OBT teadusklass: Gaasiturbid

Põhimmõisted

Vastavalt standardile "Gaasiturbiiini sõnastik" (GB/T 15135-2018) viitab gaasiturbiiin pideva vooluga pöörlevale masinale (üksikmasinale), mis teisendab soojusenergiat mehaaniliseks tööks, sealhulgas on see kompressor, seadmed tööfluidi kütteks (nt küttekamber), turbiiin, juhtimissüsteem ja abistavad seadmed.

Tööstusgaasiturbiiinimootorid, mida üldiselt nimetatakse gaasiturbiiinideks või lihtsalt turbiiinideks, tööstusgaasimootoriteks, on sisuliselt samad asjad nagu lennuturbiiinigasimootorid (nimetatakse lennumootoriteks), kuid kasutusjuhud on veidi erinevad. Need pigistavad kõrge rõhuga gaasi küttekambritesse ja läbi keemilise energia reaktsiooni teisendatakse keemiline energia mehaaniliseks tööks turbiiini kaudu (turbiiini transliteratsioon).

Energiateisendusseadmega olevalt on kaas涡rbiin lennukimootor, mis teisendab õhusõidu ajal kerosiini mehaaniliseks energiaks pöörakale; maapinnal kasutatav kaas涡rbiin teisendab looduskaasi ja öli generatori jaoks mehaaniliseks energiaks.

Parem turbiinid, sisesõlmuv mootorid ja kaas涡rbiinid arendati esmakordselt sõjaväe laevade jaoks. Pareme turbiinid kasutati enne Esimest Maailmasõda, sisesõlmuv mootorid kasutati Esimesel ja Teisel Maailmasõjas ning sõjaväe laevade jaoks sobivad kaas涡rbiinid arendati Teise Maailmasõja järel. Need muudeti lennukimootoritest ja kasutati peamiselt suurtes pindlaevades.

Kaas涡rbiinidel on mitu omadust:

Esiteks saab teoreetiline energiatõhusus jõududa 88% niini, mis on hetkel kõrgeim tõhusus maailmas. Puhkuseldurid võivad jõududa tõhususega 90% niini, kuid need ei ole veel täielikult komertsialiseeritud; põlevkonnemootorite teoreetiline energiatõhusus on 88%, mis on testitud aastakümnete jooksul.

Teiseks on gaasiturbijnihoidlaste põletustemperatuur suhteliselt kõrge ja ohtlike gaaside heitmetaseme on suhteliselt madal.

Kolmandaks on voolantihitaat suhteliselt suur. Üks konteineri suuruses seade võib toota energia sõjaväelise hävitarbi jaoks; kaks konteinrit piisab peaaegu ühe maakonna kodukasutuse elektritoomiseks. Parandturbiinid on väga suured, näiteks diesel- ja sisepõlemismootorid, mille kapatsus on üle 10 megawatti, on enamasti tuhandeid tonne kaalu ja kümme meetri kõrged seadmed.

Neljaks, gaasiturbiinid ei ole sarnased sisepõlevkonnega mootoritele, mis on tykkudega ja toimivad iga 4 tykkuga. Gaasiturbiinid töötavad pidevalt, ning turbiiin on kiiljoon. See on kõrgeima energiatehlikusega termoomotorseadme liik, mis teisendab keemilist energiat lämmastiku- ja mehaaniliseks energiaks.

1970ndatel sattusid gaasiturbiinid Ameerika naftatööstusesse, mis võttis alguse industriagaasiturbiinidel. Lennukimootorid nõuavad suuremat jõudlust, on keerulisemad ja nende eluiga on vähem; tööstusmootoritel ei pea kaalu vähendama, need on väga tugevad ja nende eluiga peaks olema pikem. 1980ndate ümber, koos loodusgaasi arenguga, sattusid need elektritööstusse.

