Aula della Conoscenza OBT: Turbina a Gas

Concetti di base

Secondo lo "Standard dei gas di scarico" (GB/T 15135-2018), una turbina a gas si riferisce ad una macchina rotante (singola macchina) a flusso continuo che converte l'energia termica in lavoro meccanico, inclusi un compressore, apparecchiature per riscaldare il fluido motore (come una camera di combustione), una turbina, un sistema di controllo e apparecchiature ausiliarie.

I motori per turbine a gas industriali, generalmente indicati come turbine a gas o turbine, motori a gas industriali, sono essenzialmente la stessa cosa dei motori a turbina a gas per aviazione (indicati come motori aeronautici), ma gli scenari applicativi sono leggermente diversi. Essi comprimono il gas ad alta pressione all'interno della camera di combustione e, attraverso la reazione dell'energia chimica, convertono l'energia chimica in lavoro meccanico tramite una turbina (la traslitterazione della turbina).

Come dispositivo di conversione dell'energia, un gas turbine è un motore aereo che converte il cherosene da aviazione in energia meccanica per il propulsore durante il volo; un gas turbine utilizzato a terra converte gas naturale e petrolio in energia meccanica per il generatore.

Le turbine a vapore, i motori a combustione interna e le turbine a gas sono stati sviluppati per la prima volta per l'uso sulle navi da guerra. Le turbine a vapore venivano utilizzate prima della Prima Guerra Mondiale, i motori a combustione interna durante la Prima e la Seconda Guerra Mondiale, e le turbine a gas per navi da guerra sono state sviluppate dopo la Seconda Guerra Mondiale. Sono state modificate a partire dai motori aerei e sono state principalmente utilizzate sulle grandi navi da superficie.

Le turbine a gas hanno diverse caratteristiche:

Primo, l'efficienza teorica di conversione energetica può raggiungere il 88%, che è l'apparato con l'efficienza di conversione energetica più alta al mondo fino ad oggi. Si dice che le pile a combustibile possano raggiungere un'efficienza di conversione del 90%, ma non sono ancora state completamente commercializzate; l'efficienza teorica di conversione energetica dei motori a combustione è del 88%, che è stata testata per decenni.

Secondo, la temperatura di combustione dei gas turbinati è relativamente alta e l'emissione di gas nocivi è relativamente bassa.

Terzo, la densità di potenza è relativamente grande. Una singola macchina della dimensione di un contenitore può fornire energia a una fregata; due contenitori sono in genere sufficienti per l'elettricità civile di un distretto. Le turbine a vapore sono molto grandi, come i motori diesel e i motori a combustione interna con una capacità superiore ai 10 megawatt, che sono fondamentalmente dispositivi grandi che pesano migliaia di tonnellate e hanno decine di metri di altezza.

In quarto luogo, le turbine a gas non sono come i motori a combustione interna, che sono a ciclo alternato e svolgono lavoro una volta ogni 4 fasi. Le turbine a gas funzionano in modo continuo, e la turbina è una linea di vortice. È un dispositivo motore termico con l'efficienza di conversione energetica più alta, che trasforma energia chimica in energia termica e meccanica.

Negli anni '70, le turbine a gas sono entrate nell'industria petrolifera statunitense, dando origine alle turbine a gas industriali. I motori aeronautici richiedono prestazioni relativamente elevate, sono relativamente sofisticati e hanno una durata relativa breve; i motori industriali non devono ridurre il peso, sono costruiti molto robusti e richiedono una vita utile relativamente lunga. Negli anni '80, con lo sviluppo del gas naturale, sono entrate nell'industria elettrica.

Dopo la seconda guerra mondiale, il livello tecnico degli Stati Uniti non era molto alto. La prima acquisizione fu di aziende italiane, che sono la capitale dell'equipaggiamento rotante in Europa. L'azienda britannica tipica è Rolls-Royce, che produce motori per aerei. In generale, le aziende che producono motori per aerei realizzano anche turbine a gas. La tedesca Siemens ha acquisito aziende in tutta Europa e ha acquistato anche la divisione aeronautica di Rolls-Royce. Le turbine a gas russe sono principalmente frutto di collaborazioni con l'Ucraina. I progetti sono tutti russi e alcune basi produttive si trovano a Mariupol, in Ucraina.

Negli ultimi decenni, solo Mitsubishi del Giappone ha sviluppato un vero e proprio gas turbine pesante, mentre Kawasaki ne produce di più piccole, quindi esiste ancora una certa soglia. Le turbine a gas di dimensioni medie e piccole sono principalmente di GE, specialmente per l'uso militare. Le fregate principali utilizzano prevalentemente GE, il modello LM-2500. Siemens ha acquisito alcune delle sue piccole turbine a gas a Lincoln, nel Regno Unito, con una capacità inferiore a 15 MW, e altre a Finspång, in Svezia. La migliore azienda nel settore delle piccole turbine a gas è Solar negli Stati Uniti, che è molto vicina ai propri clienti e detiene la quota di mercato più alta al mondo per turbine a gas con una capacità inferiore a 15 MW.

