Aula de Conocimiento OBT: Turbina de Gas

Conceptos Básicos

De acuerdo con el "Vocabulario de Turbinas de Gas" (GB/T 15135-2018), una turbina de gas se refiere a una máquina rotativa de flujo continuo (máquina individual) que convierte la energía térmica en trabajo mecánico, incluyendo un compresor, equipos para calentar el fluido de trabajo (como una cámara de combustión), una turbina, un sistema de control y equipos auxiliares.

Los motores industriales de turbina de gas, generalmente denominados turbinas de gas o turbinas, y motores de gas industriales, son esencialmente lo mismo que los motores de turbina de gas utilizados en aviación (denominados motores aeronáuticos), aunque difieren ligeramente en los escenarios de aplicación. Estos comprimen gas de alta presión dentro de una cámara de combustión y, mediante la reacción de energía química, convierten dicha energía en trabajo mecánico a través de una turbina (transliteración del término inglés turbine).

Como dispositivo de conversión de energía, una turbina de gas es un motor de avión que convierte el queroseno de aviación en energía mecánica para el propulsor al volar en el cielo; una turbina de gas utilizada en tierra convierte el gas natural y el petróleo en energía mecánica para el generador.

Las turbinas de vapor, los motores de combustión interna y las turbinas de gas se desarrollaron inicialmente para su uso en buques de guerra. Las turbinas de vapor se utilizaron antes de la Primera Guerra Mundial, los motores de combustión interna se usaron durante la Primera y Segunda Guerra Mundial, y las turbinas de gas para buques de guerra se desarrollaron después de la Segunda Guerra Mundial. Fueron modificadas a partir de motores de avión y se utilizaron principalmente en grandes buques de superficie.

Las turbinas de gas tienen varias características:

Primero, la eficiencia teórica de conversión de energía puede alcanzar el 88%, lo que es el dispositivo con la mayor eficiencia de conversión de energía en el mundo hasta ahora. Se dice que las pilas de combustible pueden lograr una eficiencia de conversión del 90%, pero aún no se han comercializado por completo; la eficiencia teórica de conversión de energía de los motores de combustión es del 88%, lo cual ha sido probado durante décadas.

Segundo, la temperatura de combustión de las turbinas de gas es relativamente alta y la emisión de gases nocivos es relativamente baja.

Tercero, la densidad de potencia es relativamente grande. Una sola máquina del tamaño de un contenedor puede suministrar energía a un destructor; dos contenedores son básicamente suficientes para la electricidad civil de un condado. Las turbinas de vapor son muy grandes, como los motores diésel y los motores de combustión interna con una capacidad superior a los 10 megavatios, que son básicamente dispositivos grandes que pesan miles de toneladas y tienen decenas de metros de altura.

En cuarto lugar, las turbinas de gas no son como los motores de combustión interna, que son de tipo alternativo y realizan trabajo una vez cada 4 tiempos. Las turbinas de gas funcionan continuamente, y la turbina es una línea de vórtice. Es un dispositivo térmico con la mayor eficiencia de conversión de energía, convirtiendo energía química en energía térmica y mecánica.

En la década de 1970, las turbinas de gas entraron en la industria petrolera de EE.UU., dando lugar a las turbinas de gas industriales. Los motores de avión requieren un rendimiento relativamente alto, son relativamente sofisticados y tienen una vida útil relativamente corta; los motores industriales no necesitan reducir el peso, se fabrican muy robustos y requieren una vida útil relativamente larga. A fines de la década de 1980, con el desarrollo del gas natural, entraron en la industria eléctrica.

Tras la Segunda Guerra Mundial, el nivel técnico de Estados Unidos no era muy alto. La primera adquisición fue de empresas italianas, que son la capital de equipos rotativos en Europa. Una empresa británica típica es Rolls-Royce, fabricante de motores de avión. En general, las empresas que fabrican motores de avión también producen turbinas de gas. La alemana Siemens adquirió empresas por toda Europa y también compró la división aeroespacial de Rolls-Royce. Las turbinas de gas rusas se desarrollan principalmente en cooperación con Ucrania. Los diseños están todos en Rusia, y algunas bases de fabricación se encuentran en Mariúpol, Ucrania.

En las últimas décadas, solo Mitsubishi de Japón ha desarrollado una verdadera turbina de gas pesada, y Kawasaki fabrica versiones más pequeñas, por lo que aún existe un cierto umbral. Las turbinas de gas pequeñas y medianas son principalmente de GE, especialmente para uso militar. Los destructores principales son en su mayoría GE, el modelo LM-2500. Siemens adquirió algunas de sus pequeñas turbinas de gas en Lincoln, Reino Unido, con una capacidad de menos de 15 MW, y otras en Finspång, Suecia. La mejor empresa en turbinas de gas pequeñas es Solar en EE.UU., la cual está muy cerca de sus clientes y tiene la mayor cuota de mercado a nivel mundial para turbinas de gas pequeñas con una capacidad de menos de 15 MW.

