OBT Knowledge Classroom: Plinska turbina

Osnovni koncepti

Glasno standardu »Slovar gasnih turbín« (GB/T 15135-2018) se pod izrazom plinska turbina razume neprekinjeno delujoča rotacijska naprava (posamezna naprava), ki pretvarja toplotno energijo v mehansko delo, vključuje kompresor, opremo za segrevanje delovne tekočine (npr. zgorevalno komoro), turbino, krmilni sistem in pomožno opremo.

Industrijski motorji z plinskimi turbinami, pogosto imenovani plinske turbine ali turbine, industrijski plinski motorji, so po svoji sestavi v bistvu isto kot letalski motorji z plinskimi turbinami (imjenovani letalski motorji), vendar pa se rahlo razlikujejo uporabni primeri. Skozi kompresor stisnejo visokotlačni plin v zgorevalno komoro, kjer se s kemijsko reakcijo kemijska energija pretvori v mehansko delo prek turbine (prevod besede turbina).

Kot naprava za pretvorbo energije je plinski turbine letalski motor, ki pretvori letečo kerosin v mehansko energijo za vrtalnik med letenjem; plinska turbine, uporabljena na zemlji, pretvori naravni plin in olje v mehansko energijo za generator.

Parne turbine, notranjegoreče motore in plinske turbine so bile prvič razvite za uporabo na vojaških ladjah. Parne turbine so bile uporabljene pred prvo svetovno vojno, notranjegoreče motore med prvo in drugo svetovno vojno, plinske turbine za vojaške ladje pa so bile razvite po drugi svetovni vojni. Bile so spremenjene iz letalskih motorjev in so bile glavno uporabljane na velikih ploščah na površju morja.

Plinske turbine imajo nekaj lastnosti:

Najprej, teoretična učinkovitost pretvorbe energije lahko doseže 88 %, kar je naprava z najvišjo učinkovitostjo pretvorbe energije v svetu do zdaj. Toplične črpalke bi morale doseči učinkovitost pretvorbe do 90 %, vendar še niso popolnoma komercializirane; teoretična učinkovitost pretvorbe energije pri sprožni motorji je 88 %, kar je bilo izkuščeno skozi desetletja.

Drugo, temperaturna toplota plinovnih turbin je relativno visoka, medtem ko je emisija škodljivih plinov relativno nizka.

Tretje, gostota moči je relativno velika. Ena naprava velikosti poštnega vsebine lahko zagotavlja energijo uničenju; dva poštna vsebina sta praktično zadostna za civilno porabo električne energije celotne okrožne. Parne turbine so zelo velike, kot na primer dizeljski in notranje krmiljeni motorji z močjo nad 10 megavat, ki so v bistvu naprave, ki utežijo tisoče ton in so desetine metrov visoke.

Četrti, plinske turbine niso enake kot notranjezhope motorji, ki so tipa zasebnega ciklusa in pri katerih se delo izvaja vsakih 4 zacepov. Plinske turbine delujejo neprestano, in turbine je vrteča črta. To je naprava termičnega motora z najvišjo učinkovitostjo pretvorbe energije, ki pretvarja kemično energijo v toploto in mehansko energijo.

V 70. letih so plinske turbine vstopile v ameriško naftno industrijo, kar je pripomoglo k nastanku industrijskih plinskih turbin. Motorji letal zahtevajo relativno visoko zmogljivost, so relativno sofisticirani in imajo relativno krati življenjski cikel; industrijski motorji ne morejo težiti po zmanjšanju teže, so zgrajeni zelo trdno in zahtevajo relativno dolg življenjski cikel. Okoli leta 1980, s razvojem naravne pline, so vstopile v elektroenergetsko industrijo.

Po drugi svetovni vojni tehnični nivo Združenih držav ni bil zelo visok. Najzgodnejše pridobitve so bile italijanskih podjetij, ki so evropska prestolnica rotacijske opreme. Tipično britansko podjetje je Rolls-Royce, ki proizvaja letalske motorje. Podjetja, ki izdelujejo letalske motorje, ponavadi izdelujejo tudi plinske turbine. Nemški Siemens je pridobival podjetja po vsej Evropi ter tudi pridobil letalsko nadgradnjo Rolls-Roycea. Ruske plinske turbine so predvsem v sodelovanju z Ukrajino. Načrti so vsi v Rusiji, nekaj proizvodnih baz pa v Mariupolu na Ukrajini.

V zadnjih desetletjih je iz Japonske Mitsubishi edina, ki je razvila resnično težko plinski turbine, Kawasaki pa izdeluje manjše, zato obstaja še nekakšen prag. Manjše in srednje plinske turbine so glavno GE, posebno za vojaške namene. Glavni uničevalci so predvsem s GE, model LM-2500. Siemens je pridobil nekatere od svojih manjših plinskih turbin v Lincolnu v Združenem kraljestvu, z močjo manj kot 15 MW, ter nekatere v Finspångu v Švedskem. Najboljša družba v manjših plinskih turbinah je Solar v ZDA, ki je zelo povezana z svojimi strankami in ima največjo tržno deležo na svetu za male plinske turbine z močjo manj kot 15 MW.

