vận chuyển năng lượng, phát điện trên biển, nguồn điện cho tàu thuyền hiện đại, hàng không vũ trụ và các lĩnh vực khác, được gọi là "viên ngọc công nghiệp". Ở một mức độ nhất định, trình độ phát triển tổng thể của ngành chế tạo quốc gia có liên quan mật thiết đến trình độ nghiên cứu và phát triển của tua-bin khí nặng.

Năm 1939, công ty BBC của Thụy Sĩ đã sản xuất tuabin khí nặng đầu tiên trên thế giới dùng để phát điện, đánh dấu sự phát triển nhanh chóng của tuabin khí nặng toàn cầu. Trong những năm gần đây, nhu cầu về tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường ngày càng tăng, và các yêu cầu về hiệu suất của tuabin khí nặng cũng được nâng cao, hướng tới mục tiêu hiệu quả cao và thải ít khí [1]. Có hai yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất của tuabin khí: một là nhiệt độ vào turbin, và hai là tỷ số nén của máy nén. Trong đó, vấn đề quan trọng hơn là làm thế nào để tăng nhiệt độ vào turbin [2]. Do đó, cánh tuabin, với vai trò là các bộ phận cốt lõi của tuabin khí, việc cải thiện nhiệt độ vào turbin chủ yếu dựa vào ba điểm sau, bao gồm vật liệu kim loại chịu nhiệt cao, công nghệ làm mát hiện đại và công nghệ phủ rào cản nhiệt.

Trong những năm gần đây, công nghệ tạo tinh thể hướng/đơn tinh thể cho lưỡi cánh hợp kim siêu bền, công nghệ phủ lớp cách nhiệt và công nghệ làm mát màng khí đã được phát triển mạnh mẽ [3]. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng cấu trúc làm mát được thiết kế có thể giảm nhiệt độ bề mặt của các bộ phận đầu nóng (lưỡi cánh tua-bin, buồng đốt, v.v.) khoảng 500 ° C, nhưng vẫn chưa đủ để đáp ứng yêu cầu. Tuy nhiên, để tiếp tục cải thiện công nghệ làm mát tua-bin, các cấu trúc làm mát được thiết kế và sản xuất bởi các nhà nghiên cứu không chỉ rất phức tạp mà còn khó gia công. Ngoài ra, nhiều hợp kim siêu bền được sử dụng để chế tạo cánh tua-bin khí nén nặng đã đạt đến nhiệt độ giới hạn, trong khi các vật liệu composite ma trận gốm có khả năng chịu nhiệt tốt hơn thì chưa chín muồi để áp dụng [4]. Ngược lại, công nghệ phủ rào cản nhiệt có chi phí thấp hơn và khả năng cách nhiệt tuyệt vời. Nghiên cứu cho thấy rằng lớp phủ rào cản nhiệt từ 100 ~ 500 μ m được lắng đọng trên bề mặt cánh tua-bin bằng công nghệ phun nhiệt, có thể tránh được việc tiếp xúc trực tiếp giữa khí nóng và cánh tua-bin của tua-bin khí nén nặng, và giảm nhiệt độ bề mặt khoảng 100 ~ 300 ℃ , nhờ đó tua-bin khí nén nặng có thể được đưa vào hoạt động an toàn [5-6].

Do đó, cân nhắc các yếu tố khác nhau, phương pháp duy nhất khả thi và hiệu quả để đạt được hiệu suất cao, phát thải thấp và tuổi thọ dài cho tua-bin khí công nghiệp nặng là công nghệ lớp phủ hàng rào nhiệt. Công nghệ này được sử dụng rộng rãi trong các bộ phận đầu nóng của tua-bin khí và động cơ phản lực. Ví dụ, một lớp phủ hàng rào nhiệt được phun lên bề mặt của cánh tua-bin để tách nó khỏi khí có nhiệt độ cao, giảm nhiệt độ bề mặt của cánh, kéo dài tuổi thọ của cánh và cho phép nó hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, từ đó cải thiện hiệu suất của tua-bin khí. Kể từ khi phát triển vào cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950, lớp phủ hàng rào nhiệt đã thu hút sự chú ý lớn và được thúc đẩy mạnh mẽ và phát triển bởi nhiều viện nghiên cứu khoa học và nhà sản xuất lớp phủ trên toàn thế giới, và nhu cầu về công nghệ lớp phủ hàng rào nhiệt trong ngành công nghiệp hiện đại đang ngày càng trở nên cấp thiết. Do đó, việc nghiên cứu lớp phủ hàng rào nhiệt cho tua-bin khí có ý nghĩa thực tiễn và chiến lược to lớn.

