OBT Bilgi Sınıfı: Gaz Türbini

Temel kavramlar

"Gaz türbini terimleri sözlüğü"ne (GB/T 15135-2018) göre, gaz türbini, termal enerjiyi mekanik işe dönüştüren sürekli akan akışlı döner makineyi (tek makine) ifade eder. Bir kompresör, çalışan akışkanı ısıtmak için ekipman (örneğin bir yanma odası), türbin, kontrol sistemi ve yardımcı ekipmanları içerir.

Endüstriyel gaz türbini motorları genellikle gaz türbini veya türbin, endüstriyel gaz motoru olarak adlandırılır ve temelde aynı şeydir. Havacılık türbini gaz motorlarıyla (havacılık motoru olarak adlandırılır) aslında aynıdır fakat kullanım senaryoları biraz farklıdır. Yüksek basınçlı gazi bir yanma odasına sıkıştırır ve kimyasal enerjinin reaksiyonu yoluyla kimyasal enerjiyi türbin aracılığıyla mekanik işe dönüştürür (türbin kelimesinin dolaylı çevirisidir).

Enerji dönüşüm cihazı olarak bir gaz türbini, gökyüzünde uçarken propeller için mekanik enerjiye dönüştürmek amacıyla havacılık keroseni kullanan bir uçak motörüdür; yerde kullanılan bir gaz türbini ise doğalgazı ve yağı jeneratör için mekanik enerjiye dönüştürür.

Buhar türbinleri, içten yanmalı motorlar ve gaz türbinleri ilk olarak savaş gemileri için geliştirilmiştir. Birinci Dünya Savaşı öncesi buhar türbinleri kullanılmıştır, Birinci ve İkinci Dünya Savaşları sırasında içten yanmalı motorlar kullanılmıştır ve savaş gemisi için gaz türbinleri İkinci Dünya Savaşı sonrası geliştirilmiştir. Uçak motorlarından değiştirilmişlerdir ve çoğunlukla büyük yüzey gemilerinde kullanılmışlardır.

Gaz türbinleri birkaç özellik taşır:

Öncelikle, teorik enerji dönüşüm verimi %88'e ulaşabilir ki, bu da şu ana kadar dünyada en yüksek enerji dönüşüm verimliliğine sahip cihazdır. Yakıt hücrelerinin %90'luk bir dönüşüm verimliliği sağlayabileceği söylenmektedir, ancak henüz tamamen ticari hale getirilmemişlerdir; yanmalı motorların teorik enerji dönüşüm verimi %88'dir ve bu, onlarca yıldır test edilmiştir.

İkincisi, gaz türbinlerinin yanma sıcaklığı göreceli olarak yüksektir ve zararlı gazların emisyonu göreceli olarak düşüktür.

Üçüncüsü, güç yoğunluğu göreceli olarak büyüktür. Konteyner boyutundaki tek bir makine, bir miğfer gemisine enerji sağlayabilir; iki konteyner ise temel olarak bir ilçenin sivil elektrik ihtiyacını karşılamak için yeterlidir. Buhar türbinleri çok büyüktür, örneğin 10 megawatt kapasiteli dizel motorlar ve içten yanmalı motorlar genellikle binlerce ton ağırlığındaki ve onlarca metre yüksekliğindeki büyük cihazlardır.

Dördüncü olarak, gaz türbinleri içten yanmalı motoller gibi değil, vuruş tipli çalışır ve her 4 vuruşta bir iş yapılır. Gaz türbinleri sürekli çalışır ve türbin bir dolu çizgisidır. Bu, kimyasal enerjiyi ısı ve mekanik enerjiye çeviren en yüksek enerji dönüşüm verimliliğine sahip termal motor cihazıdır.

1970'lerde, gaz türbinleri ABD petrol endüstrisine girdi ve bu da sanayi gaz türbinlerinin ortaya çıkmasına neden oldu. Hava araçları motorları göreceli olarak yüksek performansa ihtiyaç duyar, göreceli olarak daha karmaşık ve göreceli olarak kısa ömürlüdür; sanayi motorları ağırlığı azaltmaya gerek duymaz, çok dayanıklı yapılmıştır ve göreceli olarak uzun bir ömür gerektirir. 1980'lerde, doğalgazın gelişimiyle birlikte güç endüstrisine girdi.

