OBT Knowledge Classroom: Plynová turbína

Základní koncepty

Podle "Slovníku plynových turbín" (GB/T 15135-2018) se plynová turbína vztahuje na rotační stroj s nepřetržitým tokem (samostatný stroj), který přeměňuje tepelnou energii na mechanickou práci, včetně kompresoru, zařízení pro ohřev pracovního média (např. spalovací komora), turbíny, řídicího systému a pomocných zařízení.

Průmyslové plynové turbínové motory, obecně označované jako plynové turbíny nebo turbíny, průmyslové plynové motory, jsou v podstatě totožné s leteckými plynovými motory s turbínou (označovanými jako letecké motory), ale liší se mírně oblastí použití. Stlačují vysokotlaký plyn do spalovací komory a prostřednictvím chemické reakce přeměňují chemickou energii na mechanickou práci pomocí turbíny (doslovný překlad z anglického termínu turbína).

Jako zařízení pro převod energie je plynový turbinový motor letadlovým motorem, který při létání ve vzduchu přeměňuje leteckou naftu na mechanickou energii pro vrtule; plynová turbina používaná na zemi přeměňuje přírodní plyn a ropa na mechanickou energii pro generátor.

Parní turbiny, spalovací motory a plynové turbiny byly poprvé vyvinuty pro použití na válečných lodích. Parní turbiny se používaly před první světovou válkou, spalovací motory během první a druhé světové války a plynové turbiny pro válečné lodě byly vyvinuty po druhé světové válce. Byly odvozeny z letadlových motorů a hlavně se používaly na velkých povrchových lodích.

Plynové turbiny mají několik vlastností:

Nejprve, teoretická účinnost převodu energie může dosáhnout 88 %, což je zařízení s nejvyšší účinností převodu energie na světě dosud. Palivové články by mohly dosáhnout účinnosti převodu až 90 %, ale ještě nejsou plně komercializovány; teoretická účinnost převodu energie u spalovacích motorů je 88 %, což bylo testováno desetiletími.

Druhé, teplota hoření u plynových turbín je relativně vysoká a emise škodlivých plynů je relativně nízká.

Třetí, hustota výkonu je relativně velká. Jedna strojovna ve velikosti kontejneru může dodávat energii ničelnici; dva kontejnery jsou zhruba dostatečné pro civilní elektrinu celého okresu. Parní turbíny jsou velmi velké, jako například diesely a vnitřní spalovací motory s výkonem více než 10 megawattů, které jsou obvykle zařízení vážící tisíce tun a měřící desítky metrů výšky.

Čtvrté, plynové turbíny se liší od vnitřních spalovacích motorů, které jsou stroji s cyklickým pohybem a vykonávají práci jednou za 4 taky. Plynové turbíny pracují nepřetržitě, a turbína je spirálová čára. Je to zařízení tepelného motoru s nejvyšší účinností převodu energie, které převádí chemickou energii na tepelnou a mechanickou energii.

V 70. letech vstoupily plynové turbíny do americké ropné průmyslové větve, což vedlo k vzniku průmyslových plynových turbín. Motor letadla vyžaduje relativně vysoký výkon, je relativně sofistikovaný a má relativně krátkou životnost; průmyslové motory nemusí snižovat hmotnost, jsou velmi pevné a vyžadují relativně dlouhou životnost. Kolem 80. let, s rozvojem přírodního plynu, vstoupily do elektřiny.

Po druhé světové válce nebyla technická úroveň Spojených států příliš vysoká. Nejstarší získání bylo italských společností, které jsou evropským centrem rotačních zařízení. Typickou britskou společností je Rolls-Royce vyrábějící letecké motory. Obecně společnosti vyrábějící letecké motory vyrábí také plynové turbíny. Německá firma Siemens pořizovala společnosti po celé Evropě a také získala úpravu letadel od Rolls-Royce. Plynové turbíny v Rusku jsou hlavně ve spolupráci s Ukrajinou. Návrhy jsou všechny v Rusku a některé výrobní základny jsou v Mariupolu na Ukrajině.

V posledních desetiletích vyvinula jen Mitsubishi z Japonska opravdovou těžkou plynovou turbínu, Kawasaki vyrábí menší, takže stále existuje určitý práh. Malé a středně velké plynové turbíny jsou převážně od GE, zejména pro vojenské účely. Hlavní ničitele tvoří většinou turbíny LM-2500 od GE. Siemens zakoupil některé malé plynové turbíny v Lincolnu ve Spojeném království, s výkonem méně než 15 MW, a další v Finspångu v Švédsku. Nejlepší společností v oblasti malých plynových turbín je Solar v USA, která je velmi blízko svým zákazníkům a má nejvyšší tržní podíl na světě v sektoru malých plynových turbín o výkonu méně než 15 MW.

