OBT Wissensklasse: Gasturbine

Grundlegende Begriffe

Laut dem „Gas Turbine Vocabulary“ (GB/T 15135-2018) bezeichnet eine Gasturbine eine kontinuierlich durchströmende Rotationsmaschine (Einzelmaschine), die thermische Energie in mechanische Arbeit umwandelt. Dazu gehören ein Verdichter, Einrichtungen zur Beheizung des Arbeitsmediums (z. B. eine Brennkammer), eine Turbine, ein Steuerungssystem und Hilfsausrüstung.

Industrielle Gasturbinenmotoren, allgemein als Gasturbinen oder Turbinen, Industriegasmotoren bezeichnet, sind im Grunde dasselbe wie Flugzeugturbinen-Gasmotoren (als Flugzeugmotoren bezeichnet), allerdings sind die Anwendungsbereiche leicht unterschiedlich. Sie komprimieren Hochdruckgas in eine Brennkammer und wandeln über die Reaktion der chemischen Energie diese mittels einer Turbine (die Transliteration von Turbine) in mechanische Arbeit um.

Als Energieumwandlungsgerate ist eine Gasturbine ein Flugzeugmotor, der bei der Flugaufgabe das Aviatik-Kerosin in mechanische Energie fur den Propeller umwandelt; eine auf dem Boden verwendete Gasturbine wandelt Erdgas und Oel in mechanische Energie fur den Generator um.

Dampfturbinen, Verbrennungsmotoren und Gasturbinen wurden zuerst fur den Einsatz auf Kriegsschiffen entwickelt. Dampfturbinen wurden vor dem Ersten Weltkrieg eingesetzt, Verbrennungsmotoren wurden wahrend des Ersten und Zweiten Weltkriegs verwendet, und Kriegsschiff-Gasturbinen wurden nach dem Zweiten Weltkrieg entwickelt. Sie wurden von Flugzeugmotoren abgeleitet und wurden hauptsachlich auf grossen Oberflachenbooten eingesetzt.

Gasturbinen haben mehrere Eigenschaften:

Erstens kann die theoretische Energieumwandlungseffizienz 88 % erreichen, was das Gerät mit der höchsten Energieumwandlungseffizienz der Welt bislang ist. Brennstoffzellen sollen eine Umwandlungseffizienz von 90 % erreichen können, sind jedoch noch nicht vollständig kommerziell umgesetzt; die theoretische Energieumwandlungseffizienz von Verbrennungsmotoren beträgt 88 %, was Jahrzehnte lang getestet wurde.

Zweitens ist die Brenntemperatur von Gasturbinen relativ hoch und die Ausstoßmenge schädlicher Gase relativ gering.

Drittens ist die Leistungsdichte relativ groß. Eine Einheit in Containergröße kann einem Zerstörer Energie liefern; zwei Container reichen im Grunde aus, um den Strombedarf einer Kreisstadt zu decken. Dampfturbinen sind sehr groß, wie Dieselmotoren und Verbrennungsmotoren mit einer Kapazität von mehr als 10 Megawatt, die im Wesentlichen Tausende von Tonnen wiegende und zehn Meter hohe große Anlagen sind.

Viertens, Gas turbines sind nicht wie Otto-Motoren, die zu den Hubkolbenmaschinen gehören und bei denen in jedem Vier-Takt-Zyklus einmal Arbeit geleistet wird. Gas turbines arbeiten kontinuierlich, und die Turbine ist eine Wirbellschaft. Es handelt sich um ein thermisches Motorgerät mit der höchsten Energieumwandlungseffizienz, das chemische Energie in Wärme- und mechanische Energie umwandelt.

In den 1970er Jahren kamen Gas turbines in die Ölindustrie der USA, was zur Entwicklung von Industrie-Gasturbinen führte. Flugzeugmotoren erfordern relativ hohe Leistung, sind komplexer aufgebaut und haben eine kürzere Lebensdauer; Industrie-Motoren müssen kein Gewicht sparen, sind sehr robust gebaut und benötigen eine längere Lebensdauer. In den 1980er Jahren, mit der Entwicklung von Erdgas, kam es auch in die Energiewirtschaft.

