OBT Knowledge Classroom: Газова турбіна

Основні поняття

Згідно з «Термінологією газових турбін» (GB/T 15135-2018), газова турбіна — це безперервний обертальний двигун (одинична машина), який перетворює теплову енергію в механічну роботу, включаючи компресор, устаткування для нагріву робочого середовища (наприклад, камеру згоряння), турбіну, систему керування та допоміжне устаткування.

Промислові газотурбінні двигуни, загалом відомі як газові турбіни або турбіни, промислові газові двигуни, суттєво не відрізняються від авіаційних турбінних газових двигунів (відомих як авіаційні двигуни), але сценарії застосування трохи відрізняються. Вони стискують газ підвищеного тиску в камеру згоряння, і через реакцію хімічної енергії перетворюють хімічну енергію в механічну роботу за допомогою турбіни (транслітерація турбіни).

Як пристрій для перетворення енергії, газова турбіна є літакомотором, який перетворює авіаційний керосин у механічну енергію для вінту при політі у небі; газова турбіна, яка використовується на землі, перетворює природний газ і нафту у механічну енергію для генератора.

Парові турбіни, внутрішньозапалювальні двигуни та газові турбіни спочатку розроблялися для використання на військових кораблях. Парові турбіни використовувалися до Першої світової війни, внутрішньозапалювальні двигуни використовувалися під час Першої та Другої світових війн, а газові турбіни для військових кораблів були розроблені після Другої світової війни. Вони були модифіковані від літакомоторів і головним чином використовувались на великій поверхневій флоті.

Газові турбіни мають кілька характеристик:

По-перше, теоретична ефективність перетворення енергії може досягати 88%, що є пристроєм з найвищою ефективністю перетворення енергії у світі на сьогоднішній день. Паливні елементи, мовляв, можуть досягти ефективності перетворення 90%, але вони ще не повністю комерціалізовані; теоретична ефективність перетворення енергії у двигунах внутрішнього згоряння становить 88%, і це було перевірене протягом десятків років.

По-друге, температура згоряння газових турбин досить висока, а викиди шкідливих газів відносно низькі.

По-третє, щільність потужності досить велика. Одна машина розміром з контейнер може забезпечувати енергією есминець; два контейнера фактично достатньо для цивільного споживання електроенергії у районі. Парові турбіни досить великі, наприклад, дизельні двигуни і двигуни внутрішнього згоряння з потужністю більше 10 мегават, які, фактично, є пристроями вагою кілька тисяч тон і висотою десятки метрів.

Четверте, газові турбіни відрізняються від двигунів внутрішнього згоряння, які працюють за циклом із чотирьох тактів, де робота виконується раз на кожні 4 такти. Газові турбіни працюють неперервано, а турбіна є вихоровою лінією. Це пристрій теплового двигуна з найвищою ефективністю перетворення енергії, який перетворює хімічну енергію у теплову і механічну енергію.

У 1970-х роках газові турбіни потрапили до американської нафтогазової промисловості, що сприяло виникненню промислових газових турбин. Двигуни літаків потребують відносно високої продуктивності, є досить складними і мають відносно короткий термін служби; промислові двигуни не потребують зменшення ваги, виготовляються дуже міцними і мають вимогу до відносно довгого терміну служби. У 1980-х роках, з розвитком природного газу, вони потрапили до електроенергетичної промисловості.

Після Другої світової війни технічний рівень США не був дуже високим. Першим придбанням стали італійські компанії, які є столицею обертового обладнання в Європі. Типовим британським підприємством є Rolls-Royce, який виготовляє авіаційні двигуни. Загалом, компанії, що виробляють авіаційні двигуни, виготовляють газотурбінні установки. Німецька компанія Siemens придбала підприємства по всій Європі, а також придбала авіаційне модифікування Rolls-Royce. Газотурбінні установки Росії переважно співпрацюють з Україною. Проекти знаходяться в Росії, а деякі виробничі бази — у Маріуполі, Україна.

У останні десятиліття тільки Mitsubishi в Японії розробила справжню газову турбіну промислового призначення, а Kawasaki виробляє менші моделі, тому певний поріг все ще існує. Малі та середньої розмірності газові турбіни головним чином виробляються компанією GE, особливо для воєнних потреб. Головні знищувачі багато на яких встановлені газові турбіни GE, моделі LM-2500. Siemens купив деякі малі газові турбіни в Лінкольні, Велика Британія, з потужністю менше 15 МВт, а також у Фінспангі, Швеція. Найкращою компанією у сфері малих газових турбин є Solar в США, яка має найбільшу близькість до своїх клієнтів та найвищу частку ринку у світі для малих газових турбин з потужністю менше 15 МВт.

