OBT Knowledge Classroom: Gas Turbine

Grundläggande begrepp

Enligt "Gas Turbine Vocabulary" (GB/T 15135-2018) syftar en gasturbin på en kontinuerligströmmande roterande maskin (enskild maskin) som omvandlar termisk energi till mekaniskt arbete, och som inkluderar en kompressor, utrustning för uppvärmning av arbetsmediet (såsom en brännkammare), en turbin, ett styrsystem och hjälpdon.

Industriella gasturbinmotorer, allmänt kallade gasmotorer eller turbiner, industriella gasmotorer, är i grunden samma sak som flygturbinmotorer (kallade flygmotorer), men användningsfallen är något olika. De komprimerar högtrycksgas till en brännkammare och genom reaktionen av kemisk energi omvandlas den kemiska energin till mekaniskt arbete via en turbin (translitteration av turbin).

Som en energiomvandlingsenhet är en gasturbine en flygmotor som omvandlar flygbränsle till mekanisk energi för propellern när man flyger i luften; en gasturbine som används på marken omvandlar naturgas och olja till mekanisk energi för generatören.

Ångturbiner, inre brännkamermotorer och gasturbiner utvecklades först för användning på krigsskepp. Ångturbiner användes före första världskriget, inre brännkamermotorer användes under första och andra världskriget, och gasturbiner för krigsskepp utvecklades efter andra världskriget. De modifierades från flygmotorer och användes främst på stora ytorfartyg.

Gasturbiner har flera egenskaper:

För det första kan den teoretiska energikonverteringseffektiviteten nå 88 %, vilket är enheten med högst energikonverteringseffektivitet i världen hittills. Brandceller sägs kunna uppnå en konverteringseffektivitet på 90 %, men de har ännu inte fullständigt kommersialiseras; den teoretiska energikonverteringseffektiviteten för brennmotorer är 88 %, vilket har testats i decennier.

För det andra är förgasningstemperaturen för gasmaskiner relativt hög och utsläppet av skadliga gaser är relativt lågt.

För det tredje är effektdensiteten relativt stor. En enskild maskin i storlek med en container kan leverera energi till ett destroyerskepp; två container är i princip tillräckligt för civil el i en län. Ångturbiner är mycket stora, till exempel dieselmotorer och kombuster som har en kapacitet på mer än 10 megawatt, som vanligtvis är apparater som väger tusentals ton och är tiotals meter höga.

Fjärde, gasturbiner liknar inte inre Förbränningsmotorn, som är en stödmotor och utför arbete en gång var fjärde stöt. Gasturbinerna fungerar kontinuerligt, och turbinen är en virvelrad. Det är den termiska motordragenhet med högst energikonverterings-effektivitet, konverterar kemisk energi till värmeenergi och mekanisk energi.

I 1970-talet kom gasturbinerna in i den amerikanska oljeindustrin, vilket gav upphov till industriella gasturbiner. Flygmotorer kräver relativt hög prestanda, är relativt sofistikerade och har en relativt kort livslängd; industriella motorer behöver inte minska vikten, är mycket robusta och kräver en relativt lång livslängd. Kring 1980-talet, med utvecklingen av naturgas, kom de in i elproduktionsindustrin.

Efter andra världskriget var Förenta staternas tekniska nivå inte särskilt hög. Den tidigaste förvärvet gjordes av italienska företag, som är Europas centrum för roterande utrustning. Det typiska brittiska företaget är Rolls-Royce, som tillverkar flygmotorer. Företag som tillverkar flygmotorer kommer i allmänhet att tillverka gasturbiner. Tysklandsföretaget Siemens förvärvade företag i hela Europa och förvärvade även Rolls-Royces flygmodifieringar. Rysslands gasturbiner är huvudsakligen i samarbete med Ukraina. Designerna är alla från Ryssland och några tillverkningsfabriker finns i Mariupol, Ukraina.

Under de senaste decennierna har endast Mitsubishi i Japan utvecklat en riktig tunglastig gasturbin, och Kawasaki tillverkar mindre modeller, så det finns fortfarande en viss tröskel. Små och medelstora gasturbiner är främst GE, särskilt för militärt bruk. De huvudsakliga destroyrarna är mestadels GE, modellen LM-2500. Siemens köpte några av sina små gasturbiner i Lincoln, Storbritannien, med en kapacitet under 15 MW, och några i Finspång, Sverige. Det bästa företaget inom små gasturbiner är Solar i USA, som ligger mycket nära sina kunder och har den högsta marknadsandelen i världen för små gasturbiner med en kapacitet under 15 MW.

