OBT Knowledge Classroom: Turbina gazowa

Podstawowe Pojęcia

Zgodnie z "Słownikiem turbin gazowych" (GB/T 15135-2018), turbina gazowa odnosi się do maszyny rotacyjnej o przepływie ciągłym (pojedynczej maszyny), która przekształca energię cieplną w pracę mechaniczną, w tym sprężarkę, urządzenia do ogrzewania czynnika roboczego (takie jak komora spalania), turbinę, system sterowania i wyposażenie pomocnicze.

Przemysłowe silniki turbin gazowych, ogólnie nazywane turbinami gazowymi lub turbinami, silnikami gazowymi przemysłowymi, są w istocie tym samym co lotnicze silniki turbin gazowych (nazywane silnikami lotniczymi), jednak scenariusze zastosowania są nieco inne. One sprężają gaz pod wysokim ciśnieniem do komory spalania i poprzez reakcję energii chemicznej przekształcają ją w pracę mechaniczną za pomocą turbiny (transliteracja turbiny).

Jako urządzenie do konwersji energii, turbinę gazową stosuje się jako silnik lotniczy, który przekształca lotnicze kerosynę w energię mechaniczną dla wirnika podczas lotu w powietrzu; turbinę gazową użytkowaną na ziemi przekształca natomiast gaz ziemny i ropa na energię mechaniczną dla generatora.

Turbiny parowe, silniki spalinowe oraz turbiny gazowe zostały po raz pierwszy opracowane do użytku na okrętach wojennych. Turbiny parowe były stosowane przed I wojną światową, silniki spalinowe używano podczas I i II wojny światowej, a turbiny gazowe dla okrętów wojennych zostały opracowane po II wojnie światowej. Były one zmodyfikowane z silników lotniczych i主要用于e głównie na dużych okrętach powierzchniowych.

Turbiny gazowe mają kilka charakterystycznych cech:

Po pierwsze, efektywność teoretyczna konwersji energii może osiągnąć 88%, co jest urządzeniem o najwyższej efektywności konwersji energii na świecie do tej pory. Paliwo komórek paliwowych ma osiągnąć efektywność konwersji 90%, ale jeszcze nie są one w pełni skomercjalizowane; efektywność teoretyczna konwersji energii silników spalinowych wynosi 88%, co zostało sprawdzone przez dziesięciolecia.

Po drugie, temperatura spalania turbin gazowych jest stosunkowo wysoka, a emisja szkodliwych gazów jest stosunkowo niska.

Po trzecie, gęstość mocy jest stosunkowo duża. Urządzenie o rozmiarach kontenera może dostarczać energii dla niszowca; dwa kontenery wystarczają zazwyczaj do zapewnienia prądu cywilnemu w powiecie. Turbiny parowe są bardzo duże, na przykład silniki spalinowe i silniki Diesla o mocy ponad 10 megawatów są zazwyczaj urządzeniami ważącymi tysiące ton i mającymi kilkadziesiąt metrów wysokości.

Po czwartych, turbiny gazowe nie są podobne do silników spalinowych, które są typu taktowego i wykonywują pracę raz na 4 takty. Turbiny gazowe działają ciągle, a turbina to linia wirów. Jest to urządzenie silnikowe o najwyższym współczynniku przekształcania energii, które przekształca energię chemiczną w energię cieplną i mechaniczną.

W latach 70., turbiny gazowe wszedł do amerykańskiej przemysłu naftowego, co dało początek przemysłowym turbinom gazowym. Silniki lotnicze wymagają relatywnie wysokiej wydajności, są relatywnie złożone i mają relatywnie krótki okres użytkowania; silniki przemysłowe nie muszą redukować masy, są bardzo solidnie wykonane i wymagają dłuższego okresu użytkowania. Wokół lat 80., wraz z rozwojem gazu ziemnego, wszedł do przemysłu energetycznego.

