Salle de connaissances OBT : Turbine à gaz

Notions de base

Selon le « Vocabulaire des turbines à gaz » (GB/T 15135-2018), une turbine à gaz désigne une machine tournante à écoulement continu (machine unique) qui convertit l'énergie thermique en travail mécanique, comprenant un compresseur, des équipements pour chauffer le fluide moteur (comme une chambre de combustion), une turbine, un système de contrôle et des équipements auxiliaires.

Les moteurs industriels à turbine à gaz, généralement appelés turbines à gaz ou turbines, moteurs à gaz industriels, sont essentiellement la même chose que les moteurs à turbine à gaz d'aviation (appelés moteurs d'aviation), mais leurs scénarios d'utilisation sont légèrement différents. Ils compriment un gaz haute pression dans une chambre de combustion, et par la réaction de l'énergie chimique, convertissent cette énergie chimique en travail mécanique au travers d'une turbine (la translittération du mot turbine).

En tant que dispositif de conversion d'énergie, une turbine à gaz est un moteur d'avion qui convertit le kérosène aéronautique en énergie mécanique pour l'hélice lorsqu'il vole dans le ciel ; une turbine à gaz utilisée au sol convertit le gaz naturel et le pétrole en énergie mécanique pour le générateur.

Les turbines à vapeur, les moteurs à combustion interne et les turbines à gaz ont été développés pour la première fois pour être utilisés sur des cuirassés. Les turbines à vapeur étaient utilisées avant la Première Guerre mondiale, les moteurs à combustion interne pendant la Première et la Seconde Guerre mondiale, et les turbines à gaz pour les cuirassés ont été développées après la Seconde Guerre mondiale. Elles ont été modifiées à partir de moteurs d'avion et ont principalement été utilisées sur de grands navires de surface.

Les turbines à gaz présentent plusieurs caractéristiques :

Tout d'abord, l'efficacité théorique de conversion d'énergie peut atteindre 88 %, ce qui en fait l'appareil avec la plus haute efficacité de conversion d'énergie au monde jusqu'à présent. On dit que les piles à combustible peuvent atteindre une efficacité de conversion de 90 %, mais elles ne sont pas encore entièrement commercialisées ; l'efficacité théorique de conversion d'énergie des moteurs à combustion est de 88 %, ce qui a été testé pendant des décennies.

Deuxièmement, la température de combustion des turbines à gaz est relativement élevée, et les émissions de gaz nocifs sont relativement faibles.

Troisièmement, la densité de puissance est relativement importante. Une seule machine de la taille d'un conteneur peut fournir de l'énergie à un destroyer ; deux conteneurs suffisent pratiquement pour l'électricité civile d'un département. Les turbines à vapeur sont très grandes, comme les moteurs diesel et les moteurs à combustion interne d'une capacité supérieure à 10 mégawatts, qui sont généralement des appareils pesant des milliers de tonnes et mesurant plusieurs dizaines de mètres de haut.

Quatrièmement, les turbines à gaz ne sont pas comme les moteurs à combustion interne, qui fonctionnent par cycles de plusieurs temps et produisent du travail une fois tous les 4 temps. Les turbines à gaz fonctionnent en continu, et la turbine est une ligne de vortex. C'est un dispositif de moteur thermique avec l'efficacité de conversion d'énergie la plus élevée, convertissant l'énergie chimique en énergie thermique et mécanique.

Dans les années 1970, les turbines à gaz sont entrées dans l'industrie pétrolière américaine, donnant naissance aux turbines à gaz industrielles. Les moteurs d'avion nécessitent des performances relativement élevées, sont relativement sophistiqués et ont une durée de vie relativement courte ; les moteurs industriels n'ont pas besoin de réduire le poids, sont fabriqués très robustes et nécessitent une durée de vie relativement longue. Vers les années 1980, avec le développement du gaz naturel, elles sont entrées dans l'industrie électrique.

Après la Seconde Guerre mondiale, le niveau technique des États-Unis n'était pas très élevé. La première acquisition a concerné des entreprises italiennes, qui sont la référence en matière d'équipements tournants en Europe. Une entreprise britannique typique est Rolls-Royce, qui fabrique des moteurs d'avion. Généralement, les entreprises qui produisent des moteurs d'avion fabriquent également des turbines à gaz. L'entreprise allemande Siemens a acquis des sociétés dans toute l'Europe et a également racheté la division aéronautique de Rolls-Royce. Les turbines à gaz russes sont principalement développées en coopération avec l'Ukraine. Les conceptions se font en Russie, et certaines bases de fabrication se trouvent à Marioupol, en Ukraine.

Ces dernières décennies, seules Mitsubishi au Japon a développé une véritable turbine à gaz lourde, et Kawasaki en fabrique de plus petites, donc il existe encore un certain seuil. Les turbines à gaz de petite et moyenne taille sont principalement fournies par GE, notamment pour l'usage militaire. Les destroyers modernes sont équipés majoritairement de turbines GE, modèle LM-2500. Siemens a acquis certaines de ses petites turbines à gaz à Lincoln, au Royaume-Uni, avec une capacité inférieure à 15 MW, et d'autres à Finspång, en Suède. La meilleure entreprise dans les turbines à gaz de petite taille est Solar aux États-Unis, qui est très proche de ses clients et détient la plus grande part de marché mondiale pour les turbines à gaz de moins de 15 MW.