Nach dem Zweiten Weltkrieg war das technische Niveau der Vereinigten Staaten nicht sehr hoch. Die früheste Übernahme betraf italienische Unternehmen, welche die führenden Akteure im Bereich Rotationsmaschinen in Europa sind. Ein typisches britisches Unternehmen ist Rolls-Royce, welches Flugzeugmotoren herstellt. Im Allgemeinen produzieren Firmen, die Flugzeugmotoren herstellen, auch Gasturbinen. Siemens aus Deutschland kaufte Unternehmen in ganz Europa und übernahm zudem die Flugzeugmodifikation von Rolls-Royce. Russlands Gasturbinen basieren hauptsächlich auf Zusammenarbeit mit der Ukraine. Die Konstruktionen stammen alle aus Russland, einige Produktionsstandorte befinden sich jedoch in Mariupol, Ukraine.

In den letzten Jahrzehnten hat nur Mitsubishi in Japan eine echte Hochleistungsgasturbine entwickelt, und Kawasaki stellt kleinere her, daher gibt es immer noch einen bestimmten Schwellwert. Kleine und mittlere Gasturbinen kommen hauptsächlich von GE, insbesondere für militärische Zwecke. Die Hauptstromzerstörer sind größtenteils mit GE ausgestattet, dem Modell LM-2500. Siemens hat einige seiner kleinen Gasturbinen in Lincoln, Großbritannien, übernommen, mit einer Leistung von weniger als 15 MW, und einige in Finspång, Schweden. Das beste Unternehmen bei kleinen Gasturbinen ist Solar in den USA, das sehr eng mit seinen Kunden zusammenarbeitet und den höchsten Marktanteil weltweit für kleine Gasturbinen mit einer Kapazität von weniger als 15 MW hat.

Klassifizierung

Je nach struktureller Form und Ausgangsleistung lassen sich Gasturbinen in drei Kategorien unterteilen: Mikro-, Leicht- und Schwerlast-Gasturbinen. Mikro- und Leichtgasturbinen können aus Flugzeugtriebwerken umgebaut werden (auch als "Aero-to-Gas" bezeichnet), haben in der Regel eine Leistung von weniger als 50 MW und können in der industriellen Stromerzeugung, Schiffstraktion, Pipelineverdichtung, Panzermotoren, dezentralen Stromerzeugung sowie Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt werden. Schwerlast-Gasturbinen haben eine Leistung von mehr als 50 MW und werden hauptsächlich als feste Stromerzeuger an Land verwendet, beispielsweise in städtischen Stromnetzen.

Schwerlast-Gasmotoren werden allgemein nach Temperatur klassifiziert. Klasse E, F, G und H entsprechen unterschiedlichen Verbrennungstemperaturen. Aus ingenieurtechnischer Sicht ist es vorzuziehen, sie anhand der Temperaturbeständigkeit der Legierung einzuteilen.

In China handelt es sich um kleine Gasturbinen. Kleine Gasturbinen werden im Allgemeinen nach ihrem Aufbau klassifiziert: Einzelwellen-, Doppelwellen-, Dreifachwellen-, Aero-Modified-, Industrieturbinen; selten erfolgt eine Einteilung nach Temperatur, da die Temperaturentwicklung bei kleinen Gasturbinen im Vergleich zu Schweren Gasturbinen nicht so hoch ist. Typen mit Leistungsstufen unterhalb von 30 Megawatt verfügen über gleichachsige Kristalle, auch als E-Stufe bezeichnet. Dies ist nicht absolut, einige fortschrittlichere Modelle erreichen mittlerweile die F-Stufe. Die E-Stufe wurde in China bereits 1995 experimentell hergestellt. Etwa 50 Megawatt entsprechen wahrscheinlich der F-Stufe, welche aus gerichteten Kristallen besteht. Diese Stufe wurde in China 2005 erstmals in Versuchsproduktion genommen, und heute verfügen wir über sämtliche Materialien dafür. Die fortschrittlichsten Gasturbinen haben bereits die H-Stufe erreicht, und wir verfügen nun über unsere zweite Generation von Einkristallen.

