Αίθουσα Γνώσεων OBT: Αεριοστρόβιλος

Βασικές Έννοιες

Σύμφωνα με το «Γλωσσάρι Αεριοστρόβιλου» (GB/T 15135-2018), αεριοστρόβιλος αναφέρεται σε μηχάνημα συνεχούς ροής περιστροφικό (μοναδική μηχανή) που μετατρέπει θερμική ενέργεια σε μηχανική εργασία, περιλαμβάνοντας συμπιεστή, εξοπλισμό για τη θέρμανση του εργαζόμενου ρευστού (όπως θάλαμο καύσης), στρόβιλο, σύστημα ελέγχου και βοηθητικό εξοπλισμό.

Οι βιομηχανικοί αεριοστρόβιλοι κινητήρες, συνήθως αναφερόμενοι ως αεριοστρόβιλοι ή στρόβιλοι, βιομηχανικοί αεριοκινητήρες, είναι ουσιαστικά το ίδιο πράγμα με τους αεριοστρόβιλους κινητήρες αεροπλάνων (αναφερόμενοι ως αεροπορικοί κινητήρες), αλλά τα σενάρια εφαρμογής είναι ελαφρώς διαφορετικά. Συμπιέζουν αέριο υψηλής πίεσης σε θάλαμο καύσης και μέσω της αντίδρασης της χημικής ενέργειας, μετατρέπουν τη χημική ενέργεια σε μηχανική εργασία μέσω στροβίλου (η μεταγραφή του στροβίλου).

Ως συσκευή μετατροπής ενέργειας, ένας αεριού πυρηνάς είναι ο κινητήρας αεροπλάνου που μετατρέπει πετρελαϊκό κερόσινο σε μηχανική ενέργεια για τον προπέλαιο κατά την πτήση στον ουρανό. Ένας αεριού πυρηνάς που χρησιμοποιείται στο έδαφος μετατρέπει φυσικό αέριο και πετρέλαιο σε μηχανική ενέργεια για τον γεννήτρια.

Οι ατμοσφαιρικοί τουρβίνες, οι εσωτερικοί καύσιμοι κινητήρες και οι τουρβίνες αερίου αναπτύχθηκαν για πρώτη φορά για χρήση σε πολεμικά πλοία. Οι ατμοσφαιρικές τουρβίνες χρησιμοποιήθηκαν πριν από τον Πρώτο Παγκόσμιο Πόλεμο, οι κινητήρες εσωτερικής καύσης χρησιμοποιήθηκαν κατά τον Πρώτο και Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο, και οι τουρβίνες αερίου για πολεμικά πλοία αναπτύχθηκαν μετά τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο. Μετατράπηκαν από αεροπλανικούς κινητήρες και χρησιμοποιήθηκαν κυρίως σε μεγάλα επιφανειακά πλοία.

Οι τουρβίνες αερίου έχουν διάφορες προδιαγραφές:

Πρώτον, η θεωρητική απόδοση μετατροπής ενέργειας μπορεί να φθάσει το 88%, η οποία είναι η συσκευή με την υψηλότερη απόδοση μετατροπής ενέργειας στον κόσμο μέχρι στιγμής. Οι κυψέλες καυσίμου λέγεται ότι είναι σε θέση να επιτύχουν απόδοση μετατροπής 90%, αλλά δεν έχουν ακόμη εμπορευματοποιηθεί πλήρως.

Δεύτερον, η θερμοκρασία καύσης των αεριοστροβιλών είναι σχετικά υψηλή και η εκπομπή βλαβερών αερίων είναι σχετικά χαμηλή.

Τρίτον, η πυκνότητα ισχύος είναι σχετικά μεγάλη. Μια μονά μηχανή μεγέθους δοχείου μπορεί να τροφοδοτήσει με ενέργεια ένα αντιτορπιλικό· δύο δοχεία είναι βασικά αρκετές για τον αστικό ηλεκτρισμό μιας επαρχίας. Οι ατμογεννήτριες είναι πολύ μεγάλες, όπως οι κινητήρες ντίζελ και οι κινητήρες εσωτερικής καύσης με χωρητικότητα άνω των 10 μεγαβάτ, οι οποίες είναι βασικά μεγάλες συσκευές που ζυγίζουν χιλιάδες τόνους και έχουν ύψος δεκάδες μέτρα.

