OBTナレッジクラスルーム：ガスタービン

基本概念

「ガスタービン語彙」（GB/T 15135-2018）によると、ガスタービンとは、熱エネルギーを機械的仕事に変換する連続流れ回転機（単体機械）のことを指し、圧縮機、作動流体を加熱するための装置（燃焼室など）、タービン、制御システムおよび補助設備を含む。

産業用ガスタービンエンジンは一般的にガスタービンまたはタービン、産業用ガスエンジンと呼ばれるが、本質的には航空用タービン式ガスエンジン（航空エンジン）と同じものである。ただし、用途が若干異なり、高圧ガスを燃焼室に圧縮し、化学エネルギーの反応によって生じるエネルギーをタービンを通じて機械的仕事に変換する（タービンは英語のtransliteration）。

エネルギー変換装置として、ガスタービンは航空機のエンジンであり、空を飛行中にジェット燃料をプロペラ用の機械エネルギーに変換します。一方、地上で使用されるガスタービンは、天然ガスや油を発電機用の機械エネルギーに変換します。

蒸気タービン、内燃機関、ガスタービンは最初に戦艦で使用するために開発されました。蒸気タービンは第一次世界大戦前に、内燃機関は第一次および第二次世界大戦中に使用され、戦艦用のガスタービンは第二次世界大戦後に開発されました。これらは航空機用エンジンから改造されたもので、主に大型水面艦艇で使用されました。

ガスタービンにはいくつかの特徴があります：

まず、理論的なエネルギー変換効率は88%に達することができ、これは現在世界で最も高いエネルギー変換効率を持つ装置です。燃料電池は90%の変換効率を達成できると言われていますが、まだ完全に商用化されていません。理論的なエネルギー変換効率として、燃焼エンジンも88%ですが、これは数十年にわたり試験されています。

次に、ガスタービンの燃焼温度は比較的高く、有害ガスの排出量は比較的低いです。

さらに、パワー密度は比較的大きいです。コンテナサイズの単一機械で駆逐艦にエネルギーを供給でき、2つのコンテナがあれば基本的に県全体の民生用電力を賄えます。蒸気タービンは非常に大きく、例えば10メガワット以上のディーゼルエンジンや内燃機関は、基本的には数千トンの重さがあり、数十メートルの高さの大規模な装置です。

第四に、ガスタービンはストローク式の内燃機関とは異なり、4ストロークごとに一度だけ作業を行うわけではありません。ガスタービンは連続的に動作し、タービンは渦線です。これは、化学エネルギーを熱エネルギーおよび機械エネルギーに変換する最も高いエネルギー変換効率を持つ熱機関装置です。

1970年代に、ガスタービンがアメリカの石油産業に導入され、産業用ガスタービンが登場しました。航空機エンジンは比較的高性能を必要とし、精密で寿命が比較的短いのに対し、産業用エンジンは軽量化を必要とせず、非常に頑丈に作られ、長い寿命が要求されます。1980年代頃、天然ガスの発展とともに、電力産業にも進出しました。

第二次世界大戦後、アメリカの技術レベルはそれほど高くなかった。最初の取得は、欧州の回転機器のメッカであるイタリア系企業だった。典型的な英国企業は航空機エンジンを製造するロールス・ロイスである。一般的に航空機エンジンを製造する企業はガスタービンも製造する。ドイツのシーメンスはヨーロッパ全土の企業を買収し、ロールス・ロイスの航空機改造部門も取得した。ロシアのガスタービンは主にウクライナと協力して行われている。設計はすべてロシアで行われ、一部の製造拠点はウクライナのマリウポリにある。

