فصل معرفت OBT: التوربينات الغازية

المفاهيم الأساسية

وفقًا لـ "مفردات توربينات الغاز" (GB/T 15135-2018)، فإن توربين الغاز يشير إلى آلة دوارة ذات تدفق مستمر (آلة واحدة) تقوم بتحويل الطاقة الحرارية إلى شغل ميكانيكي، وتشمل ضاغطًا ومعدات تسخين الوسيط العامل (مثل غرفة الاحتراق) وتوربينًا ونظام تحكم والمعدات المساعدة.

محركات التوربينات الغازية الصناعية، والتي تُشار إليها عمومًا باسم التوربينات الغازية أو التوربينات، ومحركات الغاز الصناعية، هي في جوهرها نفس الشيء بالنسبة لمحركات التوربينات الغازية المستخدمة في الطيران (والتي تُعرف باسم محركات الطيران)، ولكن تختلف سيناريوهات التطبيق قليلاً. فهي تقوم بضغط الغاز عالي الضغط داخل غرفة الاحتراق، ومن خلال تفاعل الطاقة الكيميائية، تقوم بتحويل الطاقة الكيميائية إلى شغل ميكانيكي عبر التوربين (التعريب لكلمة Turbine).

كمُحول طاقة، يعمل التوربين الغازي كمحرك طائرة يحول كيروسين الطيران إلى طاقة ميكانيكية للملف أثناء الطيران في السماء؛ أما التوربين الغازي المستخدم على الأرض فيحول الغاز الطبيعي والزيت إلى طاقة ميكانيكية للمولد.

تم تطوير التوربينات البخارية، المحركات ذات الاحتراق الداخلي، والتوربينات الغازية لأول مرة للاستخدام على السفن الحربية. استُخدمت التوربينات البخارية قبل الحرب العالمية الأولى، المحركات ذات الاحتراق الداخلي استُخدمت خلال الحرب العالمية الأولى والحرب العالمية الثانية، والتوربينات الغازية للسفن الحربية تم تطويرها بعد الحرب العالمية الثانية. وقد تم تعديلها من محركات الطائرات واستُخدمت بشكل رئيسي على السفن السطحية الكبيرة.

للتوربينات الغازية عدة خصائص:

أولاً، يمكن للكفاءة النظرية لتحويل الطاقة أن تصل إلى 88٪، وهي أعلى كفاءة تحويل طاقة تم تحقيقها في العالم حتى الآن. يُقال إن خلايا الوقود يمكن أن تحقق كفاءة تحويل تصل إلى 90٪، لكنها لم تصبح م commercialized بالكامل بعد؛ الكفاءة النظرية لتحويل الطاقة في المحركات الاحتراقية هي 88٪، وقد تم اختبارها على مدى عقود.

ثانياً، درجة حرارة الاحتراق في التوربينات الغازية تكون نسبياً مرتفعة، وانبعاث الغازات الضارة يكون منخفضاً نسبياً.

ثالثاً، desnity القدرة نسبياً كبير. يمكن لجهاز واحد بحجم حاوية أن يوفر الطاقة لسفينة دestroyer؛ حاويتان تكفيان تقريباً لتوفير الكهرباء المدنية لمحافظة. التوربينات البخارية تكون كبيرة جداً، مثل محركات الديزل والمحركات احتراقية الداخلية بسعة أكثر من 10 ميجاوات، والتي تكون عادة أجهزة ضخمة تزن آلاف الأطنان وارتفاعها عشرات الأمتار.

رابعًا، المحركات الغازية ليست مثل محركات الاحتراق الداخلي التي تعمل بنظام السكتات وتقوم بعملية عمل واحدة كل 4 سكتات. تعمل المحركات الغازية بشكل مستمر، والتوربين هو خط votex. إنها جهاز محرك حراري يمتلك أعلى كفاءة في تحويل الطاقة، حيث يقوم بتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة حرارية وطاقة ميكانيكية.

في السبعينيات، دخلت التوربينات الغازية صناعة النفط الأمريكية، مما أدى إلى ظهور التوربينات الغازية الصناعية. تحتاج محركات الطائرات إلى أداء نسبيًا عالي، وهي معقدة نسبيًا ولديها عمر افتراضي نسبيًا قصير؛ أما المحركات الصناعية فلا تحتاج إلى تقليل الوزن، وهي مصنوعة بشكل قوي جدًا وتتطلب عمر افتراضي نسبيًا طويل. حوالي الثمانينيات، ومع تطور الغاز الطبيعي، دخلت مجال صناعة الكهرباء.

