התפתחות חומרים בעלי קיבולת גבוהה בדור הכוח הסגור

תחנות כוח קואל נשאר מקור משמעותי של חשמל ברחבי העולם, במיוחד באזורים שבהם דור המטענים הוא חיוני.למרות השינוי הגלובלי כלפי מתחדשים, יחידות קיימות רבות של פחם אש פחם ימשיכו לפעול במשך עשרות שנים, מה שהופך אותו קריטי לשיפור היעילות והאמינות שלהם.אחד הדרכים היעילות ביותר להשיג את החומרים האלה הוא באמצעות חומרים מתקדמים שיכולים לסבול סביבות חום וכימיקליות גבוהות יותר לפעול בטמפרטורות קיטור מעל 900 מעלות צלזיוס ולחצים, כמו סגסוגת גבוהה יותר, כמו חומרים מלמטה, כמו חומרים מלמטה יותר, כדי לפתח יותר, חומרים מלמטה יותר, חומרים מתקדמים, חומרים מתקדמים, כמו חומרים מתקדמים יותר, כמו גם חומרים מלמטה יותר, חומרים מתקדמים, כמו גם חומרים מלמטה יותר, 000, חומרים מלמטה יותר, כדי לפתח סגסוגת חום, 000, חומרים מתקדמים יותר, 000.

אתגרים יסודיים ב High-Temperature Components

חסידי תחנת כוח פחם חייבים לעמוד לא רק בטמפרטורות גבוהות אלא גם גזי בעירה קורוזית, נפילה אש, ורכיבה תרמית.

  • (FLT:0)Creep:FLT:1 איטי, עיוות תלוי בזמן תחת לחץ קבוע בטמפרטורות גבוהות, במיוחד בעייתי בלהבות טורבינות ובמכנסות רותחות.
  • (ב) ⁇ :0) Oxidation: תגובה של החומר עם חמצן בטמפרטורות גבוהות, יצירת קשקשים חד-חמצני שיכולים לספוג ולצמצם את עובי הקיר.
  • (FLT:0) קורוזיה חמה: FLT:1 Attack by molten מלחים שנוצרו מזיהומים בפחם, כגון נתרן, אשלגן ו וניליום, אשר מאיץ אובדן חומרי.
  • (FLT:0) Thermal Fatigue:FLT:1 סדקים שנגרמו על ידי רכיבה תרמית חוזרת, נפוץ רכיבים שחווים סטארט-אפ תכופים והפסקתם.

חומרים מסורתיים כגון פלדות אל-חלד אסתמטי (למשל, 304H, 347H) ו Superalloys המבוססים ניקל (למשל, Inconel 617, Haynes 230) שירתו את התעשייה היטב, אבל הם מתקרבים למגבלות התפעוליות שלהם.Newer ⁇ s, כגון פלדות ferritic-tensitic מתקדמות (למשל, VMcriron, VMcrium-Rird, ו-Rirteretariron, דורש שיפורים שונים.

Alloys: בניית Armorive Armor

אחת האסטרטגיות היעילות ביותר להארכת החיים של רכיבים עתירי זמן גבוהים היא ליצור שכבת תחמוצת יציבה, איטי-צמיחה שפועלת כמחסום דיפוזיה. ⁇ חמצן-enhanced נועדו לפתח קשקשים הגנה של אלומיניום (אל2O3) או כרום (Cr2O3).

בסביבה הקרובה של Alumina-Forming Alloys

סולם אלומיניום מציעים יציבות גבוהה מאוד בטמפרטורות גבוהות מאוד בהשוואה chromia, אשר יכול להיות תנודתי בסביבות המכילות קיטור. Alloys כגון FeCrAl (iron-chromium-aluminum) ו ציפויים המבוססים על NiAl יוצרים שכבת אלומיניום דקת ורציף כי נשאר מגן עד 1300 מעלות צלזיוס.

Chromia-Forming Alloys with Reactive Elements

הוספת כמויות קטנות של אלמנטים תגובתיים כמו ytrium, cerium, או lanthanum לסגסוגת chromia-forming משפר את הדבקות תחמוצת הפחמן ולהפחית את שיעורי הצמיחה.טכניקה זו הוחלה על superalloys מבוסס ניקל המשמש להבים טורבינות, וכתוצאה מכך חיים ציפוי יותר והתנגדות אופניים תרמי יותר.

מחקרים במוסדות כמו המעבדה הלאומית לאנרגיה טכנולוגית (NETL) הראו כי פלדה Alumina-forming austenitic נירוסטה יכול להפחית את שיעור החמצן עד 90% בהשוואה ⁇ קונבנציונליים ב 800°CFLT:0(NETL)igital)igitalFLT:1.

