OBT Knowledge Classroom: Gas Turbine

Basisconcepten

Volgens de "Gas Turbine Vocabulary" (GB/T 15135-2018) is een gas turbine een continue stromende draaimachine (enkele machine) die thermische energie omzet in mechanisch werk, inclusief een compressor, installaties voor het verwarmen van het werkmedium (zoals een verbrandingskamer), een turbine, een besturingssysteem en hulpapparatuur.

Industriële gasturbine-installaties, algemeen aangeduid als gas turbines of turbines, industriële gasmotoren, zijn in wezen hetzelfde als luchtvaartturbinegasinstallaties (aangeduid als luchtvaartmotoren), maar de toepassingsscenario's verschillen licht. Zij comprimeren hoogdruk-gas in een verbrandingskamer en zetten via de reactie van chemische energie de chemische energie om in mechanisch werk via een turbine (de transcriptie van de turbine).

Als een energieomzettingsapparaat is een gasturbine een vliegtuigmotor die vliegtuigkerosine omzet in mechanische energie voor de propeller tijdens het vliegen in de lucht; een op de grond gebruikte gasturbine zet aardgas en olie om in mechanische energie voor de generator.

Stoomturbines, binnenverbreningsmotoren en gasturbinen werden voor het eerst ontwikkeld voor gebruik op oorlogsschepen. Stoomturbines werden gebruikt voor de Eerste Wereldoorlog, binnenverbreningsmotoren werden gebruikt tijdens de Eerste en Tweede Wereldoorlog, en gasturbinen voor oorlogsschepen werden ontwikkeld na de Tweede Wereldoorlog. Ze werden aangepast van vliegtuigmotoren en werden voornamelijk gebruikt op grote oppervlaktevaartuigen.

Gasturbinen hebben verschillende kenmerken:

Ten eerste kan de theoretische energieconversie-efficiëntie 88% bereiken, wat het toestel met de hoogste energieconversie-efficiëntie ter wereld is tot nu toe. Brandstofcellen zouden een conversie-efficiëntie van 90% kunnen bereiken, maar zijn nog niet volledig gecommercialiseerd; de theoretische energieconversie-efficiëntie van verbrandingsmotoren is 88%, wat al decennialang getest is.

Ten tweede is de verbrandingstemperatuur van gasturbines relatief hoog en is de uitstoot van schadelijke gassen relatief laag.

Ten derde is de vermogensdichtheid relatief groot. Een enkel apparaat, zo groot als een container, kan voldoende energie leveren voor een destroyer; twee containers zijn vrijwel voldoende voor het civiele elektriciteitsgebruik van een district. Stoomturbines zijn zeer groot, zoals dieselmotoren en binnenverbrenningsmotoren met een capaciteit van meer dan 10 megawatt, die doorgaans apparaten van duizenden tonnen en tientallen meters hoog zijn.

Ten vierde, gasturbines zijn niet zoals binnenverbbrandingsmotoren, die van de stoottype zijn en waarbij werk eenmaal wordt verricht na elke 4 slagen. Gasturbines werken continu, en de turbine is een draaikolklijn. Het is het thermische machineapparaat met de hoogste energieomzettings-efficiëntie, dat chemische energie omzet in thermische en mechanische energie.

In de jaren '70 kwamen gasturbines in de Amerikaanse olie-industrie, wat leidde tot industriële gasturbines. Vliegtuigmotoren vereisen relatief hoge prestaties, zijn relatief geavanceerd en hebben een relatief korte levensduur; industriële motoren hoeven geen gewicht te verminderen, zijn zeer robuust gemaakt en vereisen een relatief lange levensduur. Rond de jaren '80, met de ontwikkeling van aardgas, kwam het in de elektriciteits-industrie.