Τέταρτον, οι αεριοστρόβιλοι δεν είναι όπως οι κινητήρες εσωτερικής καύσης, οι οποίοι είναι τύπου παλμών και εργάζονται μια φορά το 4 παλμούς. Οι αεριοστρόβιλοι λειτουργούν συνεχώς, και ο στρόβιλος είναι μια σπιροειδής γραμμή. Είναι ένα θερμοκινητικό συστήμα με την υψηλότερη αποδοσιμότητα μετατροπής ενέργειας, μετατρέποντας χημική ενέργεια σε θερμική και μηχανική ενέργεια.

Στη δεκαετία του '70, οι αεριοστρόβιλοι εισήλθαν στη βιομηχανία πετρελαίου των ΗΠΑ, προκαλώντας την εμφάνιση βιομηχανικών αεριοστροβίλων. Οι κινητήρες αεροσκαφών απαιτούν σχετικά υψηλή απόδοση, είναι σχετικά πολύπλοκοι και έχουν σχετικά μικρή διάρκεια ζωής. Οι βιομηχανικοί κινητήρες δεν χρειάζονται να μειώνουν το βάρος, κατασκευάζονται πολύ σταθεροί και απαιτούν σχετικά μεγάλη διάρκεια ζωής. Περίπου στη δεκαετία του '80, με την ανάπτυξη του φυσικού αερίου, εισήλθαν στη βιομηχανία ηλεκτροπαραγωγής.

Μετά τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο, το τεχνικό επίπεδο των Ηνωμένων Πολιτειών δεν ήταν πολύ υψηλό. Η πρώτη απόκτηση ήταν Ιταλικές εταιρείες, οι οποίες είναι η πρωτεύουσα της περιστροφικής εξοπλιστικής στην Ευρώπη. Η τυπική βρετανική εταιρεία είναι η Rolls-Royce, η οποία κατασκευάζει αεροσκάφη. Γενικά, οι εταιρείες που κατασκευάζουν αεροσκάφη θα κατασκευάσουν και αεριοστρόβιλους. Η γερμανική Siemens απέκτησε εταιρείες σε όλη την Ευρώπη και απέκτησε επίσης την αεροπορική μετατροπή της Rolls-Royce. Οι αεριοστρόβιλοι της Ρωσίας είναι κυρίως σε συνεργασία με την Ουκρανία. Τα σχέδια βρίσκονται όλα στη Ρωσία, ενώ ορισμένες βιομηχανικές βάσεις βρίσκονται στο Μαριούπολ, στην Ουκρανία.

Στα τελευταία δεκαετίες, μόνο η Mitsubishi της Ιαπωνίας έχει αναπτύξει μια πραγματικά βαριά αεριοστρόβιλο, ενώ η Kawasaki κατασκευάζει μικρότερους, οπότε υπάρχει ακόμη κάποιος θρέσκος. Οι μικροί και μεσαίοι αεριοστρόβιλοι είναι κυρίως η GE, ειδικά για στρατιωτική χρήση. Τα κυριότερα καταστροφεία είναι περισσότερο η GE, το μοντέλο LM-2500. Η Siemens απέκτησε μερικούς από τους μικρούς αεριοστρόβιλους της στο Lincoln της Αγγλίας, με δυναμικό λιγότερο από 15 MW, και μερικούς στο Finspång της Σουηδίας. Η καλύτερη εταιρεία σε μικρούς αεριοστρόβιλους είναι η Solar στις ΗΠΑ, η οποία είναι πολύ κοντά στους πελάτες της και έχει το μεγαλύτερο μερίδιο αγοράς στον κόσμο για μικρούς αεριοστρόβιλους με δυναμικό λιγότερο από 15 MW.