Classification

En fonction de leur structure et de leur puissance de sortie, les turbines à gaz peuvent être divisées en trois catégories : micro, légères et lourdes. Parmi elles, les turbines à gaz micro et légères peuvent être modifiées à partir de moteurs d'avion (également appelés « aéro-à-gaz »), avec une puissance généralement inférieure à 50 MW, et peuvent être utilisées pour la production industrielle d'électricité, la propulsion navale, le pompage des pipelines, les locomotives ferroviaires, la production électrique décentralisée ainsi que la cogénération. Les turbines à gaz lourdes ont une puissance supérieure à 50 MW et sont principalement utilisées comme générateurs fixes terrestres, par exemple dans les réseaux électriques urbains.

Les moteurs à gaz lourds sont généralement classés selon la température. Les classes E, F, G et H correspondent à différentes températures de combustion. D'un point de vue technique, il est préférable de les classer selon la résistance à la température de l'alliage utilisée.

En Chine, il s'agit des petites turbines à gaz. Les petites turbines à gaz sont généralement classées selon leur structure : monocycle, bicycle, tricycle, aéromodifiées, industrielles ; elles sont rarement classées selon la température car celle-ci n'est pas aussi élevée que dans les turbines lourdes. Celles dont la puissance est inférieure à 30 mégawatts possèdent des cristaux équiaxes, c'est-à-dire du niveau E. Ce classement n'est pas absolu, certains modèles plus avancés atteignant déjà le niveau F. Le niveau E a été produit en essai en Chine en 1995. Une puissance d'environ 50 mégawatts correspond probablement au niveau F, qui correspond à des cristaux orientés. La Chine a réalisé un essai sur ce niveau en 2005, et nous disposons désormais de tous ces matériaux. Les turbines à gaz les plus avancées ont atteint le niveau H, et nous maîtrisons maintenant les monocristaux de deuxième génération.

Généralement, ceux inférieurs à 1 MW sont appelés micro-turbines à gaz. Les micro-turbines à gaz à l'étranger n'utilisent pas des alliages aussi performants en raison de la température plus basse. Ils utilisent certains aciers spéciaux et emploient rarement des cristaux équiaxes. Ceux d'environ 15 MW sont appelés petites turbines à gaz, qui utilisent principalement des cristaux équiaxes. Il existe également quelques entreprises spécialisées à l'étranger qui utilisent des aciers spéciaux, mais grâce à des revêtements particulièrement efficaces, leurs produits sont meilleurs. Les turbines de taille moyenne, entre 30 et 50 MW, utilisent généralement davantage des cristaux orientés, c'est-à-dire de grade F. Les modèles plus gros utilisent des cristaux uniques des première et deuxième générations, qui sont nos propres marques nationales.

Les microturbines à gaz de petite et moyenne taille sont principalement utilisées dans la production d'énergie décentralisée et la cogénération. Celles inférieures à 30 MW et 15 MW sont principalement utilisées au Sichuan, et celles inférieures à 7 MW sont principalement utilisées à Chongqing. Cela est lié à l'ampleur de leurs parcs industriels. Les turbines d'environ 30 MW sont principalement utilisées dans le Jiangsu, tandis que celles comprises entre 50 MW et 100 MW sont généralement utilisées dans les parcs industriels du Guangdong, pour de l'énergie décentralisée ou de la cogénération. Celles supérieures à 100 MW servent à la régulation des pics sur certains grands réseaux électriques ou comme centrales de base. Le secteur pétrolier et gazier utilise des petites unités. Dans l'industrie minière en amont, les puissances de 7 MW et 15 MW sont principalement utilisées, tandis que le transport par oléoduc en aval utilise principalement des turbines de 15 MW et 30 MW.

Le système de conception des turbines à gaz en dessous de 30 MW est relativement mature, et le système de matériaux de processus est également relativement mature. Le taux de rendement de l'OBT peut atteindre 85 %. Les turbines à gaz industrielles doivent encore se concentrer sur les performances économiques, l'évaluation technique et économique, ou le rapport qualité-prix, et l'indicateur d'évaluation principal est le taux de rendement.

Pour les turbines à gaz de taille moyenne et grande, nous (nationaux) disposons de peu d'accumulation en matière de logiciels de conception, de spécifications de conception ainsi que de bases de données concernant certains matériaux et procédés dans notre système de conception. Ce système de conception n'est donc pas très mature et le taux de rendement n'est pas élevé. Le niveau F ou les cristaux orientés constituent un tournant. En deçà des cristaux orientés, nous restons suffisamment confiants pour participer à la concurrence internationale. Au-delà des cristaux orientés, au niveau industriel, nous accusons encore un certain retard. Ce domaine est pris en charge par l'équipe nationale. Plusieurs entreprises centrales mènent des recherches et des développements fondamentaux, et l'investissement dans les matériaux de base et les procédés fondamentaux est considérable.

