فصل المعرفة BLAZE: التوربين الغازي

المفاهيم الأساسية

وفقًا لـ "معجم التوربينات الغازية" (GB/T 15135-2018)، فإن التوربين الغازي يشير إلى ماكينة دوارة تدفق مستمر (ماكينة واحدة) تقوم بتحويل الطاقة الحرارية إلى عمل ميكانيكي، بما في ذلك ضاغط، ومعدات تسخين السائل العامل (مثل غرفة الاحتراق)، وتوربين، ونظام تحكم والمعدات المساعدة.

محركات التوربينات الغازية الصناعية، والتي تُعرف عادةً بالتوربينات الغازية أو التوربينات الصناعية، هي في الأساس نفس الشيء مثل محركات التوربينات الغازية المستخدمة في الطيران (يشار إليها بمحركات الطيران)، ولكن سياقات التطبيق تختلف قليلاً. فهي تضغط الغاز تحت ضغط عالٍ داخل غرفة الاحتراق، ومن خلال تفاعل الطاقة الكيميائية، يتم تحويل هذه الطاقة الكيميائية إلى عمل ميكانيكي بواسطة التوربين (ترجمة صوتية لكلمة توربين).

كمُحول طاقة، يعمل التوربين الغازي كمحرك طائرة يحول كيروسين الطيران إلى طاقة ميكانيكية للملف أثناء الطيران في السماء؛ أما التوربين الغازي المستخدم على الأرض فيحول الغاز الطبيعي والزيت إلى طاقة ميكانيكية للمولد.

تم تطوير التوربينات البخارية، المحركات ذات الاحتراق الداخلي، والتوربينات الغازية لأول مرة للاستخدام على السفن الحربية. استُخدمت التوربينات البخارية قبل الحرب العالمية الأولى، المحركات ذات الاحتراق الداخلي استُخدمت خلال الحرب العالمية الأولى والحرب العالمية الثانية، والتوربينات الغازية للسفن الحربية تم تطويرها بعد الحرب العالمية الثانية. وقد تم تعديلها من محركات الطائرات واستُخدمت بشكل رئيسي على السفن السطحية الكبيرة.

للتوربينات الغازية عدة خصائص:

أولاً، يمكن للكفاءة النظرية لتحويل الطاقة أن تصل إلى 88٪، وهي أعلى كفاءة تحويل طاقة تم تحقيقها في العالم حتى الآن. يُقال إن خلايا الوقود يمكن أن تحقق كفاءة تحويل تصل إلى 90٪، لكنها لم تصبح م commercialized بالكامل بعد؛ الكفاءة النظرية لتحويل الطاقة في المحركات الاحتراقية هي 88٪، وقد تم اختبارها على مدى عقود.

ثانياً، درجة حرارة الاحتراق في التوربينات الغازية تكون نسبياً مرتفعة، وانبعاث الغازات الضارة يكون منخفضاً نسبياً.

ثالثاً، desnity القدرة نسبياً كبير. يمكن لجهاز واحد بحجم حاوية أن يوفر الطاقة لسفينة دestroyer؛ حاويتان تكفيان تقريباً لتوفير الكهرباء المدنية لمحافظة. التوربينات البخارية تكون كبيرة جداً، مثل محركات الديزل والمحركات احتراقية الداخلية بسعة أكثر من 10 ميجاوات، والتي تكون عادة أجهزة ضخمة تزن آلاف الأطنان وارتفاعها عشرات الأمتار.

رابعًا، المحركات الغازية ليست مثل محركات الاحتراق الداخلي التي تعمل بنظام السكتات وتقوم بعملية عمل واحدة كل 4 سكتات. تعمل المحركات الغازية بشكل مستمر، والتوربين هو خط votex. إنها جهاز محرك حراري يمتلك أعلى كفاءة في تحويل الطاقة، حيث يقوم بتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة حرارية وطاقة ميكانيكية.

في السبعينيات، دخلت التوربينات الغازية صناعة النفط الأمريكية، مما أدى إلى ظهور التوربينات الغازية الصناعية. تحتاج محركات الطائرات إلى أداء نسبيًا عالي، وهي معقدة نسبيًا ولديها عمر افتراضي نسبيًا قصير؛ أما المحركات الصناعية فلا تحتاج إلى تقليل الوزن، وهي مصنوعة بشكل قوي جدًا وتتطلب عمر افتراضي نسبيًا طويل. حوالي الثمانينيات، ومع تطور الغاز الطبيعي، دخلت مجال صناعة الكهرباء.

