Напредак истраживања и развојни тренд тешке гасне турбине и њихових топлотних бариерних премаза ((1)

У области тешке индустрије, уобичајенија опрема за производњу енергије типа конверзије топлоте и енергије - тешка гасна турбина, због малог стаза, кратког циклуса, високе ефикасности, мање загађења и других карактеристика широко се користи у електричној мрежи пик оптерећења, рударству и преносу У извесном смислу, укупни ниво развоја националне прераде у блиској је вези са нивоом истраживања и развоја тешке гасне турбине.

Године 1939. швајцарска компанија Би-Би-Си произвела је прву у свету тешку гасну турбину за производњу енергије, што је почело брз развој тешке гасне турбине широм света. Последњих година, потражња за штедњом енергије и заштитом животне средине расте, а захтеви за перформансе тешке гасне турбине су такође побољшани, према циљу високе ефикасности и ниских емисија [1]. Постоје два главна фактора који утичу на ефикасност гасних турбина: један је температура улаза турбине, а други је однос компресије компресора. Међу њима, критичнија ствар је како повећати температуру улаза у турбину [2]. Због тога се лопатице турбине, као основне компоненте гасних турбина, побољшавају температуру улаза турбине углавном ослањају на три тачке, односно на металне материјале отпорне на високу температуру, напредну технологију хлађења и технологију топлотне баријере.

У последњих неколико година, енергично су развијене технологије направљеног кристала/једнокристалног формирања кристала са лопатом суперлигуа, технологије топлотне бариерне премазе и технологије хлађења гасног филма [3]. Велики број студија показао је да коришћење дизајниране структуре хлађења може смањити температуру површине компоненти топлог краја (турбинске лопатице, коморе за сагоревање итд.) за око 500 °C. ° Ц, али још увек није довољан да задовољи захтеве. Међутим, како би се наставила побољшања технологије хлађења турбина, конструкције за хлађење које су пројектовали и произвели истраживачи нису само веома сложене, већ и тешке за обраду. Поред тога, многе суперлегуре које се користе за производњу лопасти за тешке гасне турбине достигле су своје граничне температуре, док керамички матрични композити са бољом топлотном отпорношћу нису били зрели за примену [4]. За разлику од тога, технологија топлотне баријере има нижу цену и одличну топлотну изолацију. Студије су показале да је топлотна бариера премаз од 100 ~ 500 μ m се одлага на површину турбинске лопате технологијом топлотног прскања, која може избећи директен контакт између високотемпературног гаса и турбинске лопате тешке гасне турбине и смањити површинску температуру за око 100 ~ 300 ℃, тако да се тешка гасна турбина може безбедно ставити у употребу [5-6].

Због тога, узимајући у обзир различите факторе, једина изводљива и ефикасна метода за постизање високе ефикасности, ниске емисије и дугог живота тешке гасне турбине је технологија топлотне бариерне премазе. Ова технологија се широко користи у компонентама за топле завршне делове гасних турбина и авиомотора. На пример, на површину лопате турбине се прска топлотна бариера за одвајање од високотемпературног гаса како би се смањила површинска температура лопате, продужио животни век лопате и омогућио да ради на већој температури, чиме се побољшава ефикасност гасне турбине. Од развоја крајем 1940-их и почетком 1950-их, топлотна бариера премаза привукла је велику пажњу и снажно су промовисане и развијене од стране многих научних истраживачких институција и произвођача премаза широм света, а потражња за технологијом топлотне баријере премаза у модерној индустрији постаје све хи Стога је студија топлотне бариерне премазе за гасне турбине од великог практичног и стратешког значаја.

