BLAZE Vzdělávací třída: Plynová turbína

Základní koncepty

Podle „Slovníku plynových turbín“ (GB/T 15135-2018) je plynová turbína zařízením pro spojitý proud, které převádí tepelnou energii na mechanickou práci (jednotka), včetně kompresoru, zařízení na zahřívání pracného prostředku (např. spalovací komory), turbíny, řídícího systému a vedlejšího vybavení.

Průmyslové plynové turbíny, obvykle nazývané pouze turbíny nebo turbíny průmyslové plynové motory, jsou ve skutečnosti téměř stejnou věcí jako letecké plynové turbíny (označované jako letecké motory), ale jejich aplikace se mírně liší. Komprimují vysokotlaký plyn do spalovací komory a prostřednictvím reakce chemické energie ji převedou pomocí turbíny (přepis slova turbine) na mechanickou práci.

Jako zařízení pro převod energie je plynový turbinový motor letadlovým motorem, který při létání ve vzduchu přeměňuje leteckou naftu na mechanickou energii pro vrtule; plynová turbina používaná na zemi přeměňuje přírodní plyn a ropa na mechanickou energii pro generátor.

Parní turbiny, spalovací motory a plynové turbiny byly poprvé vyvinuty pro použití na válečných lodích. Parní turbiny se používaly před první světovou válkou, spalovací motory během první a druhé světové války a plynové turbiny pro válečné lodě byly vyvinuty po druhé světové válce. Byly odvozeny z letadlových motorů a hlavně se používaly na velkých povrchových lodích.

Plynové turbiny mají několik vlastností:

Nejprve, teoretická účinnost převodu energie může dosáhnout 88 %, což je zařízení s nejvyšší účinností převodu energie na světě dosud. Palivové články by mohly dosáhnout účinnosti převodu až 90 %, ale ještě nejsou plně komercializovány; teoretická účinnost převodu energie u spalovacích motorů je 88 %, což bylo testováno desetiletími.

Druhé, teplota hoření u plynových turbín je relativně vysoká a emise škodlivých plynů je relativně nízká.

Třetí, hustota výkonu je relativně velká. Jedna strojovna ve velikosti kontejneru může dodávat energii ničelnici; dva kontejnery jsou zhruba dostatečné pro civilní elektrinu celého okresu. Parní turbíny jsou velmi velké, jako například diesely a vnitřní spalovací motory s výkonem více než 10 megawattů, které jsou obvykle zařízení vážící tisíce tun a měřící desítky metrů výšky.

Čtvrté, plynové turbíny se liší od vnitřních spalovacích motorů, které jsou stroji s cyklickým pohybem a vykonávají práci jednou za 4 taky. Plynové turbíny pracují nepřetržitě, a turbína je spirálová čára. Je to zařízení tepelného motoru s nejvyšší účinností převodu energie, které převádí chemickou energii na tepelnou a mechanickou energii.

V 70. letech vstoupily plynové turbíny do americké ropné průmyslové větve, což vedlo k vzniku průmyslových plynových turbín. Motor letadla vyžaduje relativně vysoký výkon, je relativně sofistikovaný a má relativně krátkou životnost; průmyslové motory nemusí snižovat hmotnost, jsou velmi pevné a vyžadují relativně dlouhou životnost. Kolem 80. let, s rozvojem přírodního plynu, vstoupily do elektřiny.

Po druhé světové válce nebyl technický vývoj Spojených států amerických příliš vysoký. Nejstarší akvizice byly italské firmy, které jsou dominanty v oblasti rotujícího zařízení v Evropě. Typická britská firma je Rolls-Royce, která vyrábí letadlové motory. Obvykle firmy, které vyrábějí letadlové motory, také vyrábějí plynové turbíny. Německá Siemens se rozšiřovala po celé Evropě a také akvizovala oddělení pro úpravy letadel firmy Rolls-Royce. Ruské plynové turbíny spolupracují hlavně s Ukrajinou. Návrhy jsou všechny v Rusku, některé výrobní základy jsou však v Mariupolu na Ukrajině.

V posledních desetiletích vyvinula jen Mitsubishi z Japonska opravdovou těžkou plynovou turbínu, Kawasaki vyrábí menší, takže stále existuje určitý práh. Malé a středně velké plynové turbíny jsou převážně od GE, zejména pro vojenské účely. Hlavní ničitele tvoří většinou turbíny LM-2500 od GE. Siemens zakoupil některé malé plynové turbíny v Lincolnu ve Spojeném království, s výkonem méně než 15 MW, a další v Finspångu v Švédsku. Nejlepší společností v oblasti malých plynových turbín je Solar v USA, která je velmi blízko svým zákazníkům a má nejvyšší tržní podíl na světě v sektoru malých plynových turbín o výkonu méně než 15 MW.