Teise maailmasõja järel oli Ameerika Ühendriikide tehniline tase üsna madal. Varasemad omandused olid Itaalia ettevõtete valduses, mis on Euroopas pöörduva varustuse pealinn. Tüüpiline briti ettevõte on Rolls-Royce, mis toodab lennundusmootoreid. Üldiselt toodavad ettevõtted, mis valmistavad lennuke mootoreid, ka gaasiturbiine. Saksamaa Siemens ostis ettevõtteid üle kogu Euroopa ja omandas ka Rolls-Royce'i lennuke muudatuse. Venemaa gaasiturbiinid on suurel määral koostöös Ukrainaga. Disainid asuvad kõik Venemaal ning osa tootmisbaasidest asuvad Ukraina Mariupolis.

Viimasel aastakümnel on ainult Jaapani Mitsubishi arendanud tõesti raskustasemelist kaas turbiini, samal ajal toodab Kawasaki väiksemad, nii et mingi piir on siiski olemas. Väiksed ja keskmised kaas turbiinid on peamiselt GE, eriti sõjaväe kasutamiseks. Põhjalikud hävittajad kasutavad enamasti GE turbiine, mudelit LM-2500. Siemens osts talvel Lincolnis, UK, mõnda oma väikseid kaas turbiine, mille suurusega on vähem kui 15 MW, ning mõnda Finspångis, Rootsis. Parim ettevõte väikeste kaas turbiinide valdkonnas on Ameerika Solar, mis asub lähedal oma klientidele ja hoiab maailmas kõrgeimat turuosa väikeste kaas turbiinide puhul, mille suurus on vähem kui 15 MW.

Klassifitseerimine

Struktuuri ja väljundvõimsuse järgi jagatakse gaasiturbod kolmeks kategooriaks: mikro-, kerge- ja rasketüüpi. Mikro- ja kergetüüpi gaasiturboid saab muuta lennukimootoritest (mida nimetatakse ka "aero-to-gas"), nende võimsus on tavaliselt alla 50 MW ja neid saab kasutada tööstusliku elektri tootmisel, laevade jõuallandmetes, torustike tõstmisel, tankerite lokomotiivides, jaotatud energiasüsteemides ning soojusenergia ühendtootmisel. Raske tüüpi gaasiturboil on võimsus üle 50 MW ja neid kasutatakse peamiselt maal paiknevate püsialaste generaatoritena, näiteks linnavõrkudes.

Rasked gaasimootorid klassifitseeritakse üldiselt temperatuuri järgi. Klass E, F, G ja H vastavad erinevatele põletustemperatuuridele. Inženierivaatepunktist on eelistatavam nad klassifitseerida sulandi temperatuurikindluse järgi.

Hiinas on tegemist väikeste gaasiturbodega. Väikesed gaasiturbad liigitatakse üldiselt struktuuri järgi: ühe- ja kahe- ning kolmeteljelised, õhu-sõidukite modifitseeritud, tööstuslikud ning harvaldas klassifitseeritakse temperatuuri järgi, sest väikeste gaasiturbode temperatuur ei ole raske kasutusega gaasiturbodega võrreldes nii kõrge. Need, mille võimsustase on alla 30 megavati, on ekvaksiaalsed kristallid, st E-klass. See ei ole absoluutne, mõned täiendatud versioonid on jõudnud F-klassini. E-klass valmistati Hiinas katsete käigus aastal 1995. Tõenäoliselt vastab 50 megavatil F-klassile, mis on suunatud kristall. Hiinas valmistati see klass aastal 2005 ja meil on nüüd kõik need materjalid olemas. Kõige arenenumad gaasiturbad on jõudnud H-klassini ning meil on nüüd teist põlvkonda üksikristallid.