Generell werden Anlagen unter 1 MW als Mikrogasturbinen bezeichnet. Ausländische Mikrogasturbinen verwenden aufgrund der niedrigen Temperaturen keine so hochwertigen Legierungen. Sie nutzen einige spezielle Stähle und verwenden selten gleichkörnige Kristalle. Anlagen im Bereich von etwa 15 MW werden als kleine Gasturbinen bezeichnet, welche hauptsächlich gleichkörnige Kristalle verwenden. Es gibt auch einige spezialisierte Unternehmen im Ausland, die spezielle Stähle verwenden, jedoch sind deren Beschichtungen besonders gut, wodurch bessere Ergebnisse erzielt werden. Klein- und Mittelkraftmaschinen mit 30~50 MW verwenden überwiegend gerichtete Kristalle, also F-Güte. Größere Anlagen verwenden Einkristalle der ersten und zweiten Generation, welche zu unseren heimischen Marken gehören.

Kleine und mittlere Mikro-Gasturbinen werden hauptsächlich in dezentralen Strom- und Blockheizkraftwerken eingesetzt. Anlagen unterhalb von 30 MW und 15 MW werden vorwiegend in Sichuan verwendet, solche unterhalb von 7 MW hauptsächlich in Chongqing. Dies hängt mit der Größe der dortigen Industrieparks zusammen. Turbinen um die 30 MW-Marke kommen vor allem in Jiangsu zum Einsatz, während Anlagen zwischen 50 MW und 100 MW überwiegend in Industrieparks in Guangdong genutzt werden, allgemein für dezentrale Stromerzeugung oder kombinierte Wärme- und Stromversorgung. Anlagen über 100 MW dienen zur Spitzenglättung in großen Stromnetzen oder als Grundlastkraftwerke. Die Öl- und Gasindustrie nutzt kleine Anlagen. In der Bergbau-Industrie (Upstream) werden hauptsächlich 7-MW- und 15-MW-Anlagen verwendet, bei der Pipeline-Transport-Industrie (Midstream) vorwiegend 15-MW- und 30-MW-Anlagen.

Das Design-System von Gasturbinen unter 30 MW ist relativ reif, und das Prozessmaterialsystem ist ebenfalls relativ reif. Die Ausbeuterate von OBT kann 85 % erreichen. Industriegasturbinen müssen weiterhin auf wirtschaftliche Leistungsfähigkeit, technisch-wirtschaftliche Bewertung oder Kosten-Nutzen-Verhältnis fokussieren, und der Hauptbewertungsindikator ist die Ausbeuterate.

Bei mittleren und großen Gasturbinen weisen wir (einheimische Anbieter) im Bereich unseres Designs geringe Erfahrungen mit Design-Software, Design-Spezifikationen sowie Datenbanken bezüglich bestimmter Materialien und Prozesse auf. Daher ist dieses Designsysten noch nicht sehr ausgereift, und die Ausschussquote ist entsprechend hoch. Die F-Stufe oder das einkristalline Niveau stellen hierbei eine Schwelle dar. Unterhalb des einkristallinen Niveaus sind wir weiterhin zuversichtlich, am internationalen Wettbewerb teilnehmen zu können. Oberhalb des einkristallinen Niveaus besteht auf industrieller Ebene jedoch noch eine gewisse Lücke. Dieser Bereich wurde daher dem nationalen Team übertragen. Mehrere zentrale Unternehmen führen derzeit grundlegende Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durch und investieren erhebliche Mittel in die Erforschung grundlegender Materialien und Prozesse.

Wertekette

Im Bereich des vorgelagerten Segments der Gas Turbinen-Branche meines Landes befinden sich Hersteller von Hochtemperaturlegierungen, Titanlegierungen, Verbundwerkstoffen, Aluminiumlegierungen und allgemeinem Stahl, darunter Gangyan Gaona, Fushun Special Steel, Baoti Group usw. Im mittleren Bereich der Bauteile und Komponenten werden Materialien gegossen, geschmiedet oder durch andere Verfahren weiterverarbeitet, um Turbinenschaufeln, Wellen und andere Teile herzustellen. Schaufeln und andere Teile entstehen dabei überwiegend durch das Gießverfahren. Zu den führenden nationalen Gießerei- und Schmiedeunternehmen zählen unter anderem Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd. usw. Schließlich setzen die nachgelagerten Gesamtmaschinenhersteller verschiedene Einzelteile zu kompletten Maschinen zusammen. Wichtige Hersteller hierfür sind unter anderem AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric usw.