بعد الحرب العالمية الثانية، لم يكن المستوى الفني للولايات المتحدة مرتفعاً جداً. أقدم الاستحواذ كان لشركات إيطالية، وهي رأس المال الأوروبي للمعدات الدوارة. الشركة البريطانية النموذجية هي رولز رويس، التي تصنع محركات الطائرات. عادةً، الشركات التي تصنع محركات الطائرات تصنع أيضاً التوربينات الغازية. استحوذت سيمنز الألمانية في جميع أنحاء أوروبا، واستحوذت أيضاً على تعديلات رولز رويس للطائرات. توربينات الغاز الروسية تعتمد بشكل أساسي على التعاون مع أوكرانيا. التصاميم كلها في روسيا، وبعض قواعد الإنتاج في ماريوبول، أوكرانيا.

في العقود الأخيرة، لم تطور سوى ميتسوبيشي اليابانية توربيناً غازياً ثقيلاً حقيقياً، وتصنع كاواساكي أنواعاً أصغر، لذا لا يزال هناك عتبة معينة. التوربينات الغازية الصغيرة والمتوسطة الحجم تُصنع بشكل أساسي من قبل جي إي، خاصة للاستخدام العسكري. السفن الحربية الرئيسية تعتمد في الغالب على جي إي، النموذج LM-2500. اشترت سيمنز بعض التوربينات الغازية الصغيرة في لينكولن بالمملكة المتحدة بقدرة أقل من 15 ميجاوات، وبعضها الآخر في فنسبانغ بالسويد. أفضل شركة في مجال التوربينات الغازية الصغيرة هي سولار في الولايات المتحدة، والتي تتمتع بعلاقة قوية مع عملائها ولديها أكبر حصة في السوق العالمية للتوربينات الغازية الصغيرة بقدرة أقل من 15 ميجاوات.

التصنيف

وفقًا للشكل الهيكلي وقوة الإخراج، يمكن تقسيم turbinات الغاز إلى ثلاث فئات: مصغرة، خفيفة وثقيلة. من بينها، يمكن تعديل turbinات الغاز المصغرة والخفيفة من محركات الطائرات (وتشتهر أيضًا باسم "تحويل الطيران إلى غاز")، حيث تكون قوتها عادةً ضمن 50 ميجاوات، ويمكن استخدامها في توليد الكهرباء الصناعية، طاقة السفن، زيادة ضغط الأنابيب، القاطرات الدبابة، التوليد الموزع وإنتاج الطاقة والحرارة المتزامن. أما turbinات الغاز الثقيلة فقوتها تتجاوز 50 ميجاوات وتُستخدم بشكل أساسي كمحولات ثابتة على الأرض مثل شبكات الكهرباء الحضرية.

عادة ما يتم تصنيف turbinات الغاز الثقيلة حسب درجة الحرارة. الفئات E، F، G، وH تتوافق مع درجات حرارة احتراق مختلفة. من وجهة نظر هندسية، يفضل تصنيفها بناءً على قدرة تحمل السبائك للحرارة.

في الصين، الأمر يتعلق بشكل أساسي بالتوربينات الغازية الصغيرة. عادةً ما يتم تصنيف التوربينات الغازية الصغيرة حسب الهيكل: ذات المحور الواحد، ذات المحورين، ذات الثلاثة محاور، المعدلة للطيران، الصناعية، ونادرًا ما يتم تصنيفها حسب درجة الحرارة، لأن درجة حرارة التوربينات الغازية الصغيرة ليست مرتفعة جدًا مقارنة بالتوربينات الغازية الثقيلة. تلك التي قدرتها أقل من 30 ميجاوات هي في الواقع بلورات متساوية المحاور، أي من فئة E. هذا ليس مطلقًا، وبعض الأنواع الأكثر تقدمًا وصلت إلى فئة F. تم إنتاج فئة E تجريبيًا في الصين عام 1995. حوالي 50 ميجاوات يتوافق على الأرجح مع فئة F، وهي بلورة موجهة. قامت الصين بإنتاج الفئة تجريبيًا في عام 2005، والآن نحن نمتلك جميع هذه المواد. أكثر التوربينات الغازية تقدمًا وصلت إلى فئة H، والآن لدينا البلورات أحادية النمو الجيل الثاني.

بشكل عام، تُسمى تلك التي تقل عن 1 ميجاواط "المراوح الغازية الدقيقة". في الواقع، المراوح الغازية الدقيقة في الخارج لا تستخدم مثل هذه السبائك الجيدة بسبب انخفاض درجة الحرارة. إنها تستخدم بعض الفولاذ الخاص، ونادراً ما تستخدم بلورات متساوية المحاور. أما تلك التي تبلغ حوالي 15 ميجاواط فتُسمى المراوح الغازية الصغيرة، والتي تستخدم بشكل أساسي بلورات متساوية المحاور. هناك أيضًا بعض الشركات الخاصة في الخارج التي تستخدم فولاذ خاص، لكن بسبب جودة طبقاتهم العالية، يتم تصنيعها بشكل أفضل. أما المتوسطة والصغيرة الحجم من 30 إلى 50 ميجاواط فتستخدم عادةً المزيد من البلورات الموجهة، أي من فئة F. أما الأكبر حجماً فتستخدم بلورات أحادية من الجيل الأول والثاني، وهي من العلامات التجارية المحلية.