Clasificación

Según la forma estructural y la potencia de salida, las turbinas de gas se pueden dividir en tres categorías: micro, ligeras y pesadas. Entre ellas, las turbinas de gas micro y ligeras pueden modificarse a partir de motores de avión (también conocidos como "aero-to-gas"), con una potencia generalmente inferior a 50 MW, y pueden utilizarse en generación eléctrica industrial, propulsión marina, aumento de presión en tuberías, locomotoras para tanques, generación eléctrica distribuida y cogeneración. Las turbinas de gas pesadas tienen una potencia superior a 50 MW y se utilizan principalmente como generadores fijos en tierra, por ejemplo, en redes eléctricas urbanas.

Los motores de gas pesados generalmente se clasifican según la temperatura. Las clases E, F, G y H corresponden a diferentes temperaturas de combustión. Desde el punto de vista ingenieril, es preferible clasificarlos según la capacidad de resistencia a la temperatura de la aleación.

En China, se trata de pequeñas turbinas de gas. Las pequeñas turbinas de gas generalmente se clasifican según su estructura: de un solo eje, de doble eje, de triple eje, modificadas para aviación, industriales; y rara vez se clasifican por temperatura, ya que en comparación con las turbinas de gas pesadas, la temperatura no es tan alta en las pequeñas. Aquellas con niveles de potencia inferiores a 30 megavatios son cristales equiaxiales, es decir, grado E. Esto no es absoluto, y algunas más avanzadas han alcanzado el grado F. El grado E se produjo experimentalmente en China en 1995. Aproximadamente 50 megavatios probablemente correspondan al grado F, que corresponde a cristales orientados. China produjo experimentalmente este grado en 2005, y ahora contamos con todos estos materiales. Las turbinas de gas más avanzadas han alcanzado el grado H, y actualmente poseemos nuestros cristales simples de segunda generación.

Generalmente, las turbinas de gas con potencia inferior a 1 MW se denominan microturbinas de gas. Las microturbinas de gas en el extranjero no utilizan aleaciones tan buenas debido a la baja temperatura. Ellas usan algunos aceros especiales y rara vez emplean cristales equiaxiales. Las turbinas cercanas a los 15 MW se llaman pequeñas turbinas de gas y principalmente utilizan cristales equiaxiales. También existen algunas empresas especiales en el extranjero que emplean aceros especiales, pero como sus recubrimientos son particularmente buenos, logran fabricarlas mejor. Las turbinas pequeñas y medianas de 30~50 MW generalmente usan más cristales orientados, es decir, de grado F. Las más grandes utilizan monocristales de primera y segunda generación, que son nuestras marcas nacionales.

Las turbinas de gas micro de tamaño pequeño y mediano suelen utilizarse en generación distribuida y cogeneración. Las inferiores a 30 MW y 15 MW se emplean principalmente en Sichuan, y las por debajo de 7 MW se utilizan mayormente en Chongqing. Esto está relacionado con la escala de sus parques industriales. Las de alrededor de 30 MW se usan principalmente en Jiangsu, y las que van de 50 MW a 100 MW se emplean generalmente en parques industriales de Guangdong, normalmente para generación distribuida o cogeneración. Las superiores a 100 MW se utilizan para regulación de picos en grandes redes eléctricas o como centrales de base. La industria petrolera y de gas natural utiliza las pequeñas. En la industria minera de aguas arriba, se emplean principalmente las de 7 MW y 15 MW, mientras que en el transporte mediante tuberías (industria de aguas intermedias), predominan las de 15 MW y 30 MW.

El sistema de diseño de turbinas de gas por debajo de 30 MW es relativamente maduro, y el sistema de materiales del proceso también es relativamente maduro. La tasa de rendimiento de OBT puede alcanzar el 85%. Las turbinas de gas industriales aún deben centrarse en el rendimiento económico, la evaluación técnico-económica o el costo-beneficio, y el principal indicador de evaluación es la tasa de rendimiento.

Para turbinas de gas de tamaño mediano y grande, nosotros (nacionales) tenemos poca acumulación de software de diseño, especificaciones de diseño y bases de datos de ciertos materiales y procesos en nuestro sistema de diseño, por lo tanto este sistema de diseño no es muy maduro y la tasa de rendimiento no es alta. El nivel F o el cristal orientado representan una división fundamental. Por debajo del cristal orientado, aún tenemos suficiente confianza para participar en competencias internacionales. Por encima del cristal orientado, a nivel industrial, todavía existe cierta brecha. Este ámbito está a cargo del equipo nacional. Varias empresas centrales están realizando investigaciones y desarrollos básicos, y la inversión en materiales fundamentales y procesos básicos es muy elevada.

