OBT Knowledge Classroom: Gas Turbine

Grundlæggende begreber

Ifølge "Gas Turbine Vocabulary" (GB/T 15135-2018) refererer en gasturbine til en kontinuerligstrømmende roterende maskine (enkel maskine), der omdanner termisk energi til mekanisk arbejde, herunder en kompressor, udstyr til opvarmning af arbejdsmidlet (såsom en brændingskammer), en turbine, et styresystem og hjælpeudstyr.

Industrielle gasturbinemotorer, almindeligt omtalt som gasmotorer eller turbiner, industrielle gasmotorer, er i bund og grund det samme som luftfartsmotorer med gasturbiner (omtalte som flymotorer), men anvendelsesforholdene er let forskellige. De komprimerer højtryksgas til et brændingskammer og omdanner gennem reaktionen af kemisk energi den kemiske energi til mekanisk arbejde via en turbine (transskription af turbine).

Som en energikonverteringsenhed er en gasturbine en flymotor, der omformer flypetrol til mekanisk energi for propelleren under flyvning i luften; en på jorden brugt gasturbine omformer naturgas og olie til mekanisk energi for generator.

Damp turbines, indendørsforbrændingsmotorer og gasturbiner blev først udviklet til brug på krigsskibe. Damp turbines blev brugt før 1. verdenskrig, indendørsforbrændingsmotorer blev brugt under 1. og 2. verdenskrig, og gasturbiner til krigsskibe blev udviklet efter 2. verdenskrig. De blev modificeret fra flymotorer og blev hovedsageligt brugt på store overfladeskibe.

Gasturbiner har flere karakteristika:

Først og fremmest kan den teoretiske energikonverteringseffektivitet opnå 88 %, hvilket er enheden med højeste energikonverteringseffektivitet i verden indtil videre. Brandstofceller siger sig kunne opnå en konverteringseffektivitet på 90 %, men de er endnu ikke fuldt ud kommercialiseret; den teoretiske energikonverteringseffektivitet for forbændingsmotorer er 88 %, hvilket har været testet i årtier.

Andet, den forbændingstemperatur for gasturbiner er relativt høj, og udsendingen af skadelige gasser er relativt lav.

Tredje, effektdensiteten er relativt stor. En enkelt maskine på størrelse med en container kan levere energi til et fregat; to containere er næsten nok til civil el-forsyning i en kommune. Dampturbiner er meget store, såsom diesel- og forbændingsmotorer med en kapacitet på mere end 10 megawatt, som normalt er store anlæg på flere tusind tons og flere meter høje.

Fjerde, gas turbine er ikke som benzinmotorer, som er slagsmæssige, og hvor arbejde udføres én gang på 4 slag. Gas turbine fungerer kontinuerligt, og turbinen er en spiral linje. Det er et termisk motorapparat med den højeste energikonverteringseffektivitet, der konverterer kemisk energi til varme- og mekanisk energi.

I 1970'erne kom gas turbine ind i den amerikanske olieindustri, hvilket gav anledning til industrielle gasturbiner. Flymotorer kræver relativt høj ydelse, er relativt avancerede og har en relativt kort levetid; industrielle motorer behøver ikke at mindske vægten, de er meget robuste og kræver en relativt lang levetid. Omkring 1980'erne, med udviklingen af naturgas, kom de ind i elproduktionsbranchen.

Efter Anden Verdenskrig var USA's teknologiske niveau ikke særlig højt. Den tidligste erhvervelse var italienske virksomheder, som er centrum for roterende udstyr i Europa. Det typiske britiske selskab er Rolls-Royce, som fremstiller flymotorer. Generelt vil virksomheder, der producerer flymotorer, også fremstille gasturbiner. Tysklands Siemens har erhvervet virksomheder over hele Europa og har også erhvervet Rolls-Royce' flymodifikation. Russlands gasturbiner er hovedsageligt i samarbejde med Ukraine. Designene er alle i Rusland, og nogle af produktionsbasen er i Mariupol, Ukraine.

I de seneste årtier har kun Mitsubishi i Japan udviklet en ægte tung gas turbine, og Kawasaki laver mindre modeller, så der findes stadig en vis terskel. Små og mellemstore gasturbiner er hovedsagelig GE, især til militært brug. De førende ødelæggere er for det meste GE-modellen LM-2500. Siemens købte nogle af deres små gasturbiner i Lincoln, Storbritannien, med en kapacitet på mindre end 15 MW, og nogle i Finspång, Sverige. Det bedste firma inden for små gasturbiner er Solar i USA, som ligger meget tæt på sine kunder og har den største markedsvægt i verden for små gasturbiner med en kapacitet på mindre end 15 MW.