Klasifikace

Podle konstrukčního tvaru a výkonu lze plynové turbíny rozdělit do tří kategorií: mikro, lehké a těžké. Mikro a lehké plynové turbíny lze upravit z letadlových motorů (známé také jako „aero-to-gas“), jejich výkon obvykle nepřesahuje 50 MW a mohou být použity pro průmyslovou výrobu elektřiny, lodní pohon, čerpání v potrubích, tankové lokomotivy, distribuovanou výrobu energie a kombinovanou výrobu tepla a elektrické energie. Těžké plynové turbíny mají výkon vyšší než 50 MW a jsou hlavně používány jako pevné generátory na souši, například v městských energetických sítích.

Těžké plynové motory jsou obecně klasifikovány podle teploty. Třídy E, F, G a H odpovídají různým spalovacím teplotám. Z inženýrského hlediska je vhodnější je klasifikovat podle odolnosti slitin proti teplotě.

V Číně se jedná o malé plynové turbíny. Malé plynové turbíny jsou obecně klasifikovány podle konstrukce: jednohřídelové, dvouhřídelové, tříhřídelové, letecky upravené, průmyslové. Zřídka se klasifikují podle teploty, protože teplota malých plynových turbín ve srovnání s těžkými plynovými turbínami není tak vysoká. Tyto turbíny s výkonovou úrovní do 30 megawattů mají rovnoramenné krystaly, tedy E-třídu. Toto není absolutní pravidlo a některé pokročilejší dosahují třídy F. E-třída byla v Číně poprvé vyrobena v roce 1995. Asi 50 megawattů pravděpodobně odpovídá F-třídě, což je orientovaný krystal. Tuto třídu jsme v Číně poprvé vyrobili v roce 2005 a nyní již všechny tyto materiály máme. Nejpokročilejší plynové turbíny dosáhly H-třídy a my nyní již disponujeme druhou generací monokrystalických materiálů.

Obecně se za mikroplynové turbíny považují tyto turbíny s výkonem do 1 MW. Mikroplynové turbíny v zahraničí nepoužívají kvůli nízké teplotě tak kvalitní slitiny. Používají některé speciální oceli a téměř nevyužívají rovnoramenné krystaly. Turbíny okolo 15 MW jsou označovány jako malé plynové turbíny, které hlavně využívají rovnoramenné krystaly. V zahraničí existují i některé speciální firmy, které používají speciální oceli, ale díky výjimečně dobrým povlakům jsou jejich produkty lepší. Střední a menší turbíny o výkonu 30–50 MW obecně více využívají orientované krystaly, tedy F-třídy. U větších jednotek se používají monokrystaly první a druhé generace, což jsou naše domácí značky.

Malé a střední mikrogasové turbíny se nejčastěji používají pro rozptýlenou výrobu energie a kombinovanou výrobu tepla a elektřiny. Ty do 30 MW a 15 MW se nejčastěji používají v S’-čchuanu a ty do 7 MW hlavně v Čchung-čchingu. To souvisí s měřítkem průmyslových parků. Turbíny okolo 30 MW se nejčastěji používají v Ťiang-su a ty od 50 MW do 100 MW se obecně používají v průmyslových parcích Kuang-tungu pro rozptýlenou výrobu energie nebo kombinovanou výrobu tepla a elektřiny. Turbíny nad 100 MW se používají pro regulaci špiček některých rozsáhlých elektrických sítí nebo jako základní elektrárny. V ropném a plynárenském průmyslu se používají menší jednotky. Ve výrobě surovin (hornictví) se nejčastěji používají 7 MW a 15 MW a v dopravě potrubím (střední stupeň) převážně 15 MW a 30 MW.

Systém návrhu plynových turbin pod 30 MW je relativně dospělý a procesní materiálový systém je také relativně dospělý. Výnosnost OBT může dosáhnout 85 %. Průmyslové plynové turbiny stále musí zaměřit pozornost na ekonomický výkon, technicko-ekonomickou hodnocení nebo náklady výkonu, hlavním ohodnocovacím ukazatelem je výnosnost.

U středních a velkých plynových turbín máme (domácí výrobci) jen malé množství nahromaděných návrhových programů, návrhových specifikací a databází některých materiálů a procesů ve našem návrhovém systému, takže tento návrhový systém není příliš dokonalý a výtěžnost není vysoká. Úroveň F nebo směrovaná krystalizace je hranicí. Pod úrovní směrované krystalizace máme stále dostatečnou důvěru pro zúčastnění se mezinárodní konkurence. Nad úrovní směrované krystalizace existuje v průmyslové oblasti stále určitá mezera. Tato oblast je předána národnímu týmu. Několik centrálních podniků provádí základní výzkum a vývoj a investice do základních materiálů a základních procesů jsou obrovské.

