Clasa de Cunoaștere OBT: Turbină cu Gaz

Concepte de bază

Conform "Vocabularului privind turbinele cu gaz" (GB/T 15135-2018), o turbină cu gaz se referă la o mașină rotativă cu curgere continuă (mașină unică) care transformă energia termică în lucru mecanic, inclusiv un compresor, echipamente pentru încălzirea fluidului de lucru (de exemplu, o cameră de combustie), o turbină, un sistem de control și echipamente auxiliare.

Motoarele industriale cu turbină cu gaz, cunoscute în general sub numele de turbine cu gaz sau turbine, motoare cu gaz industriale, sunt esențialmente același lucru cu motoarele aviatice cu turbină cu gaz (denumite motoare aviatice), însă scenariile de utilizare sunt ușor diferite. Acestea comprimă gazul sub presiune într-o cameră de combustie și, prin reacția energiei chimice, transformă energia chimică în lucru mecanic printr-o turbină (transliterarea turbinei).

Ca dispozitiv de conversie a energiei, o turbină cu gaz este un motor de avion care convertește kerosenul de aviatic în energie mecanică pentru propulsor atunci când zboară în cer; o turbină cu gaz folosită pe pământ convertește gazele naturale și țițeiul în energie mecanică pentru generator.

Turbine cu aburi, motoare cu combustie internă și turbine cu gaz au fost dezvoltate inițial pentru a fi utilizate pe nave de război. Turbinele cu aburi au fost folosite înainte de Primul Război Mondial, motoarele cu combustie internă au fost folosite în timpul Primului și al Doilea Război Mondial, iar turbinele cu gaz pentru nave de război au fost dezvoltate după Al Doilea Război Mondial. Acestea au fost modificate din motoare de avioane și erau utilizate în principal pe nave de suprafață mari.

Turbinele cu gaz au mai multe caracteristici:

În primul rând, eficiența teoretică de conversie a energiei poate ajunge la 88%, ceea ce reprezintă dispozitivul cu cea mai mare eficiență de conversie a energiei din lume până acum. Celulele de combustie se spune că pot atinge o eficiență de conversie de 90%, dar acestea nu au fost încă complet comercializate; eficiența teoretică de conversie a energiei a motorilor cu combustie internă este de 88%, ceea ce a fost testat timp de zeci de ani.

În al doilea rând, temperatura de combustie a turbinelor cu gaz este relativ ridicată, iar emisiile de gaze nocive sunt relativ mici.

În al treilea rând, densitatea puterii este relativ mare. O singură mașinărie de dimensiunea unui container poate furniza energie unui distruktor; două containeruri sunt de regulă suficiente pentru cererea electrică civilă a unui județ. Turbinele cu aburi sunt foarte mari, precum motoarele diesel și motoarele cu combustie internă cu o capacitate de peste 10 megawatti, care sunt de regulă dispozitive mari de câteva mii de tone și de zeci de metri înălțime.

În al patrulea rând, turbinele cu gaz nu sunt ca motoarele cu combustie internă, care sunt de tip ciclu și efectuează muncă o dată la fiecare 4 cicluri. Turbinele cu gaz funcționează în mod continuu, iar turbina este o linie de vorți. Este un dispozitiv motor termic cu cea mai mare eficiență de conversie a energiei, convertind energia chimică în energie termică și mecanică.

În anii '70, turbinele cu gaz au intrat în industria petroliferă din SUA, ceea ce a dus la apariția turbinelor industriale cu gaz. Motoarele pentru aeronave necesită performanțe relativ ridicate, sunt relativ sofisticate și au o viață utilă relativ scurtă; motoarele industriale nu trebuie să reducă greutatea, sunt fabricate foarte robuste și necesită o viață utilă relativ lungă. La începutul anilor '80, cu dezvoltarea gazei naturale, acestea au pătruns în industria energetică.

După al Doilea Război Mondial, nivelul tehnic al Statelor Unite nu era foarte ridicat. Prima achiziție a fost formată din companii italiene, care sunt capitalul echipamentelor rotative din Europa. Compania britanică tipică este Rolls-Royce, producătoare de motoare de avion. În general, companiile care produc motoare de avion vor produce i turbomotoare. Compania germană Siemens a achiziționat companii în toată Europa și a achiziționat, de asemenea, modificarea motoarelor de avion de la Rolls-Royce. Turbomotoarele rusești sunt în principal în cooperare cu Ucraina. Proiectele se află toate în Rusia, iar unele baze de producție se află în Mariupol, Ucraina.

În ultimele decenii, doar Mitsubishi din Japonia a dezvoltat o turbină gaz reală pesată, iar Kawasaki produce una mai mici, așa că există încă un anumit prag. Turbinele gaz mini și medii sunt în principal GE, mai ales pentru uz militar. Cele principale corvette sunt în mare parte GE, modelul LM-2500. Siemens a cumpărat unele dintre turbinele sale de gaz mici din Lincoln, Regatul Unit, cu o capacitate de sub 15 MW, și unele din Finspång, Suedia. Cea mai bună companie în turbinele de gaz mici este Solar din Statele Unite, care este foarte apropiată de clienții săi și are cea mai mare parte de piață din lume pentru turbinele de gaz mici cu o capacitate de sub 15 MW.