Trong những năm gần đây, loại lớp phủ được sử dụng rộng rãi nhất cho tua-bin khí công suất lớn vẫn là zirconia ổn định bằng ittri (6-8YSZ) với tỷ lệ khối lượng 6 wt.% ~ 8 wt.%, nhưng lớp phủ YSZ không chỉ dễ bị chuyển pha và nén kết, mà còn dễ bị ăn mòn muối nóng chảy ở nhiệt độ trên 1 200 ℃ . Nghĩa là sự ăn mòn CMAS (CaO-MgO-Al2O3-SiO2 và các chất silicate khác) và ăn mòn nhiệt. Để làm cho lớp phủ hoạt động ở nhiệt độ trên 1 200 ℃ Trong một thời gian dài, các nhà nghiên cứu đã thực hiện nhiều nỗ lực, bao gồm việc tìm kiếm và phát triển các lớp phủ rào cản nhiệt mới, cải thiện quy trình chuẩn bị của lớp phủ rào cản nhiệt và điều chỉnh cấu trúc của lớp phủ. Do đó, trên cơ sở thảo luận về tình hình hiện tại của tua-bin khí công suất lớn và cấu trúc hệ thống, vật liệu và phương pháp chuẩn bị của lớp phủ rào cản nhiệt, bài báo này tóm tắt tình trạng nghiên cứu về lớp phủ rào cản nhiệt của tua-bin khí chống lại sự ăn mòn CMAS và các đặc tính quan trọng khác, cung cấp tài liệu tham khảo cho nghiên cứu về lớp phủ rào cản nhiệt chống lại sự ăn mòn CMAS.

1 Tình trạng và xu hướng phát triển của tua-bin khí công suất lớn

Kể từ khi tuabin khí đầu tiên trên thế giới ra đời vào năm 1920, tuabin khí đã bắt đầu phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực công nghiệp. Trong những năm gần đây, quy mô thị trường tuabin khí nặng toàn cầu tiếp tục tăng trưởng, các quốc gia chú trọng hơn đến nghiên cứu và phát triển tuabin khí nặng, đồng thời không ngừng tăng cường đầu tư vốn và nhân lực, nhờ đó trình độ kỹ thuật của tuabin khí nặng không ngừng được cải thiện. Trình độ kỹ thuật của tuabin khí nặng được xác định bởi nhiệt độ đầu vào tua-bin, có thể chia thành các loại E, F và H theo dải nhiệt độ [7]. Trong đó, công suất của loại E là 100 ~ 200 MW, công suất của loại F là 200 ~ 300 MW, và công suất của loại H vượt quá 300 MW.

1.1 Tình hình hiện tại của tuabin khí nặng trong nước

Trong thập niên 1950, tua-bin khí nặng của Trung Quốc cần phải được giới thiệu bởi các công ty nước ngoài [General Electric (GE), Siemens của Đức (Siemens), Mitsubishi Heavy Industries của Nhật Bản (MHI)], sau đó mới tự thiết kế, phát triển và sản xuất. Ở giai đoạn này, công nghệ tua-bin khí nặng của đất nước chúng ta đã phát triển nhanh chóng. Đến thập niên 1980, vấn đề nghiêm trọng về thiếu hụt dầu khí đã xảy ra ở Trung Quốc, khiến việc phát triển công nghệ tua-bin khí nặng rơi vào trạng thái suy thoái. Cho đến năm 2002, với việc truyền dẫn khí đốt từ tây sang đông và sự phát triển, giới thiệu khí tự nhiên ở đất nước chúng ta, vấn đề dầu khí đã được giải quyết, và tua-bin khí nặng của chúng ta cuối cùng đã bắt đầu một vòng phát triển mới [8]. Hiện nay, việc sản xuất tua-bin khí nặng của Trung Quốc chủ yếu dựa vào các doanh nghiệp như Shanghai Electric, Dongfang Electric, Harbin Electric và các doanh nghiệp khác.