Na de Tweede Wereldoorlog was het technische niveau van de Verenigde Staten niet erg hoog. De eerste aankoop werd gedaan bij Italiaanse bedrijven, die de hoofdstad zijn van draaiende apparatuur in Europa. Het typische Britse bedrijf is Rolls-Royce, dat vliegtuigmotoren maakt. Over het algemeen zullen bedrijven die vliegtuigmotoren maken ook gas turbines produceren. Siemens uit Duitsland heeft bedrijven over heel Europa verworven en kocht ook de vliegtuigaanpassing van Rolls-Royce. Ruslands gas turbines worden voornamelijk in samenwerking met Oekraïne ontwikkeld. De ontwerpen zijn allemaal afkomstig uit Rusland en sommige productielocaties bevinden zich in Mariupol, Oekraïne.

In de afgelopen decennia heeft alleen Mitsubishi uit Japan een echte zware gasturbine ontwikkeld, en Kawasaki maakt kleinere exemplaren, dus er bestaat nog steeds een bepaalde drempel. Kleine en middelgrote gasturbinen komen voornamelijk van GE, vooral voor militair gebruik. De meeste moderne torpedojagers zijn uitgerust met turbines van GE, het model LM-2500. Siemens heeft enkele van zijn kleine gasturbinen in Lincoln, Verenigd Koninkrijk, overgenomen, met een capaciteit van minder dan 15 MW, en enkele in Finspång, Zweden. Het beste bedrijf op het gebied van kleine gasturbinen is Solar in de VS, dat zeer dicht bij zijn klanten staat en wereldwijd de grootste marktaandeel heeft voor kleine gasturbinen met een capaciteit van minder dan 15 MW.

Classificatie

Op basis van de structuur en uitgangsvermogen kunnen gas turbines worden ingedeeld in drie categorieën: micro-, lichte en zware turbines. Micro- en lichte gas turbines kunnen worden aangepast van vliegtuigmotoren (ook wel "aero-to-gas" genoemd), hebben meestal een vermogen tot 50 MW en kunnen worden gebruikt voor industriële stroomopwekking, schepen, pijpleidingversterking, tanklocomotieven, gedistribueerde energieopwekking en warmtekrachtkoppeling. Zware gas turbines hebben een vermogen van meer dan 50 MW en worden voornamelijk als vaste generatoren op land gebruikt, bijvoorbeeld in stedelijke elektriciteitsnetten.

Zware gasmotoren worden over het algemeen ingedeeld op basis van temperatuur. Klasse E, F, G en H komen overeen met verschillende verbrandingstemperaturen. Vanuit ingenieursperspectief is het wenselijker ze te classificeren op basis van de temperatuurbestendigheid van de legering.

In China zijn het kleine gas turbines. Kleine gas turbines worden over het algemeen ingedeeld op basis van structuur: enkelas, dubbele as, drie assen, aero-gewijzigd, industrieel, en zelden op basis van temperatuur, omdat de temperatuur van kleine gas turbines in vergelijking met zware gas turbines niet zo hoog is. Die met een vermogenniveau onder de 30 megawatt zijn gelijkzijdige kristallen, dat wil zeggen E-kwaliteit. Dit is niet absoluut, en sommige geavanceerdere hebben nu F-kwaliteit bereikt. E-kwaliteit werd in China in 1995 geproduceerd als proeffabricage. Ongeveer 50 megawatt komt waarschijnlijk overeen met F-kwaliteit, wat een gericht kristal is. China produceerde deze kwaliteit als proeffabricage in 2005, en we beschikken momenteel over al deze materialen. De meest geavanceerde gas turbines hebben H-kwaliteit bereikt, en we beschikken nu over onze tweede generatie enkelkristallen.