Üldiselt neid alla 1 MW nimetatakse mikrogasiturbinateks. Väljalpool kasutatakse mikrogasiturbinate puhul selliseid head sulamplaate madala temperatuuri tõttu. Kasutatakse mõnda eriterassi ja harva kasutatakse eakvaksiaalseid kristalle. Neid umbes 15 MW nimetatakse väikesteks gasiturbinateks, mis kasutavad peamiselt eakvaksiaalseid kristalle. On ka mõned eriettevõtted väljalpool, kes kasutavad eriterasse, kuid nende katoodkatoodi on eriti hea, mistõttu on need paremad. Väikesed ja keskmised 30~50 MW kasutavad üldiselt rohkem suunatud kristalle, st F-klassi. Suuremad kasutavad esimese ja teise põlvkonna monokristalle, mis on meie kodumaised tootemargid.

Väikesed ja keskmise suurusega mikrogasiturbiinid kasutatakse peamiselt jaotatud energiasüsteemides ja soojusenergia ühiskasutuses. Neist alla 30 MW ja 15 MW kasutatakse peamiselt Sihtšuanis ning alla 7 MW Chongqingis. See on seotud nende tööstusparkide mahuga. Umbes 30 MW suurused kasutatakse peamiselt Jiangsu piirkonnas ning 50–100 MW vahel Guangdongi tööstusparkides, kus neid kasutatakse tavaliselt jaotatud energiasüsteemides või soojusenergia ühiskasutuses. Üle 100 MW kasutatakse mõnes suuremas võrguenergia reguleerimisel või aluskoormuse elektrijaamadena. Nafta- ja gaasitööstus kasutab väiksemaid üksusi. Tööstuse eesliidu kaevandamises kasutatakse peamiselt 7 MW ja 15 MW, keskse transporditoruju puhul aga peamiselt 15 MW ja 30 MW.

Gaasiturbineid alla 30 MW kohta käsitlev disainisüsteem on suhteliselt tugev, ja protsessimaterjalide süsteem on ka suhteliselt tugev. OBT tootefaili saab jõudlusega 85%. Tööstusgaasiturbineid tuleb siiski keskenduda majanduslikule jõudlusele, tehnilisele ja majanduslikule hindamisele või kulujõudlusele, peamine hinnangunäitaja on jõudlus.

Keskmise ja suure suurusega gaasiturbainite puhul on meil (kodumaisel) vähe kogemust, disainitarkvarja, disainispetsifikatsioone ning teatud materjalide ja protsesside andmebaase, seega ei ole meie disainsüsteem väga täiustatud ega saagikus kõrge. F-tase või suunatud kristall on veepeegeldaja. Allpool suunatud kristalli usume endiselt piisavalt, et osaleda rahvusvahelisel tasandil, kuid suunatud kristallist kõrgemal tööstusalasel tasandil on meil endiselt teatud lünkad. Selle valdkonna on üle antud riigimeeskonnale. Mitmed keskseadmete ettevõtted teevad mõnda põhitööd ja -arendust ning investeerivad tohutult põhimaterjalidesse ja -protsessidesse.

Tööstusketas

Minu riigi gaasiturbomootori tootmisahela ülemjooksul kuuluvad kõrgetemperatuuriliste sulamite, tiitaansulamite, komposiitmaterjalide, alumiiniumsulamite ja tavalise terase valmistajate hulka Gangyan Gaona, Fushun Special Steel, Baoti Group jt. Ahelasse kuuluva keskmise osade ja komponentide etapp toimub valamisel, kujutusprotsessis või teistes protsessides turbina labade, varda jne valmistamiseks. Välja sünteesitakse lehed ja muud osad. Suuremad kodused valamis- ja kujundusvalmistajad on Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd. jne. Seejärel paigaldavad alumised täismasinavalmistajad erinevad osad täismasinaid. Peamisedestajad on AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric jne.