Năm 2012, trong các dự án lớn "863" trong lĩnh vực năng lượng, tuabin khí công suất lớn R0110 do Công ty Shenyang Leing và các trường đại học lớn ở Trung Quốc phát triển đã hoàn thành thành công việc vận hành thử tải 72 giờ, đánh dấu sự sản xuất thành công của tuabin khí công suất lớn đầu tiên có quyền sở hữu trí tuệ độc lập, với công suất cơ bản là 114,5MW và hiệu suất nhiệt là 36%. Kể từ đó, Trung Quốc đã trở thành quốc gia thứ năm trên thế giới có khả năng nghiên cứu và phát triển tuabin khí công suất lớn. Năm 2014, Shanghai Electric đã mua cổ phần tại Ansaldo, Ý, phá vỡ sự độc quyền của nước ngoài trong ngành tuabin khí, đồng thời giúp Trung Quốc bắt đầu thực hiện quá trình địa phương hóa đối với tuabin khí hạng nặng E/F. Năm 2019, dưới sự dẫn dắt của China Re-Combustion, công nghệ liên hợp của nhiều tổ chức đã thành công trong việc chế tạo lưỡi cánh chuyển động giai đoạn một, lưỡi cánh tĩnh giai đoạn một và buồng đốt của tuabin khí F loại 300 MW, đánh dấu rằng Trung Quốc đã có khả năng ban đầu để chế tạo các bộ phận nóng của tuabin khí công suất lớn; cùng năm đó, Shanghai Electric và Ansaldo đã phát triển thành công tuabin khí công suất lớn H lớp GT36, trở thành tuabin khí công suất lớn H lớp đầu tiên được phát triển ở nước ta. Năm 2020, trong dự án "973", tuabin khí công suất lớn F lớp 50 MW (gọi là G50) được phát triển độc lập bởi China Dongfang Electric và Đại học Xi'an Jiaotong đã hoàn thành thành công việc vận hành thử tải ổn định toàn bộ [9], điều này cho thấy Trung Quốc đã có khả năng ban đầu để phát triển độc lập tuabin khí công suất lớn F lớp. Tháng 6 năm 2022, Jiangsu Yonghan đã tham gia vào việc phát triển lưỡi cánh tua-bin khí công suất lớn 300 MW sau khi thử nghiệm ban đầu thành công, đánh dấu sự tiến bộ hơn nữa trong việc nghiên cứu và phát triển tuabin khí công suất lớn 300 MW của Trung Quốc. Tuy nhiên, mặc dù mức độ công nghệ tuabin khí công suất lớn ở Trung Quốc đang cải thiện nhanh chóng, tuabin khí E/F lớp vẫn chủ yếu được sử dụng trên thị trường tuabin khí trong nước. Trong số đó, hiệu suất chu kỳ đơn của tuabin khí công suất lớn tiên tiến nhất trên thị trường trong nước là 42% đến 44%, và hiệu suất chu kỳ kết hợp là 62% đến 64% [10].

1.2 Tình trạng hiện tại của tua-bin khí công suất lớn ở nước ngoài

Dù khoa học và công nghệ toàn cầu cũng như nền kinh tế đã phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây, mức độ kỹ thuật của tua-bin khí công suất lớn đã dần được cải thiện, nhưng một phần lớn thị trường tua-bin khí công suất lớn trên thế giới vẫn bị chia sẻ bởi GE của Mỹ, MHI của Nhật Bản, Alstom của Pháp và Siemens của Đức. Cùng với sự phát triển của công nghệ công nghiệp, công nghệ tua-bin khí công suất lớn đã trở nên chín chắn hơn, và trọng tâm nghiên cứu và phát triển đã dần chuyển từ lĩnh vực tua-bin khí hàng không sang lĩnh vực tua-bin khí công suất lớn, và các loại tua-bin khí E, F, G, H, J đã được phát triển.