Classificazione

In base alla forma strutturale e alla potenza di uscita, le turbine a gas possono essere suddivise in tre categorie: micro, leggere e pesanti. Tra queste, le turbine a gas micro e leggere possono essere modificate da motori aerei (note anche come "aero-to-gas"), con una potenza generalmente inferiore ai 50 MW e possono essere utilizzate nella generazione industriale di energia, nella propulsione navale, nel pompaggio delle condotte, nei locomotori per carri armati, nella generazione distribuita di energia e nella cogenerazione. Le turbine a gas pesanti hanno una potenza superiore ai 50 MW e vengono utilizzate principalmente come generatori fissi a terra, ad esempio nelle reti elettriche urbane.

I motori a gas pesanti sono generalmente classificati in base alla temperatura. La classe E, F, G e H corrispondono a diverse temperature di combustione. Da un punto di vista ingegneristico, è preferibile classificarli in base alla capacità del materiale lega di sopportare la temperatura.

In Cina, si tratta di piccole turbine a gas. Le piccole turbine a gas sono generalmente classificate in base alla struttura: monoasse, doppio asse, triassiali, aeronautiche modificate, industriali e raramente in base alla temperatura, poiché la temperatura delle piccole turbine a gas non è così elevata rispetto a quella delle turbine a gas pesanti. Quelle con livello di potenza inferiore a 30 megawatt sono monocristalli equiaxiali, cioè di classe E. Questo non è assoluto; alcune più avanzate hanno raggiunto la classe F. La classe E è stata prodotta in via sperimentale in Cina nel 1995. Circa 50 megawatt corrispondono probabilmente alla classe F, che è un cristallo orientato. La Cina ha prodotto in via sperimentale questa classe nel 2005 e oggi disponiamo di tutti questi materiali. Le turbine a gas più avanzate hanno raggiunto la classe H e attualmente possediamo i nostri monocristalli di seconda generazione.

Generalmente, quelli al di sotto di 1 MW sono chiamati micro-turbine a gas. Le micro-turbine a gas all'estero non utilizzano leghe così avanzate a causa delle temperature più basse. Usano alcuni tipi speciali di acciaio e raramente fanno ricorso ai cristalli equassiali. Quelli intorno ai 15 MW sono definiti piccole turbine a gas, che utilizzano principalmente cristalli equassiali. All'estero esistono anche alcune aziende particolari che impiegano acciai speciali, ma grazie a rivestimenti particolarmente efficaci riescono ugualmente a produrre componenti di qualità. Le turbine di medie dimensioni, tra 30 e 50 MW, generalmente usano cristalli orientati, cioè di classe F. I modelli più grandi invece utilizzano cristalli singoli di prima e seconda generazione, che rappresentano i nostri marchi nazionali.

Le turbine a gas micro di piccole e medie dimensioni sono principalmente utilizzate nella produzione distribuita di energia e nella cogenerazione. Quelle al di sotto di 30 MW e 15 MW sono prevalentemente utilizzate in Sichuan, mentre quelle al di sotto di 7 MW sono ampiamente impiegate a Chongqing. Questo è legato alla dimensione dei relativi parchi industriali. Le turbine intorno ai 30 MW vengono soprattutto utilizzate in Jiangsu, mentre quelle comprese tra 50 MW e 100 MW sono principalmente adottate nei parchi industriali di Guangdong, generalmente per produzione energetica distribuita o cogenerazione. Quelle superiori a 100 MW vengono utilizzate per la regolazione di picco su larga scala nelle reti elettriche oppure come centrali di base. Il settore petrolifero e del gas naturale impiega modelli di piccole dimensioni. Nel settore estrattivo a monte si utilizzano prevalentemente turbine da 7 MW e 15 MW, mentre nel trasporto intermedio attraverso oleodotti sono principalmente usate quelle da 15 MW e 30 MW.

Il sistema di progettazione dei motori a gas inferiori a 30 MW è relativamente maturo, e il sistema dei materiali processati è anch'esso relativamente maturo. Il tasso di resa dell'OBT può raggiungere l'85%. I motori a gas industriali devono comunque concentrarsi sulle prestazioni economiche, sulla valutazione tecnico-economica o sul rapporto costo-prestazioni, e l'indicatore principale di valutazione è il tasso di resa.

Per le turbine a gas di medie e grandi dimensioni, noi (interni) abbiamo una limitata accumulazione di software di progettazione, specifiche di progettazione e database di alcuni materiali e processi all'interno del nostro sistema di progettazione; pertanto, questo sistema di progettazione non è molto maturo e il tasso di resa non è elevato. Il livello F o i cristalli orientati rappresentano un punto di svolta. Al di sotto dei cristalli orientati, siamo ancora sufficientemente fiduciosi per partecipare alla competizione internazionale. Al di sopra dei cristalli orientati, a livello industriale, esiste tuttora un certo divario. Quest'area è gestita dalla squadra nazionale. Alcune imprese centrali stanno conducendo alcune ricerche e sviluppi di base, e l'investimento in materiali di base e processi fondamentali è enorme.

