OBT Учебный класс: Газовая турбина

Основные концепции

Согласно стандарту "Терминология газовых турбин" (ГБ/Т 15135-2018), газовая турбина представляет собой непрерывного действия вращающуюся машину (одиночную машину), преобразующую тепловую энергию в механическую работу, включающую компрессор, оборудование для нагревания рабочей среды (например, камеру сгорания), турбину, систему управления и вспомогательное оборудование.

Промышленные газотурбинные двигатели, обычно называемые газовыми турбинами или турбинами, промышленными газовыми двигателями, по сути, представляют собой то же самое, что и авиационные турбинные газовые двигатели (называемые авиационными двигателями), но сценарии применения немного отличаются. Они сжимают газ под высоким давлением в камеру сгорания, и через реакцию химической энергии преобразуют химическую энергию в механическую работу посредством турбины (транслитерация слова "турбина").

В качестве устройства преобразования энергии газовая турбина является авиадвигателем, который преобразует авиакеросин в механическую энергию для винта при полете в небе; газовая турбина, используемая на земле, преобразует природный газ и нефть в механическую энергию для генератора.

Паровые турбины, внутренние combustion двигатели и газовые турбины впервые были разработаны для использования на военных кораблях. Паровые турбины использовались до Первой мировой войны, двигатели внутреннего сгорания использовались во время Первой и Второй мировых войн, а газовые турбины для военных кораблей были разработаны после Второй мировой войны. Они были модифицированы от авиадвигателей и主要用于 основном на крупных надводных кораблях.

У газовых турбин есть несколько характеристик:

Во-первых, теоретический КПД преобразования энергии может достигать 88%, что является устройством с самым высоким КПД преобразования энергии в мире на данный момент. Говорят, что топливные элементы могут достичь КПД преобразования 90%, но они еще не полностью коммерциализированы; теоретический КПД преобразования энергии у двигателей внутреннего сгорания составляет 88%, что было проверено десятилетиями.

Во-вторых, температура горения газовых турбин относительно высока, а выбросы вредных газов сравнительно низки.

В-третьих, удельная мощность относительно велика. Одна машина размером с контейнер может обеспечивать энергией эсминец; два контейнера, как правило, достаточно для гражданского электроснабжения целого уезда. Паровые турбины очень большие, например, дизельные двигатели и двигатели внутреннего сгорания мощностью более 10 мегаватт обычно являются огромными устройствами весом тысячи тонн и высотой десятки метров.

Четвертое, газовые турбины не похожи на двигатели внутреннего сгорания, которые работают по принципу тактового цикла и производят работу один раз на четыре такта. Газовые турбины работают непрерывно, а турбина представляет собой вихревую линию. Это устройство теплового двигателя с самой высокой эффективностью преобразования энергии, которое преобразует химическую энергию в тепловую и механическую энергию.

В 1970-х годах газовые турбины вошли в американскую нефтяную промышленность, что привело к появлению промышленных газовых турбин. Двигатели самолетов требуют относительно высокой производительности, более сложны и имеют относительно короткий срок службы; промышленные двигатели не нуждаются в снижении веса, они сделаны очень прочными и требуют относительно длительного срока службы. В 1980-х годах, с развитием природного газа, они вошли в энергетическую отрасль.

После Второй мировой войны технический уровень США был не очень высок. Первым приобретением стали итальянские компании, которые являются центром вращающегося оборудования в Европе. Типичной британской компанией является Rolls-Royce, производящая авиационные двигатели. Как правило, компании, производящие авиационные двигатели, изготавливают газовые турбины. Немецкий концерн Siemens приобрел компании по всей Европе, а также модификацию авиационных двигателей Rolls-Royce. Газовые турбины России разрабатываются в основном совместно с Украиной. Проекты находятся в России, а некоторые производственные базы — в Мариуполе, Украина.

В последние десятилетия только Mitsubishi из Японии разработала настоящую тяжелую газовую турбину, а Kawasaki производит более мелкие, поэтому определенный порог все еще существует. Малые и средние газовые турбины в основном от GE, особенно для военного использования. Основные эсминцы оснащены преимущественно турбинами GE модели LM-2500. Siemens приобрела некоторые из своих малых газовых турбин в Линкольне, Великобритания, с мощностью менее 15 МВт, и некоторые в Финспанге, Швеция. Лучшей компанией в сфере малых газовых турбин является Solar из США, которая очень близка к своим клиентам и обладает наибольшей долей рынка в мире для малых газовых турбин с мощностью менее 15 МВт.