Ceramic Matrix Composites: Light Weight Champions

מרגרמת צוואר הרחם (CMCs) מייצגת שינוי פרדיגמטי בחומרים עתיריים גבוהים.בניגוד למתכות, קרמיקה מתנגדת באופן חדיר לחמצן ויש להם נקודות נמסות גבוהות, אבל הם מתפתלים. על ידי הטמעת סיבים קרמיקה (כגון סיליקון carbide, SiC) בתוך ממטריקס קרמיקה, CMCs להשיג שילוב של קשיחות, כוח עתירי גבוה, וטמפרטורות נמוכות, כמו מגפיפות חום, במיוחד, כגון מגבונים CMCS, במיוחד, כמו מגבונים C.

SiC/SiC Composites

מערכת CMC הבוגרת ביותר עבור ייצור חשמל היא סיבים סיליקון עמיד מחזקת סיליקון carbide ממטריקס (SiC / SiC) אלה מורכבים להפגין התנגדות זחילה מעולה, מוליכות תרמית גבוהה, והתנגדות טובה לזעזוע תרמי.הם בערך שליש צפיפות של צמחי אדפרבה מבוססי ניקל (SiC) המאפשרים רכיבים קלים יותר וצמצום העומסים על טורבינות כללית של גזים.

Oxide-Oxide Composites

עבור סביבות שבהן התקף קיטור על סיC הוא דאגה, תחמוצת-חמצני CMCs (סיבים אלמינה באלומיניום או mullite matrix) מציעים אלטרנטיבה.חומרים אלה יציבים באופן טבעי באטמוספירה חמצון ונבדקו בשקות כוויות כוויות כוויות כוויות ורכיבי רתיחה.עם זאת, הכוח שלהם נמוך יותר מ- SiC/SC, מה שהופך אותם מתאימים יותר למבנים סטטיים כמו מערכות ארקטיות ומטחות.

אתגר אחד עם CMCs מצטרף לרכיבים מתכתיים, שכן הבדלים בהתרחבות תרמית יכולים לגרום ללחץ בממשקים. טכניקות מתקדמות ההצטרפות באמצעות ציפוי מדורגים וציפוי מתכת תואמים מפותחים.חוקרים במעבדת הלאומית של אוק רידג' הוכיחו בהצלחה מפרקים מזוהים בין SiC/SiC ו-Inconel 617 ששורדים אופניים תרמיים מ-25 מעלות צלזיוס ל- 1000°CLT:0(NOR) 1L.

Metals: High Power at the Limit

עבור התנאים הקיצוניים ביותר, מתכות ריבוניות כגון tungsten, molybdenum, ואת ⁇ שלהם מציעים כוח עתיר רוח שאין דומה לו. מתכות אלה לשמור כוח מכני משמעותי מעל 1200 ° C, הרבה מעבר ליכולות של superalloys מבוסס ניקל. עם זאת, שלו Achilles הוא התנגדות חמצון גרועה - טונגסטן ו mobdenlybden צורה במהירות חמצני, מוביל לירידה חומר קטסטרופלי.

חיפויים על Refractory Metals

תוך כדי שימוש במתכות השבורות בכוח פחם דורש ציפויים מגן חזקים. ציפויים סיליקידים (למשל, MoSi2 ו- WSi2) מהווים שכבת זכוכית עצמית, המתנגדת לחמצן באגרסיביות.התקדמות נוספת כוללת ציפויים דו-שכבות של רטיבדן עם סיליקון העליון, אשר נבדקו ב- oxy-busca-cotion פעמים מעל 1200C.

גישה נוספת היא לפתח ⁇ מתכת refractory כי צורה סולמות תחמוצת חמצן מלוטש באופן פנימי. Molybdenum-silicon-boron (Mo-Si-B) ⁇ s, לדוגמה, לפתח שכבת זכוכית בורוזילית המספקת עמידות חמצון תוך שמירה על חוזק גבוה. ⁇ אלה נחשבים עבור טורבינות לא נעולות במפעלים אחרים של כוח אולטרה-על.

טיפול ב-Cretings and Surface Treatments

אפילו החומרים הסובסטרטים הטובים ביותר דורשים לעתים קרובות ציפויים מגן לשרוד בסביבת כוח פחם קשה.קאטינגס לשרת פונקציות מרובות: הם מספקים מחסום נגד קורוזיה וחמצן, להפחית ⁇ תרמי באמצעות אפקטים תרמיים, ואפילו יכול אפילו מיקרו-מצריפים עצמי.

