OBT žinių klasė: dujų turbinos

Pagrindiniai dėsniai

Pagal „Duomenų bazės terminologiją“ (GB/T 15135-2018), dujų turbina yra tolydžiojo srauto sukanti mašina (viena mašina), kuri paverčia šiluminę energiją mechaniniu darbu, įskaitant kompresorių, darbo skysčio įkaitinimo įrangą (pvz., degimo kamerą), turbiną, valdymo sistemą ir pagalbines priemones.

Pramonės dujų turbo varikliai, dažniausiai vadinami dujų turbinomis arba turbinomis, pramonės dujų varikliais, iš esmės yra tokie patys kaip aviacijos turbo dujų varikliai (vadinami aviacijos varikliais), tačiau naudojimo scenarijai šiek tiek skiriasi. Jie suspaudžia aukšto slėgio dujas į degimo kamerą ir per cheminės energijos reakciją verčia chemines energijas mechaniniu darbu per turbiną (turbino transliteracija).

Kaip energijos konvertavimo įrenginys, dujų turbinė yra oro laivyno variklis, kuris konvertuoja aviacinį kerosiną į mechaninę energiją skraidant debesimiškai; naudojama žemėje dujų turbinė konvertuoja gamtines dujas ir naftą į mechaninę energiją generatoriui.

Dujotiekio turbina, vidaus degimo variklis ir dujų turbinė pirmiausia buvo sukurtos naudoti kariniuose laivyje. Dujotiekio turbinės buvo naudojamos prieš Pirmąją pasaulinę karą, vidaus degimo varikliai buvo naudojami Pirmajame ir Antrajame pasauliniame kare, o kariniams laivybėms skirtos dujų turbinės buvo sukurtos po Antrųjo pasaulinio karo. Jos buvo pritaikytos iš oro variklių ir pagrindiniu būdu buvo naudojamos dideliuose paviršiniose laivybėse.

Dujų turbinės turi kelis charakteristikas:

Pirma, teorinė energijos konversijos efektyvumas gali pasiekti 88%, kas yra įrenginys su aukščiausiu energijos konversijos efektyvumu pasaulyje iki šiol. Kuro elementams sakoma, kad jie gali pasiekti 90% konversijos efektyvumą, bet jie dar nėra visiškai komerciniai; degimo variklių teorinis energijos konversijos efektyvumas yra 88%, ir jis buvo bandytas dešimtmečius.

Antra, dujų turbinų degimo temperatūra yra palyginti aukšta, o kenksmingų dujų išmetimas yra palyginti mažas.

Trečia, jų galios tankis yra palyginti didelis. Viename konteinerio dydžio aparate gali būti pakankamai energijos, kad apsaugotų mokslininkų laivą; du konteineriai esantiems maždaug užtenka, kad patenkintų miesto gyventojų civiliąją elektros poreikį. Garos turbina yra labai didelė, pvz., toks, kaip dizelinių ar vidinio degimo variklių, kurie turi daugiau nei 10 megavatų jėgos, jie yra beveik visada tūkstančiai tonų sunkūs ir dešimt metrų aukštų.

Ketvirta, dujų turbinos nėra panašios į vidaus degimo varžlius, kurie yra slenksties tipas ir darbas atliekamas kas 4 slenkstius. Dujų turbinos dirba nuolat, o turbina yra vamzdinė linija. Tai yra šiluminis variklis su aukščiausiu energijos konversijos efektyvumu, konvertuojantis cheminiąją energiją į šiluminę ir mechaninę energiją.

1970-aisiais dujų turbinos pateko į JAV naftinį sektorių, kyla pramoninės dujų turbinos. Lėktuvų varikliai reikalauja geresnių rodiklių, jie yra sudėtingesni ir turi trumpesnį gyvenimo laiką; pramoniniai varikliai nereikalauja svarų mažinimo, jie yra labai tvirti ir reikalauja ilgesnio gyvenimo laiko. Apie 1980-aisiais, kartu su gamtiniu dujų plėtra, jie pateko į elektros pramogų sektorių.