Ülemiste tehalad, eriti selliste toodete nagu kõrgtemperatuursete ligavate, kõrgtemperatuursete titaanligavate, lämmastikavarjatud kaetuste ja edasijõuliste keramikakomposiitmaterjalide puhul, mängivad olulist rolli riigi kaitsealase tööstuse ja kõrgetasemelise varustuse tootmise edendamisel. Kodaniku gaasiturbiidid kasutatakse peamiselt elektritootmiseks, väikese osa juhitakse veekindlaks tegemiseks, õhusisestamiseks, oil and gas väljakutseks ning laevade ja relvade võimsuseks. Fookus on jaotatud elektritoostusele, ühistrükile ja elektrile, looduskaasarja transpordile, laevaajutistele ja masinipuhastele. Aspektidel on oma riigi gaasiturbid suuri potentsiaalsete turu võimaluste jaotatud energiatoetusel, paindlikul jaoks, tööstuslikul elektritootmisel jne, samuti toetavad poliitilised meetmed tööstuse kiiret arengut. Praegused suured projektid nagu "Läänesse kaas", "Lääne-stroom-id", "Lõuna-põhja vesi" ning meie riigi laevandusettevõtete kiire areng on viinud sellele riigile kasutatavate turbinate nõudmise kiire tõusu.

Tööstuspoliitika

XV 5-aastase plaani kaasaegne energiasüsteem mainib ka gaasiturbiine märkimisväärsena olulise tehnilogia nimekirjas, põhimõtteliselt asetades selle samale tasemele tuumaenergia, uue energia süsteemide, energiasalvestuse ja vesinikenergiaga.

Riiklik Elektrituua Investeerimisühing on teinud kaks eriprojekti, millest üks on suurte gaasputukite peaprojekt, sealhulgas kahegaasiline segamine gaasputukites. Tugev liivaga on see juba ehitatud Sisesoomas, kuid see pole veel töös pannud. Jingmeni Elektrijaam on seganud 15%. Harbin Elekter ja Kwangdungi Elekter Grupp, mis on sama asi nagu Kwangdungi Energia Grupp, on teinud Daya Bay'is hõbedaega projekti, ja Hangzhou Puhkurputukid ning Siemens on teinud Zhoushanis hõbedaega projekti.

Gaasiturbiinid kasutatakse laialdaselt Lääne-Ida Gaasitorus ja mererindades olerahvaplatvormidel. Kuna CNOOC on sõjaväega seotud ettevõte, on see ka Amerikast sanktsioonide all olnud ja silmitsi seisnud pakkumisväljavaate riskiga. Venemaa poolt ostetud Siemensi gaasiturbiinid detseeriti reperdil saatmisel Kanadasse, mis mõjutas energiakaitset. Lokaliseerimine peab toimuma võimalikult kiiresti.

Turu ruum

2022. aastal toodeti meie riigis gaasiturbiine kokku 4,0563 miljoni kilowatti suuruseks, nõudlus aga oli umbes 6,7986 miljoni kilowatti.

Statistika kohaselt jõudis meie riigi gaasiturbiinide turu suurus 2022. aastal 61,669 miljardi yuanini, sealhulgas olid mikrogaasiturbiinide turu suurus 893 miljonit yuanit, kehvagaasiturbiinide turu suurus 56,569 miljardit yuanit ja raskete gaasiturbiinide turu suurus 4,207 miljardit yuanit.

Minu riik suudab nüüd iseseisvalt toota kergiasturbiine (võimsus alla 50 MW). Odavamaid mudeleid saab isegi eksportida, kuid raskeasturbiinide (võimsus üle 50 MW) puhul jääme siiski peamiselt sõltuvaks importist. Tuumtehnoloogia on aga tegelikult monopoliseeritud rahvusvahelistele tootjatele nagu Ameerika Ühendriikide ettevõte GE, Jaapani Mitsubishi ja Saksamaa Siemens. Koduturul on olemas "kinnijäätumise" oht. Peavalitsuse kohalike kinnituste andmetel olid 2022. aasta gaasiturbiini import 4 161 miljonit USA dollarit ja ekspordi maht 735 miljonit USA dollarit.