Catena industriale

Nella parte a monte della catena industriale delle turbine a gas del mio Paese, i produttori di leghe ad alta temperatura, leghe di titanio, materiali compositi, leghe di alluminio e acciaio generico includono Gangyan Gaona, Fushun Special Steel, Baoti Group, ecc. Nella parte intermedia della catena di componenti, vengono effettuate operazioni di fusione, forgiatura o altri processi per produrre pale e alberi della turbina ed altri componenti. Le pale e altri componenti vengono formati attraverso il processo di fusione. I principali produttori nazionali di fonderia e forgiatura includono Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd., ecc. Successivamente, i produttori a valle assemblano le varie parti in unità complete. Tra i principali produttori figurano AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric, ecc.

Le industrie upstream, in particolare prodotti come leghe ad alta temperatura, leghe di titanio ad alta temperatura, rivestimenti a barriera termica e materiali compositi ceramici avanzati, hanno un ruolo significativo nel promuovere l'industria della difesa nazionale e la manifattura di attrezzature di alto livello. I gas turbine nazionali vengono utilizzate principalmente per la produzione di energia elettrica, mentre una piccola parte viene usata per l'iniezione d'acqua, l'aspirazione d'aria, il rafforzamento nei campi petroliferi e gassiferi, e come potenza per navi e carri armati. L'attenzione è focalizzata sulla generazione distribuita di energia, sul calore combinato e potenza, sul trasporto di gas naturale tramite pipeline, sulla propulsione navale e sull'impiego meccanico. Il mercato dei gas turbine del nostro paese ha un'enorme potenzialità nei settori dell'energia distribuita, delle stazioni di pressurizzazione e della produzione industriale di energia, con politiche che supportano lo sviluppo rapido dell'industria. Attualmente i grandi progetti nazionali come "Trasmissione del Gas dall'Ovest all'Est", "Trasmissione dell'Energia dall'Ovest all'Est" e "Deviazione dell'Acqua dal Sud al Nord", nonché lo sviluppo rapido dell'industria navale del nostro paese, hanno portato a un aumento rapido della domanda di gas turbine.

Politica Industriale

Il sistema energetico moderno del 14° Piano Quinquennale indica anche le turbine a gas come una tecnologia chiave fondamentale, collocandole sostanzialmente allo stesso livello di nucleare, nuovi sistemi elettrici, accumulo di energia e idrogeno.

La State Power Investment Corporation ha realizzato due progetti speciali, uno è un grande progetto per turbine a gas pesanti, incluso quello per turbine a gas all'idrogeno. Una puramente ad idrogeno è stata costruita nel Mongolia Interna ma non è ancora entrata in funzione. La centrale elettrica di Jingmen ha integrato l'15%. Harbin Electric e Guangdong Electric Group, ovvero Guangdong Energy Group, hanno realizzato un progetto di integrazione idrogeno nella baia di Daya, e Hangzhou Steam Turbine e Siemens hanno realizzato un progetto di integrazione idrogeno a Zhoushan.

Le turbine a gas sono ampiamente utilizzate nella West-East Gas Pipeline e sulle piattaforme petrolifere offshore. Essendo un'impresa legata al settore militare, CNOOC è stata anche sanzionata dagli Stati Uniti e si trova di fronte al rischio di interruzioni di approvvigionamento. Durante la guerra tra Russia e Ucraina, le turbine a gas Siemens acquistate dalla Russia sono state sequestrate durante il loro invio in Canada per riparazioni, influenzando la sicurezza energetica. La localizzazione deve essere avviata il prima possibile.

Spazio di Mercato

Nel 2022, la produzione di turbine a gas del nostro paese sarà di 4,0563 milioni di kilowatt, mentre la domanda sarà di circa 6,7986 milioni di kilowatt.

Secondo statistiche, l'entità del mercato delle turbine a gas del nostro paese ha raggiunto 61,669 miliardi di yuan nel 2022, di cui la dimensione del mercato delle micro turbine a gas era di 893 milioni di yuan, quella delle turbine a gas leggere era di 56,569 miliardi di yuan e quella delle turbine a gas pesanti era di 4,207 miliardi di yuan.

Il mio Paese è ora in grado di produrre autonomamente turbine a gas leggere (potenza inferiore a 50 MW). Alcuni modelli economici possono addirittura essere esportati, ma le turbine a gas pesanti (potenza superiore a 50 MW) dipendono ancora fondamentalmente dalle importazioni. La tecnologia chiave è sostanzialmente monopolizzata da produttori internazionali come GE negli Stati Uniti, Mitsubishi in Giappone e Siemens in Germania. Esiste il rischio di essere "soffocati" nel mercato interno. Secondo i dati dell'Amministrazione Generale delle Dogane, le importazioni di turbine a gas nel 2022 sono ammontate a 4,161 miliardi di dollari statunitensi e le esportazioni a 735 milioni di dollari statunitensi.