OBT Knowledge Classroom: Kaasuturbiini

Peruskäsitteet

Standardin "Gas Turbine Vocabulary" (GB/T 15135-2018) mukaan kaasuturbiini tarkoittaa jatkuvavirtaista pyörivää konetta (yksittäinen kone), joka muuttaa lämpöenergian mekaaniseksi työksi ja johon kuuluu kompressori, laitteet työaineen lämmittämiseen (esimerkiksi polttokammio), turbiini, ohjausjärjestelmä sekä apulaitteisto.

Teollisuuden kaasuturbiinimoottorit, yleisesti kutsuttuja kaasuturbiineiksi tai turbiineiksi, teollisuusmoottoreiksi, ovat oleellisesti sama asia kuin lentokonetekniikan turbiinimoottorit (viitataan lentokonemoottoreihin), mutta sovelluskohdat eroavat hieman. Ne puristavat korkeapaineisen kaasun polttokammioon ja reagoimalla kemiallinen energia muuttuu mekaaniseksi työksi turbiinin avulla (turbiinin suomennos).

Energian muunnoslaitteena kaasuturbiini on lentokoneen moottori, joka muuttaa lentokonekerooseni mekaaniseksi energiaksi käynnistäessään toimintaa ilmassa; maalla käytettävä kaasuturbiini puolestaan muuttaa luonnonkaasua ja öljyä mekaaniseksi energiaksi generaattorille.

Höyryturbiinit, sisäpolttoimoottorit ja kaasuturbiinit kehitettiin ensimmäiseksi laivojen, erityisesti sotilasalusien, käyttöön. Höyryturbiinit käytettiin ennen I maailmansotaa, sisäpolttoimoottorit käytettiin I ja II maailmansodassa, ja sotilasalusia varten kehitetyt kaasuturbiinit tulivat käyttöön jälkeen II maailmansodan. Ne muokattiin lentokoneiden moottoreista ja käytettiin pääasiassa suurilla pinnaluisuksilla.

Kaasuturbiineilla on useita ominaisuuksia:

Ensimmäiseksi, teoreettinen energiansiirtoeffektiivisyys voi saavuttaa 88 %:n, mikä on tähän mennessä maailman laajimmin tehokkain energia-muunnoslaite. Polttoainelementit sanotaan pystyvän saavuttamaan muunnosaste 90 %, mutta niitä ei ole vielä täysin kaupallistettu; polttoilmoottorien teoreettinen energiamuunnosaste on 88 %, mikä on testattu vuosikymmeniä.

Toiseksi, kaasuturbiinien polttotemperatureissa on suhteellisen korkea ja haitallisten kaasujen päästöt ovat suhteellisen alhaiset.

Kolmanneksi, teho tiheyteen suhteessa on suhteellisen suuri. Yksittäinen kone konttille koon mukanaan voi toimittaa energiat tuhansilleihin; kaksi konttia riittää suurelta osin yhdelle maakunnalle siviilien sähkötarpeisiin. Höyryturbiinit ovat erittäin isoja, kuten dieselimoottorit ja sisäpolttoimoottorit, joiden kapasiteetti ylittää 10 megawattia, jotka ovat pääasiassa laitteita, jotka painavat tuhansia tonneja ja ovat korkeita useita metrejä.

Neljänneksi, kaasuturbiinit eivät ole samankaltaiset kuin sisäpoltomoottorit, jotka toimivat työntöjen periaatteella ja joissa työ suoritetaan kerran joka neljännellä työntöllä. Kaasuturbiinit toimivat jatkuvasti, ja turbiini on pyörremyrsky. Se on lämpömoottori-laite korkeimmalla energiansiirtoehdolla, joka muuttaa kemiallista energiaa lämpö- ja mekaaniseksi energiaksi.

1970-luvulla kaasuturbiinit tulivat osaksi Yhdysvaltain öljy-alasta, mikä johti teollisuuskäyttöön tarkoitettuihin kaasuturbiineihin. Ilmailumoottorit vaativat suhteellisesti korkeampaa suorituskykyä, ovat suhteellisesti monimutkaisempia ja niiden elinikä on suhteellisesti lyhyempi; teollisuusmoottorit eivät tarvitse painoarvoa vähentää, ne on tehty erittäin vahvaksi, ja niiden on oltava suhteellisesti pitkäikäisiä. 1980-luvun ympäristössä luonnonkaasun kehityksen myötä ne tulivat osaksi sähkö-alasta.