Po Antrojo pasaulinio karo JAV techninis lygis nebuvo labai aukštas. Anksciausias įsigijimas buvo Italijos kompanijų, kurios yra Europos sukiojamųjų įrenginių sostinė. Tipiška britų įmonė yra Rolls-Royce, gaminanti lėktuvų variklius. Apibendrinant, įmonės, gaminančios lėktuvų variklius, gamins dujoturbius. Vokietijos „Siemens“ pirko įmones visoje Europoje ir taip pat nusipirko „Rolls-Royce“ lėktuvo modernizavimo verslą. Rusijos dujoturbiai daugiausiai bendradarbiauja su Ukraina. Visi dizainai yra Rusijoje, o dalis gamybos bazių – Mariupolyje, Ukrainoje.

Naujausiame dešimtmečiuje tik Japonijos Mitsubishi sukūrė realią jūrų dujų turbiną, o Kawasaki gamina mažesnes, todėl tam tikras slaptas vis dar yra. Mažos ir vidutinio dydžio dujų turbinos pagrindu yra GE, ypač kariniams tikslams. Pagrindiniai mokslininkai daugiausia naudoja GE, LM-2500 modelį. Siemens nusipirko kai kurias iš jų mažesnės dujų turbinų Lincolne, JAV, su galios lygiu mažiau nei 15 MW, ir kai kurias Finspång'e, Švedijoje. Geriausia mažų dujų turbinų kompanija yra JAV „Solar“, ji labai arti savo klientų ir turi didžiausią rinkos dalį mažoms dujų turbinoms su galia mažiau nei 15 MW pasaulyje.

Klasifikacija

Pagal konstrukcinę formą ir išvesties galią dujų turbinos skirstomos į tris kategorijas: mikro, lengvosios ir sunkiosios. Tarp jų, mikro ir lengvosios dujų turbinos gali būti modifikuotos iš lėktuvų variklių (taip pat vadinamos „oro–dujų“), jų galia paprastai neviršija 50 MW ir jos gali būti naudojamos pramonės elektros gamybai, laivų energijai, dujotiekio stiprinimui, tankų lokomotyvams, decentralizuotoje elektros gamyboje ir šilumos bei elektros energijos kogeneracijoje. Sunkiosios dujų turbinos turi daugiau nei 50 MW galią ir daugiausiai naudojamos kaip stacionarūs generatoriai sausumoje, pavyzdžiui, miestų elektros tinkluose.

Sunkiosios dujų turbinos paprastai klasifikuojamos pagal temperatūrą. Klasė E, F, G ir H atitinka skirtingas degimo temperatūras. Inžinerijos požiūriu pageidautina jas klasifikuoti pagal lydinio temperatūros atsparumo gebėjimus.

Kinijoje tai yra mažos dujų turbinos. Mažosios dujų turbinos paprastai klasifikuojamos pagal struktūrą: vienojo veleno, dviejų velenų, trijų velenų, oro modifikuotos, pramonės ir retai pagal temperatūrą, nes mažųjų dujų turbinų temperatūra lyginant su sunkiosiomis dujų turbinomis nėra tokia aukšta. Tiekiamos galios lygis žemiau 30 megavatų yra izotropinio kristalo tipo, t.y. E klasių. Tai ne absoliuti taisyklė, nes kai kurios pažengusios jau pasiekė F klasę. E klasė Kinijoje buvo išbandyta 1995 metais. Apie 50 megavatų tikriausiai atitinka F klasę, kuri yra orientuoto kristalo tipo. Šią klasę Kinijoje mes išbandėme 2005 metais, o šiuo metu turime visų šių medžiagų. Pažengusiausios dujų turbinos pasiekė H klasę, o mes jau turime antros kartos monokristalus.