Класифікація

Залежно від конструктивної форми та вихідної потужності, газові турбіни поділяються на три категорії: мікро, легкі та важкі. Серед них, мікро- та легкі газові турбіни можуть бути модифіковані з авіаційних двигунів (також відомі як «aero-to-gas»), зазвичай мають потужність до 50 МВт і можуть використовуватися у промисловому електрогенеруванні, судновій енергетиці, підвищенні тиску в трубопроводах, танкових локомотивах, розподіленому електрогенеруванні та комбінованому теплоелектрогенеруванні. Важкі газові турбіни мають потужність понад 50 МВт і в основному використовуються як стаціонарні генератори на суходолі, наприклад, у міських електромережах.

Важкі газові двигуни загалом класифікуються за температурою. Клас E, F, G та H відповідають різним температурам згоряння. З інженерної точки зору, краще класифікувати їх на основі температурної стійкості сплавів.

В Китаї це малі газові турбіни. Малі газові турбіни загалом класифікуються за конструкцією: одновісні, двовісні, триосьові, авіаційні модифіковані, промислові, а також рідко за температурою, адже температура малих газових турбін порівняно з важкими газовими турбінами не є дуже високою. Ті, у яких рівень потужності нижче 30 мегават, мають равноосні кристали, тобто клас Е. Це не є абсолютним, деякі більш сучасні досягли класу F. Клас Е був випробуваний і вироблений в Китаї в 1995 році. Приблизно 50 мегават відповідає класу F, який є орієнтованим кристалом. Китай випробував цей клас у 2005 році, і зараз ми вже маємо всі ці матеріали. Найсучасніші газові турбіни досягли класу H, і наразі ми маємо наші другопоколінські монокристали.

Загалом, ті, що нижче 1 МВт, називаються мікрогазовими турбінами. Мікрогазові турбіни за кордоном не використовують такі добрі сплави через низьку температуру. Вони використовують деякі спеціальні сталі й рідко застосовують равноосні кристали. Ті, що близько 15 МВт, називаються малими газовими турбінами, які переважно використовують равноосні кристали. За кордоном також є деякі спеціальні компанії, які використовують спеціальні сталі, але тому, що їхні покриття особливо гарні, вони виготовляють кращі моделі. Середні та малі 30–50 МВт загалом використовують більше орієнтовані кристали, тобто клас F. Більші використовують монокристали першого й другого поколінь, що є нашими вітчизняними брендами.

Малі та середні мікротурбіни на газовому паливі в основному використовуються у розподіленій енергетиці та комбінованому теплоспоживанні. Ті, що нижче 30 МВт і 15 МВт, в основному використовуються в Сичуані, а ті, що нижче 7 МВт — в Чунцині. Це пов’язано з масштабом його промислових парків. Поряд з 30 МВт вони в основному використовуються в Цзянсу, а від 50 МВт до 100 МВт — в основному в промислових парках Гуандуну, загалом для розподіленої енергетики або комбінованого теплоспоживання. Понад 100 МВт використовуються для регулювання пікових навантажень у великих енергомережах або як базові електростанції. Нафтогазова промисловість використовує менші потужності. В галузі видобутку корисних копалин в основному використовуються 7 МВт і 15 МВт, а на транспортуванні нафти і газу на середньому етапі переважно використовуються 15 МВт і 30 МВт.

Система проектування газотурбінних двигунів менше 30 МВт є відносно досконалою, і процесовий матеріальний системний підхід також є відносно досконалим. Рентабельність OBT може досягати 85%. Промисловим газотурбінним двигунам все ще потрібно зосереджуватися на економічній ефективності, технічній та економічній оцінці, або вартісній ефективності, і головним показником оцінки є рентабельність.

Для середніх і великих газових турбін у нас (внутрішніх) накопичено мало програмного забезпечення для проектування, проектних специфікацій та баз даних щодо деяких матеріалів і процесів у нашій системі проектування, тому ця система проектування не є досить зрілою, а відсоток виходу не надто високий. Рівень F або орієнтовані кристали є вододільним. Нижче орієнтованих кристалів ми все ще достатньо впевнені, щоб брати участь у міжнародній конкуренції. Вище орієнтованих кристалів, на промисловому рівні, у нас ще є певний прогалина. Ця сфера передана національній команді. Кілька центральних підприємств займаються фундаментальними дослідженнями та розробками, а інвестиції в основні матеріали й основні технологічні процеси є значними.