ריצוף ריבוע (TBCs)

TBCs בדרך כלל מורכב ממעיל קרמיקה (בדרך כלל ytria-stabilized zirconia, YSZ) החל על מעיל מתכתי.ה מוליכות תרמית הנמוכה של YSZ מפחיתה את הטמפרטורה של מתכת הבסיסית על ידי 100-200 מעלות צלזיוס, מה שמרחיב באופן משמעותי את חיי הרכיב (עבור טורבינות פחם-אש, TBCs חייב גם להתנגד מ mol a Deposit a Deposits) כמו zecn2Gtium (Gt) נמוך יותר) לעומת LT2Gt) ו- yGtium) נמוך יותר (Gtium) לעומת ® gätium) לעומת LT2Gtium (Gtium) נמוך יותר (Gtium) לעומת ®2Gt) נמוך יותר (Gtgen2Gtlin-Flastic) לעומת LT2Gtium) נמוך יותר.

Diffusion Coatings

ציפוי Diffusion מעשירים את שכבת פני השטח עם אלומיניום (aluminizing) או chromium (chromizing), ויצר תרכובות intermetallic המספקות עמידות חמצון. המודרנית מלטation ותהליכי הדבקה כימיים מאפשרים שליטה מדויקת על ציפוי ועובי.מערכות ניור דו-שכבת משלבות שכבת אלומיניום פנימית עם שכבת אלומיניום חיצונית עבור הגנה סינרגית.

מחיאות כפיים עצמיים

אזור פריצת דרך הוא ציפויים עצמיים כי תיקון אוטונומית סדקים שנוצרו במהלך רכיבה תרמית. ציפויים אלה מכילים סוכני ריפוי זעירים micro-encapsulated, כגון תרכובות זכוכית, אשר זורם לתוך סדקים ולאטום אותם כאשר נחשפים לטמפרטורה גבוהה. בדיקות מעבדה על ⁇ ניקל מצופים להראות כי ציפויים עצמי יכול לשחזר התנגדות חמצון לאחר אירועים מרובים, פוטנציאל להכפיל את החיים רכיב.

ייצור חדשנות עבור תרכובות Geometries

הפריסה המוצלחת של חומרים מתקדמים תלויה לא רק בהרכב, אלא גם בתהליכי ייצור המייצרים רכיבים ללא פגם עם צורות מורכבות.ייצור אדקטיבית (3D הדפסה) מהפיכה לייצור של חלקי עתירה גבוהה.

ייצור של Superalloys מבוסס ניקל

אבקת לייזר אבקת היתוך ופירוק אנרגיה מכוונת יכול לייצר ליד-net-shape טורבינות להבים וקטעי ואן עם ערוצי קירור פנימיים כי יהיה בלתי אפשרי להטיל באופן קונבנציונלי.זה מאפשר למעצבים לייעל גיאומטריה עבור הן חום העברה וכוח מכני.אבקות מיוחדות עם חמצן מבוקר ופחמן פחמן מפותחים לייצר חלקים סדקים בסגסוגת כמו Inconel 939 ו-CMLC.

מדפסת 3D Ceramic Printing

ייצור תוספתי של CMCs הוא מאתגר יותר אך מתקדם במהירות. Binder סילון ואחריו חדירה וpyrolysis יכול לייצר רכיבי SiC / SiC עם תכונות פנימיות מורכבות. חוקרים באוניברסיטת שטוטגרט הודפסו להבים טורבינות CMC עם ערוצי קירור משולבים כי להפחית את הלהב עד 150 מעלות צלזיוסFLT:0(אוניברסיטת)Falipper 1882 עדיין מציעות עבור רכיבי אבטיפוס עתידיים.

מחקרים: ביצועי שדה של חומרים חדשים

מספר תוכניות הדגמה אישרו את הביצועים של חומרים מתקדמים בטמפרטורה גבוהה בתנאי צמחי פחם אמיתיים.

חומרים מתקדמים אולטרה-סופר קריטי (A-USC) Boiler

תוכנית A-USC של מחלקת האנרגיה של ארה"ב נבדקה ⁇ מועמדים לטמפרטורות קיטור עד 760 מעלות C ב -5MWth טייס רתיחה. Inconel 740H ו Haynes 282 הוערכו כחומרי צינור סופר חימום יותר.לאחר 10,000 שעות של חשיפה, שני ⁇ הראו ביצועים מצמריפים וחמצן, עם Inconel 740H של תצוגת מעקב מעולה של צינורות קיטור, אשר הובילו כיום לפיתוח של דרום-C.

CMC Shroud Segments in Coal-Fired Turbines

במפעל פחם של 500 מ"ג באילינוי, סיC / SiC היו מותקנים בפסגת טורבינות בשלב הראשון מופעלת במשך יותר מ 8,000 שעות. CMCs לא הראו שחיקה משמעותית או חמצון, ואת מוליכות תרמית נמוכה הפחיתה את העברת החום לטור, שיפור יעילות הבמה על ידי 0.5%.