II. Dünya Savaşı'ndan sonra Amerika Birleşik Devletleri'nin teknik seviyesi çok yüksek değildi. İlk edinimler, Avrupa'daki döner ekipmanların merkezi olan İtalyan şirketleriydi. Tipik bir İngiliz şirket ise uçak motorları üreten Rolls-Royce'tur. Genellikle uçak motoru üreten şirketler gaz türbinleri de üretir. Almanya'dan Siemens, Avrupa'nın dört bir yanında şirketler satın aldı ve aynı zamanda Rolls-Royce'un uçak modifikasyonunu da edindi. Rusya'nın gaz türbinleri büyük ölçüde Ukrayna ile iş birliği içinde geliştirilmektedir. Tasarımların tamamı Rusya'da yapılırken, üretim tesislerinin bazıları Ukrayna'nın Mariupol şehrinde bulunmaktadır.

Son on yıllarda, sadece Japonya'nın Mitsubishi'si gerçek anlamda ağır işlevli bir gaz türbini geliştirmiştir ve Kawasaki daha küçük boyutlarda olanlarını yapmaktadır, bu nedenle hala belirli bir eşik bulunmaktadır. Orta ve küçük boyuttaki gaz türbinleri çoğunlukla GE'dir, özellikle askeri kullanım için. Ana akım muhrip gemilerinin çoğu GE'dir, LM-2500 modelidir. Siemens, Birleşik Krallık'taki Lincoln'da bulunan bazı küçük gaz türbinlerini (15 MW'den daha az kapasiteli) ve İsveç'in Finspång'ında bulunanlarını satın almıştır. Küçük gaz türbinleri alanında en iyi şirket, ABD'nin Solar şirketi olup, müşterilerine çok yakın ve 15 MW'den daha düşük kapasitedeki küçük gaz türbinlerinde dünya genelinde en yüksek pazar payına sahiptir.

Sınıflandırma

Yapısal form ve çıkış gücüne göre gaz türbinleri üç kategoriye ayrılır: mikro, hafif ve ağır. Bunlardan mikro ve hafif gaz türbinleri uçak motorlarından ("hava-tanıt-gaz" olarak da bilinir) dönüştürülebilir; genellikle 50 MW'ın altında güç sağlar ve endüstriyel elektrik üretimi, gemi gücü, boru hattı destekleme, tank lokomotifleri, dağıtık enerji üretimi ve birleşik ısı ve güç üretiminde kullanılabilir. Ağır gaz türbinlerinin gücü 50 MW'ın üzerinde olup genellikle karada sabit jeneratörler olarak kullanılır; örneğin şehir elektrik şebekeleri gibi.

Ağır tip gaz motorları genellikle sıcaklığa göre sınıflandırılır. E, F, G ve H sınıfı farklı yanma sıcaklıklarına karşılık gelir. Mühendislik açısından, alaşımın sıcaklık taşıma kapasitesine göre sınıflandırmak tercih edilir.

Çin'de, küçük gaz türbinleri söz konusudur. Küçük gaz türbinleri genellikle yapılarına göre sınıflandırılır: tek eksenli, çift eksenli, üç eksenli, havacılık türevli, endüstriyel ve nadiren sıcaklık bakımından sınıflandırılır çünkü küçük gaz türbinlerinin sıcaklığı ağır tip gaz türbinleriyle karşılaştırıldığında o kadar yüksek değildir. 30 megavatın altında olan güç seviyeleri eşiax kristaldir, yani E sınıfıdır. Bu mutlak değildir, daha gelişmiş bazıları F sınıfına ulaşmıştır. E sınıfı Çin'de 1995 yılında prototip olarak üretilmiştir. Yaklaşık 50 megavat muhtemelen yönlendirilmiş kristal olan F sınıfına karşılık gelir. Çin bu sınıfı 2005 yılında prototip olarak üretmiştir ve şimdi tüm bu malzemelere sahibiz. En gelişmiş gaz türbinleri H sınıfına ulaşmıştır ve şimdi ikinci nesil tek kristallerimiz vardır.