Επισκόπηση

Σύμφωνα με τη δομική μορφή και την έξοδο ισχύος, οι αεριοστρόβιλοι μπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες: μικρούς, ελαφρούς και βαρέως τύπου. Από αυτούς, οι μικροί και οι ελαφροί αεριοστρόβιλοι μπορούν να προκύψουν από τροποποίηση αεροσκαφών (γνωστή και ως «aero-to-gas»), με ισχύ συνήθως μέχρι 50MW και μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη βιομηχανική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, στη ναυτιλία, στην αύξηση της πίεσης σε αγωγούς, σε τανκς-ηλεκτροκίνητα τρένα, σε διανεμημένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και σε συμπαραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού. Οι αεριοστρόβιλοι βαρέως τύπου έχουν ισχύ πάνω από 50 MW και χρησιμοποιούνται κυρίως ως σταθεροί ηλεκτροπαραγωγοί εγκατεστημένοι στην ξηρά, όπως για παράδειγμα στα αστικά ηλεκτρικά δίκτυα.

Οι αεριοστρόβιλοι βαρέως τύπου κατηγοριοποιούνται συνήθως με βάση τη θερμοκρασία. Η κατηγορία E, F, G και H αντιστοιχούν σε διαφορετικές θερμοκρασίες λειτουργίας. Από μηχανολογικής πλευράς, είναι προτιμότερο να γίνεται η κατηγοριοποίηση με βάση την αντοχή του κράματος στη θερμοκρασία.

Στην Κίνα, πρόκειται για μικρούς αεριοστρόβιλους. Οι μικροί αεριοστρόβιλοι ταξινομούνται συνήθως ως προς τη δομή τους: μονοαξονικοί, διαξονικοί, τριαξονικοί, αεροπροσαρμοσμένοι, βιομηχανικοί, και σπάνια ταξινομούνται ως προς τη θερμοκρασία, επειδή η θερμοκρασία των μικρών αεριοστρόβιλων δεν είναι τόσο υψηλή σε σχέση με τους βαρέων τύπου αεριοστρόβιλους. Εκείνοι με επίπεδο ισχύος κάτω από 30 MW είναι κρύσταλλοι εξασθενούς δομής, δηλαδή βαθμού E. Αυτό δεν είναι απόλυτο, και μερικοί πιο προηγμένοι έχουν φτάσει στο βαθμό F. Το βαθμό E το είχε δοκιμαστική παραγωγή στην Κίνα το 1995. Περίπου 50 MW αντιστοιχούν στο βαθμό F, που είναι προσανατολισμένος κρύσταλλος. Η Κίνα έκανε δοκιμαστική παραγωγή του βαθμού αυτού το 2005, και διαθέτουμε πλέον όλα αυτά τα υλικά. Οι πιο προηγμένοι αεριοστρόβιλοι έχουν φτάσει στο βαθμό H, και διαθέτουμε πλέον τη δεύτερη γενιά μονοκρυστάλλων.

Γενικά, αυτοί που είναι κάτω των 1 MW ονομάζονται μικρο-αεριοστρόβιλοι. Οι μικρο-αεριοστρόβιλοι στο εξωτερικό δεν χρησιμοποιούν τόσο καλές κράματα λόγω της χαμηλής θερμοκρασίας. Χρησιμοποιούν κάποια ειδικά είδη χάλυβα και σπάνια χρησιμοποιούν κρυστάλλους με ισοαξονική δομή. Αυτοί που είναι περίπου 15 MW ονομάζονται μικρά αεριοστρόβιλοι, τα οποία χρησιμοποιούν κυρίως κρυστάλλους με ισοαξονική δομή. Υπάρχουν επίσης μερικές ειδικές εταιρείες στο εξωτερικό που χρησιμοποιούν ειδικούς χάλυβες, αλλά επειδή τα επιστρώματά τους είναι ιδιαίτερα καλά, κατασκευάζονται καλύτερα. Τα μικρά και μεσαία αεριοστρόβιλοι 30~50 MW χρησιμοποιούν γενικά περισσότερο κρυστάλλους με προσανατολισμένη δομή, δηλαδή βαθμού F. Τα μεγαλύτερα χρησιμοποιούν μονοκρυστάλλους της πρώτης και δεύτερης γενιάς, που είναι οι εγχώριες μάρκες μας.