Классификация

По конструктивной форме и выходной мощности газовые турбины делятся на три категории: микро-, легкие и тяжелые. Микро- и легкие газовые турбины могут быть модифицированы из авиационных двигателей (также известных как "аэро-газовые"). Их мощность обычно не превышает 50 МВт, и они могут использоваться для промышленной выработки электроэнергии, судовой энергетики, компримирования трубопроводов, танковых локомотивов, распределенной генерации и комбинированного производства тепловой и электрической энергии. Мощность тяжелых газовых турбин превышает 50 МВт, и они в основном используются в качестве стационарных генераторов на суше, например, в городских электросетях.

Тяжелые газовые двигатели обычно классифицируются по температуре. Классы E, F, G и H соответствуют разным температурам сгорания. С инженерной точки зрения предпочтительнее классифицировать их на основе способности сплавов выдерживать температуру.

В Китае это малые газовые турбины. Малые газовые турбины обычно классифицируются по конструкции: одновальные, двухвальные, трехвальные, авиационные модификации, промышленные. Редко классифицируются по температуре, так как температура малых газовых турбин не такая высокая, как у тяжелых газовых турбин. Установки мощностью ниже 30 мегаватт имеют равноосные кристаллы, то есть E-класс. Это не является абсолютным, некоторые более продвинутые образцы достигли F-класса. Турбины E-класса в Китае были опытно изготовлены в 1995 году. Вероятно, мощность около 50 мегаватт соответствует F-классу, который представляет собой направленный кристалл. В Китае этот класс был опытно изготовлен в 2005 году, и сегодня у нас уже имеются все эти материалы. Самые передовые газовые турбины достигли H-класса, и сейчас у нас имеются второе поколение монокристаллов.

Обычно установки мощностью ниже 1 МВт называются микротурбинами. Микрогазовые турбины за рубежом не используют такие качественные сплавы из-за низкой температуры. Они применяют некоторые специальные стали и крайне редко используют равноосные кристаллы. Установки мощностью около 15 МВт называются малыми газовыми турбинами, в которых в основном используются равноосные кристаллы. За рубежом также существуют некоторые специализированные компании, применяющие специальные стали, но благодаря особенно хорошим покрытиям их изделия имеют высокое качество. Газовые турбины средней мощности 30~50 МВт в основном используют направленно-кристаллизованные лопатки, то есть F-класса. В более крупных установках применяются монокристаллы первого и второго поколений, что соответствует нашим отечественным брендам.

Малые и средние микротурбины обычно используются в распределенной энергетике и для комбинированного производства тепловой и электрической энергии. Установки мощностью ниже 30 МВт и 15 МВт в основном используются в провинции Сычуань, а мощностью ниже 7 МВт — в основном в Чунцине. Это связано с масштабом промышленных парков. Установки около 30 МВт в основном используются в провинции Цзянсу, а мощностью от 50 МВт до 100 МВт — в промышленных парках провинции Гуандун, где они обычно применяются для распределенной энергетики или комбинированного производства тепловой и электрической энергии. Более крупные установки мощностью свыше 100 МВт используются для регулирования пиковых нагрузок в больших энергосетях или как источники основной нагрузки. В нефтегазовой отрасли применяются малые установки. В горнодобывающей промышленности на начальном этапе в основном используются турбины мощностью 7 МВт и 15 МВт, а на транспортной стадии (магистральные трубопроводы) — в основном 15 МВт и 30 МВт.

Система проектирования газовых турбин мощностью ниже 30 МВт относительно成熟, и процессуальная материальная система также относительно mature. Урожайность OBT может достигать 85%. Промышленные газовые турбины по-прежнему должны уделять внимание экономической эффективности, технико-экономической оценке или соотношению цена-качество, а основным показателем оценки является урожайность.

Для газовых турбин среднего и крупного размеров у нас (отечественных производителей) накоплено немного программного обеспечения для проектирования, проектных спецификаций, а также баз данных по некоторым материалам и технологическим процессам в нашей системе проектирования. Поэтому данная система проектирования еще недостаточно зрелая, и коэффициент выхода продукции не очень высокий. Уровень F и ориентированная кристаллизация являются рубежом. Ниже уровня ориентированной кристаллизации мы все же достаточно уверенно можем участвовать в международной конкуренции. Что касается уровня выше ориентированной кристаллизации, то на промышленном уровне у нас еще имеется определенный разрыв. Эта область передана национальной команде. Несколько центральных предприятий занимаются фундаментальными исследованиями и разработками, инвестиции в основные материалы и базовые процессы огромны.

