Sala de Conhecimento OBT: Turbina a Gás

Conceitos Básicos

De acordo com o "Vocabulário de Turbinas a Gás" (GB/T 15135-2018), uma turbina a gás refere-se a uma máquina rotativa de fluxo contínuo (máquina única) que converte energia térmica em trabalho mecânico, incluindo um compressor, equipamento para aquecer o fluido de trabalho (como uma câmara de combustão), uma turbina, sistema de controle e equipamentos auxiliares.

Motores industriais de turbina a gás, geralmente denominados turbinas a gás ou turbinas, motores industriais a gás, são essencialmente a mesma coisa que motores de turbina a gás para aviação (denominados motores de aviação), mas os cenários de aplicação são ligeiramente diferentes. Eles comprimem gás de alta pressão em uma câmara de combustão e, por meio da reação de energia química, convertem a energia química em trabalho mecânico através de uma turbina (a transliteração da palavra turbine).

Como dispositivo de conversão de energia, um turbina a gás é um motor de avião que converte querosene de aviação em energia mecânica para o hélice ao voar no céu; uma turbina a gás usada no solo converte gás natural e petróleo em energia mecânica para o gerador.

Turbinas a vapor, motores de combustão interna e turbinas a gás foram inicialmente desenvolvidos para uso em navios de guerra. Turbinas a vapor foram usadas antes da Primeira Guerra Mundial, motores de combustão interna foram usados durante a Primeira e Segunda Guerras Mundiais, e turbinas a gás para navios de guerra foram desenvolvidas após a Segunda Guerra Mundial. Elas foram modificadas a partir de motores de aviões e eram usadas principalmente em grandes navios de superfície.

As turbinas a gás têm várias características:

Primeiro, a eficiência teórica de conversão de energia pode atingir 88%, que é o dispositivo com a maior eficiência de conversão de energia do mundo até agora. Diz-se que as células a combustível podem alcançar uma eficiência de conversão de 90%, mas ainda não foram totalmente comercializadas; a eficiência teórica de conversão de energia dos motores de combustão é de 88%, o que foi testado por décadas.

Segundo, a temperatura de combustão das turbinas a gás é relativamente alta e a emissão de gases nocivos é relativamente baixa.

Terceiro, a densidade de potência é relativamente grande. Uma única máquina do tamanho de um contêiner pode fornecer energia para um destróier; dois contêineres são basicamente suficientes para o consumo elétrico civil de um condado. As turbinas a vapor são muito grandes, como motores diesel e motores de combustão interna com capacidade superior a 10 megawatts, que são basicamente dispositivos grandes, pesando milhares de toneladas e medindo dezenas de metros de altura.

Em quarto lugar, as turbinas a gás não são como motores de combustão interna, que são do tipo de curso e realizam trabalho uma vez a cada 4 ciclos. As turbinas a gás funcionam continuamente, e a turbina é uma linha de vórtice. É um dispositivo de motor térmico com a maior eficiência de conversão de energia, convertendo energia química em energia térmica e mecânica.

Nos anos 70, as turbinas a gás entraram na indústria petrolífera dos EUA, surgindo assim as turbinas a gás industriais. Os motores de aeronaves exigem desempenho relativamente alto, são relativamente sofisticados e têm vida útil relativamente curta; os motores industriais não precisam reduzir o peso, são feitos muito robustos e requerem uma vida útil relativamente longa. Nos anos 80, com o desenvolvimento do gás natural, elas entraram na indústria de energia.

Após a Segunda Guerra Mundial, o nível técnico dos Estados Unidos não era muito elevado. A primeira aquisição foi de empresas italianas, que são especialistas em equipamentos rotativos na Europa. A empresa britânica típica é a Rolls-Royce, fabricante de motores de aeronaves. Geralmente, empresas que produzem motores de aeronaves também fabricam turbinas a gás. A Siemens da Alemanha adquiriu empresas por toda a Europa e também comprou a divisão de modificações aeroespaciais da Rolls-Royce. As turbinas a gás russas são desenvolvidas principalmente em cooperação com a Ucrânia. Os projetos são todos feitos na Rússia, e algumas bases de fabricação estão em Mariupol, na Ucrânia.

Nas últimas décadas, apenas a Mitsubishi do Japão desenvolveu uma turbina a gás de verdadeiro grande porte, e a Kawasaki fabrica versões menores, então ainda existe um certo limiar. As turbinas a gás pequenas e médias são principalmente da GE, especialmente para uso militar. Os destróieres principais são em sua maioria da GE, o modelo LM-2500. A Siemens adquiriu algumas de suas turbinas a gás menores em Lincoln, Reino Unido, com capacidade inferior a 15 MW, e outras em Finspång, Suécia. A melhor empresa em turbinas a gás pequenas é a Solar nos EUA, que está muito próxima de seus clientes e possui a maior fatia de mercado mundial para turbinas a gás pequenas com capacidade inferior a 15 MW.