Klassifikation

Ud fra den strukturelle form og outputeffekt kan gas turbine inddels i tre kategorier: mikro, lette og tunge. Blandt disse kan mikro og lette gasturbiner ændres fra flymotorer (også kendt som "aero-to-gas"), med en effekt på typisk under 50 MW og kan anvendes til industriproduktion af strøm, skibsmotorer, pipeline-boosting, tanklokomotiver, distribueret energiproduktion og kombineret varme- og kraftværk. Tunge gasturbiner har en effekt på over 50 MW og bruges hovedsageligt som faste generatorer på land, såsom bynet.

Tunge gasmotorer klassificeres generelt efter temperatur. Klasse E, F, G og H svarer til forskellige forbrændingstemperaturer. Set fra en ingeniørperspektiv er det at foretrække at klassificere dem ud fra legeringens temperaturmodstandsevne.

I Kina drejer det sig om små gasturbiner. Små gasturbiner klassificeres almindeligvis efter struktur: enkeltaksel, dobbelte akser, tre-aksel, ændret til luftfart, industrielle og sjældent efter temperatur, fordi temperaturen i små gasturbiner ikke er så høj sammenlignet med tungtvejende gasturbiner. Dem med en effekt under 30 megawatt er ækviaxiale krystaller, altså E-klasse. Dette er ikke absolut, nogle mere avancerede har nået F-klassen. E-klassen blev forsøgsproduceret i Kina i 1995. Omkring 50 megawatt svarer sandsynligvis til F-klassen, som er et rettet krystal. Kina forsøgsproducerede klassen i 2005, og vi har nu alle disse materialer. De mest avancerede gasturbiner har opnået H-klassen, og vi har nu vores anden generation af enkeltkrystaller.

Generelt kaldes enheder under 1 MW for mikrogasturbiner. Mikrogasturbiner i udlandet bruger ikke så gode legeringer på grund af den lave temperatur. De bruger nogle specialstål og anvender sjældent ækvisaksede krystaller. Enheder omkring 15 MW kaldes små gasturbiner, som hovedsageligt bruger ækvisaksede krystaller. Der findes også nogle særlige virksomheder i udlandet, som bruger specialstål, men fordi deres belægninger er særligt gode, produceres de bedre. Mindre og mellemstore enheder på 30~50 MW bruger generelt mere rettede krystaller, altså F-kvalitet. Større enheder bruger enkeltkrystaller af første og anden generation, hvilket er vores indenlandske mærker.

Små og mellemstore mikrogasturbiner anvendes hovedsageligt i decentrale kraftværker og kombinerede varme- og kraftværker. Enheder under 30 MW og 15 MW anvendes hovedsageligt i Sichuan, og dem under 7 MW anvendes hovedsageligt i Chongqing. Dette er relateret til størrelsen af de lokale industriparker. Enheder omkring 30 MW anvendes hovedsageligt i Jiangsu, og enheder fra 50 MW til 100 MW anvendes hovedsageligt i industriparker i Guangdong, typisk til decentrale kraftværker eller kombinerede varme- og kraftværker. Enheder over 100 MW anvendes til visse store elnettopspidslastreguleringer eller som basisbelastningskraftværker. Den olie- og gasindustrielle sektor anvender små enheder. I den opstrøms liggende minedrift anvendes hovedsageligt 7 MW og 15 MW-enheder, mens den mellemliggende rørledningstransport primært anvender 15 MW og 30 MW-enheder.

Designsystemet for gasturbiner under 30 MW er relativt moden, og procesmaterialsystemet er også relativt godt udviklet. OBT-effektiviteten kan nå op til 85%. Industrielle gasturbiner skal stadig fokusere på økonomisk ydeevne, teknisk-økonomisk evaluering eller pris-ydelsesforhold, og den primære evalueringindsats er effektivitetsgraden.

For mellemstore og store gasturbiner har vi (domicile) relativt lidt erfaring med designsoftware, designspecifikationer og databaser over visse materialer og processer i vores designsystem. Derfor er dette designsystem ikke særligt modne, og udbyttet er ikke højt. F-niveau eller rettet krystal er en vendepunkt. Under rettet krystal føler vi os stadig tilstrækkeligt selvsikre til at deltage i international konkurrence. Over rettet krystal er der dog på industrielt plan stadig en vis kløft. Dette område er overladt til landets specialister. Flere centrale virksomheder arbejder med forskning og udvikling inden for grundlæggende teknologier, og investeringen i basismaterialer og basale processer er betydelig.