بعد الحرب العالمية الثانية، لم تكن المستوى الفني للولايات المتحدة مرتفعًا جدًا. كانت أول عملية استحواذ على شركات إيطالية، وهي عاصمة المعدات الدوارة في أوروبا. والشركة البريطانية النموذجية هي رولز-رويس التي تصنع محركات الطائرات. عمومًا، فإن الشركات التي تصنع محركات الطائرات ستنتج أيضًا التوربينات الغازية. وقد اشترت شركة سيemens الألمانية شركات في جميع أنحاء أوروبا واشترت أيضًا تعديل الطائرات الخاص بشركة رولز-رويس. أما التوربينات الغازية في روسيا فهي بشكل رئيسي بالتعاون مع أوكرانيا. حيث توجد التصاميم كلها في روسيا، وبعض قواعد التصنيع موجودة في ماريوبول بأوكرانيا.

في العقود الأخيرة، لم تطور سوى ميتسوبيشي اليابانية توربيناً غازياً ثقيلاً حقيقياً، وتصنع كاواساكي أنواعاً أصغر، لذا لا يزال هناك عتبة معينة. التوربينات الغازية الصغيرة والمتوسطة الحجم تُصنع بشكل أساسي من قبل جي إي، خاصة للاستخدام العسكري. السفن الحربية الرئيسية تعتمد في الغالب على جي إي، النموذج LM-2500. اشترت سيمنز بعض التوربينات الغازية الصغيرة في لينكولن بالمملكة المتحدة بقدرة أقل من 15 ميجاوات، وبعضها الآخر في فنسبانغ بالسويد. أفضل شركة في مجال التوربينات الغازية الصغيرة هي سولار في الولايات المتحدة، والتي تتمتع بعلاقة قوية مع عملائها ولديها أكبر حصة في السوق العالمية للتوربينات الغازية الصغيرة بقدرة أقل من 15 ميجاوات.

التصنيف

ووفقًا للشكل الهيكلي وقدرة الإخراج، تنقسم التوربينات الغازية إلى ثلاث فئات: ميكروية وخفيفة وثقيلة. من بينها، يمكن تعديل التوربينات الغازية الميكروية والخفيفة من محركات الطائرات (وتُعرف أيضًا بـ "التحويل من الطائرات إلى الغاز")، وعادة ما تكون قدرتها ضمن نطاق 50 ميغاواط، ويمكن استخدامها في توليد الطاقة الصناعية، وطاقة السفن، وتعزيز خطوط الأنابيب، ومحركات الدبابات، وتوليد الطاقة الموزعة، وإنتاج الطاقة والحرارة المشترك. أما التوربينات الغازية الثقيلة فتزيد قدرتها عن 50 ميغاواط وتستخدم بشكل رئيسي كمولدات ثابتة على اليابسة، مثل شبكات الطاقة في المدن.

تندرج المحركات الغازية الثقيلة عمومًا ضمن تصنيف معين وفقًا لدرجة الحرارة. حيث تشير الفئات E وF وG وH إلى درجات حرارة احتراق مختلفة. ومن منظور هندسي، يُفضل تصنيفها بناءً على قدرة تحمل السبيكة لدرجة الحرارة.

في الصين، هي توربينات غازية صغيرة. عادةً ما تُصنَّف التوربينات الغازية الصغيرة حسب التركيب: محوري واحد، ومحورين، وثلاثة محاور، وتعديلات جوية، وصناعية، ونادراً ما تُصنَّف حسب درجة الحرارة لأن درجة حرارة التوربينات الغازية الصغيرة ليست مرتفعة مثل التوربينات الغازية الثقيلة. تلك التي تكون مستويات قوتها أقل من 30 ميغاواط هي بلورات متساوية المحور، أي الدرجة E. هذا ليس مطلقاً، حيث وصلت بعض التقنيات الأكثر تقدماً إلى الدرجة F. تم إنتاج الدرجة E تجريبياً في الصين عام 1995. حوالي 50 ميغاواط ربما تتوافق مع الدرجة F، وهي بلورة موجهة. أنتجت الصين هذه الدرجة تجريبياً عام 2005، والآن لدينا جميع هذه المواد. وصلت أكثر التوربينات الغازية تقدماً إلى الدرجة H، والآن لدينا بلورات فردية من الجيل الثاني.

بشكل عام، تُعرف التوربينات الغازية التي تقل قدرتها عن 1 ميغاواط بأنها توربينات غازية دقيقة. لا تستخدم التوربينات الغازية الدقيقة في الخارج سبائك جيدة مثل تلك المستخدمة بسبب درجات الحرارة المنخفضة. بل يستخدمون بعض أنواع الفولاذ الخاصة ويستخدمون بشكل نادر البلورات المتساوية الحجم (equiaxed crystals). أما التوربينات التي تبلغ قدرتها حوالي 15 ميغاواط فتُعرف باسم التوربينات الغازية الصغيرة، والتي تستخدم بشكل رئيسي البلورات المتساوية الحجم. هناك أيضًا بعض الشركات الخاصة في الخارج التي تستخدم فولاذاً خاصاً، ولكن بفضل طلاءاتها الممتازة، فإن منتجاتها تكون أفضل. أما التوربينات الصغيرة والمتوسطة الحجم ذات القدرة بين 30 إلى 50 ميغاواط فتستخدم عموماً بلورات موجهة (oriented crystals)، وتُعرف باسم الدرجة F. أما الأحجام الأكبر منها فتستخدم بلورات أحادية من الجيل الأول والثاني، وهي ما تنتجه علاماتنا التجارية المحلية.