Over het algemeen worden installaties onder de 1 MW microgasturbines genoemd. Microgasturbines in het buitenland gebruiken geen zulke goede legeringen vanwege de lage temperatuur. Zij gebruiken enkele speciale soorten staal en toepassen van gelijkvormige kristallen zijn zeldzaam. Installaties rond de 15 MW worden kleine gasturbines genoemd, die voornamelijk gebruikmaken van gelijkvormige kristallen. Er zijn ook enkele bijzondere bedrijven in het buitenland die speciaal staal gebruiken, maar vanwege hun uitzonderlijk goede coatings worden deze beter gemaakt. Kleine en middelgrote turbiness van 30~50 MW gebruiken over het algemeen meer gerichte kristallen, ook wel F-kwaliteit genoemd. Grotere installaties gebruiken eencristallen van de eerste en tweede generatie, dit zijn onze eigen binnenlandse merken.

Kleine en middelgrote micro-gasturbrines worden voornamelijk gebruikt voor gedistribueerde energieopwekking en warmtekrachtkoppeling. Turbines onder de 30 MW en 15 MW worden voornamelijk gebruikt in Sichuan, terwijl die onder de 7 MW voornamelijk in Chongqing worden ingezet. Dit heeft te maken met de schaal van de industrieparken. Turbines rond de 30 MW worden voornamelijk gebruikt in Jiangsu, en modellen tussen 50 MW en 100 MW zijn over het algemeen te vinden in industrieparken in Guangdong, meestal voor gedistribueerde energieopwekking of warmtekrachtkoppeling. Turbines boven de 100 MW worden gebruikt voor piekregulering op grote elektriciteitsnetten of als basisbelastingscentrales. De olie- en gasindustrie gebruikt kleinere eenheden. In de upstream mijnbouwsector worden voornamelijk 7 MW en 15 MW turbines gebruikt, terwijl vervoer via pijpleidingen in de midstream sector voornamelijk draait op 15 MW en 30 MW systemen.

Het ontwerpsysteem van gasturbines onder de 30 MW is relatief volwassen, en het procesmateriaalsysteem is ook relatief volwassen. De opbrengst van OBT kan 85% bereiken. Industriële gasturbines moeten zich nog steeds richten op economische prestaties, technisch-economische evaluatie of kosten-prestatieverhouding, en de belangrijkste evaluatieindicator is de opbrengst.

Voor middelgrote en grote gas turbines hebben wij (binnenlands) weinig ervaring opgebouwd met ontwerpsoftware, ontwikkelspecificaties en databases van bepaalde materialen en processen in ons ontwerpsysteem. Daardoor is dit ontwerpsysteem nog niet erg verrijpt en is de opbrengstgraad niet hoog. Niveau F of georiënteerde kristallen vormen een keerpunt. Beneden georiënteerde kristallen zijn wij nog steeds voldoende zelfverzekerd om aan internationale concurrentie deel te nemen. Boven georiënteerde kristallen is er op industriëel niveau nog een zekere kloof. Dit gebied is overgedragen aan het nationale team. Enkele centrale ondernemingen voeren enig basisonderzoek en -ontwikkeling uit, en de investeringen in basismaterialen en basisprocessen zijn aanzienlijk.

Industriële keten

In de upstream van de gas turbine industrieketen van mijn land zijn fabrikanten van hittebestendige legeringen, titaanlegeringen, composietmaterialen, aluminiumlegeringen en algemeen staal onder andere Gangyan Gaona, Fushun Special Steel, Baoti Group, etc. In het middenstroomse onderdelen- en componentenstadium worden materialen gegoten, gesmeed of onderworpen aan andere processen om turbinebladen, assen en andere onderdelen te produceren. Bladen en andere onderdelen worden gevormd via het gietproces. Belangrijke binnenlandse giet- en smeedbedrijven zijn onder andere Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd., etc. Vervolgens monteren stroomafwaartse fabrikanten van complete machines diverse onderdelen tot gehele machines. Belangrijke producenten zijn AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric, etc.