Hiện nay, trên thị trường tua-bin khí nặng, nhiều sản phẩm của Mitsubishi Nhật Bản được công chúng ưa chuộng hơn. Trong đó, tua-bin khí loại JAC do Mitsubishi Heavy Industries sản xuất được biết đến là tua-bin khí hiệu quả nhất thế giới, và hiệu suất phát điện chu trình kết hợp có thể đạt 64% hoặc thậm chí cao hơn. Tua-bin khí M701J, tua-bin khí có hiệu suất nhiệt cao nhất thế giới dùng để phát điện, có công suất chu trình đơn là 470 MW và công suất chu trình kết hợp là 680 MW. Ngoài ra, tua-bin khí M501J vẫn duy trì hiệu suất nhiệt 55% ở điều kiện tải 50%, và hiệu suất của nó rất xuất sắc.

Turbine khí nặng loại SGT5-9000HL 50 HZ do Siemens của Đức phát triển và sản xuất là turbine khí nặng mạnh nhất thế giới với công suất đầu ra lớn nhất từ một đơn vị. Turbine khí nặng này có thể tạo ra tới 840 MW điện trong chế độ chu kỳ kết hợp, và hiệu suất chu kỳ kết hợp của nó cũng đạt tới 63%, nhưng nó không phải là turbine khí hiệu quả nhất trong chu kỳ kết hợp.

Vào tháng 10 năm 2019, GE đã ra mắt tuabin khí công suất lớn model 7HA.03, có công suất đầu ra chu trình kết hợp tối đa thấp hơn một chút so với tuabin khí công suất lớn loại SGT5-9000HL của Siemens, đạt 821 MW, nhưng hiệu suất chu trình kết hợp tối đa của nó được ước tính lên tới 63,9%. Năm 2022, tuabin khí 7HA.03 đã được đưa vào vận hành thương mại lần đầu tiên, với hiệu suất phát điện chu trình kết hợp vượt quá 64% và tốc độ tăng tải lên đến 75 MW/phút. Tuabin khí 7HA.03 có thể giảm phát thải đến 70%. Để tiếp tục giảm lượng phát thải carbon từ các nhà máy phát điện chạy khí, tuabin khí 7HA.03 của GE hiện hỗ trợ đốt cháy 50% hydro theo thể tích và có công suất ròng 430 MW trong chu trình đơn. Một nhà máy điện sử dụng tuabin khí công suất lớn 7HA.03 "một dây chuyền" có thể cung cấp điện lên đến 640 MW, trong khi một nhà máy điện sử dụng tuabin khí công suất lớn 7HA.03 "hai dây chuyền" có thể cung cấp điện lên đến 1 282 MW.

Hiện nay, nhiệt độ đầu vào của tua-bin khí công suất nặng tiên tiến nhất thế giới có thể đạt tới 1.600 ° C [11]. Một số chuyên gia đã dự đoán rằng nhiệt độ đầu vào tối đa của tua-bin khí trong tương lai có thể đạt 1.700 ℃ , và hiệu suất của chu trình đơn và chu trình kết hợp có thể đạt 44% ~ 45% và 65% tương ứng [10].

Tóm lại, mặc dù trình độ kỹ thuật của tua-bin khí công suất lớn ở Trung Quốc đã đạt được những tiến bộ lớn so với trước đây, vẫn còn một khoảng cách lớn về trình độ công nghệ sản xuất và bảo trì so với các quốc gia phát triển, như được thể hiện trong Bảng 1. Do đó, các nhà sản xuất và nhà nghiên cứu trong nước cần trước hết hiểu rõ tình trạng phát triển của tua-bin khí công suất lớn ở Trung Quốc, nâng cao tầm quan trọng của việc nghiên cứu và phát triển tua-bin khí công suất lớn, đồng thời với sự hỗ trợ của chính sách quốc gia, tiếp tục tăng cường đầu tư vốn cho nghiên cứu công nghệ tua-bin khí công suất lớn, tập trung vào lợi thế của tất cả các bên để phát triển toàn diện tua-bin khí công suất lớn. Nỗ lực thu hẹp khoảng cách về trình độ công nghệ tua-bin khí công suất lớn giữa đất nước chúng ta và các quốc gia phát triển khác. Do đó, trình độ kỹ thuật của tua-bin khí công suất lớn ở Trung Quốc vẫn còn rất nhiều không gian phát triển, và xu hướng phát triển trong tương lai chủ yếu hướng tới bốn khía cạnh này, tức là tham số cao, hiệu suất cao, ít ô nhiễm và quy mô lớn [12].