Cadena Industrial

En la parte upstream de la cadena de la industria de turbinas de gas de mi país, los fabricantes de aleaciones resistentes al calor, aleaciones de titanio, materiales compuestos, aleaciones de aluminio y acero común incluyen a Gangyan Gaona, Fushun Special Steel, Baoti Group, entre otros. En la etapa intermedia de piezas y componentes, se someten los materiales a procesos de fundición, forja u otras operaciones para fabricar palas de turbina, ejes y otras piezas. Las palas y otras piezas se forman mediante el proceso de fundición. Entre los principales fabricantes nacionales de fundición y forja se encuentran Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd., entre otros. Posteriormente, en la parte downstream, los fabricantes de equipos completos ensamblan varias piezas para conformar las máquinas completas. Los principales fabricantes incluyen AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric, entre otros.

Las industrias aguas arriba, especialmente productos como aleaciones a alta temperatura, aleaciones de titanio a alta temperatura, recubrimientos térmicos de barrera y materiales compuestos cerámicos avanzados, tienen un papel importante en la promoción de la industria de defensa nacional y la fabricación de equipos de alta gama. Las turbinas de gas nacionales se utilizan principalmente para la generación de electricidad, y una pequeña parte se emplea para inyección de agua, toma de aire, presurización en campos petrolíferos y gasíferos, y propulsión de buques y tanques. El enfoque está en la generación distribuida, cogeneración, transporte de gas natural por oleoductos, propulsión naval y accionamiento mecánico. En aspectos como el suministro de energía distribuido, estaciones de presurización, generación industrial de energía y otros campos, las turbinas de gas de nuestro país tienen enormes mercados potenciales, y las políticas apoyan el rápido desarrollo de la industria. Los grandes proyectos actuales de nuestro país como la "Transmisión de Gas de Oeste a Este", la "Transmisión de Electricidad de Oeste a Este" y la "Divertición de Agua de Sur a Norte", junto con el rápido desarrollo de la industria naval de nuestro país, han llevado a un aumento rápido en la demanda de turbinas de gas en nuestro país.

Política Industrial

El sistema moderno de energía del 14º Plan Quinquenal también menciona a las turbinas de gas como una tecnología clave fundamental, ubicándolas prácticamente al mismo nivel que la energía nuclear, los nuevos sistemas eléctricos, el almacenamiento de energía y la energía de hidrógeno.

La Corporación Estatal de Inversiones en Energía ha realizado dos proyectos especiales, uno es un gran proyecto para turbinas de gas pesadas, incluidas las turbinas de gas con mezcla de hidrógeno. Una de pura hidrocarburo se ha construido en Mongolia Interior pero aún no ha sido puesta en funcionamiento. La planta eléctrica de Jingmen ha mezclado un 15%. Harbin Electric y el Grupo Eléctrico de Guangdong, que es el Grupo Energético de Guangdong, han realizado un proyecto de mezcla de hidrógeno en Daya Bay, y Hangzhou Steam Turbine y Siemens han realizado un proyecto de mezcla de hidrógeno en Zhoushan.

Las turbinas de gas son ampliamente utilizadas en el Gasoducto Oeste-Este y en plataformas petroleras marítimas. Como empresa relacionada con la defensa, CNOOC también ha sido sancionada por Estados Unidos y enfrenta el riesgo de cortes de suministro. Durante la guerra entre Rusia y Ucrania, las turbinas de gas Siemens compradas por Rusia fueron retenidas cuando se enviaron a Canadá para reparación, afectando la seguridad energética. La localización debe realizarse lo antes posible.

Espacio de Mercado

En 2022, la producción de turbinas de gas de mi país será de 4,0563 millones de kilovatios, y la demanda será de aproximadamente 6,7986 millones de kilovatios.

Según estadísticas, el tamaño del mercado de turbinas de gas de mi país alcanzó los 61.669 mil millones de yuanes en 2022, de los cuales el tamaño del mercado de microturbinas fue de 893 millones de yuanes, el tamaño del mercado de turbinas ligeras fue de 56.569 mil millones de yuanes, y el tamaño del mercado de turbinas pesadas fue de 4.207 mil millones de yuanes.

Mi país ahora puede producir de forma independiente turbinas de gas ligeras (potencia inferior a 50 MW). Las de gama baja incluso pueden exportarse, pero las turbinas de gas pesadas (potencia superior a 50 MW) siguen dependiendo básicamente de importaciones. La tecnología clave está prácticamente monopolizada por fabricantes internacionales como GE en Estados Unidos, Mitsubishi en Japón y Siemens en Alemania. Existe el riesgo de quedarse "atascado" en el mercado nacional. Según datos de la Administración General de Aduanas, las importaciones de turbinas de gas en 2022 alcanzarán los 4.161 millones de dólares y las exportaciones llegarán a 735 millones de dólares.