Lớp học Kiến thức OBT: Tuabin khí

Khái niệm Cơ bản

Theo "Từ vựng Tuabin khí" (GB/T 15135-2018), tuabin khí là một máy quay dòng liên tục (một máy đơn) chuyển đổi năng lượng nhiệt thành công cơ học, bao gồm một máy nén, thiết bị để làm nóng chất công tác (ví dụ như buồng đốt), một tuabin, hệ thống điều khiển và các thiết bị phụ trợ.

Động cơ tuabin khí công nghiệp, thường được gọi là tuabin khí hoặc tuabin, động cơ khí công nghiệp, về cơ bản là giống với động cơ tuabin khí dùng cho hàng không (gọi là động cơ hàng không), nhưng có tình huống ứng dụng hơi khác nhau. Chúng nén khí áp suất cao vào buồng đốt, và thông qua phản ứng năng lượng hóa học, chuyển đổi năng lượng hóa học thành công cơ học thông qua một tuabin (dịch âm từ turbine).

Làm thiết bị chuyển đổi năng lượng, một tuabin khí là động cơ máy bay chuyển đổi dầu hỏa hàng không thành năng lượng cơ học cho cánh quạt khi bay trên trời; tuabin khí sử dụng trên mặt đất chuyển đổi khí tự nhiên và dầu thành năng lượng cơ học cho máy phát điện.

Máy turbine hơi nước, động cơ đốt trong và máy turbine khí đã được phát triển lần đầu tiên để sử dụng trên tàu chiến. Máy turbine hơi nước được sử dụng trước Chiến tranh Thế giới thứ nhất, động cơ đốt trong được sử dụng trong Chiến tranh Thế giới thứ nhất và Chiến tranh Thế giới thứ hai, và máy turbine khí cho tàu chiến được phát triển sau Chiến tranh Thế giới thứ hai. Chúng được cải tiến từ động cơ máy bay và chủ yếu được sử dụng trên các tàu mặt nước lớn.

Máy turbine khí có một số đặc điểm:

Thứ nhất, hiệu suất chuyển đổi năng lượng lý thuyết có thể đạt đến 88%, đây là thiết bị có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao nhất thế giới hiện nay. Pin nhiên liệu được nói là có thể đạt hiệu suất chuyển đổi 90%, nhưng chúng chưa được thương mại hóa hoàn toàn; hiệu suất chuyển đổi năng lượng lý thuyết của động cơ đốt trong là 88%, đã được kiểm chứng qua hàng chục năm.

Thứ hai, nhiệt độ cháy của máy turbine khí tương đối cao và lượng khí thải độc hại tương đối thấp.

Thứ ba, mật độ công suất tương đối lớn. Một máy duy nhất cỡ container có thể cung cấp năng lượng cho một tàu khu trục; hai container cơ bản là đủ để cung cấp điện dân dụng cho một huyện. Turbin hơi nước rất lớn, ví dụ như động cơ diesel và động cơ đốt trong có công suất hơn 10 megawatt, thường là các thiết bị lớn nặng hàng nghìn tấn và cao hàng chục mét.

Thứ tư, turbin khí không giống như động cơ đốt trong, vốn là loại làm việc theo chu trình và thực hiện công sau mỗi 4 chu kỳ. Turbin khí hoạt động liên tục, và turbin là một dòng xoáy. Đây là thiết bị động cơ nhiệt có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao nhất, chuyển hóa năng lượng hóa học thành năng lượng nhiệt và cơ học.

Vào thập niên 1970, tua-bin khí đã bước vào ngành công nghiệp dầu mỏ của Hoa Kỳ, dẫn đến sự ra đời của tua-bin khí công nghiệp. Động cơ máy bay cần hiệu suất tương đối cao, tương đối tinh vi và có tuổi thọ tương đối ngắn; động cơ công nghiệp không cần giảm trọng lượng, được chế tạo rất chắc chắn và yêu cầu tuổi thọ tương đối dài. Khoảng thập niên 1980, cùng với sự phát triển của khí天然气, nó đã bước vào ngành công nghiệp điện lực.

