Tiến độ nghiên cứu và xu hướng phát triển của tua bin khí hạng nặng và lớp phủ chắn nhiệt của chúng（1） Việt Nam

Trong lĩnh vực công nghiệp nặng, thiết bị phát điện loại chuyển đổi nhiệt điện phổ biến hơn - tua bin khí nặng, do diện tích chiếm dụng nhỏ, chu kỳ ngắn, hiệu suất cao, ít ô nhiễm và các đặc điểm khác được sử dụng rộng rãi trong tải đỉnh lưới điện, khai thác và truyền tải năng lượng, phát điện đại dương, năng lượng tàu thủy tiên tiến, hàng không vũ trụ và các lĩnh vực khác, được gọi là "ngọc trai công nghiệp". Theo một nghĩa nào đó, trình độ phát triển chung của ngành sản xuất quốc gia có liên quan chặt chẽ đến trình độ nghiên cứu và phát triển của tua bin khí nặng.

Năm 1939, công ty BBC của Thụy Sĩ đã sản xuất tua bin khí hạng nặng đầu tiên trên thế giới để phát điện, mở đầu cho sự phát triển nhanh chóng của tua bin khí hạng nặng trên toàn thế giới. Trong những năm gần đây, nhu cầu tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường ngày càng tăng, yêu cầu về hiệu suất của tua bin khí hạng nặng cũng được cải thiện, hướng tới mục tiêu hiệu suất cao và lượng khí thải thấp [1]. Có hai yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất của tua bin khí: một là nhiệt độ đầu vào tua bin và hai là tỷ số nén của máy nén. Trong số đó, điều quan trọng hơn là làm thế nào để tăng nhiệt độ đầu vào tua bin [2]. Do đó, cánh tua bin, là thành phần cốt lõi của tua bin khí, việc cải thiện nhiệt độ đầu vào tua bin chủ yếu dựa vào ba điểm, đó là vật liệu kim loại chịu nhiệt độ cao, công nghệ làm mát tiên tiến và công nghệ phủ lớp chắn nhiệt.

Trong những năm gần đây, công nghệ tạo tinh thể định hướng cánh siêu hợp kim/tinh thể đơn, công nghệ phủ lớp chắn nhiệt và công nghệ làm mát màng khí đã được phát triển mạnh mẽ [3]. Một số lượng lớn các nghiên cứu đã phát hiện ra rằng việc sử dụng cấu trúc làm mát được thiết kế có thể làm giảm nhiệt độ bề mặt của các thành phần đầu nóng (cánh tua bin, buồng đốt, v.v.) khoảng 500 ° C, nhưng vẫn chưa đủ để đáp ứng các yêu cầu. Tuy nhiên, để tiếp tục cải tiến công nghệ làm mát tuabin, các cấu trúc làm mát do các nhà nghiên cứu thiết kế và chế tạo không chỉ rất phức tạp mà còn khó gia công. Ngoài ra, nhiều siêu hợp kim được sử dụng để chế tạo cánh tuabin khí chịu tải nặng đã đạt đến nhiệt độ giới hạn, trong khi vật liệu composite nền gốm có khả năng chịu nhiệt tốt hơn vẫn chưa trưởng thành để ứng dụng [4]. Ngược lại, công nghệ phủ lớp chắn nhiệt có chi phí thấp hơn và cách nhiệt tuyệt vời. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng lớp phủ lớp chắn nhiệt 100 ~ 500μm được lắng đọng trên bề mặt cánh tua bin bằng công nghệ phun nhiệt, có thể tránh tiếp xúc trực tiếp giữa khí nhiệt độ cao và cánh tua bin của tua bin khí hạng nặng, đồng thời giảm nhiệt độ bề mặt khoảng 100 ~ 300℃, để tua bin khí hạng nặng có thể được đưa vào sử dụng một cách an toàn [5-6].

Do đó, xét đến nhiều yếu tố khác nhau, phương pháp khả thi và hiệu quả duy nhất để đạt được hiệu suất cao, lượng khí thải thấp và tuổi thọ cao của tua-bin khí hạng nặng là công nghệ phủ lớp chắn nhiệt. Công nghệ này được sử dụng rộng rãi trong các thành phần đầu nóng của tua-bin khí và động cơ máy bay. Ví dụ, một lớp phủ lớp chắn nhiệt được phun lên bề mặt cánh tua-bin để tách nó khỏi khí nhiệt độ cao nhằm giảm nhiệt độ bề mặt của cánh, kéo dài tuổi thọ của cánh và cho phép nó hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, do 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 lớp chắn nhiệt đã thu hút được sự chú ý lớn và được nhiều viện nghiên cứu khoa học và nhà sản xuất lớp phủ trên toàn thế giới thúc đẩy và phát triển mạnh mẽ, và nhu cầu về công nghệ phủ lớp chắn nhiệt trong ngành công nghiệp hiện đại ngày càng trở nên cấp thiết. Do đó, việc nghiên cứu lớp phủ lớp chắn nhiệt cho tua-bin khí có ý nghĩa thực tiễn và chiến lược to lớn.