Промышленная цепочка

На этапе добычи сырья в газовой турбинной промышленности моей страны производители высокотемпературных сплавов, титановых сплавов, композитных материалов, алюминиевых сплавов и обычной стали включают в себя таких компаний, как «Gangyan Gaona», «Fushun Special Steel», «Baoti Group» и другие. На этапе производства деталей и компонентов материалы подвергаются литью, ковке или другим процессам для изготовления турбинных лопастей, валов и других частей. Лопасти и другие детали формируются с помощью процесса литья. Крупные отечественные литейные и кузнечные предприятия включают в себя такие компании, как «Yingliu Co., Ltd.», «Wanze Co., Ltd.», «Tunan Co., Ltd.» и другие. Далее на этапе конечного производства производители полностью собирают различные компоненты в готовые машины. Основными производителями являются: «AECC», «Shanghai Electric», «Helan Turbine», «Harbin Electric» и другие.

Верхнепотоковые отрасли, особенно продукция, такая как высокотемпературные сплавы, высокотемпературные титановые сплавы, теплозащитные покрытия и передовые керамические композиционные материалы, играют важную роль в развитии оборонной промышленности и производства высокотехнологичного оборудования. Внутренние газовые турбины主要用于 электрическая генерация, а небольшая часть используется для закачки воды, забора воздуха, повышения давления на нефтегазовых месторождениях и для обеспечения мощностью кораблей и танков. Основное внимание уделяется распределенной генерации электроэнергии, комбинированному производству тепла и электроэнергии, транспортировке природного газа по трубопроводам, судовым двигателям и механическому приводу. У газовых турбин нашей страны есть огромный потенциал рынка в областях распределенной энергоснабжения, станций повышения давления, промышленной генерации электроэнергии и других сферах, и политика поддерживает быстрое развитие отрасли. Нынешние крупномасштабные проекты нашей страны, такие как "Транзит газа с Запада на Восток", "Передача электроэнергии с Запада на Восток" и "Переброска воды с Юга на Север", а также быстрое развитие судостроительной промышленности нашей страны привели к быстрому росту спроса на газовые турбины.

Промышленная политика

Современная энергетическая система 14-й пятилетки также определяет газовые турбины как ключевую технологию, практически ставя их на один уровень с ядерной энергией, новыми энергетическими системами, хранением энергии и водородной энергией.

Государственная корпорация по электроэнергетическим инвестициям выполнила два специальных проекта: один из них — крупный проект по созданию тяжёлых газовых турбин, включая турбины на смеси водорода. Чисто водородная турбина была установлена во Внутренней Монголии, но пока не введена в эксплуатацию. На электростанции Цзиньмэнь используется смесь с содержанием 15% водорода. Харбинский электромеханический завод и Группа электростанций провинции Гуандун (Группа энергии Гуандун) реализовали проект на базе смеси водорода в Даьяване, а компания «Чжоушань Паровой Турбин» и Сименс осуществили проект на базе смеси водорода в Чжоушане.

Газовые турбины широко используются в трубопроводе "Запад-Восток" и на морских нефтяных платформах. Как предприятие, связанное с военной сферой, КННК также подверглась санкциям со стороны США и сталкивается с риском прекращения поставок. Во время российско-украинской войны газовые турбины Siemens, приобретенные Россией, были задержаны при отправке в Канаду на ремонт, что повлияло на энергетическую безопасность. Локализация должна быть проведена как можно скорее.

Рыночное пространство

В 2022 году производство газовых турбин в нашей стране составит 4,0563 млн кВт, а спрос будет около 6,7986 млн кВт.

По статистике, объем рынка газовых турбин в нашей стране достиг 61,669 млрд юаней в 2022 году, из которых объем рынка микрогазовых турбин составил 893 млн юаней, объем рынка легких газовых турбин — 56,569 млрд юаней, а объем рынка тяжелых газовых турбин — 4,207 млрд юаней.

Моя страна теперь может самостоятельно производить легкие газовые турбины (мощность ниже 50 МВт). Более дешевые модели можно даже экспортировать, но тяжелые газовые турбины (мощностью свыше 50 МВт) по-прежнему в основном зависят от импорта. Основные технологии практически монополизированы международными производителями, такими как американская компания GE, японская Mitsubishi и немецкая Siemens. Существует риск быть «удушенным» на внутреннем рынке. По данным Генеральной таможенной администрации, импорт газовых турбин в 2022 году составит 4,161 млрд долларов США, а экспорт — 735 млн долларов США.