Klassificering

Beroende på strukturell form och uteffekt kan gasturbiner indelas i tre kategorier: mikro, lätt och tung. Där kan mikro- och lättgasturbiner modifieras från flygmotorer (även kallat "aero-to-gas"), med en effekt som regel under 50 MW, och kan användas för industriell elproduktion, fartygsdrift, pipeline-förstärkning, tanktåg, distribuerad elproduktion och kraftvärme. Tunggasturbiner har en effekt på över 50 MW och används huvudsakligen som fasta generatorer på land, till exempel i stadseletricitetsnät.

Tunggas motorer klassificeras generellt enligt temperatur. Klass E, F, G och H motsvarar olika förbrännings temperaturer. Ur ett ingenjörsperspektiv är det att föredra att klassificera dem baserat på legeringens temperaturbärande kapacitet.

I Kina är det små gasturbiner. Små gasturbiner klassificeras i allmänhet efter struktur: enkelaxliga, dubbelaxliga, trippelaxliga, modifierade flygturbiner, industriella, och sällan efter temperatur eftersom temperaturen hos små gasturbiner inte är lika hög som hos tunga gasturbiner. De med en effekt under 30 megawatt är likriktade kristaller, det vill säga E-klass. Detta är inte absolut, och vissa mer avancerade har uppnått F-klass. E-klass tillverkades försöksvis i Kina år 1995. En effekt på cirka 50 megawatt motsvarar troligen F-klass, vilket är en riktad kristall. Kina tillverkade denna klass försöksvis år 2005, och vi har idag alla dessa material. De mest avancerade gasturbinerna har uppnått H-klass, och vi har nu vår andra generation enkelkristaller.

Generellt kallas de under 1 MW för mikrogasturbiner. Mikrogasturbiner utomlands använder inte så bra legeringar på grund av den låga temperaturen. De använder vissa specialstål och använder sällan likformiga kristaller. De runt 15 MW kallas små gasturbiner, som huvudsakligen använder likformiga kristaller. Det finns också några specialföretag utomlands som använder specialstål, men eftersom deras beläggningar är särskilt bra tillverkas de bättre. Medelstora 30~50 MW använder i allmänhet fler riktade kristaller, det vill säga F-klass. Större använder enkelkristaller av första och andra generationen, vilket är våra inhemska märken.

Små och medelstora mikrogasturbiner används främst i distribuerad kraft och kraftvärme. De under 30 MW och 15 MW används främst i Sichuan och de under 7 MW används främst i Chongqing. Detta hänger ihop med storleken på dess industriella parker. De cirka 30 MW används främst i Jiangsu, och de mellan 50 MW och 100 MW används främst i industriella parker i Guangdong, generellt för distribuerad kraft eller kraftvärme. De över 100 MW används för vissa stora elnätsreglering i spetslast eller som baslastkraftverk. Olje- och gasindustrin använder små enheter. I den uppförda gruvindustrin används främst 7 MW och 15 MW, och den mellanliggande transportsledningen används huvudsakligen 15 MW och 30 MW.

Utformningssystemet för gasturbiner under 30 MW är relativt matures, och processmaterialsystemet är också relativt matures. Utdelningsgraden av OBT kan nå 85%. Industriella gasturbiner måste fortfarande fokusera på ekonomisk prestanda, teknisk-ekonomisk utvärdering eller kostnadsprestanda, och den huvudsakliga utvärderingsindikatorn är utdelningsgraden.

För medelstora och stora gasturbiner har vi (inomlands) lite uppsamlat designprogramvara, designspecifikationer och databaser för vissa material och processer i vårt designsystem, så detta designsystem är inte särskilt mogna och uppläggningsgraden är inte hög. F-nivå eller riktad kristall är en åtskillnadslinje. Under riktad kristall känner vi oss fortfarande tillräckligt säkra för att delta i internationell konkurrens. Ovanför riktad kristall finns det fortfarande en viss klyfta på industriell nivå. Detta område har överlämnats till landslaget. Flera centrala företag bedriver viss grundforskning och utveckling, och investeringarna i basmaterial och basprocesser är stora.