Trong những năm gần đây, lớp phủ được sử dụng rộng rãi nhất cho các tua-bin khí hạng nặng vẫn là zirconia ổn định yttri (6-8YSZ) với tỷ lệ khối lượng từ 6 wt.% ~ 8 wt.%, nhưng lớp phủ YSZ không chỉ dễ bị biến đổi pha và thiêu kết mà còn dễ bị ăn mòn muối nóng chảy ở nhiệt độ trên 1℃. Tức là ăn mòn CMAS (CaO-MgO-Al2O3-SiO2 và các chất silicat khác) và ăn mòn nhiệt. Để lớp phủ hoạt động ở nhiệt độ trên 1 200℃ Trong một thời gian dài, các nhà nghiên cứu đã có nhiều nỗ lực, bao gồm tìm kiếm và phát triển lớp phủ chắn nhiệt mới, cải thiện quy trình chế tạo lớp phủ chắn 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 hạng nặng và cấu trúc hệ thống, vật liệu và phương pháp chế tạo lớp phủ chắn nhiệt, bài báo này tóm tắt tình hình nghiên cứu lớp phủ chắn nhiệt tua bin khí chống ăn mòn CMAS và các tính chất quan trọng khác, cung cấp tài liệu tham khảo cho nghiên cứu lớp phủ chắn nhiệt chống ăn mòn CMAS.

1 Tình hình 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, các quốc gia chú trọng hơn đến nghiên cứu và phát triển tuabin khí nặng, tiếp tục tăng đầu tư vốn và nhân lực, trình độ kỹ thuật của tuabin khí nặng không ngừng được cải thiện. Trình độ kỹ thuật của tuabin khí hạng nặng được xác định bởi mức nhiệt độ đầu vào của tuabin, có thể chia thành các loại E, F và H theo phạm vi nhiệt độ [7]. Trong đó, công suất loại E là 100 ~ 200 MW, công suất loại F là 200 ~ 300 MW và công suất loại H là hơn 300 MW.

1.1 Tình hình hiện tại của tua bin khí hạng nặng trong nước

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

Năm 2012, trong dự án lớn "863" trong lĩnh vực năng lượng, tua bin khí hạng nặng R0110 do Công ty Shenyang Leing và các trường đại học lớn tại Trung Quốc phát triển đã hoàn thành thành công hoạt động thử nghiệm tải 72 giờ, đánh dấu sự sản xuất thành công tua bin khí hạng nặng đầu tiên có quyền sở hữu trí tuệ độc lập, tải cơ sở là 114.5 MW. Hiệu suất nhiệt là 36%. Kể từ đó, Trung Quốc đã trở thành quốc gia thứ năm trên thế giới có năng lực nghiên cứu và phát triển tua bin khí hạng nặng độc lập. Năm 2014, Shanghai Electric đã mua cổ phần tại Ansaldo, Ý, phá vỡ thế độc quyền của nước ngoài đối với ngành tua bin khí, điều này cũng khiến Trung Quốc bước đầu hiện thực hóa việc nội địa hóa tua bin khí hạng nặng loại E/F. Năm 2019, do China Re-Combustion dẫn đầu, công nghệ chung của một số tổ chức đã chế tạo thành công cánh quạt di chuyển giai đoạn đầu, cánh quạt tĩnh giai đoạn đầu và buồng đốt của tua bin khí loại F 300 MW, đánh dấu rằng Trung Quốc đã có thể chế tạo thành công các thành phần đầu nóng của tua bin khí hạng nặng; Cùng năm, Shanghai Electric và Ansaldo đã phát triển thành công tua bin khí hạng nặng GT36 loại H, trở thành tua bin khí hạng nặng loại H đầu tiên được phát triển tại nước ta. Năm 2020, trong dự án "973", tua bin khí hạng nặng 50 MW loại F đầu tiên (gọi là G50) do China Dongfang Electric và Đại học Giao thông Tây An phát triển độc lập đã hoàn thành thành công hoạt động thử nghiệm ổn định toàn tải [9], điều này cho thấy Trung Quốc đã có thể tự phát triển tua bin khí hạng nặng loại F. Vào tháng 2022 năm 300, Jiangsu Yonghan đã tham gia phát triển cánh tua bin khí hạng nặng 300 MW sau thành công ban đầu của cuộc thử nghiệm, đánh dấu thành công hơn nữa trong nghiên cứu và phát triển tua bin khí hạng nặng 42 MW của Trung Quốc. Tuy nhiên, mặc dù trình độ công nghệ tua bin khí hạng nặng tại Trung Quốc đang được cải thiện nhanh chóng, nhưng tua bin khí loại E/F vẫn chủ yếu được sử dụng trên thị trường tua bin khí trong nước. Trong đó, hiệu suất chu trình đơn của các tua bin khí hạng nặng tiên tiến nhất trên thị trường trong nước là 44% đến 62%, hiệu suất chu trình hỗn hợp là 64% đến 10%[XNUMX].