У последњих неколико година најраспрострањенији слој за тешке гасне турбине је и даље итријум стабилизовани цирконија (6-8YSZ) са масном фракцијом од 6 wt.% ~ 8 wt.%, али YSZ слој није само склона фазној трансформацији и синтерисању, већ и ℃- Да ли је то истина? То јест, ЦМАС корозија (ЦАО-МгО-АЛ2О3-СиО2 и друге силикатне супстанце) и топлотна корозија. Да би се премаз радио на температурама изнад 1200 ℃ дуго времена, истраживачи су уложили много напора, укључујући проналажење и развој нових топлотних баријера премаза, побољшање процеса припреме топлотних баријера премаза, и регулисање структуре премаза. Стога, на основу расправе о статусу кво тешке гасне турбине и структуре система, материјала и метода припреме топлотних бариера премаза, овај рад сумира истраживачки статус топлотних бариера премаза за гасне турбине против ЦМАС корозије и других кључних својстава, пружајући референцу за истраживање

1 Статус и тренд развоја тежих гасних турбина

Од када је 1920. године изашла прва гасна турбина на свету, гасне турбине су почеле брзо да се развијају у индустријском пољу. У последњих неколико година, скала глобалног тржишта тешких гасних турбина наставља да расте, земље посвећују више пажње истраживању и развоју тешких гасних турбина, и настављају да повећавају капиталне и људске инвестиције, а технички ниво тешких гасних турбина се стално побољшава. Технички ниво тешке гасне турбине одређује се нивоом температуре ухода у турбину, који се може поделити на класе Е, Ф и Х у складу са температурним опсегом [7]. Међу њима, снага класе Е је 100 ~ 200 МВт, снага класе Ф је 200 ~ 300 МВт, а снага класе Х је више од 300 МВт.

1.1 Статус кво домаћих тежих гасних турбина

Године 1950. кинеске тешке гасне турбине су морале да уведу стране компаније [Генерал Електрик (ГЕ), Немачка Сименс (Сименс), Јапанска Мицубиши Хеви Индастриес (МХИ) ], а затим независно дизајниране, развијене и произведене. У овој фази, технологија тешке гасне турбине у нашој земљи је брзо развијена. У 1980-им, озбиљан проблем недостатка нафте и гаса се догодио у Кини, а развој тешке технологије гасне турбине био је приморан у стање рецесије. До 2002. године, са преносом гаса са запада на исток и развојем и увођењем природног гаса у нашој земљи, проблем нафте и гаса је решен, а тешке гасне турбине у нашој земљи коначно су започеле нову руду развоја [8]. У овом тренутку, кинеска производња тешких гасних турбина углавном се ослања на Шангај Електрик, Донгфанг Електрик, Харбин Електрик и друга предузећа.

У 2012. години, у "863" великим пројектима у области енергије, тешка гасна турбина Р0110 коју су развиле компаније Шенјанг Линг и велики универзитети у Кини успешно је завршила операцију тестирања оптерећења 72h, што обележава успјешну производњу прве тешке гасне турбине са незави Тхермална ефикасност је 36%. Од тада, Кина је постала пета земља у свету са независним истраживањима и развојем капацитета за тешке гасне турбине. Године 2014., Шангај Електрик је купио удео у Ансальдоу, Италији, кршећи странски монопол на индустрију гасних турбина, што је такође учинило да Кина првобитно реализује локализацију тежних гасних турбина класе Е / Ф. 2019. године, предвођена Кинеским рекомбусионом, заједничка технологија неколико институција успешно је произвела прву фазу покретног лопате, прву фазу статичног лопате и комору за сагоревање 300 МВт гасне турбине класе Ф, што означава да је Кина у почетку могла да производи топле компоненте те У 2020. години, у пројекту "973", прва тешка гасна турбина класе Ф од 50 MW (названа Г50) коју су независно развиле Кина Донгфанг Електрик и Универзитет Си 'ан Џиаотонг успешно су завршиле стабилну операцију тестирања са пуним оптерећењем [9], што указује на У јуну 2022. године, Јиангсу Јонгхан је учествовао у развоју 300 MW тешке турбине за гасне турбине након почетног успеха тестирања, што је још више означило успех истраживања и развоја кинеске тешке гасне турбине од 300 MW. Међутим, иако се ниво технологије тешке гасне турбине у Кини брзо побољшава, гасне турбине класе Е/Ф и даље се углавном користе на домаћем тржишту гасних турбина. Међу њима, ефикасност једног циклуса најнапреднијих тешке гасне турбине на домаћем тржишту је 42% до 44%, а ефикасност комбинованог циклуса је 62% до 64% [10].