Οι μικρές και μεσαίες μικροτούρμπινες αερίου χρησιμοποιούνται κυρίως σε διανεμημένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και συμπαραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού. Αυτές με ισχύ κάτω από 30 MW και 15 MW χρησιμοποιούνται κυρίως στην επαρχία Σετσουάν, ενώ αυτές κάτω από 7 MW χρησιμοποιούνται κυρίως στην Τσονγκκίνγκ. Αυτό σχετίζεται με την έκταση των βιομηχανικών πάρκων τους. Αυτές περίπου τα 30 MW χρησιμοποιούνται κυρίως στην επαρχία Τζιανγκσού, ενώ αυτές από 50 MW έως 100 MW χρησιμοποιούνται γενικά σε βιομηχανικά πάρκα της επαρχίας Γκουανγκντόνγκ, για διανεμημένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ή συμπαραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού. Αυτές πάνω από 100 MW χρησιμοποιούνται για τη ρύθμιση της κορυφής φορτίου σε μεγάλα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας ή ως σταθμοί βασικής παροχής. Μικρές μονάδες χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία πετρελαίου και φυσικού αερίου. Στην προηγούμενη φάση της εξόρυξης, χρησιμοποιούνται κυρίως οι 7 MW και 15 MW, ενώ στη μεταφορά μέσω αγωγών (μεσαία φάση) χρησιμοποιούνται κυρίως οι 15 MW και 30 MW.

Το σύστημα σχεδιασμού αεριού πυρηνικών κινητήρων κάτω από 30 MW είναι σχετικά ώριμο, και το σύστημα υλικών επεξεργασίας είναι εgalement σχετικά ώριμο. Το ποσοστό απόδοσης του OBT μπορεί να φθάσει το 85%. Οι βιομηχανικοί αεριοί κινητήρες πρέπει να επικεντρωθούν στην οικονομική απόδοση, την τεχνική και οικονομική αξιολόγηση ή την αξιολόγηση κόστους-απόδοσης, και ο κύριος δείκτης αξιολόγησης είναι το ποσοστό απόδοσης.

Για ενδιάμεσες και μεγάλες αεριοστρόβιλους, εμείς (εγχώριοι) δεν έχουμε συσσωρεύσει πολύ λογισμικό σχεδίασης, προδιαγραφές σχεδίασης και βάσεις δεδομένων για ορισμένα υλικά και διαδικασίες στο σύστημα σχεδίασής μας, γι' αυτό το σύστημα σχεδίασης δεν είναι αρκετά ώριμο και ο βαθμός απόδοσης δεν είναι υψηλός. Το επίπεδο F ή η κρυσταλλοποίηση κατά την προτιμώμενη διεύθυνση (oriented crystal) αποτελούν το χωριστικό όριο. Κάτω από την κρυσταλλοποίηση κατά την προτιμώμενη διεύθυνση, αισθανόμαστε ακόμη αρκετά αυτόπεποιστοι ώστε να μπορούμε να συμμετάσχουμε στον διεθνή ανταγωνισμό. Πάνω από την κρυσταλλοποίηση κατά την προτιμώμενη διεύθυνση, σε επίπεδο βιομηχανίας, υπάρχει ακόμη ένα ορισμένο χάσμα. Αυτός ο τομέας έχει ανατεθεί στην εθνική ομάδα. Μερικές κεντρικές επιχειρήσεις διεξάγουν ήδη ορισμένες βασικές έρευνες και αναπτύξεις, ενώ οι επενδύσεις σε βασικά υλικά και βασικές διαδικασίες είναι τεράστιες.