近年の数十年間で、日本のみつubishiが唯一実用的な大型ガスタービンを開発しており、小型のものは川崎重工が製造しているため、いまだに一定の技術的障壁があります。中小型のガスタービンは主にGEが手掛けており、特に軍用ではその地位が確立されています。主流の駆逐艦には大半がGEのLM-2500モデルが搭載されています。シーメンスは、イギリスのリンカーンでいくつかの小型ガスタービンを取得しており、これは15MW未満のもので、またスウェーデンのフィンスパンでも一部製造しています。小型ガスタービンにおいて最も優れた企業はアメリカのSolarであり、顧客に非常に近く、15MW未満の小型ガスタービン市場において世界最高のシェアを持っています。

分類

構造形式および出力電力によって、ガスタービンはマイクロ、ライト、ヘビーの3カテゴリに分けることができます。このうち、マイクロおよびライトガスタービンは航空機エンジンから改造（「アロトゥガス」とも呼ばれる）することができます。一般的に出力は50MW以内であり、産業用発電、船舶用電源、管路加圧、戦車用機関、分散型発電、および熱電併給などに利用可能です。ヘビーガスタービンは出力が50MWを超えており、主に都市電力網などの陸上固定式発電機として使用されます。

ヘビーガスエンジンは一般的に温度によって分類されます。クラスE、F、G、Hはそれぞれ異なる燃焼温度に対応しています。工学的な観点からは、合金の耐熱能力に基づいて分類することが望ましいです。

中国では、小型ガスタービンは構造によって一般に単軸、複軸、三軸、航空改造型、産業用に分類され、小型ガスタービンの温度は重機用ガスタービンと比較してそれほど高いため、温度による分類はほとんど行われません。30メガワット以下の出力レベルを持つものは等軸結晶、つまりEグレードです。これは絶対的なものではなく、より進んだものではFグレードに達するものもあります。Eグレードは中国で1995年に試作されました。約50メガワットの出力はおそらくFグレードに相当し、これは指向性結晶です。中国では2005年にこのグレードを試作しており、現在これらの素材をすべて保有しています。最も進んだガスタービンはHグレードに達しており、現在われわれは第2世代の単結晶素材を持っています。

一般的に、1MW未満のものはマイクロガスタービンと呼ばれます。海外のマイクロガスタービンは温度が低いため、それほど優れた合金は使用しません。特殊鋼を使用し、等軸晶をほとんど使用することはありません。15MW前後のものは小型ガスタービンと呼ばれ、主に等軸晶を使用します。海外には特殊鋼を使用する特別な企業もありますが、コーティング性能が特に優れているため、より高性能な製品が作られています。中小型の30～50MWクラスでは、一般的により多く配向凝固組織（Fグレード）を使用します。大型のものでは、第一世代および第二世代の単結晶を使用しており、これらは当社国内ブランドのものです。

中小規模のマイクログラスタービンは、主に分散型発電および熱電併給で使用される。30MWおよび15MW以下のものは主に四川省で使用され、7MW以下のものは主に重慶市で使用されている。これはその産業団地の規模に関係している。30MW前後のものは江蘇省で多く使われ、50MWから100MWのものは広東省の産業団地で一般的に分散型発電または熱電併給のために使用される。100MWを超えるものは、いくつかの大規模な電力網のピーク調整やベースロード発電所として利用される。石油・ガス業界では小型のものが使われ、上流の採掘業界では7MWおよび15MWが主に用いられ、中流のパイプライン輸送では主に15MWおよび30MWが使用される。

30 MW以下のガスタービンの設計システムは比較的成熟しており、プロセス材料システムも比較的成熟しています。OBTの収率は85%に達することができます。工業用ガスタービンは依然として経済性能、技術経済評価、またはコストパフォーマンスに重点を置く必要があり、主要な評価指標は収率です。

中型・大型ガスタービンについて、われわれ（国内）の設計システムには設計ソフトウェアや設計仕様、並びに特定の材料・プロセスに関するデータベースの蓄積が少なく、この分野の設計システムはまだ十分に成熟しておらず、歩留まりも高くありません。F級あるいは単結晶技術は一つの分水嶺です。単結晶以下のレベルであれば、国際競争に十分参加できる自信があります。一方で単結晶以上の領域については、産業レベルで見るとまだ一定の差があり、この分野は国家チームに任されています。いくつかの中央企業が基礎研究開発に取り組んでおり、基本材料および基本プロセスへの投資は非常に大きいものです。