Po II wojnie światowej poziom techniczny Stanów Zjednoczonych nie był zbyt wysoki. Najwcześniejsze zakupy to przedsiębiorstwa włoskie, które są stolicą sprzętu obrotowego w Europie. Typowym brytyjskim przedsiębiorstwem jest Rolls-Royce produkujący silniki lotnicze. Ogólnie firmy produkujące silniki lotnicze będą również tworzyć turbiny gazowe. Niemiecka firma Siemens przejęła firmy na całym kontynencie europejskim oraz przejęła modyfikację lotniczą Rolls-Royce'a. Turbiny gazowe Rosji są głównie rozwijane we współpracy z Ukrainą. Projekty znajdują się w Rosji, a niektóre z bazy produkcyjnych w Mariupol, na Ukrainie.

W ostatnich dekadach tylko Mitsubishi z Japonii rozwijało prawdziwy ciężki turbinę gazową, a Kawasaki produkowało mniejsze, więc pewien próg wciąż istnieje. Małe i średnie turbiny gazowe to przede wszystkim GE, zwłaszcza dla użytku wojskowego. Główna flota niszczycieli opiera się głównie na produktach GE, modelu LM-2500. Siemens nabył część swoich małych turbin gazowych w Lincoln w Wielkiej Brytanii, o mocy poniżej 15 MW, oraz w Finspång w Szwecji. Najlepszym przedsiębiorstwem w zakresie małych turbin gazowych jest Solar w Stanach Zjednoczonych, które działa blisko swoich klientów i posiada najwyższy udział rynkowy na świecie w dziedzinie małych turbin gazowych o mocy poniżej 15 MW.

Klasifikacja

Ze względu na formę konstrukcyjną i moc wyjściową, turbiny gazowe można podzielić na trzy kategorie: mikro, lekkie i ciężkie. Mikro i lekkie turbiny gazowe mogą być modyfikowane z silników lotniczych (znane również jako „aero-to-gas”), mają one zazwyczaj moc do 50 MW i mogą być stosowane w energetyce przemysłowej, napędach okrętowych, kompresji rurociągów, lokomotywach czołgowych, rozproszonych źródłach energii oraz w kogeneracji. Turbiny gazowe ciężkie mają moc powyżej 50 MW i są głównie stosowane jako stacjonarne generatory lądowe, na przykład w miejskich sieciach energetycznych.

Silniki gazowe ciężkie są zazwyczaj klasyfikowane według temperatury. Klasy E, F, G i H odpowiadają różnym temperaturom spalania. Z inżynierskiego punktu widzenia preferowanym sposobami jest klasyfikacja oparta na odporności temperaturowej stopu.

W Chinach są to małe turbiny gazowe. Małe turbiny gazowe generalnie dzieli się według konstrukcji: jednoosiowe, dwuosiowe, trójosiowe, modyfikowane lotnicze, przemysłowe, a rzadko według temperatury, ponieważ temperatura małych turbin gazowych nie jest tak wysoka jak w przypadku ciężkich turbin gazowych. Te o poziomie mocy poniżej 30 megawatów mają strukturę równoosiową, czyli klasę E. Nie jest to wartość bezwzględna, niektóre zaawansowane osiągnęły już klasę F. Turbiny klasy E zostały wyprodukowane w trybie próbnym w Chinach w 1995 roku. Prawdopodobnie około 50 megawatów odpowiada klasie F, która posiada uporządkowaną strukturę krystaliczną. Klasę tę wyprodukowano w trybie próbnym w Chinach w 2005 roku i obecnie dysponujemy już wszystkimi tymi materiałami. Najbardziej zaawansowane turbiny gazowe osiągnęły klasę H, a my obecnie posiadamy już drugą generację monokryształów.

Ogólnie rzecz biorąc, jednostki poniżej 1 MW nazywane są mikroturbinami gazowymi. Mikroturbiny gazowe za granicą nie stosują takich dobrych stopów ze względu na niską temperaturę. Używają one pewnych specjalnych gatunków stali i rzadko wykorzystują kryształy równoosiowe. Jednostki o mocy około 15 MW nazywa się małymi turbinami gazowymi, które głównie stosują kryształy równoosiowe. Istnieją również pewne specjalistyczne firmy za granicą, które używają stali specjalnych, jednak dzięki wyjątkowo dobrej jakości powłok uzyskują lepsze parametry. Średnie turbiny o mocy 30–50 MW zazwyczaj wykorzystują bardziej skierowane kryształy, czyli klasy F. W większych jednostkach stosuje się monokryształy pierwszego i drugiego pokolenia, które są naszymi rodzimymi markami.