Klasifikacija

Gorivne turbine se glede na strukturno obliko in izhodno moč razdelijo na tri kategorije: mikro, lahke in težke. Mikro in lahke gorivne turbine je mogoče prilagoditi z letalskih motorjev (znane tudi kot »aero-to-gas«), imajo običajno moč do 50 MW ter se uporabljajo za industrijsko proizvodnjo električne energije, ladijsko pogon, povečanje tlaka v cevovodih, teniške lokomotive, razpršeno proizvodnjo električne energije in kombinirano proizvodnjo toplote in električne energije. Težke gorivne turbine imajo moč več kot 50 MW in se predvsem uporabljajo kot fiksni generatorji na kopnem, na primer za mestne elektro omrežja.

Težki plinski motorji so po navadi klasificirani glede na temperaturo. Razred E, F, G in H ustrezajo različnim temperaturam zgorevanja. Z inženirskega stališča bi bilo bolje, da so klasificirani glede na temperaturno odpornost zlitine.

V Kitajski gre za majhne plinske turbine. Majhne plinske turbine so po strukturi razdeljene na enosmerne, dvosmerne, trosmjerne, aero-modificirane in industrijske ter redko po temperaturah, saj je temperatura majhnih plinskih turbin v primerjavi s težkimi plinskimi turbinsko ni tako visoka. Tiste z močjo pod 30 megavatov so izotropni kristali, to je razred E. To ni absolutno merilo, saj nekatere naprednejše že dosegajo razred F. Razred E je bil v Kitajski poskusno proizveden leta 1995. Okoli 50 megavatov verjetno ustreza razredu F, kar pomeni usmerjeni kristal. Ta razred smo v Kitajski poskusno proizvajali leta 2005, zdaj pa imamo vse te materiale. Najnaprednejše plinske turbine so dosegale razred H, zdaj pa imamo že druge generacije monokristalov.

Splošno velja, da so plinski turbini pod 1 MW imenovani mikro plinske turbine. V tujini mikro plinske turbine ne uporabljajo tako dobrih zlitin zaradi nizke temperature. Uporabljajo posebne jekla in redko uporabljajo enakoosne kristale. Tiste okoli 15 MW imenujejo majhne plinske turbine, ki predvsem uporabljajo enakoosne kristale. V tujini obstajajo tudi nekatere posebne podjetja, ki uporabljajo posebna jekla, vendar zaradi zelo dobrih prevlek izdelajo boljše komponente. Srednje velike 30~50 MW generalno uporabljajo usmerjene kristale, to je razred F. Večje uporabljajo enojne kristale prve in druge generacije, ki so naše domače blagovne znamke.

Mikro plinske turbine majhnih in srednjih velikosti se večinoma uporabljajo za razdeljeno proizvodnjo električne energije in kombinirano proizvodnjo toplote in električne energije. Tiste pod 30 MW in 15 MW se večinoma uporabljajo v provinci Sečuan, tiste pod 7 MW pa predvsem v mestu Čongqing. To je povezano z obsegom industrijskih parkov. Turbine okoli 30 MW se večinoma uporabljajo v provincah Džiangsu, medtem ko se turbine od 50 MW do 100 MW večinoma uporabljajo v industrijskih parkih v provincah Guangdong, pogosto za razdeljeno proizvodnjo električne energije ali kombinirano proizvodnjo toplote in električne energije. Tiste nad 100 MW se uporabljajo za nekatere velike energetske omrežja pri poravnalnem delovanju ali kot osnovne elektrarne. V naftni in plinski industriji se uporabljajo manjše turbine. V rudarski industriji (vzporedno pot) se večinoma uporabljajo turbine 7 MW in 15 MW, medtem ko se v srednji fazi transporta cez pipeline večinoma uporabljajo turbine 15 MW in 30 MW.

Sistemska arhitektura plinskih turbine pod 30 MW je relativno zrela, pritrdno pa je tudi procesni materialni sistem. Stopnja uspešnosti OBT lahko doseže 85 %. industrijskim plinskim turbinam je še vedno potrebno posvetovati pozornost gospodarski učinkovitosti, tehnični in gospodarski oceni ali stroškovni učinkovitosti, pri čemer je glavni ocenjevalni kazalec stopnja uspešnosti.

Pri srednjih in večjih plinskih turbinah imamo (domestika) zelo malo kopičenja programske opreme za načrtovanje, specifikacij za načrtovanje ter podatkovnih baz nekaterih materialov in procesov v našem sistemu načrtovanja, zato ta sistem načrtovanja ni zelo dozrel in stopnja izplačila ni visoka. F-razred ali usmerjeno kristaliziran je mejnik. Pod usmerjeno kristalizacijo se še vedno počutimo dovolj samozavedno za udeležbo na mednarodni ravni. Nad usmerjeno kristalizacijo pa obstaja na industrijski ravni še vedno določena vrzel. To področje je predano nacionalni ekipi. Nekaj centralnih podjetij opravlja osnovne raziskave in razvoj, naložbe v osnovne materiale in osnovne procese pa so ogromne.