Toisen maailmansodan jälkeen Yhdysvaltojen tekninen taso ei ollut kovin korkea. Varhaisin hankinta oli italialaisia yrityksiä, jotka ovat Euroopan pyörivän kaluston pääkaupunki. Tyypillinen brittiyritys on Rolls-Royce, joka valmistaa lentokoneiden moottoreita. Yleensä yritykset, jotka valmistavat lentokonemoottoreita, valmistavat myös kaasuturbiineja. Saksalainen Siemens osti yrityksiä ympäri Eurooppaa ja hankki myös Rolls-Roicen lentokoneiden muunnosliiketoiminnan. Venäjän kaasuturbiinit perustuvat pääasiassa yhteistyöhön Ukrainan kanssa. Suunnittelut sijaitsevat kaikki Venäjällä, ja osa valmistuspaikoista on Mariupolissa, Ukrainassa.

Viimeisimmillä vuosikymmenillä vain Japanin Mitsubishi on kehittänyt todellisen raskauden kaasuturbiinin, ja Kawasaki valmistaa pienempiä, joten tietyt esteet ovat edelleen olemassa. Pienet ja keskisuuret kaasuturbiinit ovat pääasiassa GE:itä, erityisesti sotilaskäyttöön. Pääosin torpedollaivoilla käytössä on enimmäkseen GE:n LM-2500-malli. Siemens osti osan pienistä kaasuturbiineista Yhdistyneessä kuningaskunnassa Lincolnessa, niiden kapasiteetti on alle 15 MW, ja joitakin Ruotsin Finspångissa. Parhaana pienissä kaasuturbiineissa on Yhdysvaltojen Solar, joka on erittäin lähellä asiakkaitaan ja jonka markkinaosuus on maailman suurin pienissä kaasuturbiineissa, joiden kapasiteetti on alle 15 MW.

Luokitus

Rakenteellisen muodon ja lähtevän tehon perusteella kaasuturbiinit voidaan jakaa kolmeen luokkaan: mikro, kevyt ja raskas. Näistä mikro- ja kevytkaasuturbiinit voidaan muuttaa lentokoneen moottoreista (myös nimeltä "ilma-alusmoottori kaasuturbiiniksi"), joiden teho on yleensä alle 50 MW, ja niitä voidaan käyttää teollisuuden sähköntuotannossa, alusten voimanlähteissä, putkistojen paineen nostamisessa, panssarivaunujen vetolaitteissa, hajautetussa sähköntuotannossa ja kaukolämmöntuotannossa. Raskas kaasuturbiineilla on teho yli 50 MW ja niitä käytetään pääasiassa kiinteinä generaattoreina maalla, kuten kaupunkiverkoissa.

Raskaita kaasumoottoreita luokitellaan yleensä lämpötilan mukaan. Luokat E, F, G ja H vastaavat eri polttoainelämpötiloja. Insinöörin näkökulmasta on suositeltavaa luokitella niitä seoksen lämpökestoisuuden perusteella.

Kiinassa kyseessä ovat pienet kaasuturbiinit. Pienet kaasuturbiinit luokitellaan yleensä rakenteen mukaan: yksiakselinen, kaksiakselinen, kolmen akselin, ilmavoimien muunneltu versio, teollisuuskäyttöinen, ja harvoin lämpötilan perusteella, koska pienten kaasuturbiinien lämpötila ei ole yhtä korkea kuin raskaiden kaasuturbiinien lämpötila. Turbiineista, joiden tehontaso on alle 30 megawattia, on valmistettu tasapitkäkiteillä, eli E-luokan materiaaleja. Tämä ei ole absoluuttista, vaan jotkin edistyneemmät ovat saavuttaneet F-luokan. E-luokan materiaaleja oli ensimmäisenä Kiinassa kokeilutuotantovaiheessa vuonna 1995. Noin 50 megawatin teho vastaa todennäköisesti F-luokkaa, joka on suunnattu kiteinen rakenne. Kiina tuotti tätä luokkaa kokeilukäytössä vuonna 2005, ja meillä on nyt kaikki nämä materiaalit. Kaikkein edistyneimmät kaasuturbiinit ovat saavuttaneet H-luokan, ja meillä on nyt toisen sukupolven yksikiteisiä materiaaleja.