Małe i średnie mikroturbiny gazowe są głównie wykorzystywane w rozproszonych źródłach energii i skojarzonym wytwarzaniu ciepła i energii elektrycznej. Jednostki poniżej 30 MW i 15 MW są głównie stosowane w prowincji Syczuan, a te poniżej 7 MW głównie w Chongqing. Ma to związek z wielkością lokalnych parków przemysłowych. Turbiny o mocy około 30 MW są głównie używane w prowincji Jiangsu, natomiast jednostki o mocy od 50 MW do 100 MW są stosowane w parkach przemysłowych w prowincji Guangdong, ogólnie do wytwarzania energii rozproszonej lub skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej. Jednostki powyżej 100 MW służą do regulacji szczytowej w dużych sieciach energetycznych lub jako elektrownie bazowe. Przemysł naftowy i gazowy wykorzystuje mniejsze jednostki. W górnictwie (górnym odcinku sektora), głównie używane są jednostki o mocy 7 MW i 15 MW, natomiast w transporcie rurociągowym (środkowym odcinku sektora) dominują jednostki o mocy 15 MW i 30 MW.

System projektowy turbin gazowych poniżej 30 MW jest względnie dojrzały, a system materiałowy procesowy również jest stosunkowo dojrzały. Wynik OBT może osiągnąć 85%. Przemysłowe turbiny gazowe nadal muszą skupiać się na wydajności ekonomicznej, ocenie techniczno-ekonomicznej lub kosztach-wydajności, a głównym wskaźnikiem oceny jest wynik produkcji.

W przypadku turbin gazowych średnich i dużych rozmiarów, my (krajowi producenci) mamy niewielkie doświadczenie w zakresie oprogramowania projektowego, specyfikacji konstrukcyjnych oraz baz danych dotyczących niektórych materiałów i procesów w naszym systemie projektowym. Dlatego też system ten nie jest jeszcze dojrzały, a wskaźnik wydajności nie jest wysoki. Poziom F lub kryształy skierowane stanowią punkt przełomowy. Poniżej poziomu kryształów skierowanych, nadal jesteśmy wystarczająco pewni siebie, aby brać udział w konkurencji międzynarodowej. Powyżej poziomu kryształów skierowanych, na poziomie przemysłowym, wciąż istnieje pewna luka. Tę dziedzinę objęto działaniami zespołu reprezentacyjnego kraju. Kilka przedsiębiorstw centralnych prowadzi badania i rozwój podstawowy, a inwestycje w podstawowe materiały i procesy technologiczne są ogromne.

Łańcuch przemysłowy

W górnym biegu łańcucha przemysłowego turbin gazowych w moim kraju producenci stopów o wysokiej temperaturze, stopów tytanowych, materiałów kompozytowych, stopów glinu oraz stali ogólnego zastosowania obejmują m.in. Gangyan Gaona, Fushun Special Steel, Baoti Group. Na etapie części i komponentów w średnim biegu materiały są odlewane, kucione lub poddawane innym procesom w celu wytworzenia łopatek turbiny, wałków oraz innych części. Łopatki i inne części powstają w procesie odlewniczym. Główne krajowe przedsiębiorstwa zajmujące się odlewami i kuciami to m.in. Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd. Następnie producenci kompletnych maszyn w dolnym biegu montują różne części w gotowe urządzenia. Główne przedsiębiorstwa to m.in. AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric.