שיקולים כלכליים וסביבתיים

אימוץ של חומרים מתקדמים מגיע עם עלויות גבוהות יותר, אבל כלכלת מחזור החיים היא לעתים קרובות נוח.לדוגמה, רטרופית צינורות סופר חימום עם פלדה alumina-forming פלדה אל-חלד יכול להכפיל מרווחי תחזוקה, צמצום שיעורי הזז כפויה והצלת מאות אלפי דולרים בשנה במפעל של 500 מ"מ.

יתרונות סביבתיים משכנעים באותה מידה.יעילות גבוהה יותר פירושה צריכת דלק נמוכה יותר ולהפחית פליטות CO2 למגוואט-שעה, בנוסף, חומרים מתקדמים מאפשרים למפעלי פחם לפעול בצורה גמישה יותר - מחלחלים במהירות ועד כדי להשלים את התחדשים לסירוגין - ללא להתפשר על חיי הרכיב. גמישות זו חיונית לשמירה על יציבות הרשת כעלייה מתחדשת.

עתיד Outlook: לעבר חומרים הבאים

מחקר מתמשך ממשיך לדחוף את הגבולות של ביצועים חומריים עתיריים גבוהים.מגמות מפתח כוללות:

  • (FLT:0) High-Entropy Alloys (HEAseur): FLT 1 ⁇ אלה מכילים אלמנטים ראשיים מרובים ויכולים ליצור מיקרו-מבנה חד-פעמי עם תכונות מכניות יוצאות דופן בטמפרטורות גבוהות. CoCrFeNiAl-based HeAs נלמדים עבור התנגדות מעל 900 מעלות צלזיוס.
  • (FLT:0)שלבי שלב:0.MAX שלב: 1.10.1; שיעור של תרכובות ternary שכבתיות המשלבות את המאפיינים של קרמיקה ומתכות.הם הם בעלי יכולת, נזק לסובלנות, ועמידים לזעזוע תרמי.
  • (FLT:0)Nanostructured מעמודי: ריצוף 1: 1 (מתאים עם גדלים דגנים בטווח ננומטר יכול להציג התנגדות חמצון מעולה על ידי מתן יותר גבולות דגנים עבור היווצרות מהירה של קשקשים.טכניקה כמו מגנטיון sputtering ו שכבת אטומית deposition לאפשר ארכיטקטורת ציפוי מדויקת.
  • (FLT:0) תאומים ו- Machine Learning:cioFLT:1) מודלים חיזוייים שדמיינו מנגנוני השפלה יכולים לייעל את לוח הזמנים של בחירה חומרית ותחזוקה. אלגוריתמי למידת מכונה המוכשרים על נתונים בשטח יכולים לחזות חיים מצמררים ולהמליץ על החלפת רכיבים לפני התרחשות כישלון.

שיתוף פעולה בין כלי רכב, מעבדות מחקר ויצרנים יהיה חיוני כדי להאיץ את המסחר של תוכניות אלה. תוכניות כגון פרויקט H2020 של האיחוד האירופי "חומרים חדשים עבור High-Temperature Coal Power" ואת מחלקת האנרגיה של ארה"ב של "מחקר הפסקת עישון" מספק מימון עבור פרויקטים וטכנולוגיית העברה.

מסקנה

האבולוציה של חומרים עתירי זמן גבוהים עבור תחנות כוח פחם היא סיפור של שיפור מצטבר וחדשנות טרנספורמטיבית. סגסוגת חמצן-enhanced, מאטרוזיס קרמיקה, מתכות השבורות עם ציפויים מתקדמים, וטיפולי פני השטח העצמי מעכבים את המעטפה התפעולית של ייצור פחם-אש.כל חומר חדש מטפל מנגנון כשל מסוים, והבטחות משולבות שלהם כדי להפוך צמחים יעילים יותר, תוך כדי להבטיח חומרים גמישים של אנרגיה, תוך זמן קצר יותר, תוך כדי שמירה על מנת להמשיך את ייצור אנרגיה, כוח, כוח, כוח חדש, כוח, כוח, כוח, זמן קצר יותר, כוח, כוח, כוח, כוח, זמן קצר יותר, כוח, כמו גם יחד, כוח, כוח יעיל יותר, כוח, כמו גם יחד, כוח עודף, כוח חדש, כוח, פועל יעיל יותר, פועל יעיל יותר, כוח-טווח ארוך-טווח ארוך-טווח ארוך-טווח ארוך-טווח גבוה, ממשיך, ממשיך, ממשיך, כמו גם יחד, כמו גם יחד, כמו גם יחד, כמו גם עם מערכות אנרגיה גמיש יותר, כוח-טווח ארוך-טווח ארוך-טווח ארוך-טווח ארוך-טווח ארוך-טווח גבוה יותר, כדי להבטיח חומרים חדשים, כמו גם, כמו גם, פועל אנרגיה, כוח-טווח ארוך-טווח גבוה