産業連鎖

我が国のガスタービン産業チェーンの上流において、高温合金、チタン合金、複合材料、アルミニウム合金、一般鋼材の製造メーカーには、岡源高納、撫順特殊鋼、宝鉄集団などがあります。中流となる部品・構成部品の段階では、素材を鋳造・鍛造などの工程によりタービンブレードや軸などの部品に加工します。ブレードなどの部品は鋳造プロセスによって形成されます。国内の大手鋳造・鍛造メーカーには、英流株式会社、万澤株式会社、途南株式会社などが含まれます。その後、下流の完成機械メーカーでは、さまざまな部品を組み立てて完成機械にしています。主要メーカーにはAECC（中国航空発動機コントロール）、上海電気、河瀾タービン、哈爾濱電気などがあります。

高温合金、高温チタン合金、熱障塗料、および先進セラミック複合材料などの上流産業は、特に国防産業と高級装備製造業の発展に重要な役割を果たしています。国内のガスタービンは主に発電に使用され、一部は油田やガス田での水注入、空気取り入れ、増圧や、船舶・戦車の動力にも使用されています。重点分野としては、分散型発電、 cogeneration（熱電併給）、天然ガス管路輸送、船舶推進、機械駆動などがあります。我が国のガスタービンは、分散エネルギーサプライ、増圧局、工業用発電などの分野で大きな潜在市場を持ち、政策によって産業の急速な発展が支援されています。「西気東送」「西電東送」「南水北調」などの現在の大規模プロジェクトや、我が国の造船業の急速な発展により、ガスタービンに対する我が国の需要が急増しています。

産業政策

『第14次五カ年計画』における現代的エネルギー体系でも、ガスタービンは核エネルギー、新電力システム、エネルギー貯蔵、水素エネルギーとほぼ同等の重要な技術として位置づけられ、主要なキーテクノロジーとして掲載されています。

国家電力投資集団は2つの特別プロジェクトを行っており、その一つは大型ガスタービンに関する重大项目で、水素混合ガスタービンも含まれています。純粋な水素用のものは内モンゴルに建設されていますが、まだ運転開始していません。荊門発電所では15%の混合が行われています。哈爾浜電気と広東電気集団（広東エネルギー集団）は大亜湾で水素混合プロジェクトを実施しており、杭州蒸気タービンとシーメンスは舟山で水素混合プロジェクトを行っています。

ガスタービンは西東ガスパイプラインや沖合油田プラットフォームで広く使用されています。軍関連企業である中国海洋石油总公司（CNOOC）も、アメリカによる制裁を受けており、供給停止のリスクに直面しています。ロシア・ウクライナ戦争中にロシアが購入したシーメンスのガスタービンは、カナダに修理のために送られた際に差し押さえられ、エネルギー安全保障に影響を与えました。 Localizationはできるだけ早く実施する必要があります。

市場空間

2022年、我が国のガスタービン生産量は405.63万キロワットで、需要は約679.86万キロワットです。

統計によると、2022年に我が国のガスタービン市場規模は616.69億元で、そのうちマイクロガスタービンの市場規模は8.93億元、軽量ガスタービンの市場規模は565.69億元、重量ガスタービンの市場規模は42.07億元でした。

我が国は現在、軽型ガスタービン（出力50MW未満）を自立生産できるようになりました。低価格帯のものは輸出することさえ可能ですが、ヘビーガスタービン（出力50MW以上）については、依然としてほぼ完全に輸入に依存しています。コア技術はアメリカのGE、日本の三菱重工、ドイツのシーメンスなどの国際メーカーによってほぼ独占されており、国内市場で「締め出される」リスクがあります。海関総署のデータによると、2022年のガスタービン輸入額は41億6100万米ドル、輸出額は7億3500万米ドルでした。