Chaîne industrielle

En amont de la chaîne industrielle des turbines à gaz de mon pays, les fabricants d'alliages réfractaires, d'alliages de titane, de matériaux composites, d'alliages d'aluminium et d'acier courant comprennent Gangyan Gaona, Fushun Special Steel, Baoti Group, etc. Dans l'étape intermédiaire de fabrication des pièces et composants, les matériaux sont coulés, forgés ou soumis à d'autres procédés pour produire les pales et arbres de turbine ainsi que d'autres pièces. Les pales et autres pièces sont formées par le procédé de coulée. Parmi les principaux fabricants nationaux de fonderie et de forge, on compte la société Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd., etc. En aval, les fabricants de machines complètes assemblent diverses pièces pour constituer des machines entières. Les principaux fabricants incluent AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric, etc.

Les industries amont, en particulier les produits tels que les alliages à haute température, les alliages de titane à haute température, les revêtements barrières thermiques et les matériaux composites céramiques avancés, jouent un rôle important dans la promotion de l'industrie de la défense nationale et de la fabrication d'équipements de pointe. Les turbines à gaz domestiques sont principalement utilisées pour la production d'électricité, et une petite partie est utilisée pour l'injection d'eau, l'aspiration d'air, la pressurisation dans les champs pétroliers et gaziers, ainsi que pour l'alimentation des navires et des chars. L'accent est mis sur la génération distribuée d'énergie, la cogénération, le transport de pipelines de gaz naturel, la propulsion navale et la transmission mécanique. Le marché potentiel des turbines à gaz de notre pays est énorme dans les domaines de l'approvisionnement énergétique distribué, des stations de pressurisation, de la production industrielle d'électricité et autres, et les politiques soutiennent le développement rapide de l'industrie. Les grands projets actuels de notre pays comme le "Transport de gaz de l'Ouest vers l'Est", le "Transport d'électricité de l'Ouest vers l'Est" et le "Détournement d'eau du Sud vers le Nord", ainsi que le développement rapide de l'industrie navale de notre pays, ont conduit à une augmentation rapide de la demande de turbines à gaz.

Politique industrielle

Le système moderne d'énergie du 14e Plan quinquennal liste également les turbines à gaz comme une technologie clé centrale, les plaçant pratiquement au même niveau que l'énergie nucléaire, les nouveaux systèmes électriques, le stockage d'énergie et l'énergie hydrogène.

L'État Corporation d'Investissement Électrique a mené deux projets spéciaux, l'un étant un grand projet pour turbines à gaz lourdes, y compris des turbines à gaz mixées à l'hydrogène. Une turbine purement à hydrogène a été construite en Mongolie intérieure mais n'est pas encore en exploitation. La centrale électrique de Jingmen a mélangé 15 %. Harbin Electric et Guangdong Electric Group, qui est Guangdong Energy Group, ont réalisé un projet de mélange d'hydrogène à Daya Bay, et Hangzhou Steam Turbine et Siemens ont mené un projet de mélange d'hydrogène à Zhoushan.

Les turbines à gaz sont largement utilisées dans le pipeline de gaz Ouest-Est et sur les plates-formes pétrolières offshore. En tant qu'entreprise liée à l'armée, CNOOC a également été sanctionnée par les États-Unis et fait face au risque de coupures d'approvisionnement. Pendant la guerre russo-ukrainienne, les turbines à gaz Siemens achetées par la Russie ont été retenues lorsqu'elles ont été envoyées au Canada pour réparation, affectant la sécurité énergétique. Une localisation doit être réalisée dès que possible.

Espace Marchand

En 2022, la production de turbines à gaz de notre pays sera de 4,0563 millions de kilowatts, et la demande sera d'environ 6,7986 millions de kilowatts.

D'après les statistiques, la taille du marché des turbines à gaz de notre pays a atteint 616,69 milliards de yuans en 2022, dont la taille du marché des micro-turbines à gaz était de 8,93 milliards de yuans, la taille du marché des turbines légères était de 565,69 milliards de yuans, et la taille du marché des turbines lourdes était de 42,07 milliards de yuans.

Mon pays est désormais capable de produire indépendamment des turbines à gaz légères (puissance inférieure à 50 MW). Les modèles bas de gamme peuvent même être exportés, mais les turbines à gaz lourdes (puissance supérieure à 50 MW) dépendent encore principalement des importations. La technologie clé est pratiquement monopolisée par des fabricants internationaux tels que GE aux États-Unis, Mitsubishi au Japon et Siemens en Allemagne. Il existe un risque d'être « étranglé » sur le marché intérieur. Selon les données de l'Administration générale des douanes, les importations de turbines à gaz en 2022 ont atteint 4,161 milliards de dollars américains et les exportations 735 millions de dollars américains.