Proizvodna veriga

V gorovju verige oskrbe s plinskimi turbinskimi industrijskimi proizvajalci visokotemperaturnih zlitin, titanovih zlitin, kompozitnih materialov, aluminijevih zlitin in običajne jeklene industrije spadajo Gangyan Gaona, Fushun Special Steel, Baoti Group ipd. Na srednjem delu verige se izdelujejo komponente, kjer se materiale odlije, kuje ali obdeluje na druge procese za izdelavo lopatic turbin, valov in drugih delov. Lopatice in druge komponente se izdelujejo s postopkom litja. Med večjimi domačimi proizvajalci ulitkov in kovanin so Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd. ipd. Nato v nizvodnih delih podjetja za montažo celotnih strojev sestavijo različne komponente v celotne stroje. Med glavnimi proizvajalci so AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric ipd.

Gornje industrije, posebej produkte kot so visoko temperaturne aleje, visoko temperaturni titanovi legiri, toplinska barjavna oblačila in napredne keramične kompozitne material, imajo pomembno vlogo pri spopadu z narodno obrambno industrijo in visoko kakovostnim strojniškim proizvodnjo. Domestini plinovi turbine se glavno uporabljajo za proizvodnjo električne energije, manjša števila pa za vodo, vzdušje, povečanje tlaka v naftni in plinskih poljih ter za pogon ladjev in tenkov. Glavni nagib je na distributivni proizvodnji električne energije, kombiniranem topliškem in električnem proizvodnji, prevozu naravnega plina cevi, ladjski propulziji in strojni gonilnik. V distributivni energetski ponudi, postajah povečanja tlaka, industrijski proizvodnji električne energije in drugih področjih imajo plinove turbine ogromen potencialni trg. Trenutne velike projekte, kot so "Prenos plina iz Zahoda na Vzhod", "Prenos energije iz Zahoda na Vzhod" in "Preusmerjanje vode iz Juzne na Sever", ter hitra razvoja ladijske industrije v naši državi, je privedlo do hitrega naraščanja zahtevke po plinovih turbinah.

Promishljena politika

Tudi sodoben energetski sistem 14. petletnega načrta navaja plinske turbine kot jedrno pomembno tehnologijo, kar praktično postavlja na isto raven kot jedrska energija, nove elektroenergetske sisteme, shranjevanje energije in vodikovo energijo.

Državno elektro energetska korporacija je izvedla dva posebna projekta, eden je glavni projekt za tesne plinske turbine, vsebine vsebujejoče hidrogenske turbine. Čisto hidrogenov projekt je bil izgraden v Notranji Mongoliji, vendar ni še bil v uporabi. Elektrarna Jingmen je združila 15 %. Harbinski električni in Guangdong Electric Group, ki je Guangdong Energy Group, sta izvedla projekt s skupnim hidrogenom v Dajavi, medtem ko je Hangzhou Steam Turbine in Siemens izvedla projekt s skupnim hidrogenom v Žoušanu.

Plinske turbine so široko uporabljene v cevi West-East Gas Pipeline in na oddaljnih olajnih platformah. Kot podjetje povezano z vojsko, je CNOOC tudi izpostavljen sankcijam Združenih držav Amerike in s tem tudi tveganju prekinitve ponujanja. Med rusko-ukrajinsko vojno so bile plinske turbine Siemens, ki jih je Rusija kupila, zadržane, ko so jih poslale v Kanado za popravke, kar je vplivalo na energetsko varnost. Lokalizacija mora biti izvedena čim prej.

Tržno prostor

V letu 2022 bo proizvodnja plinskih turbin v naši državi 4,0563 milijona kilovatov, pri čemer bo poraba okoli 6,7986 milijona kilovatov.

Po statistikah je bila velikost trga plinskih turbin v naši državi leta 2022 61,669 milijard juanov, od koder je velikost trga mikro plinskih turbin bila 893 milijonov juanov, velikost trga lagun plinskih turbin 56,569 milijard juanov in velikost trga težkih plinskih turbin 4,207 milijard juanov.

Moja država je zdaj sposobna neodvisno proizvajati lahke plinske turbine (moč pod 50 MW). Cene nižjega razreda se lahko celo izvažajo, a za težke plinske turbine (moč nad 50 MW) pa so odvisni od uvoza. Osnovno tehnologijo v osnovi monopolizirajo mednarodni proizvajalci, kot so GE v ZDA, Mitsubishi v Japonski in Siemens v Nemčiji. Obstaja tveganje, da bi bili na notranjem trgu »zadušeni«. Glede na podatke Generalne uprave carin, bo uvoz plinskih turbin leta 2022 znašal 4,161 milijarde ameriških dolarjev, izvoz pa 735 milijonov ameriških dolarjev.