Sau Thế chiến thứ II, trình độ kỹ thuật của Hoa Kỳ không quá cao. Việc mua lại sớm nhất là các công ty Ý, vốn là trung tâm thiết bị quay tại châu Âu. Công ty tiêu biểu của Anh là Rolls-Royce, chuyên sản xuất động cơ máy bay. Nói chung, các công ty sản xuất động cơ máy bay cũng sản xuất tua-bin khí. Tập đoàn Siemens của Đức đã mua lại nhiều công ty khắp châu Âu và cả bộ phận sửa đổi động cơ máy bay của Rolls-Royce. Tua-bin khí của Nga chủ yếu hợp tác với Ukraine. Các thiết kế đều nằm ở Nga, một số cơ sở sản xuất đặt tại Mariupol, Ukraine.

Trong vài thập kỷ gần đây, chỉ có Mitsubishi của Nhật Bản phát triển một tuabin khí thực sự nặng, và Kawasaki sản xuất những tuabin nhỏ hơn, vì vậy vẫn còn một ngưỡng nhất định. Tuabin khí cỡ nhỏ và trung chủ yếu là của GE, đặc biệt là cho mục đích quân sự. Các tàu khu trục chính đều sử dụng tuabin GE, cụ thể là mẫu LM-2500. Siemens đã mua một số tuabin khí nhỏ ở Lincoln, Anh, với công suất dưới 15 MW, và một số khác ở Finspång, Thụy Điển. Công ty tốt nhất trong lĩnh vực tuabin khí nhỏ là Solar của Mỹ, công ty này rất gần gũi với khách hàng và có thị phần cao nhất thế giới đối với tuabin khí nhỏ có công suất dưới 15 MW.

Nhóm phân loại

Tùy theo hình thức cấu trúc và công suất đầu ra, tua-bin khí có thể được chia thành ba loại: micro, nhẹ và nặng. Trong đó, các loại tua-bin khí micro và nhẹ có thể được cải tiến từ động cơ máy bay (còn gọi là "aero-to-gas"), với công suất thường dưới 50MW và có thể sử dụng trong phát điện công nghiệp, động cơ tàu thủy, tăng áp đường ống, đầu máy xe tăng, phát điện phân tán và sản xuất nhiệt điện kết hợp. Tua-bin khí hạng nặng có công suất trên 50MW và chủ yếu được dùng làm máy phát điện cố định trên mặt đất, ví dụ như mạng lưới điện đô thị.

Động cơ khí hạng nặng thường được phân loại theo nhiệt độ. Lớp E, F, G và H tương ứng với các nhiệt độ cháy khác nhau. Từ góc độ kỹ thuật, tốt hơn hết là phân loại dựa trên khả năng chịu nhiệt của hợp kim.

Tại Trung Quốc, đó là các tua-bin khí nhỏ. Các tua-bin khí nhỏ thường được phân loại theo cấu trúc: một trục, hai trục, ba trục, dạng hàng không cải tiến, công nghiệp, và hiếm khi được phân loại theo nhiệt độ vì nhiệt độ của các tua-bin khí nhỏ không cao như các tua-bin khí cỡ lớn. Những tua-bin có mức công suất dưới 30 megawatt thuộc loại tinh thể đẳng trục, tức là cấp E. Đây không phải là quy tắc tuyệt đối, một số mẫu tiên tiến hơn đã đạt đến cấp F. Cấp E đã được Trung Quốc sản xuất thử vào năm 1995. Mức khoảng 50 megawatt có thể tương ứng với cấp F, là loại tinh thể định hướng. Trung Quốc đã sản xuất thử cấp này vào năm 2005, và hiện nay chúng ta đã sở hữu đầy đủ những vật liệu này. Những tua-bin khí tiên tiến nhất hiện nay đã đạt tới cấp H, và hiện chúng ta đã có đến thế hệ thứ hai của loại tinh thể đơn.

Nói chung, những loại dưới 1 MW được gọi là tua-bin khí cỡ nhỏ (micro-gas turbines). Các tua-bin khí cỡ nhỏ ở nước ngoài không sử dụng các hợp kim tốt như vậy do nhiệt độ thấp. Họ sử dụng một số loại thép đặc biệt và hiếm khi dùng tinh thể đồng trục (equiaxed crystals). Những loại khoảng 15 MW được gọi là tua-bin khí cỡ nhỏ, chủ yếu sử dụng tinh thể đồng trục. Ngoài ra, cũng có một số công ty đặc biệt ở nước ngoài sử dụng thép đặc biệt, nhưng vì lớp phủ của họ rất tốt nên sản phẩm được chế tạo tốt hơn. Loại cỡ trung bình 30~50 MW nói chung sử dụng nhiều tinh thể định hướng (oriented crystals), tức là cấp F. Các loại lớn hơn sử dụng tinh thể đơn thế hệ đầu và thứ hai, đây là các thương hiệu nội địa của chúng ta.