Yleensä alle 1 MW:n tehoisia kutsutaan mikroturbiineiksi. Mikroturbiineissa ulkomailla ei käytetä yhtä hyviä seoksia korkeiden lämpötilojen vuoksi. Niissä käytetään joitain erikoisteräksiä ja tasakiderakennetta käytetään harvoin. Noin 15 MW:n tehoisia kutsutaan pieniksi kaasuturbiineiksi, joissa käytetään pääasiassa tasakiderakennetta. Ulkomailla on myös joitain erikoisyrityksiä, jotka käyttävät erikoisteräksiä, mutta koska niiden pinnoitteet ovat erittäin hyviä, niistä valmistetut turbiinit ovat parempilaatuisia. Keski- ja suuritehoisemmat, noin 30–50 MW, käyttävät yleisesti suunnattuja kiteitä eli F-luokan materiaaleja. Suuremmat käyttävät ensimmäisen ja toisen sukupolven yksikiteisiä materiaaleja, jotka ovat meidän kotimaisia brändejämme.

Pienet ja keskisuuret mikrogasturbiinit käytetään pääasiassa hajautetussa sähköntuotannossa ja kaukolämmössä. Niitä, joiden teho on alle 30 MW ja 15 MW, käytetään pääasiassa Sichuanissa ja niitä, joiden teho on alle 7 MW, käytetään pääasiassa Chongqingissa. Tämä liittyy sen teollisuusalueiden kokoon. Noin 30 MW:n tehoisia käytetään pääasiassa Jiangsussa ja 50–100 MW:n tehoisia käytetään yleisesti teollisuusalueilla Kuangdongissa, yleensä hajautetussa sähköntuotannossa tai kaukolämmössä. Yli 100 MW:n tehoisia käytetään joissain suurissa sähköverkoissa huippujen säätelyyn tai perustason voimalaitoksina. Öljy- ja kaasuteollisuus käyttää pieniä turbiineja. Kaivosteollisuuden alalla käytetään pääasiassa 7 MW:n ja 15 MW:n tehoisia ja keskiosan putkistokuljetuksessa pääasiassa 15 MW:n ja 30 MW:n tehoisia.

Kaasuturbiinien suunnittelujärjestelmä alle 30 MW on suhteellisesti kypsä, ja prosessimateriaalijärjestelmä on myös suhteellisesti kypsä. OBT:n tuotantokapasiteetti voi saavuttaa 85%. Teollisuuskäyttöisiin kaasuturbiineihin tulee keskittyä taloudelliseen suorituskykyyn, teknisen ja taloudellisen arvioinnin tai hintasuhteen osalta, ja pääarvointikriteeri on tuotantokapasiteetti.

Keskisuurille ja suurille kaasuturbiineille meillä (kotimainen) on vähän kertynyt suunnittelupaketteja, suunnitelmavakiointeja sekä tietokantoja tietyistä materiaaleista ja prosesseista suunnittelujärjestelmässämme, joten tämä suunnittelu ei ole erityisen kypsää eikä hyötyaste ole korkea. F-taso tai suunnattu kiteytyminen on jaksona. Suunnatun kiteytymisen alapuolella olemme edelleen tarpeeksi varmoja osallistua kansainväliseen kilpailuun. Suunnatun kiteytymisen yläpuolella teollisuustasolla meillä on vielä tietty ero. Tämä alue on annettu valtion joukkueen vastuuun. Useita keskeisiä yrityksiä tekevät perustutkimusta ja kehitystyötä, ja perusmateriaaleihin ja perusprosesseihin investoidaan runsaasti.

Teollisuusketju

Maani kaasuturbiinien teollisuusketjun ylävirtaan kuuluvat korkean lämpötilan seosten, titaaniseosten, komposiittimateriaalien, alumiiniseosten ja yleisessä teräksestä valmistajat, kuten Gangyan Gaona, Fushun Special Steel ja Baoti Group. Keskivirtaan osiin ja komponentteihin liittyvissä vaiheissa materiaaleista valmistetaan valamalla, taontalla tai muilla prosesseilla turbiinin siipipyörät, akselit ja muut osat. Siipipyörät ja muut osat valmistetaan valuprosessin avulla. Tärkeitä kotimaisia valutehtaita ja taotustehdaita ovat muun muassa Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd. ja Tunan Co., Ltd. Lopulta alavirtaan kuuluvat kokonaiskoneiden valmistajat kokoavat eri osat täysin toimiviksi laitteiksi. Päävalmistajia ovat AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric ja muut.