Die Aufschalungsinvestments, insbesondere Produkte wie Hochtemperaturlegierungen, Hochtemperaturtitanlegierungen, thermische Barrierebeschichtungen und fortschrittliche keramische Verbundwerkstoffe, spielen eine bedeutende Rolle bei der Förderung der Verteidigungsindustrie und der Herstellung hochwertiger Ausrüstung. Inländische Gasturbinen werden hauptsächlich für Stromerzeugung eingesetzt, wobei eine geringe Anzahl davon für Wasserinjektion, Luftaufnahme, Druckerhöhung in Ölfeldern sowie für die Antriebskraft von Schiffen und Panzern verwendet wird. Der Schwerpunkt liegt auf dezentraler Stromerzeugung, Kombikraftwerk, Erdgasleitungstransport, Schiffstriebwerke und Maschinenantrieb. In Bezug auf Aspekte haben die Gasturbinen unseres Landes riesige potenzielle Märkte im Bereich der dezentralen Energieversorgung, Druckstationen und industriellen Stromerzeugung, und es gibt politische Unterstützung für die schnelle Entwicklung der Branche. Die derzeit laufenden Großprojekte unseres Landes wie "West-Ost-Gaspipeline", "West-Ost-Stromübertragung" und "Süd-Nord-Wasserumleitung" sowie die rasante Entwicklung unserer Schifffahrt führen zu einem starken Anstieg der Nachfrage nach Gasturbinen in unserem Land.

Industriepolitik

Das moderne Energiesystem des 14. Fünfjahresplans nennt Gas Turbinen ebenfalls als Schlüsseltechnologie und positioniert diese damit nahezu auf gleicher Ebene wie Kernenergie, neue Stromsysteme, Energiespeicherung und Wasserstofftechnologie.

Die State Power Investment Corporation hat zwei Spezialprojekte durchgeführt, eines davon ist ein Großprojekt für schwere Gasturbinen, einschließlich Wasserstoffgemisch-Gasturbinen. Eine reine Wasserstoffanlage wurde in Innere Mongolei gebaut, aber noch nicht in Betrieb genommen. Das Kraftwerk in Jingmen hat 15 % gemischt. Harbin Electric und Guangdong Electric Group, also Guangdong Energy Group, haben ein Wasserstoff-Mischprojekt in Daya Bay durchgeführt, und Hangzhou Steam Turbine und Siemens haben ein Wasserstoff-Mischprojekt in Zhoushan realisiert.

Gas turbines werden im West-Ost-Gas-Pipeline-Projekt sowie auf off-shore-Ölplattformen weitgehend eingesetzt. Als militärisch verbundenes Unternehmen wurde CNOOC ebenfalls von den USA sanktioniert und steht vor dem Risiko von Lieferengpässen. Während des Krieges zwischen Russland und der Ukraine wurden die von Russland gekauften Siemens-Gasturbinen, die nach Kanada geschickt wurden, um repariert zu werden, beschlagnahmt, was die Energiesicherheit beeinträchtigte. Eine Lokalisierung muss so schnell wie möglich durchgeführt werden.

Marktraum

Im Jahr 2022 betrug die Produktion von Gasturbinen in unserem Land 4,0563 Millionen kW, während die Nachfrage etwa 6,7986 Millionen kW erreichte.

Laut Statistiken belief sich der Marktwert der Gasturbinen in unserem Land im Jahr 2022 auf 61,669 Milliarden Yuan, wovon der Markt für Mikro-Gasturbinen 8,93 Milliarden Yuan, der Markt für leichte Gasturbinen 56,569 Milliarden Yuan und der Markt für schwere Gasturbinen 4,207 Milliarden Yuan betrug.

Mein Land kann nun unabhängig Leichtgas-Turbinen (Leistung unter 50 MW) produzieren. Einfache Modelle können sogar exportiert werden, aber Schwer-Gas-Turbinen (Leistung über 50 MW) sind nach wie vor stark von Importen abhängig. Die Kern-Technologie wird im Wesentlichen von internationalen Herstellern wie GE aus den USA, Mitsubishi aus Japan und Siemens aus Deutschland monopolisiert. Es besteht das Risiko, auf dem heimischen Markt "ausgebremst" zu werden. Laut Daten der Generalverwaltung für Zoll beliefen sich die Gas-Turbinen-Importe im Jahr 2022 auf 4,161 Milliarden US-Dollar und Exporte auf 735 Millionen US-Dollar.