Các tua-bin khí vi mô cỡ nhỏ và trung bình chủ yếu được sử dụng trong điện phân tán và nhiệt điện kết hợp. Những tua-bin dưới 30 MW và 15 MW chủ yếu dùng ở Tứ Xuyên, còn những cái dưới 7 MW chủ yếu dùng ở Trùng Khánh. Điều này liên quan đến quy mô các khu công nghiệp của địa phương đó. Các tua-bin khoảng 30 MW chủ yếu dùng ở Giang Tô, còn các tua-bin từ 50 MW đến 100 MW thường được sử dụng trong các khu công nghiệp tại Quảng Đông, nói chung là cho điện phân tán hoặc nhiệt điện kết hợp. Những tua-bin trên 100 MW được dùng cho điều tiết đỉnh tải của một số lưới điện lớn hoặc làm nhà máy điện cơ bản. Ngành dầu khí sử dụng loại tua-bin nhỏ. Trong ngành khai thác thượng nguồn, chủ yếu dùng các tua-bin 7 MW và 15 MW; còn vận chuyển đường ống trung lưu chủ yếu dùng tua-bin 15 MW và 30 MW.

Hệ thống thiết kế của tua-bin khí có công suất dưới 30 MW tương đối trưởng thành, và hệ thống vật liệu quy trình cũng tương đối trưởng thành. Tỷ lệ thu hồi của OBT có thể đạt đến 85%. Tua-bin khí công nghiệp vẫn cần tập trung vào hiệu suất kinh tế, đánh giá kỹ thuật và kinh tế, hoặc hiệu suất chi phí, và chỉ tiêu đánh giá chính là tỷ lệ thu hồi.

Đối với các tuabin khí cỡ trung bình và lớn, chúng tôi (trong nước) tích lũy còn ít về phần mềm thiết kế, đặc tả thiết kế cũng như cơ sở dữ liệu của một số vật liệu và quy trình trong hệ thống thiết kế, do đó hệ thống thiết kế này chưa thực sự trưởng thành và tỷ lệ sản phẩm đạt yêu cầu còn thấp. Cấp F hoặc tinh thể định hướng là ngưỡng phân chia. Dưới mức tinh thể định hướng, chúng tôi vẫn đủ tự tin để tham gia cạnh tranh quốc tế. Trên mức tinh thể định hướng, ở cấp độ công nghiệp, chúng tôi vẫn còn khoảng cách nhất định. Khu vực này được giao cho đội ngũ quốc gia đảm nhiệm. Một số doanh nghiệp trung ương đang tiến hành nghiên cứu và phát triển cơ bản, đầu tư vào các vật liệu nền và quy trình cơ bản rất lớn.

Chuỗi Công Nghiệp

Trong khâu thượng nguồn chuỗi ngành công nghiệp tua-bin khí của quốc gia tôi, các nhà sản xuất vật liệu hợp kim chịu nhiệt độ cao, hợp kim titan, vật liệu composite, hợp kim nhôm và thép thông thường bao gồm Gangyan Gaona, Fushun Special Steel, Baoti Group, v.v. Trong khâu trung nguồn là chế tạo các bộ phận và linh kiện, vật liệu được đúc, rèn hoặc xử lý bằng các quy trình khác để chế tạo các cánh tua-bin, trục và các bộ phận khác. Các bộ phận như cánh được định hình thông qua quá trình đúc. Các công ty lớn trong nước chuyên về đúc và rèn bao gồm Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd., v.v. Sau đó, ở khâu hạ nguồn, các nhà sản xuất máy móc hoàn chỉnh sẽ lắp ráp các bộ phận lại thành máy hoàn chỉnh. Các nhà sản xuất lớn bao gồm AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric, v.v.