Βιομηχανική Αλυσίδα

Στην ανοδική πλευρά της αλυσίδας επεξεργασίας αεριοστρόβιλων στη χώρα μου, οι κατασκευαστές κραμάτων υψηλής θερμοκρασίας, κραμάτων τιτανίου, σύνθετων υλικών, κραμάτων αλουμινίου και γενικού χάλυβα περιλαμβάνουν τις εταιρείες Gangyan Gaona, Fushun Special Steel, Baoti Group, κ.ά. Στη μεσαία διαδικασία επεξεργασίας εξαρτημάτων και συστατικών, τα υλικά χυτεύονται, ξυλουργούνται ή υφίστανται άλλες διαδικασίες για να κατασκευαστούν πτερύγια τουρμπίνης, άξονες και άλλα εξαρτήματα. Τα πτερύγια και τα άλλα εξαρτήματα διαμορφώνονται μέσω της διαδικασίας χύτευσης. Οι κορυφαίες εγχώριες εταιρείες χύτευσης και ξυλουργικών επεξεργασιών περιλαμβάνουν τις Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd., κ.ά. Στη συνέχεια, οι κατασκευαστές ολοκληρωμένων μηχανών στην κατοδική πλευρά συναρμολογούν διάφορα εξαρτήματα σε ολοκληρωμένες μηχανές. Οι κορυφαίες εταιρείες κατασκευαστές περιλαμβάνουν AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric, κ.ά.

Οι προεγγραφικές βιομηχανίες, ειδικά προϊόντα όπως υψηλοθερμικές σύγχυτες, υψηλοθερμικές τιτανικές σύγχυτες, θερμικά φραγματικά καλύμματα και προηγμένα κεραμικά σύνθετα υλικά, έχουν σημαντικό ρόλο στην προώθηση της εθνικής βιομηχανίας άμυνας και της υψηλής αποτελεσματικής κατασκευαστικής βιομηχανίας. Οι εσωτερικές αεριούχες τουρβίνες χρησιμοποιούνται κυρίως για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, ενώ μικρός αριθμός χρησιμοποιείται για βάρδιση, εισαγωγή αέρα, υπερβολή σε πετρελαϊκά πεδία και δύναμη σε πλοία και τανκ. Το κεντρικό σημείο είναι η κατανεμημένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, συνδυασμένη παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας, μεταφορά φυσικού αερίου μέσω αγωγών, προωθητικά συστήματα πλοίων και μηχανική οδήγηση. Η χώρα μας έχει τεράστιες δυνατότητες αγοράς για αεριούχες τουρβίνες στον τομέα της κατανεμημένης ενεργειακής εφοδιασμού, των σταθμών υπερβολής και της βιομηχανικής παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, και οι πολιτικές υποστηρίζουν την γρήγορη ανάπτυξη της βιομηχανίας. Τα τρέχοντα μεγάλα έργα στη χώρα μας, όπως το "Μεταφορά Φυσικού Αερίου Από Δυτικά Σε Ανατολικά", το "Μεταφορά Ηλεκτρικής Ενέργειας Από Δυτικά Σε Ανατολικά" και το "Μεταφορά Νερού Από Νότο Σε Βόρεια", καθώς και η γρήγορη ανάπτυξη της ναυπηγικής βιομηχανίας μας, έχουν οδηγήσει σε γρήγορη αύξηση της ζήτησης για αεριούχες τουρβίνες.

Βιομηχανική Πολιτική

Το σύγχρονο ενεργειακό σύστημα του 14ου πενταετούς σχεδίου κατατάσσει επίσης τους αεριοστρόβιλους ως βασική κορυφαία τεχνολογία, τοποθετώντας τους σχεδόν στο ίδιο επίπεδο με την πυρηνική ενέργεια, τα νέα συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, την αποθήκευση ενέργειας και την υδρογονοκίνηση.