Classificação

De acordo com a forma estrutural e potência de saída, as turbinas a gás podem ser divididas em três categorias: micro, leve e pesada. Entre elas, as turbinas a gás micro e leves podem ser modificadas a partir de motores de aeronaves (também conhecidos como "aero-to-gas"), com potência geralmente inferior a 50 MW, e podem ser utilizados na geração industrial de energia, propulsão naval, bombeamento de dutos, locomotivas de tanques, geração distribuída de energia e cogeração. As turbinas a gás de categoria pesada têm potência superior a 50 MW e são principalmente utilizadas como geradores fixos em terra, como em redes elétricas urbanas.

As turbinas a gás pesadas são geralmente classificadas de acordo com a temperatura. As classes E, F, G e H correspondem a diferentes temperaturas de combustão. Do ponto de vista de engenharia, é preferível classificá-las com base na capacidade de resistência à temperatura da liga.

Na China, são turbinas a gás pequenas. As turbinas a gás pequenas geralmente são classificadas por estrutura: eixo único, duplo eixo, triplo eixo, aero modificadas, industriais, e raramente classificadas por temperatura, pois a temperatura dessas turbinas não é tão elevada quanto a das turbinas a gás pesadas. Aquelas com níveis de potência abaixo de 30 megawatts são cristais equiaxiais, ou seja, grau E. Isso não é absoluto, e algumas mais avançadas já alcançaram o grau F. O grau E foi produzido experimentalmente na China em 1995. Cerca de 50 megawatts provavelmente corresponde ao grau F, que é um cristal orientado. A China produziu experimentalmente esse grau em 2005, e agora possuímos todos esses materiais. As turbinas a gás mais avançadas já alcançaram o grau H, e agora temos os nossos cristais singulares de segunda geração.

Geralmente, as turbinas a gás com potência inferior a 1 MW são chamadas de microturbinas a gás. Microturbinas a gás no exterior não utilizam ligas tão boas assim devido à baixa temperatura. Elas utilizam alguns aços especiais e raramente empregam cristais equiaxiais. As turbinas a gás de cerca de 15 MW são chamadas pequenas turbinas a gás, que principalmente utilizam cristais equiaxiais. Existem também algumas empresas especiais no exterior que utilizam aços especiais, mas como seus revestimentos são particularmente bons, elas conseguem fabricar componentes melhores. Turbinas a gás de médio porte, geralmente de 30 a 50 MW, utilizam mais cristais orientados, ou seja, da classe F. As maiores utilizam monocristais das primeira e segunda gerações, que são os nossos produtos de marcas nacionais.

Microturbinas a gás de pequeno e médio porte são amplamente utilizadas em geração distribuída e cogeração. As abaixo de 30 MW e 15 MW são principalmente usadas em Sichuan e as abaixo de 7 MW são amplamente utilizadas em Chongqing. Isso está relacionado com o tamanho dos seus parques industriais. As em torno de 30 MW são amplamente utilizadas em Jiangsu, e aquelas entre 50 MW e 100 MW são amplamente utilizadas em parques industriais de Guangdong, geralmente para geração distribuída ou cogeração. As acima de 100 MW são utilizadas para regulação de pico em grandes redes elétricas ou como usinas de base. A indústria de óleo e gás utiliza as menores. Na indústria de mineração a montante, são amplamente utilizadas as de 7 MW e 15 MW, e no transporte por dutos intermediários predominam as de 15 MW e 30 MW.

O sistema de design de turbinas a gás abaixo de 30 MW é relativamente maduro, e o sistema de materiais de processo também é relativamente maduro. A taxa de conversão do OBT pode alcançar 85%. As turbinas a gás industriais ainda precisam se concentrar no desempenho econômico, na avaliação técnico-econômica ou no custo-benefício, e o principal indicador de avaliação é a taxa de conversão.

Para turbinas a gás de médio e grande porte, nós (domésticos) temos pouca acumulação de software de projeto, especificações de projeto e bases de dados de alguns materiais e processos no nosso sistema de projeto, portanto este sistema de projeto não é muito maduro e a taxa de aproveitamento não é alta. O nível F ou cristal orientado é um divisor de águas. Abaixo do cristal orientado, ainda temos confiança suficiente para participar da competição internacional. Acima do cristal orientado, em nível industrial, ainda existe uma certa lacuna. Esta área foi entregue à equipe nacional. Várias empresas centrais estão realizando pesquisas e desenvolvimento básicos, e o investimento em materiais e processos básicos é enorme.