Ylävirta-aloilla, erityisesti sellaisten tuotteiden kuten korkealämpötilaisia sideaineita, korkealämpötilaisia titaanisideaineita, lämpöesteiden peitteitä ja edistettyjä keramiikkakompositiemateriaaleja koskevien, on merkittävä rooli kansallisen puolustusteollisuuden ja korkean tason laitevalmistuksen edistämisessä. Kotimaisten kaasuturbiinien pääkäyttötarkoituksena on sähköntuotanto, ja vähemmän niitä käytetään vesien pyyhkimiseen, ilman hengittämiseen sekä öljy- ja kaasikenttien paineen lisäämiseen sekä laivojen ja panssarivaunujen moottoreihin. Keskeiset alat ovat jakaantuneen sähköntuotannon, sähkön ja lämpövoiman yhdistelmän, luonnonkaasuputken kuljetuksen, laivaston etenevyyden ja koneistojen ajo-osastossa. Meidän maamme kaasuturbiinit tarjoavat valtavia potentiaalisia markkinoita jakaantuneessa energian toimittamisessa, paineenlisäysasemissa ja teollisessa sähköntuotannossa, ja politiikat tukivat alan nopeaa kehitystä. Nykyinen suuret projektimme, kuten "Länsista Itään kaasun siirto", "Länsista Itään sähkön siirto" ja "Edestä Länsille vesien ohjaus", sekä kotimaisten laivastoalan nopea kehitys ovat johtaneet nopeaan kasvuun kotimaisten kaasuturbiinien kysynnässä.

Teollisuuspolitiikka

14. viisivuotisessa kehityssuunnitelmassa moderni energiaverkosto nostaa myös kaasuturbiinit keskeiseksi teknologiaksi, mikä asettaakin ne käytännössä samalle tasolle kuin ydinenergia, uudet sähköjärjestelmät, energian varastointi ja vetyenergia.

State Power Investment Corporation on tehnyt kaksi erityishanketta, toinen niistä on raskaiden kaasuturbiinien tärkeä hankke, mukaan lukien hydrikkisuhdanteita sisältävät kaasuturbiinit. Noin 100 % hydrikkisten turbiinien on jo rakennettu Sisä-Mongoliassa, mutta se ei ole vielä käynnistetty. Jingmen-sähkölaitoksessa on sekoitettu 15 %. Harbin Electric ja Guangdong Electric Group, joka on Guangdong Energy Group, ovat tehneet hydrikkisuhdanteen liittyvän hankkeen Daya Bay -alueella, ja Hangzhou Steam Turbine sekä Siemens ovat tehneet hydrikkisuhdanteen liittyvän hankkeen Zhoushanissa.

Kaasuturbiinit ovat laajaltä käytössä Länsi-itä-kaasuputkessa ja merellisillä öljyalustoilla. Koska CNOOC on sotilaskeskeinen yritys, sitä on myös rangaistu Yhdysvalloissa, mikä tuo mukanaan riskin tarjoajien leikkauksista. Venäjän ja Ukrainan sodassa Siemensin kaasuturbiinit, jotka Venäjä oli hankkinut, pidätettiin kun ne lähetettiin Kanadaan korjausta varten, mikä vaikuttanut energiaturvallisuuteen. Paikallistaminen on tehtävä mahdollisimman pian.

Markkinatila

Vuonna 2022 meidän maamme kaasuturbiinipitoisuus oli 4,0563 miljoonaa kilowattia, ja kysyntä oli noin 6,7986 miljoonaa kilowattia.

Tilastojen mukaan meidän maamme kaasuturbiinimarkkinoiden kokoluokka oli 61,669 miljardia yuania vuonna 2022, joista mikrokaasuturbiinien markkinakoko oli 8,93 miljardia yuania, kevyiden kaasuturbiinien markkinakoko oli 56,569 miljardia yuania ja raskaiden kaasuturbiinien markkinakoko oli 4,207 miljardia yuania.

Maani pystyy nyt tuottamaan kevyitä kaasuturbiineja (teho alle 50 MW) itsenäisesti. Edullisempia voidaan jopa viedä, mutta raskaita kaasuturbiineja (teho yli 50 MW) tuodaan edelleen pääasiassa. Ydinteknologiaa hallitaan pääasiassa kansainväliset valmistajat, kuten Yhdysvaltain GE, Japanin Mitsubishi ja Saksan Siemens. Kotimarkkinoilla on olemassa "tukkeutumisriski". Tulliviranomaisen tietojen mukaan kaasuturbiinien tuonti vuonna 2022 oli 4,161 miljardia dollaria ja vientiä 735 miljoonaa dollaria.