Genellikle 1 MW'ın altında olanlara mikro gaz türbini denir. Yurt dışında mikro gaz türbinleri düşük sıcaklık nedeniyle bu kadar iyi alaşımlar kullanmaz. Bunun yerine bazı özel çelikler kullanır ve nadiren eşeksenli kristallerden yararlanır. Yaklaşık 15 MW civarındakilere küçük gaz türbini adı verilir; bunlar esas olarak eşeksenli kristalleri kullanır. Yurt dışında bazı özel şirketler özel çelikleri tercih eder, ancak kaplamaları özellikle iyi olduğu için daha kaliteli ürünler elde edilir. Küçük ve orta ölçekli 30~50 MW'lık türbinler genellikle yönlendirilmiş kristalleri, yani F sınıfını kullanır. Daha büyük boyutlardaki türbinler ise birinci ve ikinci jenerasyon tek kristalleri kullanır ve bu ürünler bizim yerli markalarımızdır.

Küçük ve orta ölçekli mikro gaz türbinleri genellikle dağıtık enerji ve kombine ısı ve güç uygulamalarında kullanılır. 30 MW ve 15 MW altındakiler çoğunlukla Sichuan'da, 7 MW altındakiler ise çoğunlukla Chongqing'de kullanılmaktadır. Bu durum, sanayi parklarının ölçeğiyle ilişkilidir. Yaklaşık 30 MW gücündeki türbinler genellikle Jiangsu'da kullanılırken, 50 MW ile 100 MW arası olanlar genelde Guangdong'daki sanayi parklarında dağıtık enerji veya kombine ısı ve güç üretimi için tercih edilmektedir. 100 MW üzeri türbinler büyük elektrik şebekelerinde pik yük düzenleme veya temel yük elektrik santralleri olarak kullanılmaktadır. Küçük boy türbinler petrol ve doğalgaz sektöründe kullanılmaktadır. Madencilik sektörünün yukarı akışında (upstream) 7 MW ve 15 MW'lık türbinler yaygın olarak kullanılırken, orta akımda (midstream) boru hattı taşımacılığında genellikle 15 MW ve 30 MW'lık türbinler tercih edilmektedir.

30 MW'den düşük olan gaz türbinlerinin tasarım sistemi nispeten olgun durumda ve süreç malzeme sistemi de nispeten olgunlaşmıştır. OBT'nin verimlilik oranı %85'e ulaşabilir. Endüstriyel gaz türbinleri hala ekonomik performans, teknik ve ekonomik değerlendirme veya maliyet performansına odaklanmalıdır ve ana değerlendirme göstergesi verimlilik oranıdür.

Orta ve büyük boy gaz türbinleri için (yerli olarak) tasarım sisteminde bazı malzemelerin ve süreçlerin tasarım yazılımı, tasarım spesifikasyonları ve veri tabanları konusunda az birikimimiz vardır. Bu nedenle bu tasarım sistemi çok olgun değildir ve verim oranı yüksek değildir. F seviyesi veya yönlendirilmiş kristal, bir kritik noktadır. Yönlendirilmiş kristalin altında, hâlâ uluslararası rekabete katılmak için yeterince güvenliyiz. Yönlendirilmiş kristalin üzerindeki seviyede ise endüstriyel düzeyde hâlâ belirli bir açık bulunmaktadır. Bu alan ulusal takıma devredilmiştir. Birkaç merkezi kuruluş, temel malzemelerin ve temel süreçlerin geliştirilmesiyle ilgili bazı temel araştırmalar ve geliştirmeler yapmakta ve yatırım oldukça yoğundur.

Endüstriyel zincir

Ülkemizin gaz türbini endüstri zincirinin yukarı akımında, yüksek sıcaklık alaşımları, titanyum alaşımları, kompozit malzemeler, alüminyum alaşımları ve genel çelik üreticileri arasında Gangyan Gaona, Fushun Özel Çeliği, Baoti Grubu yer almaktadır. Orta kısım parçaları ve bileşenler aşamasında malzemeler dökülerek, dövülerek veya diğer işlemlerle türbin kanatları, miller ve diğer parçalar üretilmektedir. Kanatlar ve diğer parçalar döküm işlemiyle şekillendirilmektedir. Yerel büyük döküm ve dövme üreticilerine Yingliu A.Ş., Wanze A.Ş., Tunan A.Ş. örnek verilebilir. Daha sonra aşağı akımda bulunan tüm makine üreticileri çeşitli parçaları birleştirerek tam makineleri üretmektedir. Büyük üreticilere AECC, Shanghai Electric, Helan Türbin, Harbin Electric vb. örnek verilebilir.