Clasificarea

În funcție de forma structurală și puterea de ieșire, turbinele cu gaz pot fi împărțite în trei categorii: micro, ușoare și grele. Între acestea, turbinele cu gaz micro și ușoare pot fi modificate din motoare de avion (cunoscute și sub denumirea de "aero-to-gas"), având de obicei o putere de maximum 50 MW și pot fi utilizate în producerea industrială de energie electrică, propulsia navală, creșterea presiunii în conducte, locomotive pentru tancuri, generarea distribuită de energie electrică și cogenerare. Turbinele cu gaz grele au o putere mai mare de 50 MW și sunt utilizate în principal ca generatoare fixe pe uscat, cum ar fi rețelele electrice urbane.

Motoarele grele cu gaz sunt clasificate, în general, în funcție de temperatură. Clasele E, F, G și H corespund diferitelor temperaturi de combustie. Din punct de vedere ingineresc, este preferabil să fie clasificate în funcție de capacitatea materialelor compozite de a rezista la temperatură.

În China, sunt turbinele mici cu gaz. Turbinele mici cu gaz sunt clasificate în general după structură: monoaxiale, dublu axiale, triaxiale, modificate aerospațial, industriale și rareori după temperatură, deoarece temperatura acestora nu este atât de ridicată comparativ cu turbinele grele cu gaz. Cele cu nivelul de putere sub 30 MW sunt cristale echiaxe, adică grad E. Aceasta nu este o regulă absolută, unele mai avansate fiind deja de grad F. Gradul E a fost produs experimental în China în anul 1995. Probabil că la circa 50 MW corespunde gradului F, care este un cristal orientat. China a realizat experimental acest grad în 2005, iar acum dispunem de toate aceste materiale. Cele mai avansate turbine cu gaz au atins gradul H și acum avem al doilea tip de cristale singulare.

În general, cele sub 1 MW sunt denumite micro-turbine cu gaz. În străinătate, micro-turbinele cu gaz nu utilizează aliaje atât de bune din cauza temperaturii scăzute. Ele folosesc oțeluri speciale și rareori utilizează cristale echiaxe. Cele de circa 15 MW sunt denumite turbine cu gaz mici, care utilizează în principal cristale echiaxe. Există și câteva companii speciale în străinătate care folosesc oțeluri speciale, însă datorită acoperirilor foarte bune, produsele sunt mai bune. Turbinele mici și mijlocii de 30~50 MW utilizează în general mai multe cristale orientate, adică de clasă F. Cele mai mari folosesc monocristale din prima și a doua generație, care sunt mărcile noastre autohtone.

Microturbinele mici și mijlocii cu gaz sunt utilizate în principal pentru producerea de energie distribuită și combinată de căldură și energie. Cele sub 30 MW și 15 MW sunt în principal utilizate în Sichuan, iar cele sub 7 MW sunt în principal utilizate în Chongqing. Aceasta este legată de dimensiunea parcurilor industriale ale acestora. Cele de circa 30 MW sunt în principal utilizate în Jiangsu, iar cele între 50 MW și 100 MW sunt în principal utilizate în parcurile industriale din Guangdong, fiind dedicate în general producerii de energie distribuite sau combinate de căldură și energie. Cele peste 100 MW sunt utilizate pentru reglarea vârfurilor unor rețele electrice mari sau ca centrale electrice de bază. Industria petrolului și a gazelor utilizează unități mici. În industria extractivă, sunt utilizate în principal microturbine de 7 MW și 15 MW, iar transportul pe conducte utilizează în principal unități de 15 MW și 30 MW.

Sistemul de proiectare al turbinelor cu gaz sub 30 MW este relativ maturesc, iar sistemul de materiale procesuale este, de asemenea, relativ maturesc. Rata de producție a OBT poate atinge 85%. Turbinile industriale cu gaz trebuie să se concentreze încă asupra performanței economice, evaluării tehnico-economice sau raportului calitate-preț, iar indicatorul principal de evaluare este rata de producție.

Pentru turbinele cu gaz de dimensiune medie și mare, noi (național) avem o acumulare redusă de programe de proiectare, specificații de proiectare, precum și baze de date privind anumite materiale și procese în sistemul nostru de proiectare, astfel că acest sistem de proiectare nu este foarte matur, iar rata de randament nu este ridicată. Nivelul F sau cristalul orientat reprezintă un punct de cotitură. Sub nivelul cristalului orientat, suntem destul de încrezători pentru a participa la competiții internaționale. Peste nivelul cristalului orientat, la nivel industrial, continuăm să avem unele diferențe. Această zonă este preluată de echipa națională. Câteva întreprinderi centrale desfășoară cercetări și dezvoltări fundamentale, iar investiția în materiale de bază și procese de bază este semnificativă.