Bovenstroomse industrieën, met name producten zoals hoge-temperatuur legeringen, hoge-temperatuur titaniumlegeringen, thermische barrièrbestrijkingen en geavanceerde keramische compositiematerialen, spelen een belangrijke rol in de ontwikkeling van de nationale verdedigingsindustrie en het hoogwaardige apparatenbouw. Binnenlands worden gasturbines voornamelijk gebruikt voor elektriciteitsopwekking, en een klein deel wordt gebruikt voor waterinjectie, luchtinname, opdrukking in olievelden en gasvelden, en als aandrijving voor schepen en tanks. De focus ligt op gedistribueerde energieopwekking, combinatie van warmte en stroom, transport van aardgaspijpleidingen, schepenpropulsie en mechanische aandrijving. Mijn land heeft enorme potentiële markten voor gasturbines in gebieden zoals gedistribueerde energievoorziening, opdrukkstations, industriële stroomopwekking en andere sectoren, en beleidsmaatregelen ondersteunen de snelle ontwikkeling van de industrie. De huidige grote projecten in mijn land, zoals "Gasoverbrenging West naar Oost", "Stroomoverbrenging West naar Oost" en "Wateroverbrenging Zuid naar Noord", samen met de snelle ontwikkeling van de scheepsbouw-industrie in mijn land, hebben geleid tot een snel toenemende vraag naar gasturbines.

Industrieel beleid

Het moderne energiesysteem van het 14e Vijfjaarplan noemt gas turbines ook als een kern technologie, waardoor deze essentieel op hetzelfde niveau worden geplaatst als nucleaire energie, nieuwe energiesystemen, energieopslag en waterstofenergie.

State Power Investment Corporation heeft twee speciale projecten uitgevoerd, één is een groot project voor zware gasturbinen, inclusief waterstofgemengde gasturbinen. Een zuiver waterstofversie is gebouwd in Binnen-Mongolië maar nog niet in bedrijf genomen. De Jingmen-kraftcentrale heeft 15% gemengd. Harbin Electric en Guangdong Electric Group, die Guangdong Energy Group heet, hebben een waterstofmengproject uitgevoerd in Daya Bay, en Hangzhou Steam Turbine en Siemens hebben een waterstofmengproject uitgevoerd in Zhoushan.

Gas turbines worden breed gebruikt in de West-Oost Gasleiding en op offshore olieplatforms. Als een militair gerelateerd bedrijf staat CNOOC ook onder sancties van de Verenigde Staten en loopt het risico op leveringsonderbrekingen. Tijdens de oorlog tussen Rusland en Oekraïne werden de door Rusland aangeschafte Siemens-gasturbines in Canada in beslag genomen toen ze daarheen werden gestuurd voor reparatie, wat invloed had op de energiezekerheid. Lokalisatie moet zo snel mogelijk worden uitgevoerd.

Markt Ruimte

In 2022 bedroeg de productie van gasturbines in ons land 4,0563 miljoen kilowatt, en de vraag zal ongeveer 6,7986 miljoen kilowatt zijn.

Volgens statistieken bedroeg de omvang van de markt voor gasturbines in ons land in 2022 61,669 miljard yuan, waarvan de marktomvang van microgasturbines 8,93 miljard yuan was, de marktomvang van lichte gasturbines 56,569 miljard yuan en de marktomvang van zware gasturbines 4,207 miljard yuan.

Mijn land kan nu onafhankelijk lichte gasturbines produceren (vermogen onder de 50 MW). Instappers kunnen zelfs worden geëxporteerd, maar zware gasturbines (vermogen boven de 50 MW) zijn nog steeds grotendeels afhankelijk van import. De kern-technologie wordt grotendeels gemonopoliseerd door internationale fabrikanten zoals GE in de Verenigde Staten, Mitsubishi in Japan en Siemens in Duitsland. Er is een risico op verstikking op de binnenlandse markt. Volgens gegevens van de Algemene Douanedienst zullen de importen van gasturbines in 2022 4,161 miljard dollar bedragen en exporten 735 miljoen dollar.