Yukarı akım sanayii, özellikle yüksek sıcaklıkli alaşım, yüksek sıcaklıkta titanium alaşımı, termal engel kaplamaları ve gelişmiş keramik bileşik malzemeler gibi ürünler, ulusal savunma endüstrisini ve yüksek teknoloji ekipman imalatını teşvik etmede önemli bir rol oynar. İç mekan gaz türbinleri çoğunlukla elektrik üretiminde kullanılırken, az bir kısmı petrol ve doğalgaz alanlarındaki su enjeksiyonu, hava emme, basınç artırma ve gemi ile tank güçlerinde kullanılmaktadır. Öncelikler dağıtık enerji üretimi, ısı ve güç birlikte üretimi, doğal gaz boru hatları taşımacılığı, gemi iticiliği ve mekanik sürme yönünde odaklanmaktadır. Ülkenin gaz türbinleri dağıtık enerji sağlama, basınç istasyonları, sanayi gücü üretimi ve diğer alanlarda büyük potansiyel pazarlara sahiptir ve politikalar endüstrinin hızlı kalkınmasına destek olmaktadır. "Batıdan Doğuya Gaz Taşıma", "Batıdan Doğuya Elektrik Taşıma" ve "Güneyden Kuzeye Su Dağıtım" gibi şu anki büyük projelerimiz ve hızlı kalkan gemilik endüstrimiz, ülkenin gaz türbini talebinin hızla artmasına neden olmuştur.

Sanayi Politikası

14. Beş Yıllık Plan'ın modern enerji sistemi kapsamında gaz türbinleri anahtar teknolojilerden biri olarak listelenmiş olup temelde nükleer enerji, yeni güç sistemleri, enerji depolama ve hidrojen enerjisi ile aynı seviyeye konulmuştur.

Devlet Enerji Yatırımları Korporasyonu iki özel proje gerçekleştirmiştir; biri ağır gaz türbinleri için büyük bir proje olup, hidrojen karışımı olan gaz türbinlerini içerir. Sadece hidrojen kullanan bir türbin İç Mongolya'da inşa edilmiştir ancak henüz faaliyete geçmemiştir. Jingmen Elektrik Santrali %15 oranında karışım yapmıştır. Harbin Elektrik ve Guangdong Elektrik Grubu (Guangdong Enerji Grubu), Daya Bay'de bir hidrojen karışımı projesi gerçekleştirdi ve Hangzhou Buhar Türbini ile Siemens, Zhoushan'da bir hidrojen karışımı projesi yaptı.

Doğalgaz türbinleri Batı-Doğru Doğalgaz Boru Hatında ve deniz dışı petrol platformlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Askeri ilişkili bir işletmedir, CNOOC aynı zamanda ABD tarafından yaptırıma tabi tutulmuş ve tedarik kesintisi riskiyle karşı karşıya bulunmaktadır. Rus-Ukrayna savaşı sırasında Rusya tarafından satın alınan Siemens doğalgaz türbinleri, tamir için Kanada'ya gönderildiklerinde gözaltına alındı ve enerji güvenliği etkilendi. Yerelleştirme mümkün olan en kısa sürede yapılmalıdır.

Piyasa Alanı

2022 yılında ülkenin doğalgaz türbini üretimi 4.0563 milyon kilovat olacak ve talep yaklaşık 6.7986 milyon kilovat olacaktır.

İstatistiklere göre, 2022 yılında ülkenin doğalgaz türbini piyasası boyutu 616.69 milyar yuan'a ulaşmıştır; bunun arasında mikro doğalgaz türbini piyasa boyutu 8.93 milyar yuan, hafif doğalgaz türbini piyasa boyutu 565.69 milyar yuan ve ağır doğalgaz türbini piyasa boyutu 42.07 milyar yuandır.

Ülkem artık bağımsız olarak 50 MW'ın altında güç üreten küçük gaz türbinlerini üretebiliyor. Düşük segment ürünleri hatta ihraç edilebiliyor ancak 50 MW'ın üzerinde güç üreten büyük gaz türbinleri halen temel olarak ithalata dayanıyor. Temel teknoloji ABD'deki GE, Japonya'daki Mitsubishi ve Almanya'daki Siemens gibi uluslararası üreticiler tarafından neredeyse tekelleştirilmiş durumda. Yerel pazar açısından "boğulma" riski bulunuyor. Gümrük Genel Müdürlüğü verilerine göre 2022 yılında gaz türbini ithalatı 4.161 milyar ABD doları, ihracat ise 735 milyon ABD doları düzeyinde oldu.