Lanțul industrial

În amonte al lanțului industrial al turbinelor cu gaz din țara mea, producătorii de aliaje rezistente la temperaturi înalte, aliaje de titan, materiale compozite, aliaje de aluminiu și oțel general includ companii precum Gangyan Gaona, Fushun Special Steel, Baoti Group etc. În etapa de mijloc a lanțului, piese și componente sunt realizate prin turnare, forjare sau alte procese pentru a produce palete de turbină, arbori și alte piese. Paletele și alte piese sunt formate prin procesul de turnare. Principalele companii naționale de turnare și forjare includ Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd., etc. Apoi, în aval, producătorii de echipamente complete asamblează diverse piese în mașini complete. Printre principalele companii se numără AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric etc.

Industriile upstream, în special produsele precum aleaşe de înaltă temperatură, aleaşe de titan la înaltă temperatură, revărsuri termice și materiale compozite ceramice avansate, joacă un rol important în promovarea industriei de apărare națională și a fabricației de echipamente de înaltă performanță. Turbinele gaz din țară sunt utilizate în principal pentru producerea de electricitate, iar o mică parte sunt folosite pentru injeção de apă, introducere de aer, presurizare în câmpurile de țiței și gaze naturale, precum și pentru motorizarea navelor și tancurilor. Accentul este pus pe generarea distribuită de energie, cogenerarea căldurii și electricității, transportul gazelor naturale prin conducte, propulsia navală și conducerea mecanică. În aspecte precum aprovizionarea energetică distribuită, stațiile de presurizare, generarea industrială de energie și alte domenii, turbinele gaz din țară au un potențial de piață masiv, iar politica sprijină dezvoltarea rapidă a industriei. Proiectele actuale de scară largă din țară, cum ar fi "Transmiterea Gazei de la Vest la Est", "Transmiterea Energiei de la Vest la Est" și "Devierarea Apei de la Sud la Nord", precum și dezvoltarea rapidă a industriei navale din țară, au dus la o creștere rapidă a nevoilor noastre de turbine gaz.

Politica Industrială

Sistemul modern de energie din Planul de cinci ani al Chinei (2021-2025) menționează și turbinele cu gaz ca tehnologie cheie principală, plasându-le practic pe același nivel cu energia nucleară, noile sisteme energetice, stocarea energiei și energia hidrogenului.

Statal Power Investment Corporation a realizat două proiecte speciale, unul este un proiect major pentru turbinele gaze grele, inclusiv turbinele cu amestec de hidrogen. Una pur hidrogen a fost construită în Inner Mongolia, dar nu a fost încă pusă în funcțiune. Centrala Electrică Jingmen a amestecat 15%. Harbin Electric și Grupul Electric Guangdong, care este Grupul Energetic Guangdong, au realizat un proiect de amestecare cu hidrogen în Daya Bay, iar Hangzhou Steam Turbine și Siemens au realizat un proiect de amestecare cu hidrogen în Zhoushan.

Turbinele cu gaz sunt folosite în mod extensiv în Conducta de Gaz Est-Vest și pe platformele offshore de petrol. Fiind o întreprindere legată de apărare, CNOOC a fost de asemenea sancționată de Statele Unite și se confruntă cu riscul unei reduceri a aprovizionării. În timpul războiului ruso-ucrainean, turbinele cu gaz Siemens cumpărate de Rusia au fost reținute când au fost trimise în Canada pentru reparare, ceea ce a afectat securitatea energetică. Localizarea trebuie să fie realizată cât mai curând posibil.

Spațiu de Piață

În 2022, producția de turbine cu gaz a țării noastre va fi de 4.0563 milioane de kilowati, iar cererea va fi de aproximativ 6.7986 milioane de kilowati.

Conform statisticilor, dimensiunea pieței de turbine cu gaz a țării noastre a ajuns la 61,669 miliarde de yuan în 2022, dintre care dimensiunea pieței de turbine cu gaz micro era de 893 de milioane de yuan, dimensiunea pieței de turbine cu gaz ușoare era de 56,569 miliarde de yuan, iar dimensiunea pieței de turbine cu gaz grele era de 4,207 miliarde de yuan.

Țara mea poate acum produce independent turbine cu gaz ușoare (putere sub 50 MW). Cele de gama joasă pot fi chiar exportate, însă turbinele cu gaz grele (putere peste 50 MW) depind în continuare în mare măsură de importuri. Tehnologia de bază este în esență monopolizată de producătorii internaționali precum GE din Statele Unite, Mitsubishi din Japonia și Siemens din Germania. Există un risc de a fi "sufocat" pe piața internă. Conform datelor Administrației Naționale a Vămilor, importurile de turbine cu gaz în 2022 au fost de 4,161 miliarde de dolari americani, iar exporturile au fost de 735 milioane de dolari americani.