Przemysły upstream, zwłaszcza produkty takie jak wysokotemperaturowe stopy, wysokotemperaturowe stopy tytanu, termiczne bariery ochronne oraz zaawansowane materiały kompozytowe ceramiczne, odgrywają istotną rolę w promowaniu przemysłu obronnego i wysoce rozwiniętej produkcji sprzętu. Krajowe turbiny gazowe są przede wszystkim wykorzystywane do generowania energii, a mniejsza ich liczba służy do wtrysku wody, doprowadzania powietrza, zwiększenia ciśnienia na polach ropy i gazu oraz napędu statków i czołgów. Akcent kładziony jest na dystrybuowanym generowaniu energii, ciepła i elektrowni, transportowaniu gazu ziemnego rurociągiem, napędzie statków oraz mechanizacji. W obszarze zasilania dystrybuowanego, stacji zwiększenia ciśnienia, przemysłowej produkcji energii i innych sektorach turybin gazowych kraju istnieje ogromny niezrealizowany potencjał rynkowy, a polityki wspierają szybki rozwój tego przemysłu. Obecne w kraju duże projekty, takie jak "Transmisja Gazu Zachód-Wschód", "Transmisja Energii Zachód-Wschód" i "Przekачanie Wody Południe-Północ", oraz szybki rozwój przemysłu okrętowego kraju spowodowały gwałtowny wzrost popytu na turbiny gazowe.

Polityka przemysłowa

Nowoczesny system energetyczny Piętnastej Perspektywy Długoterminowej wymienia również turbiny gazowe jako kluczową technologię, umieszczając ją na tym samym poziomie co energia jądrowa, nowe systemy energetyczne, magazynowanie energii i energia wodorowa.

Państwowa Korporacja Inwestycji Energetycznych wykonała dwa specjalne projekty, jeden z nich to duży projekt turbin gazowych, w tym turbin mieszających wodór. W Inner Mongolia zbudowano turbinę czysto wodorową, która jednak jeszcze nie została uruchomiona. Elektrownia w Jingmen zmieszała 15%. Harbin Electric i Guangdong Electric Group, czyli Guangdong Energy Group, wykonały projekt mieszania wodoru w Zatoce Daya, a Hangzhou Steam Turbine i Siemens wykonały projekt mieszania wodoru w Zhoushan.

Turbiny gazowe są powszechnie wykorzystywane w Rurociągach Gazowych Zachód-Wschód oraz na platformach naftowych położonych na morzu. Jako przedsiębiorstwo związane z wojskiem, CNOOC zostało również objęte sankcjami przez Stany Zjednoczone i stoi przed ryzykiem przerwania dostaw. W trakcie wojny rosyjsko-ukraińskiej, zakupione przez Rosję turbiny gazowe firmy Siemens zostały zatrzymane podczas ich remontu w Kanadzie, co miało wpływ na bezpieczeństwo energetyczne. Lokalizacja musi zostać przeprowadzona jak najszybciej.

Przestrzeń rynkowa

W 2022 roku produkcja turbin gazowych w naszym kraju wyniosła 4,0563 miliona kilowatów, a popyt osiągnął około 6,7986 miliona kilowatów.

Według statystyk, w 2022 roku rozmiar rynku turbin gazowych w naszym kraju osiągnął 61,669 miliarda yuanów, w tym rozmiar rynku mikroturbin gazowych wyniósł 893 miliony yuanów, rozmiar rynku lekkich turbin gazowych wyniósł 56,569 miliarda yuanów, a rozmiar rynku ciężkich turbin gazowych wyniósł 4,207 miliarda yuanów.

Moja ojczyzna może teraz niezależnie produkować lekkie turbiny gazowe (moc poniżej 50 MW). Modele niskoprzełożone mogą być nawet eksportowane, ale ciężkie turbiny gazowe (moc powyżej 50 MW) nadal w dużej mierze zależą od importu. Kluczowa technologia pozostaje w zasadzie zmonopolizowana przez międzynarodowych producentów takich jak GE w Stanach Zjednoczonych, Mitsubishi w Japonii czy Siemens w Niemczech. Na rynku krajowym istnieje ryzyko „uduszenia”. Zgodnie z danymi Administracji Celną Generalną, import turbin gazowych w 2022 roku wyniósł 4,161 mld USD, a eksport – 735 mln USD.