Промислова ланцюжок

На верхньому рівні ланцюга індустрії газових турбін у моїй країні виробники високотемпературних сплавів, титанових сплавів, композитних матеріалів, алюмінієвих сплавів і звичайної сталі включають Gangyan Gaona, Fushun Special Steel, Baoti Group тощо. На середньому рівні виготовлення компонентів матеріали виливають, штампують або обробляють іншими способами для виготовлення лопаток турбін, валів та інших деталей. Лопатки та інші деталі формуються за допомогою лиття. Серед провідних вітчизняних виробників лиття та штампування — Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd. тощо. Потім на нижньому рівні виробники цільних машин збирають різні частини в єдині машини. Серед основних виробників — AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric тощо.

Вищостоячі промисловості, зокрема продукція, така як високотемпературні сплави, високотемпературні титанові сплави, теплові бар'єрні покриття та передові керамічні складні матеріали, мають велике значення для розвитку оборонної промисловості та виробництва високотехнологічного обладнання. Внутрішні газотурбіни головним чином використовуються для електроенергетики, а невелика їх частина використовується для водозабезпечення, повітряних потоків, стиснення у нефтегазових полях та як джерела сили для кораблів і танків. Увага зосереджена на розподільній енергогенерації, комбінованому тепловиробництві, транспортуванні природного газу через трубопроводи, судноведенні та механічному приводі. У моїй країні газотурбіни мають великий потенціал ринку у сферах розподільчого енергозабезпечення, станцій стиснення, промислового електроенергетичного виробництва та інших галузей, і політики підтримують швидкий розвиток цієї галузі. Поточні великі проекти моєї країни, такі як "Перевезення газу Захід-Схід", "Передача електроенергії Захід-Схід" та "Диверсія води Південний-Північний", а також швидкий розвиток судноплавства моєї країни призвели до швидкого зростання попиту на газотурбіни.

Промислова політика

Сучасна енергетична система П'ятого п'ятирічного плану також визначає газові турбіни як ключову технологію, практично поставивши їх на один рівень із ядерною енергетикою, новими енергетичними системами, акумулюванням енергії та водневою енергетикою.

Державна енергетична інвестиційна корпорація здійснила два спеціальні проекти, один з яких - великий проект важких газових турбин, включаючи турбіни на суміші водню. Чисто воднева установка була побудована в Внутрішньому Монголі, але ще не поставлена ​​на дію. На електростанці у місті Цзиньмінь було застосовано 15% суміші. Харбінський електромеханічний завод та група електроенергетики провінції Гуандун, яка є групою енергії Гуандун, здійснили проект на основі водню в Даявань, а компанія Hangzhou Steam Turbine та Siemens реалізували проект на основі водню в Жоушань.

Газові турбіни широко використовуються у трубопроводі "Захід-Схід" та на офшорних нефтяних платформах. Як підприємство, пов'язане з оборонкою, CNOOC також підlegла санкціям США і стикається з ризиком переривань постачання. Під час російсько-української війни газові турбіни Siemens, придбані Росією, були задержані під час їхнього відправлення до Канади для ремонту, що вплинуло на енергетичну безпеку. Локалізація має бути проведена якомога швидше.

Ринковий простір

У 2022 році виробництво газових турбин у нашій країні складе 4,0563 млн кВт, а попит буде приблизно 6,7986 млн кВт.

За статистикою, розмір ринку газових турбин у нашій країні у 2022 році досяг 61,669 млрд юанів, з них розмір ринку мікрогазових турбин становив 893 млн юанів, розмір ринку легких газових турбин - 56,569 млрд юанів, а розмір ринку важких газових турбин - 4,207 млрд юанів.

Моя країна тепер може незалежно виробляти легкі газові турбіни (потужність нижче 50 МВт). Навіть прості моделі можуть експортуватися, але важкі газові турбіни (потужність понад 50 МВт) досі у великому ступені залежать від імпорту. Ключові технології практично монополізовані міжнародними виробниками, такими як GE (США), Mitsubishi (Японія) та Siemens (Німеччина). Існує ризик бути «задушеним» на внутрішньому ринку. За даними Державного митного управління, імпорт газових турбін у 2022 році становив 4,161 млрд доларів США, а експорт — 735 млн доларів США.