Apie 1 MW ir mažesnius vadinami mikro dujų turbinomis. Užsienio mikro dujų turbinos dėl žemos temperatūros nenaudoja tokių gerų lydinių. Jos naudoja specialius plienus ir retai – izotropines struktūras. Apie 15 MW vadinamos mažomis dujų turbinomis, kurios daugiausiai naudoja izotropines struktūras. Taip pat užsienyje yra keletas specialių įmonių, kurios naudoja specialius plienus, tačiau dėl puikių jų sluoksnių jos gaminamos kokybiškesnės. Vidutinio dydžio 30–50 MW dažniausiai naudoja orientuotas kristalines struktūras, t. y. F klasės. Dar didesnėms naudojamos pirmosios ir antrosios kartos monokristalinės struktūros, kurios yra mūsų vidiniai prekių ženklai.

Mažos ir vidutinės mikro dujų turbinos daugiausiai naudojamos skirstytosios energijos tiekimo ir šilumos bei elektros energijos gamybai. Iki 30 MW ir 15 MW galios įrenginiai daugiausiai naudojami Sichuan, o iki 7 MW – Chongqing. Tai susiję su jų pramonės parkų mastu. Apie 30 MW galios įrenginiai daugiausiai naudojami Džiangsu, o nuo 50 MW iki 100 MW galios – Guangdong pramonės parkuose, paprastai skirstytosios energijos tiekimo arba šilumos ir elektros energijos gamybai. Virš 100 MW galios įrenginiai naudojami didelių elektros tinklų pikų reguliavimui arba kaip bazinės apkrovos elektrinės. Naftos ir dujų pramonėje naudojamos mažosios turbinos. Aukšupio kasybos sektoriuje daugiausiai naudojamos 7 MW ir 15 MW galios, o vidurupio linijų transportavimui – 15 MW ir 30 MW galios.

Dizaino sistema dujų turbinoms mažesnioms nei 30 MW yra palyginti išsisklaidęs, o procesų medžiagų sistema taip pat yra palyginti išsisklaidusi. OBT gamybos efektyvumas gali pasiekti 85%. Pramones dujų turbinės vis dar turi dėti dėmesį į ekonominę naudingumą, techninę ir ekonominę vertinimą arba kainos efektyvumą, o pagrindinis vertinimo rodiklis yra gamybos efektyvumas.

Vidutinio ir didelio galingumo dujų varikliams mes (vietiniai) turime nedaug sukaupta dizaino programinės įrangos, dizaino specifikacijų bei kai kurių medžiagų ir procesų duomenų bazių mūsų dizaino sistemoje, todėl ši dizaino sistema nėra labai patikima ir išeiga yra žema. F lygis arba orientuotas kristalas yra pergalės taškas. Žemiau orientuoto kristalo mes vis dar esame pakankamai pasitikintys, kad galėtume dalyvauti tarptautinėse varžybųse. Aukščiau orientuoto kristalo pramonės lygmenyje vis dar egzistuoja tam tikras atsilikimas. Šią sritį valdo nacionalinę komandą. Kelios centrinės įmonės atlieka pagrindinius tyrimus ir plėtojimą, be to, investicijos į bazines medžiagas ir pagrindinius procesus yra milžiniškos.

Pramoninė grandinė

Aukšprie srauto gamtoje, gaminančioje dujinių variklių pramonės grandinę, aukštos temperatūros lydinių, titano lydinių, kompozitinių medžiagų, aliuminio lydinių ir bendrų plieno gamintojai apima Gangyan Gaona, Fushun Special Steel, Baoti Group ir kt. Vidurprio dalių ir komponentų etape medžiagos yra liejamos, kalamos arba atliekami kiti procesai, kad būtų pagamintos turbinų mentės, velenai ir kitos dalys. Mentės ir kitos detalės yra formuojamos liejimo procesu. Pagrindiniai vietiniai liejimo ir kalamojo metalo gamintojai apima Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd. ir kt. Tada žemupio visų mašinų gamintojai surinkia įvairias dalis į visas mašinas. Pagrindiniai gamintojai apima AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric ir kt.