Η Διατομεακή Εταιρεία Ηλεκτρικής Ενέργειας έχει εκπονήσει δύο ειδικά έργα, ένα από αυτά είναι ένα μεγάλο έργο για βαριούς αεριοστρόβιλους, περιλαμβανομένων αεριοστροβίλων με κατάμιξη υδρογόνου. Ένας καθαρός υδρογόνος έχει κατασκευαστεί στη Μεσοποταμία της Βάμβης αλλά δεν έχει ακόμη τοποθετηθεί σε λειτουργία. Το ηλεκτροπαραγωγικό σταθμός της Jingmen έχει κατασκευάσει μίγμα 15%. Η Harbin Electric και το Ομίλο Ηλεκτρικής Ενέργειας της Γουάνγκντονγκ, που είναι το Ομίλο Ενέργειας της Γουάνγκντονγκ, έχουν εκτελέσει ένα έργο μίγματος υδρογόνου στο Daya Bay, και ο Hangzhou Steam Turbine και ο Siemens έχουν εκτελέσει ένα έργο μίγματος υδρογόνου στο Zhoushan.

Οι αεριούς τουρμπίνες χρησιμοποιούνται ευρέως στη διαδρομή μεταφοράς φυσικού αερίου Δυτική-Ανατολική και σε εξωθαλάσσιες πλατφόρμες πετρελαίου. Ως επιχείρηση σχετική με τα στρατεύματα, η CNOOC έχει επίσης υποστεί περιορισμούς από τις Ηνωμένες Πολιτείες και αντιμετωπίζει τον κίνδυνο κοπών εφοδιασμού. Κατά τη διάρκεια του πολέμου Ρωσίας-Ουκρανίας, οι αεριούς τουρμπίνες Siemens που αγόρασε η Ρωσία κρατήθηκαν όταν απεστάλησαν στον Καναδά για επισκευή, επηρεάζοντας την ενεργειακή ασφάλεια. Η τοπικοποίηση πρέπει να γίνει όσο το συντομότερο.

Χώρος Αγοράς

Το 2022, η παραγωγή αεριούς τουρμπινών της χώρας μας θα είναι 4.0563 εκατομμύρια κιλοβάτια, και η ζήτηση θα είναι περίπου 6.7986 εκατομμύρια κιλοβάτια.

Σύμφωνα με στατιστικά, το μέγεθος της αγοράς αεριούς τουρμπινών της χώρας μας ήταν 61.669 δισεκατομμύρια γιουάν το 2022, από τα οποία το μέγεθος της αγοράς μικρών αεριούς τουρμπινών ήταν 893 εκατομμύρια γιουάν, το μέγεθος της αγοράς ελαφρών αεριούς τουρμπινών ήταν 56.569 δισεκατομμύρια γιουάν, και το μέγεθος της αγοράς βαρύων αεριούς τουρμπινών ήταν 4.207 δισεκατομμύρια γιουάν.

Η χώρα μου μπορεί τώρα να παράγει ανεξάρτητα ελαφριές αεριοστρόβιλους (ισχύος κάτω των 50MW). Ακόμη και οι φτηνότεροι από αυτούς μπορούν να εξαχθούν, ωστόσο οι βαριές αεριοστρόβιλοι (ισχύος άνω των 50MW) εξακολουθούν να εξαρτώνται σχεδόν αποκλειστικά από εισαγωγές. Η πυρήνα της τεχνολογίας είναι σχεδόν αποκλειστικά μονοπωλιακή από διεθνείς κατασκευαστές, όπως η GE των Ηνωμένων Πολιτειών, η Mitsubishi της Ιαπωνίας και η Siemens της Γερμανίας. Υπάρχει κίνδυνος να «πνιγούμαστε» στην εσωτερική αγορά. Σύμφωνα με στοιχεία της Γενικής Διοίκησης Τελωνείων, οι εισαγωγές αεριοστρόβιλων το 2022 θα ανέλθουν σε 4,161 δισεκατομμύρια δολάρια Ηνωμένων Πολιτειών και οι εξαγωγές σε 735 εκατομμύρια δολάρια.