Cadeia Industrial

Na parte upstream da cadeia de suprimentos da indústria de turbinas a gás do meu país, os fabricantes de ligas resistentes a altas temperaturas, ligas de titânio, materiais compósitos, ligas de alumínio e aço comum incluem empresas como Gangyan Gaona, Fushun Special Steel, Baoti Group, entre outros. Na parte de componentes e peças intermediárias (midstream), os materiais são fundidos, forjados ou submetidos a outros processos para fabricar pás de turbina, eixos e outras peças. As pás e outras peças são produzidas pelo processo de fundição. Os principais fabricantes nacionais de fundição e forjamento incluem Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd., entre outros. Posteriormente, os fabricantes downstream de máquinas completas montam várias peças para formar as unidades completas. Os principais fabricantes incluem AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric, entre outros.

As indústrias upstream, especialmente produtos como ligas de alta temperatura, ligas de titânio de alta temperatura, revestimentos térmicos de barreira e materiais compósitos cerâmicos avançados, desempenham um papel significativo no desenvolvimento da indústria de defesa nacional e na fabricação de equipamentos de alta tecnologia. As turbinas a gás domésticas são usadas principalmente para geração de energia, e uma pequena parte é utilizada para injeção de água, captação de ar, pressurização em campos de petróleo e gás, além de fornecer energia para navios e tanques. O foco está em geração distribuída, cogeração, transporte de gasodutos de gás natural, propulsão naval e acionamento mecânico. A turbina a gás do meu país tem um enorme potencial de mercado nos campos de fornecimento de energia distribuída, estações de pressurização, geração industrial de eletricidade e outros setores, com políticas que apoiam o rápido desenvolvimento da indústria. Os grandes projetos atuais do meu país, como a "Transmissão de Gás Oeste-Leste", "Transmissão de Energia Oeste-Leste" e "Desvio de Água Sul-Norte", além do rápido desenvolvimento da indústria naval do meu país, levaram a um aumento rápido na demanda por turbinas a gás no meu país.

Política Industrial

O sistema moderno de energia do 14º Plano Quinquenal também lista as turbinas a gás como uma tecnologia-chave central, basicamente colocando-as no mesmo nível que a energia nuclear, sistemas elétricos renovados, armazenamento de energia e energia de hidrogênio.

A State Power Investment Corporation realizou dois projetos especiais, um é um grande projeto para turbinas a gás pesadas, incluindo turbinas a gás com mistura de hidrogênio. Uma puramente a hidrogênio foi construída na Mongólia Interior, mas ainda não entrou em operação. A Usina Termelétrica de Jingmen já misturou 15%. A Harbin Electric e o Grupo Elétrico de Guangdong, que é o Grupo Energético de Guangdong, realizaram um projeto de mistura de hidrogênio em Daya Bay, e a Hangzhou Steam Turbine e a Siemens realizaram um projeto de mistura de hidrogênio em Zhoushan.

As turbinas a gás são amplamente utilizadas no Gasoduto Oeste-Leste e em plataformas de petróleo offshore. Como empresa relacionada ao setor militar, a CNOOC também foi sancionada pelos Estados Unidos e enfrenta o risco de cortes no fornecimento. Durante a guerra entre Rússia e Ucrânia, as turbinas a gás Siemens compradas pela Rússia foram retidas quando enviadas para o Canadá para reparo, afetando a segurança energética. A localização deve ser realizada o mais rápido possível.

Espaço de Mercado

Em 2022, a produção de turbinas a gás do meu país será de 4.0563 milhões de quilowatts, e a demanda será de aproximadamente 6.7986 milhões de quilowatts.

De acordo com estatísticas, o tamanho do mercado de turbinas a gás do meu país atingiu 61,669 bilhões de yuans em 2022, dos quais o tamanho do mercado de microturbinas foi de 893 milhões de yuans, o tamanho do mercado de turbinas leves foi de 56,569 bilhões de yuans, e o tamanho do mercado de turbinas pesadas foi de 4,207 bilhões de yuans.

O meu país agora pode produzir independentemente turbinas a gás leves (potência inferior a 50 MW). As de baixa extremidade podem até ser exportadas, mas as turbinas a gás pesadas (potência superior a 50 MW) ainda dependem basicamente de importações. A tecnologia central está basicamente monopolizada por fabricantes internacionais, como a GE nos Estados Unidos, a Mitsubishi no Japão e a Siemens na Alemanha. Existe o risco de ficar "engasgado" no mercado interno. De acordo com dados da Administração Geral das Alfândegas, as importações de turbinas a gás em 2022 serão de 4,161 bilhões de dólares dos EUA e as exportações serão de 735 milhões de dólares dos EUA.