Průmyslová řetězec

V horním proudu plynového turbínového průmyslu mé země patří mezi výrobce slitin s vysokou teplotní odolností, titanových slitin, kompozitních materiálů, hliníkových slitin a běžných ocelí společnosti Gangyan Gaona, Fushun Special Steel, Baoti Group atd. Ve středním článku součástí a dílů se materiály odlévají, kují nebo jinak zpracovávají za účelem výroby lopatek a hřídelů turbíny a dalších částí. Lopatky a další části vznikají procesem lití. Mezi hlavní domácí společnosti zabývající se litím a kováním patří Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd. atd. Následně sestavují různé části do kompletních jednotek výrobci celých strojů v dolním proudu. Mezi hlavní výrobce patří AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric atd.

Horní průmysl, zejména produkty jako vysoko temperační slitiny, vysoko temperační titanové slitiny, tepelně izolační nátěry a pokročilé keramické kompozitní materiály, mají významnou roli při podpoře obranného průmyslu a výroby vysoké technologie. Domácí plynové turbíny se používají hlavně na výrodu elektriny, menší část je použita pro vodní napajení, vzduchové nasávání, tlačení v ropných a plynných polích a pro pohon lodí a tanků. Důraz je kladen na rozdělenou výrodu elektřiny, kombinované výrobu tepla a elektřiny, přepravu přirozeného plynu potrubím, pohon lodí a mechanické otočné systémy. V oblastech rozdělené dodávky energie, tlační stanice a průmyslová výroba elektřiny máme obrovský potenciál trhu pro plynové turbíny a politiky podporují rychlý rozvoj této odvětví. Současné velké projekty v zemi, jako jsou "Přenos plynu západ-východ", "Přenos elektřiny západ-východ" a "Přesun vody jih-sever", spolu s rychlým rozvojem lodního průmyslu vedly ke rychlému nárůstu poptávky po plynových turbínách.

Průmyslová politika

Moderní energetický systém z 14. pětiletého plánu rovněž uvádí plynové turbíny jako klíčovou technologii, téměř na stejnou úroveň jako jadernou energii, nové energetické systémy, ukládání energie a vodíkovou energii.

Státní energetická investiční korporace provedla dva speciální projekty, jeden z nich je velkým projektem těžkých plynových turbín, včetně plynových turbín na směsi s vodíkem. Čistě vodíková byla postavena ve Vnitřní Mongolsku, ale ještě nebyla spuštěna do provozu. Elektrárna v Jingmen používá směs 15 %. Harbin Electric a Guangdong Electric Group, která je Guangdong Energy Group, realizovaly projekt směsi vodíku v Daye Bay, a Hangzhou Steam Turbine a Siemens realizovaly projekt směsi vodíku v Žhóushan.

Gazové turbíny jsou široce používány v potrubním systému Západ-Východ Plyn a na offshore ropných plošinách. Jako podnik spojený s vojenskými aktivitami byla CNOOC také sankcionována Spojenými Státy a čelí riziku přerušení dodávek. Během války mezi Ruskem a Ukrajinou byly gazové turbíny Siemens zakoupené Ruskem zadrženy při jejich odeslání do Kanady na opravu, což mělo dopad na energetickou bezpečnost. Lokalizace musí být provedena co nejdříve.

Tržní prostor

V roce 2022 bude výroba gazových turbin ve své zemi 4,0563 milionu kilowattů a poptávka bude asi 6,7986 milionu kilowattů.

Podle statistik dosáhl trh se gazovými turbinami ve své zemi v roce 2022 objemu 61,669 miliard yuanů, z toho velikost trhu s mikro turbinami byla 893 milionů yuanů, velikost trhu s lehkými turbinami 56,569 miliard yuanů a velikost trhu s těžkými turbinami 4,207 miliard yuanů.

Moje země nyní může nezávisle vyrábět lehké plynové turbíny (výkon pod 50 MW). Ty levnější dokonce lze vyvážet, ale těžké plynové turbíny (výkon nad 50 MW) jsou stále v podstatě závislé na dovozu. Klíčové technologie jsou v podstatě monopolizovány mezinárodními výrobci, jako je GE ve Spojených státech, Mitsubishi v Japonsku a Siemens v Německu. Na domácím trhu hrozí riziko „udušení“. Podle údajů Generálního ředitelství celní bude dovoz plynových turbín v roce 2022 činit 4,161 miliardy USD a vývoz 735 milionů USD.