Industriell kedja

I uppströmskedjan i min lands gasturbinindustri ingår tillverkare av högtempereringslegeringar, titanlegeringar, kompositmaterial, aluminiumlegeringar och allmänt stål, såsom Gangyan Gaona, Fushun Special Steel, Baoti Group med flera. I mellanledet för delar och komponenter bearbetas material genom gjutning, smittning eller andra processer för att framställa turbingrader, axlar och andra delar. Grador och andra delar formges genom gjutningsprocessen. Större inhemska gjuterier och smedjor inkluderar Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd. med flera. Därefter monterar nedströmsfabrikerna olika delar till kompletta maskiner. Bland de främsta tillverkarna finns AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric med flera.

Uppströmsindustrier, särskilt produkter som högtemperaturslegeringar, högtemperaturtitanlegeringar, termiska barriärbeläggningar och avancerade keramiska kompositmaterial, har en betydande roll att spela för att främja försvarsindustrin och högteknologisk maskinfabrikation. Inhemskagasturbiner används huvudsakligen för elproduktion, och en mindre del används för vatteninjektion, luftintag, tryckhöjning i olje- och gasfält samt fördrivning av skepp och pansarfordon. Fokus ligger på distribuerad elproduktion, kombinerad värme och kraft, naturgaslednings transporter, skeppsdrivning och mekanisk drivning. Min landets gasturbiner har enorma potentiella marknader inom distribuerad energiförsörjning, tryckhöjningsstationer och industriell elproduktion, och politiken stöder branschens snabba utveckling. De nuvarande storskaliga projekt som "Väst till Öst Gasförsäljning", "Väst till Öst Elförsäljning" och "Söder till Norr Vattenförsäljning" i vårt land, tillsammans med den snabba utvecklingen av vårt skeppsbygnadsnäringsliv, har lett till en snabb ökning av efterfrågan på gasturbiner i vårt land.

Industripolitik

Det moderna energisystemet i den fjortonde femårsplanen listar även gasturbiner som en kärnnyckelteknik, vilket i princip placerar dem på samma nivå som kärnenergi, nya elsystem, energilagring och väteenergi.

State Power Investment Corporation har gjort två specialprojekt, ett är ett stort projekt för tunga gasodlare, inklusive väteblandade gasodlare. En ren väteodlar har byggts i Inre Mongoliet men har ännu inte satts in drift. Jingmen-kraftverket har blandat 15%. Harbin Electric och Guangdong Electric Group, som är Guangdong Energy Group, har gjort ett väteblandningsprojekt i Daya Bay, och Hangzhou Steam Turbine och Siemens har gjort ett väteblandningsprojekt i Zhoushan.

Gasodlare används omfattande i Gasleden Väst-Ost och på offshore oljeplattformar. Som ett militärt relaterat företag har CNOOC också utsatts för sanktioner från Förenta staterna och står inför risken för leveranskortkomster. Under kriget mellan Ryssland och Ukraina blev de Siemens-gasodlar som Ryssland köpt inbesatta när de skickades till Kanada för reparation, vilket påverkade energisäkerheten. Lokalisering måste genomföras så snart som möjligt.

Marknadsutrymme

I 2022 var ministrans gasodlarproduktion i mitt land 4,0563 miljoner kilowatt, och efterfrågan kommer att vara ungefär 6,7986 miljoner kilowatt.

Enligt statistik uppnådde storleken på mitt lands gasodlarmarknad 61,669 miljarder yuan 2022, där marknadstorleken för mikrogasodlar var 8,93 miljarder yuan, marknadstorleken för lättgasodlar var 56,569 miljarder yuan och marknadstorleken för tunga gasodlar var 4,207 miljarder yuan.

Mitt land kan nu självständigt producera lätta gasturbiner (effekt under 50 MW). Lågkostnadsmodeller kan till och med exporteras, men tunga gasturbiner (effekt över 50 MW) är fortfarande i huvudsak beroende av importer. Kärnteknologin domineras i stort sett av internationella tillverkare såsom GE i USA, Mitsubishi i Japan och Siemens i Tyskland. Det finns en risk att vi ska bli "kvävda" på den inhemska marknaden. Enligt uppgifter från Statliga tullverket uppgick importen av gasturbiner 2022 till 4,161 miljarder US-dollar och exporten till 735 miljoner US-dollar.