Pramonės šakos viršuje, ypač tokių produktų kaip aukštųjų temperatūrų aljautos, aukštųjų temperatūrų titaninės aljautos, šilumos barijerinės apiplokščios ir išskirtiniai keraminių kompozitinių medžiagų, žaidą svarbų vaidmenį nacionalinės gynybos pramonės ir aukščiausio lygio technikos gamybos skatinime. Vidinės dujos turbinės pagrindiniu būdu naudojamos elektros gamybai, o maža dalis jų naudojama vandens įspaudui, oro įsiskverbimui, spaudimo padidinimui naftos ir dujų laukuose bei laivyno ir tanko jėgų šaltiniams. Akcentas teikiamas distribuotojo energijos gamybai, jungtinėje šilumos ir elektros gamyboje, natūraliųjų dujų trunkų transportavime, laivyno judėjime ir mechaninėje varomosios jėgos srityse. Mūsų šalies dujos turbinės turi didelių potencialinių rinkų distribuotojo energijos tiekimo, spaudimo stotyse, pramoninėje elektros gamyboje ir kitose srityse, o politika palaiko pramonės greitą plėtrą. Mūsų šalyje esančios didelės projektų, tokios kaip „Duju perdavimas iš vakarų į rytus“, „Elektra iš vakarų į rytus“ ir „Vanduo iš pietų į šiaurę“, bei mūsų laivyno pramonės greitas plėtojimas sukėlė mūsų šalies paklausą dujos turbinėms greitai augti.

Pramoninė politika

14-asis penkmečio planas „Modernus energijos tiekimo sistema“ taip pat nurodo dujinius variklius kaip pagrindines technologijas, praktiškai pastatant jas į tą pačią pakopą kaip branduolinę energiją, naujas elektros sistemas, energijos kaupiklius ir vandenilinę energiją.

Valstybės elektros investicijų korporacija atliko du specialius projektus, vienas iš jų yra didelis projektas sunkioms dujų turbinoms, įskaitant vandenilio mišinio dujų turbinas. Šalis su visiškai vandeniliu buvo sukurtas Vidurio Mongolojoje, bet dar nebuvo įjungtas. Jingmeno Elektrinė mišinyje naudoja 15%. Harbin Elektra ir Guangdong Elektros grupė, kuri yra Guangdong Energijos grupė, atliko vandenilio mišinio projektą Daya Bay regione, o Hangzhou Dujų Turbina ir Siemens atliko vandenilio mišinio projektą Žoušanoje.

Duju turbinos yra plačiai naudojamos Vakarų-Rytų Duju Trase ir jūrų naftos platformose. Būdamiesi karinio pobūdžio įmonė, COOHC taip pat buvo nuteista JAV ir gali susidurti su tiekimo nutildymo rizika. Rusijos pirktose Siemens dujų turbinose, kurios buvo siunčiamos Kanadą remontuoti, buvo apsisaugotos per Rusijos-Ukrajinos karą, kuo buvo paveikta energijos sauga. Lokalizavimas turi būti atliktas kaip galima greičiau.

Rinkos erdvė

2022 m. mano šalyje dujų turbinų gamyba bus 4,0563 milijono kilovatų, o paklausa sieks maždaug 6,7986 milijono kilovatų.

Pagal statistiką, 2022 m. mano šalies dujų turbinų rinkos dydis siekė 61,669 mlrd. yuanų, iš kurių mikro dujų turbinų rinkos dydis buvo 893 mln. yuanų, vėsnių dujų turbinų rinkos dydis – 56,569 mlrd. yuanų, o sunkiųjų dujų turbinų rinkos dydis – 4,207 mlrd. yuanų.

Dabar mano šalis gali nepriklausomai gaminti lengvuosius dujų turbinas (galia mažesnė nei 50 MW). Netgi žemos klasės modeliai gali būti eksportuojami, tačiau sunkiosios dujų turbinos (galia virš 50 MW) vis dar daugiausiai importuojamos. Pagrindinė technologija iš esmės monopolizuota tarptautinių gamintojų, tokių kaip JAV „GE“, Japonijos „Mitsubishi“ ir Vokietijos „Siemens“, rankose. Vidiniame rinkoje kyla prievartos rizika. Pagal Generalinio muitų administravimo duomenis, 2022 metais į Lietuvą buvo importuota 4,161 mlrd. JAV dolerių vertės dujų turbinų, o eksportuota – 735 mln. JAV dolerių.