تُستخدم التوربينات الغازية الدقيقة والمتوسطة الحجم بشكل رئيسي في توليد الطاقة الموزعة وCombined Heat and Power (التسخين المشترك وتوليد الطاقة). تلك التي تقل عن 30 ميغاواط و15 ميغاواط تُستخدم بشكل رئيسي في سيتشوان، وتلك التي تقل عن 7 ميغاواط تُستخدم بشكل رئيسي في تشونغتشينغ. وهذا مرتبط بحجم مجمعاتها الصناعية. التوربينات التي تبلغ حوالي 30 ميغاواط تُستخدم بشكل رئيسي في جيانغسو، وتلك التي تتراوح بين 50 إلى 100 ميغاواط تُستخدم بشكل عام في المجمعات الصناعية في قوانغدونغ، عادةً لتوليد الطاقة الموزعة أو Combined Heat and Power. أما التوربينات التي تزيد عن 100 ميغاواط فتُستخدم في تنظيم ذروة بعض الشبكات الكهربائية الكبيرة أو كمحطات طاقة قاعدية. تستخدم صناعة النفط والغاز الأحجام الصغيرة منها. وفي قطاع التعدين في المصب، تُستخدم بشكل رئيسي سعة 7 ميغاواط و15 ميغاواط، بينما تُستخدم في نقل خطوط الأنابيب في الوسط الرئيسي سعة 15 ميغاواط و30 ميغاواط.

نظام تصميم turbinات الغاز بأقل من 30 ميجاوات ناضج نسبيًا، وكذلك نظام المواد المستخدمة في العملية ناضج نسبيًا. يمكن أن يصل معدل الإنتاج لـ OBT إلى 85%. لا تزال turbinات الغاز الصناعية بحاجة إلى التركيز على الأداء الاقتصادي، والتقييم الفني والاقتصادي، أو أداء التكلفة، والمقياس التقييمي الرئيسي هو معدل الإنتاج.

بالنسبة للوحدات التوربينية الغازية متوسطة والكبيرة الحجم، فإننا (المنتجين المحليين) لدينا القليل من التراكم فيما يتعلق ببرامج التصميم ومواصفات التصميم وقواعد البيانات الخاصة ببعض المواد والعمليات داخل نظام التصميم لدينا، لذلك نظام التصميم هذا ليس ناضجًا بشكل كبير ومعدل العائد ليس مرتفعًا. المستوى F أو البلورة الموجهة يمثلان نقطة تحول. دون مستوى البلورة الموجهة، لا تزال لدينا الثقة الكافية للمشاركة في المنافسة الدولية. أما فوق مستوى البلورة الموجهة، فعلى المستوى الصناعي، لا يزال هناك فجوة معينة. يتم تسليم هذه المنطقة إلى الفريق الوطني. تقوم عدة شركات مركزية بأبحاث وتطوير أولية، والمستوى الاستثماري في المواد الأساسية والعمليات الأساسية مرتفع للغاية.

سلاسل صناعية

في مصادر توريد سلسلة صناعة التوربينات الغازية في بلدي، تشمل الشركات المصنعة للمواد مثل السبائك ذات درجة الحرارة العالية وسبائك التيتانيوم والمواد المركبة وسبائك الألومنيوم والفولاذ التقليدي كلاً من Gangyan Gaona وFushun Special Steel وBaoti Group وغيرها. وفي حلقة الوسطى الخاصة بالقطع والمكونات، يتم صب المواد أو تزويرها أو معالجتها بطرق أخرى لتصنيع شفرات التوربين ومحاوره وأجزاء أخرى. وتُشكَّل الشفرات والأجزاء الأخرى عبر عملية الصب. ومن أبرز الشركات المحلية في مجال الصب والتزوير شركة Yingliu المحدودة وشركة Wanze المحدودة وشركة Tunan المحدودة وغيرها. وبعد ذلك تقوم الشركات المصنعة للوحدات الكاملة في المصب بتجميع مختلف القطع لتشكيل الوحدة الكاملة. ومن أبرز الشركات المصنعة ما يلي: AECC وShanghai Electric وHelan Turbine وHarbin Electric وغيرها.