Industrien

I opstrøms ende af min lands gas turbine industrilænke, producenter af højtemperatur legeringer, titanlegeringer, kompositmaterialer, aluminiumslegeringer og almindelig stål inkluderer Gangyan Gaona, Fushun Special Steel, Baoti Group osv. I midtstrøms dele og komponenter leden bliver materialerne støbt, smedet eller andre processer udført for at fremstille turbinblade, aksler og andre dele. Blade og andre dele dannes gennem støbeprocessen. Blandt de vigtigste indenlandske støbe- og smedefirmaer kan nævnes Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd. osv. Derefter samler nedstrøms hele maskinproducenterne forskellige dele til hele maskiner. Blandt de vigtigste producenter kan nævnes AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric osv.

Opstream industrier, især produkter som højtemperaturslegemer, højtemperatur titaniumlegemer, varmebarrierelakkeringer og avancerede keramiske sammensatte materialer, har en betydelig rolle i forbindelse med fremme af forsvarsindustrien og højteknologisk udstyrskonstruktion. De nationale gas turbine er hovedsagelig brugt til elektricitetsproduktion, og et lille antal bruges til vandindspygning, luftindtag, presseringsforøgelse i olie- og gasfelt, samt som kraftkilde for skibe og tanker. Fokus ligger på fordelt energiproduktion, kombineret varme- og kraftproduktion, naturgasrørledningstransport, skibsfremdrivning og maskinadrevning. I forhold til de distribuerede energiforsyninger, presseringsstationer, industrielle kraftværker og andre områder har vores landes gas turbine en enorm markedspotential, og politikken understøtter den hurtige udvikling af industrien. De nuværende store projekter i vores land såsom "Vest-Til-Øst Gasoverførsel", "Vest-Til-Øst Strømoverførsel" og "Syd-Til-Nord Vanddiversion", sammen med den hurtige udvikling af vores skibsbygningsindustri, har ført til en hurtig stigning i efterspørgsel efter gas turbine i vores land.

Industripolitik

Den 14. femårsplans moderne energisystem nævner også gas turbines som en kerne-teknologi, og placerer den i bund og grund på samme niveau som kerneenergi, nye strømsystemer, energilagring og brintenergi.

State Power Investment Corporation har udført to specielle projekter, ét er et stort projekt for tunge gas turbines, herunder brintblandede gas turbines. En ren brint turbine er blevet bygget i Indre Mongoliet, men er endnu ikke taget i drift. Jingmen-kraftværket har blandet 15%. Harbin Electric og Guangdong Electric Group, som er Guangdong Energy Group, har udført et brintblandingprojekt i Daya Bay, og Hangzhou Steam Turbine og Siemens har udført et brintblandingprojekt i Zhoushan.

Gas turbine er vidt udbredt i Vest-Ost Gas Pipeline og på offshore olieplatforme. Som et militært relateret virksomhed har CNOOC også været sanktioneret af USA og står over for risikoen for leveringsafbrydelser. Under krigen mellem Rusland og Ukraine blev Siemens gas turbine, som Rusland havde købt, fastholdt, da de blev sendt til Canada til reparation, hvilket påvirkede energisikkerheden. Lokalisering skal gennemføres så hurtigt som muligt.

Markedsplads

I 2022 vil vores lands produktion af gas turbine være 4,0563 millioner kilowatt, og efterspørgslen vil være omkring 6,7986 millioner kilowatt.

Ifølge statistikker nåede størrelsen af vores lands gas turbine marked 61,669 milliarder yuan i 2022, hvoraf mikro gas turbine markedsstørrelse var 893 millioner yuan, let gas turbine markedsstørrelse var 56,569 milliarder yuan, og tung gas turbine markedsstørrelse var 4,207 milliarder yuan.

Mit land kan nu selvstændigt producere lette gasturbiner (effekt under 50 MW). Billige modeller kan endda eksporteres, men tunge gasturbiner (effekt over 50 MW) er stadig stort set afhængige af import. Den kerne-teknologi er stort set monopoliseret af internationale producenter såsom GE i USA, Mitsubishi i Japan og Siemens i Tyskland. Der er en risiko for at blive 'kvæstet' på det indenlandske marked. Ifølge data fra Skat (Danish Customs) vil importen af gasturbiner i 2022 være 4,161 mia. USD og eksporten vil være 735 mio. USD.