1.2 Tình hình hiện tại của tua bin khí hạng nặng ở nước ngoài

Mặc dù khoa học công nghệ và kinh tế toàn cầu phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây, trình độ kỹ thuật của tua bin khí hạng nặng đã dần được cải thiện, nhưng một phần lớn thị trường tua bin khí hạng nặng của thế giới vẫn bị chia cắt bởi GE của Hoa Kỳ, MHI của Nhật Bản, Alstom của Pháp và Siemens của Đức. Với sự phát triển của công nghệ công nghiệp, công nghệ tua bin khí hạng nặng đã trở nên trưởng thành 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 hạng nặng, và tua bin khí hạng 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 số đó, tua bin khí loại JAC do Mitsubishi Heavy Industries sản xuất được biết đến là tua bin khí hiệu suất cao nhất thế giới, hiệu suất phát điện chu trình kết hợp của tua bin khí này có thể đạt tới 64% hoặc thậm chí cao hơn. Tua bin khí M701J, tua bin khí hiệu suất nhiệt cao nhất thế giới 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 có hiệu suất nhiệt 55% trong điều kiện tải 50%, hiệu suất của tua bin khí này rất tuyệt vời.

Tua bin khí hạng nặng loại 50 HZ SGT5-9 000HL do Siemens của Đức phát triển và sản xuất là tua bin khí hạng nặng mạnh nhất với công suất đầu ra cao nhất của một đơn vị trên thế giới. Tua bin khí hạng nặng có thể sản xuất tới 840 MW điện ở chế độ chu trình hỗn hợp và hiệu suất chu trình hỗn hợp của nó cũng lên tới 63%, nhưng nó không phải là tua bin khí hiệu quả nhất trong chu trình hỗn hợp.

Vào tháng 2019 năm 7, GE đã ra mắt tua-bin khí hạng nặng 03HA.5, có công suất đầu ra chu trình kết hợp tối đa thấp hơn một chút so với tua-bin khí hạng nặng SGT9000-821HL của Siemens, đạt 63.9 MW, nhưng hiệu suất chu trình kết hợp tối đa của nó ước tính lên tới 2022%. Vào năm 7, tua-bin khí 03HA.64 đã được đưa vào vận hành thương mại lần đầu tiên, với hiệu suất phát điện chu trình kết hợp vượt quá 75% và tốc độ tăng trưởng tải lên tới 7 MW/phút. Tua-bin khí 03HA.70 có thể giảm 7% lượng khí thải. Để giảm thêm lượng khí thải carbon từ quá trình phát điện chạy bằng khí, tua-bin khí 03HA.50 của GE hiện hỗ trợ quá trình đốt cháy 430% hydro theo thể tích và có công suất đầu ra ròng là 7 MW trong một chu trình duy nhất. Nhà máy điện tua bin khí hạng nặng 03HA.640 "một kéo" có thể cung cấp công suất phát điện lên tới 7 MW, trong khi nhà máy điện tua bin khí hạng nặng 03HA.1 "hai kéo" có thể cung cấp công suất phát điện lên tới 282 MW.

Ngày nay, nhiệt độ đầu vào của các tua bin khí hạng nặng tiên tiến nhất thế giới lên tới 1,600 ° C [11]. Một số chuyên gia dự đoán nhiệt độ đầu vào tối đa của tua bin khí trong tương lai có thể đạt tới 1℃và hiệu suất của chu trình đơn và chu trình kết hợp có thể đạt lần lượt là 44% ~ 45% và 65% [10].

Tóm lại, mặc dù trình độ kỹ thuật của tua bin khí hạng nặng ở Trung Quốc đã có những tiến bộ lớn so với trước đây, nhưng vẫn còn một khoảng cách lớn về trình độ công nghệ sản xuất và bảo trì so với các nước phát triển, như thể hiện trong Bảng 1. Vì lý do này, các nhà sản xuất và nhà nghiên cứu trong nước trước hết phải hiểu rõ tình hình phát triển của tua bin khí hạng nặng của Trung Quốc, nâng cao tầm quan trọng của nghiên cứu và phát triển tua bin khí hạng nặng, đồng thời với sự hỗ trợ của các chính sách quốc gia, tiếp tục tăng vốn đầu tư vào nghiên cứu công nghệ tua bin khí hạng nặng, tập trung vào lợi thế của tất cả các bên để phát triển toàn diện tua bin khí hạng nặng. Cố gắng thu hẹp khoảng cách giữa trình độ công nghệ tua bin khí hạng nặng của nước ta và các nước phát triển khác. Do đó, trình độ kỹ thuật của tua bin khí hạng nặng ở Trung Quốc vẫn còn một không gian phát triển rất lớn và xu hướng phát triển trong tương lai chủ yếu hướng tới bốn khía cạnh này, cụ thể là thông số cao, hiệu suất cao, ô nhiễm thấp và quy mô lớn [12].