1.2 Статус кво тешке гасне турбине у иностранству

Упркос брзом развоју глобалне науке и технологије и економије последњих година, техничко ниво тешке гасне турбине постепено се побољшало, али велики део светског тржишта тешке гасне турбине и даље је подељен између САД GE, Јапана MHI, Француске Алстом и Немачке Сименс. Са развојем индустријске технологије, технологија тешке гасне турбине постала је зрела, а фокус истраживања и развоја постепено се померао са области авијационих гасних турбина на поле тешке гасне турбине, а развијене су гасне турбине класе Е, Ф, Г, Х, Ј.

Тренутно, на тржишту тешке гасне турбине, многи производи јапанске Мицубиши су популарнији међу јавношћу. Међу њима, гасна турбина типа ЈАЦ коју производи Мицубиши Хеви Индастрис позната је као најефикаснија гасна турбина на свету, а ефикасност производње енергије комбинованог циклуса може достићи 64% или чак више. Гасна турбина М701Ј, најефикаснија гасна турбина за производњу енергије на свету, има снагу од 470 MW у једноставном циклусу и снагу од 680 MW у комбинованом циклусу. Поред тога, гасна турбина М501Ј и даље има 55% топлотну ефикасност под 50% оптерећења, а њен перформанси су веома одлични.

Тешка гасна турбина класе 50 ХЗ СГТ5-9 000ХЛ, коју је развио и произвел Немачки Сименс, најмоћнија је тешка гасна турбина са највећом излазном снагом једне јединице у свету. Тешка гасна турбина може да производи до 840 MW електричне енергије у режиму комбинованог циклуса, а ефикасност комбинованог циклуса такође је до 63%, али то није најефикаснија гасна турбина у комбинованом циклусу.

У октобру 2019. године, GE је лансирао гасну турбину за тешке послове 7ХА.03, која има максималну производну снагу комбинованог циклуса нешто мању од гасне турбине за тешке послове класе СГТ5-9000ХЛ компаније Сименс, достижући 821 МВт У 2022. години, гасна турбина 7ХА.03 је први пут ставена у комерцијално коришћење, са ефикасношћу производње енергије комбинованог циклуса која прелази 64% и стопом раста оптерећења до 75 МВт/мин. Гасна турбина 7ХА.03 може смањити емисије за 70%. Да би се даље смањиле емисије угљен-диоксида из производње енергије на гасу, GE-ова гасна турбина 7ХА.03 тренутно подржава сагоревање 50% водоника у обемном односу и има нето снагу од 430 МВт у једном циклусу. Електроцентрала са "једним вуком" 7ХА.03 тешке гасне турбине може да произведе енергију до 640 МВт, док гасна турбина са "двума вуцима" 7ХА.03 може да произведе енергију до 1 282 МВт.

Данас је температура улаза најнапреднијих тешка гасних турбина у свету висока чак и од 1.600 ° Ц [11]. Неки стручњаци предвиђају да ће у будућности максимална температура улаза у гасне турбине достићи 1700 °C. ℃, а ефикасност једноцикла и комбинованог циклуса може достићи 44% ~ 45% и 65% [10].

У суми, иако је техничко ниво тешке гасне турбине у Кини постигло велики напредак у поређењу са прошлошћу, још увек постоји велики јаз у нивоу производње и техничког одржавања у поређењу са развијеним земљама, као што је приказано у табели 1. Због тога, домаћи произвођачи и истраживачи прво би требали јасно разумети развојни статус кинеске тешке гасне турбине, побољшати значај истраживања и развоја тешке гасне турбине, истовремено уз подршку националних политика, наставити повећати капиталне инвестиције у истраживање технологије тешке гасне турбине, фокусирати се на предности Покушајте да смањите јаз између нашег и других развијених земаља у области технологије тешке гасне турбине. Према томе, технички ниво тешке гасне турбине у Кини још увек има огроман простор за развој, а њен будући тренд развоја углавном је према овим четири аспекта, односно високим параметрима, високим перформансима, ниском загађивању и великим [12].