Các ngành công nghiệp thượng nguồn, đặc biệt là các sản phẩm như hợp kim nhiệt độ cao, hợp kim titan nhiệt độ cao, lớp phủ rào cản nhiệt và vật liệu composite gốm tiên tiến, có vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy ngành công nghiệp quốc phòng và sản xuất thiết bị cao cấp. Turbin khí trong nước chủ yếu được sử dụng để phát điện, và một số ít được sử dụng cho việc bơm nước, hút khí, tăng áp trong các mỏ dầu khí và cung cấp năng lượng cho tàu thuyền và xe tăng. Trọng tâm là phát điện phân tán, đồng phát nhiệt điện, vận chuyển đường ống khí天然气, động lực tàu thuyền và truyền động cơ học. Trong lĩnh vực cung cấp năng lượng phân tán, trạm tăng áp, phát điện công nghiệp và các lĩnh vực khác, turbin khí của đất nước chúng ta có tiềm năng thị trường lớn, và chính sách hỗ trợ sự phát triển nhanh chóng của ngành. Các dự án quy mô lớn hiện nay của đất nước như "Chuyển khí từ Tây sang Đông", "Truyền điện từ Tây sang Đông" và "Điều nước từ Nam ra Bắc" cùng với sự phát triển nhanh chóng của ngành đóng tàu đã dẫn đến sự gia tăng nhanh chóng nhu cầu turbin khí trong nước.

Chính sách Công nghiệp

Hệ thống năng lượng hiện đại trong Kế hoạch 5 năm lần thứ 14 cũng liệt kê tua-bin khí như một công nghệ cốt lõi then chốt, cơ bản đặt nó ngang hàng với năng lượng hạt nhân, hệ thống điện mới, lưu trữ năng lượng và năng lượng hydro.

Tổng công ty Đầu tư Điện lực đã thực hiện hai dự án đặc biệt, một là dự án lớn về tua-bin khí công suất lớn, bao gồm tua-bin khí hỗn hợp hydro. Một tua-bin thuần hydro đã được xây dựng ở Nội Mông nhưng chưa được đưa vào vận hành. Nhà máy nhiệt điện Jingmen đã pha trộn 15%. Tập đoàn Điện lực Hà Bắc và Tập đoàn Năng lượng Quảng Đông đã thực hiện một dự án pha trộn hydro tại Đại Yêu Vịnh, và Công ty Tua-bin Hơi Hàng Châu cùng Siemens đã thực hiện một dự án pha trộn hydro tại Chu Sơn.

Máy tuabin khí được sử dụng rộng rãi trong đường ống khí đốt Tây-Đông và trên các nền tảng dầu khí ngoài khơi. Là một doanh nghiệp liên quan đến quân sự, CNOOC cũng đã bị Hoa Kỳ trừng phạt và đối mặt với nguy cơ gián đoạn nguồn cung. Trong cuộc chiến Nga-Ukraine, các máy tuabin khí của Siemens mà Nga đã mua đã bị giữ lại khi chúng được gửi đến Canada để sửa chữa, ảnh hưởng đến an ninh năng lượng. Việc bản địa hóa phải được thực hiện càng sớm càng tốt.

Không gian thị trường

Năm 2022, sản lượng máy tuabin khí của nước ta sẽ đạt 4,0563 triệu kilowatt, và nhu cầu sẽ khoảng 6,7986 triệu kilowatt.

Theo thống kê, quy mô thị trường máy tuabin khí của nước ta đạt 61,669 tỷ nhân dân tệ vào năm 2022, trong đó quy mô thị trường của máy tuabin khí mini là 8,93 tỷ nhân dân tệ, quy mô thị trường của máy tuabin khí nhẹ là 56,569 tỷ nhân dân tệ, và quy mô thị trường của máy tuabin khí nặng là 4,207 tỷ nhân dân tệ.

Nước ta hiện nay đã có thể tự chủ sản xuất các tua-bin khí hạng nhẹ (công suất dưới 50MW). Các sản phẩm tầm thấp thậm chí còn có thể xuất khẩu, nhưng tua-bin khí hạng nặng (công suất trên 50MW) vẫn chủ yếu phụ thuộc vào nhập khẩu. Công nghệ cốt lõi hầu như bị độc quyền bởi các nhà sản xuất quốc tế như GE của Mỹ, Mitsubishi của Nhật Bản và Siemens của Đức. Điều này tiềm ẩn nguy cơ bị "thắt nghẹn" trên thị trường nội địa. Theo số liệu của Tổng cục Hải quan, kim ngạch nhập khẩu tua-bin khí năm 2022 đạt 4,161 tỷ USD và xuất khẩu đạt 735 triệu USD.