تُستخدم التوربينات الغازية الصغيرة والمتوسطة والمتناهية الصغر في الغالب للطاقة الموزعة ووحدات إنتاج الكهرباء والحرارة المتزامنة. تُستخدم تلك التي تقل قوتها عن 30 ميجاوات و15 ميجاوات بشكل رئيسي في سيتشوان، وتلك التي تقل قوتها عن 7 ميجاوات تُستخدم بشكل أساسي في تشونغتشينغ. وهذا مرتبط بحجم المناطق الصناعية لديها. أما تلك التي تبلغ قوتها حوالي 30 ميجاوات فتُستخدم بشكل رئيسي في جيانغسو، وتلك التي تتراوح بين 50 ميجاوات و100 ميجاوات تُستخدم في المناطق الصناعية في قوانغدونغ، عادةً للطاقة الموزعة أو لإنتاج الكهرباء والحرارة المتزامنة. أما تلك التي تتجاوز قوتها 100 ميجاوات فتُستخدم أساسًا لتنظيم ذروة الشبكات الكهربائية الكبيرة أو كمحطات طاقة أساسية. تستخدم صناعة النفط والغاز بشكل أساسي الأنواع الصغيرة. في قطاع التعدين في المرحلة الأولى، يتم استخدام 7 ميجاوات و15 ميجاوات بشكل رئيسي، وفي نقل الأنابيب في المرحلة الوسطى، يكون التركيز على 15 ميجاوات و30 ميجاوات.

نظام تصميم turbinات الغاز بأقل من 30 ميجاوات ناضج نسبيًا، وكذلك نظام المواد المستخدمة في العملية ناضج نسبيًا. يمكن أن يصل معدل الإنتاج لـ OBT إلى 85%. لا تزال turbinات الغاز الصناعية بحاجة إلى التركيز على الأداء الاقتصادي، والتقييم الفني والاقتصادي، أو أداء التكلفة، والمقياس التقييمي الرئيسي هو معدل الإنتاج.

بالنسبة لمراوح الغاز المتوسطة والكبيرة الحجم، فإننا (محليًا) نملك قليل من التراكم في برامج التصميم، ومحددات التصميم، وقواعد بيانات بعض المواد والعمليات ضمن نظام التصميم الخاص بنا، لذلك فإن هذا النظام ليس ناضجًا جدًا ونسبة الإنتاجية ليست مرتفعة. مستوى F أو الموجه البلوري هو نقطة الفصل. تحت الموجه البلوري، نحن ما زلنا واثقين بما يكفي للمشاركة في المنافسة الدولية. فوق الموجه البلوري، وعلى المستوى الصناعي، لا يزال هناك فجوة معينة. هذا المجال تم تسليمه إلى الفريق الوطني. هناك عدة شركات مركزية تقوم بإجراء بعض الأبحاث الأساسية والتطوير، والاستثمار في المواد الأساسية والعمليات الأساسية كبير للغاية.

سلاسل صناعية

في الجزء العلوي من سلسلة صناعة turbin الغاز في بلدي، تشمل مصنعي السبائك عالية الحرارة، السبائك التيتانيوم، المواد المركبة، سبائك الألمنيوم والصلب العام شركات مثل Gangyan Gaona، Fushun Special Steel، مجموعة Baoti، وما إلى ذلك. في رابط الأجزاء والمكونات الوسطى، يتم تشغيل المواد عن طريق الصب أو التشكيل أو عمليات أخرى لصنع أجزاء مثل شفرات turbin، المحاور وغيرها. يتم تصنيع الشفرات والأجزاء الأخرى بواسطة عملية الصب. تشمل الشركات الرئيسية المحلية للصب والتشكيل شركة Yingliu المحدودة، شركة Wanze المحدودة، شركة Tunan المحدودة، وما إلى ذلك. بعد ذلك، يقوم مصنعو الآلات الكاملة في الجزء السفلي بتركيب مختلف الأجزاء إلى آلات كاملة. تشمل الشركات الرئيسية AECC، Shanghai Electric، Helan Turbine، Harbin Electric، وما إلى ذلك.