تلعب الصناعات المُصعِدة، خاصة المنتجات مثل السبائك الحرارية العالية، والسبائك التيتانيومية الحرارية العالية، والطلاء الحواجز الحرارية، والمواد المركبة السيراميك المتقدمة، دورًا مهمًا في تعزيز صناعة الدفاع الوطني وتصنيع المعدات عالية التقنية. تُستخدم التوربينات الغازية المحلية بشكل أساسي لتوليد الكهرباء، وبعضها يُستخدم لحقن المياه، واستنشاق الهواء، وزيادة الضغط في حقول النفط والغاز، وكذلك لتوفير الطاقة للسفن والدبابات. التركيز يكون على إنتاج الكهرباء الموزعة، والتوليد المشترك للحرارة والطاقة، ونقل خطوط أنابيب الغاز الطبيعي، ودفع السفن، وتشغيل الآلات. كما يوجد سوق محتمل كبير للتوربينات الغازية في بلادنا في مجالات توفير الطاقة الموزعة، ومراكز زيادة الضغط، وإنتاج الكهرباء الصناعي وغيرها من المجالات، مع دعم السياسات لتطوير هذه الصناعة بسرعة. المشاريع الكبرى الحالية في بلادنا مثل "نقل الغاز من الغرب إلى الشرق"، و"نقل الكهرباء من الغرب إلى الشرق"، و"إعادة توجيه المياه من الجنوب إلى الشمال"، بالإضافة إلى النمو السريع لصناعة بناء السفن في بلادنا، قد أدى إلى زيادة سريعة في الطلب المحلي على التوربينات الغازية.

سياسة صناعية

كما وضعت خطة الخمس سنوات الرابعة عشرة نظام الطاقة الحديث في المرتبة ذاتها للتوربينات الغازية باعتبارها تقنية أساسية رئيسية، وبشكل أساسي وضعتها في المستوى نفسه للطاقة النووية وأنظمة الطاقة الجديدة والتخزين энерجي والطاقة الهيدروجينية.

قامت شركة استثمار الكهرباء الوطنية بمشروعين خاصين، أحدهما هو مشروع رئيسي للتوربينات الغازية الثقيلة، بما في ذلك توربينات مزج الهيدروجين. تم بناء واحد بالهيدروجين النقي في منغوليا الداخلية لكنه لم يتم تشغيله بعد. قامت محطة طاقة جينغمن بإضافة 15% هيدروجين. قامت شركتا هاربين إلكتريك وشركة مجموعة الكهرباء في قوانغدونغ (مجموعة طاقة قوانغدونغ) بمشروع مزج الهيدروجين في خليج دايا، وقامت شركتا زهوجيانغ ستيم توربين وسيمنز بمشروع مزج الهيدروجين في زهوسان.

تُستخدم توربينات الغاز على نطاق واسع في خط أنابيب الغاز من الغرب إلى الشرق وعلى منصات النفط البحرية. وبصفتها شركة مرتبطة بالجيش، تعرضت سي نيو أو سي (CNOOC) أيضًا لعقوبات من الولايات المتحدة وتواجه خطر انقطاع الإمدادات. خلال الحرب الروسية الأوكرانية، تم احتجاز توربينات الغاز التي اشترتها روسيا من سيمينز عندما أُرسلت إلى كندا للإصلاح، مما أثر على الأمن الطاقوي. يجب تنفيذ التوطين في أقرب وقت ممكن.

مساحة السوق

في عام 2022، ستصل إنتاجية توربينات الغاز في بلادنا إلى 4.0563 ملايين كيلوواط، وسيكون الطلب حوالي 6.7986 ملايين كيلوواط.

وفقًا للإحصائيات، بلغ حجم سوق توربينات الغاز في بلادنا 61.669 مليار يوان في عام 2022، حيث كان حجم سوق التوربينات الصغيرة 893 مليون يوان، وحجم سوق التوربينات الخفيفة 56.569 مليار يوان، وحجم سوق التوربينات الثقيلة 4.207 مليار يوان.

يمكن لبلدي الآن إنتاج توربينات غازية خفيفة بشكل مستقل (بقوة أقل من 50 ميغاواط). كما يمكن تصدير الأنواع ذات الفئة الدنيا، لكن التوربينات الغازية الثقيلة (بقوة تزيد عن 50 ميغاواط) تعتمد إلى حد كبير على الواردات. ويسيطر على التكنولوجيا الأساسية شركات تصنيع دولية مثل شركة جنرال إلكتريك الأمريكية وميتسوبيشي اليابانية وشركة سيemens الألمانية. وهناك خطر من أن يتم 'الاختناق' في السوق المحلية. وبحسب بيانات الإدارة العامة للجمارك، بلغت واردات التوربينات الغازية في عام 2022 ما قيمته 4.161 مليار دولار أمريكي، بينما بلغت الصادرات 735 مليون دولار أمريكي.