تلعب الصناعات المُصعِدة، خاصة المنتجات مثل السبائك الحرارية العالية، والسبائك التيتانيومية الحرارية العالية، والطلاء الحواجز الحرارية، والمواد المركبة السيراميك المتقدمة، دورًا مهمًا في تعزيز صناعة الدفاع الوطني وتصنيع المعدات عالية التقنية. تُستخدم التوربينات الغازية المحلية بشكل أساسي لتوليد الكهرباء، وبعضها يُستخدم لحقن المياه، واستنشاق الهواء، وزيادة الضغط في حقول النفط والغاز، وكذلك لتوفير الطاقة للسفن والدبابات. التركيز يكون على إنتاج الكهرباء الموزعة، والتوليد المشترك للحرارة والطاقة، ونقل خطوط أنابيب الغاز الطبيعي، ودفع السفن، وتشغيل الآلات. كما يوجد سوق محتمل كبير للتوربينات الغازية في بلادنا في مجالات توفير الطاقة الموزعة، ومراكز زيادة الضغط، وإنتاج الكهرباء الصناعي وغيرها من المجالات، مع دعم السياسات لتطوير هذه الصناعة بسرعة. المشاريع الكبرى الحالية في بلادنا مثل "نقل الغاز من الغرب إلى الشرق"، و"نقل الكهرباء من الغرب إلى الشرق"، و"إعادة توجيه المياه من الجنوب إلى الشمال"، بالإضافة إلى النمو السريع لصناعة بناء السفن في بلادنا، قد أدى إلى زيادة سريعة في الطلب المحلي على التوربينات الغازية.

سياسة صناعية

يُدرج نظام الطاقة الحديث في الخطة الخمسية الرابعة عشرة أيضًا التوربينات الغازية كتكنولوجيا أساسية رئيسية، مما يضعها بشكل أساسي على نفس المستوى مثل الطاقة النووية، أنظمة الطاقة الجديدة، تخزين الطاقة والطاقة الهيدروجينية.

قامت شركة استثمار الكهرباء الوطنية بمشروعين خاصين، أحدهما هو مشروع رئيسي للتوربينات الغازية الثقيلة، بما في ذلك توربينات مزج الهيدروجين. تم بناء واحد بالهيدروجين النقي في منغوليا الداخلية لكنه لم يتم تشغيله بعد. قامت محطة طاقة جينغمن بإضافة 15% هيدروجين. قامت شركتا هاربين إلكتريك وشركة مجموعة الكهرباء في قوانغدونغ (مجموعة طاقة قوانغدونغ) بمشروع مزج الهيدروجين في خليج دايا، وقامت شركتا زهوجيانغ ستيم توربين وسيمنز بمشروع مزج الهيدروجين في زهوسان.

تُستخدم توربينات الغاز على نطاق واسع في خط أنابيب الغاز من الغرب إلى الشرق وعلى منصات النفط البحرية. وبصفتها شركة مرتبطة بالجيش، تعرضت سي نيو أو سي (CNOOC) أيضًا لعقوبات من الولايات المتحدة وتواجه خطر انقطاع الإمدادات. خلال الحرب الروسية الأوكرانية، تم احتجاز توربينات الغاز التي اشترتها روسيا من سيمينز عندما أُرسلت إلى كندا للإصلاح، مما أثر على الأمن الطاقوي. يجب تنفيذ التوطين في أقرب وقت ممكن.

مساحة السوق

في عام 2022، ستصل إنتاجية توربينات الغاز في بلادنا إلى 4.0563 ملايين كيلوواط، وسيكون الطلب حوالي 6.7986 ملايين كيلوواط.

وفقًا للإحصائيات، بلغ حجم سوق توربينات الغاز في بلادنا 61.669 مليار يوان في عام 2022، حيث كان حجم سوق التوربينات الصغيرة 893 مليون يوان، وحجم سوق التوربينات الخفيفة 56.569 مليار يوان، وحجم سوق التوربينات الثقيلة 4.207 مليار يوان.

لدي بلادي الآن القدرة على إنتاج توربينات غاز خفيفة (قوة أقل من 50 ميجاوات) بشكل مستقل، ويمكن حتى تصدير الأنواع ذات المستوى المنخفض، لكن التوربينات الغازية الثقيلة (قوة تزيد عن 50 ميجاوات) لا تزال تعتمد بشكل أساسي على الواردات، وتقنياتها الأساسية محكمة السيطرة من قبل الشركات الدولية مثل جي إي في الولايات المتحدة، وميتسوبيشي في اليابان، وسيمنز في ألمانيا. هناك خطر "الخنق" في السوق المحلي. وفقًا لبيانات الإدارة العامة للجمارك، ستصل واردات التوربينات الغازية في عام 2022 إلى 4.161 مليارات دولار أمريكي، بينما ستصل الصادرات إلى 735 مليون دولار أمريكي.