Klasifikace

Podle konstrukční formy a výstupního výkonu lze plynové turbíny rozdělit do tří kategorií: mikro, lehké a těžké. Z nich lze mikro a lehké plynové turbíny upravit z letadlových motorů (také známé jako "aero-to-gas"), s výkonem obvykle do 50 MW, které lze použít pro průmyslovou výrobu elektriny, lodní pohon, zvýšení tlaku v potrubích, nádržní lokomotivy, rozloženou výrobu elektriny a kombinovanou výrobu tepla a elektřiny. Těžké plynové turbíny mají výkon více než 50 MW a jsou hlavně používány jako pevné generátory na pevnině, jako městské elektřiny.

Těžké plynové motory se obvykle klasifikují podle teploty. Třídy E, F, G a H odpovídají různým teplotám hoření. Z inženýrského hlediska je přednostnější je klasifikovat podle tepelné odolnosti slitiny.

V Číně je to základně o malých plynových turbínách. Malé plynové turbíny se obvykle dělí podle struktury: jednoválcové, dvouválcové, tříválcové, letecky modifikované, průmyslové a jen zřídka podle teploty, protože teplota malých plynových turbín není tak vysoká ve srovnání s těžkými plynovými turbínami. Ty s výkonem pod 30 megawatty jsou ve skutečnosti rovnoměrně orientované krystaly, tj. E-třídy. To není absolutní, některé pokročilejší dosáhly F-třídy. E-třída byla v Číně zkoušena v roce 1995. Asi 50 megawattů pravděpodobně odpovídá F-třídě, která je orientovaným krystalem. Čína zkoušela tuto třídu v roce 2005 a nyní máme všechny tyto materiály. Nejmodernější plynové turbíny dosáhly H-třídy a nyní máme naše druhé generace jednoduchých krystalů.

Obecně se ty pod 1 MW nazývají mikrogazoturbiny. Ve skutečnosti v zahraničí mikrogazoturbiny nepoužívají tak dobré slitiny kvůli nízké teplotě. Používají některé speciální oceli a málokdy rovnoměrné krystaly. Ty kolem 15 MW se nazývají malé gazoturbiny, které převážně používají rovnoměrné krystaly. Existují také některé speciální firmy v zahraničí, které používají speciální oceli, ale protože jejich nátěry jsou zvláště dobré, jsou vyrobeny lépe. Malé a střední 30~50 MW obvykle používají více orientovaných krystalů, tedy F-třídy. Větší používají jednoduché krystaly první a druhé generace, což jsou naše domácí značky.

Malé, střední a mikro plynové turbíny jsou většinou používány v rozptýlené produkci elektriny a v kombinovaném výrobě tepla a elektřiny. Ty pod 30 MW a 15 MW jsou většinou používány ve Sichuanu, a ty pod 7 MW jsou většinou používány v Čungchingu. To je spojeno s velikostí jejich průmyslových zón. Ty kolem 30 MW jsou většinou používány v Džiangsu, a ty od 50 MW do 100 MW jsou většinou používány v průmyslových zónách v Kuang-tung, obvykle pro rozptýlenou produkci elektriny nebo kombinovanou výrobu tepla a elektřiny. Ty nad 100 MW jsou základně používány pro některé velké regulaci energetické sítě nebo jako základní elektrárny. ropné a plynné průmysl základně používá malé. V hornictví horních toků se většinou používají 7 MW a 15 MW, a v přepravě potrubím v mezistupňovém se používá hlavně 15 MW a 30 MW.

Systém návrhu plynových turbin pod 30 MW je relativně dospělý a procesní materiálový systém je také relativně dospělý. Výnosnost OBT může dosáhnout 85 %. Průmyslové plynové turbiny stále musí zaměřit pozornost na ekonomický výkon, technicko-ekonomickou hodnocení nebo náklady výkonu, hlavním ohodnocovacím ukazatelem je výnosnost.

Pro středně velké a velké plynové turbíny máme (domácí) v našem systému návrhu jen malé množství navrženého softwaru, norem pro návrh a databází některých materiálů a procesů, takže tento systém návrhu není dostatečně zralý a úspěšnost není vysoká. Úroveň F nebo orientovaný krystal je rozhraním. Pod orientovaným krystalem máme dostatek sebevědomí k účasti na mezinárodní konkurenci. Nad orientovaným krystalem máme na průmyslové úrovni stále určitou mezeru. Tato oblast je předána národnímu týmu. Několik středních podniků provádí základní výzkum a vývoj a investice do základních materiálů a základních procesů jsou obrovské.

Průmyslová řetězec

V horním průmyslovém řetězi plynových turbín v mé zemi jsou výrobci vysokoteplotných slitin, titanových slitin, kompozitních materiálů, slitin hořečnatých a obecné oceli mezi jinými Gangyan Gaona, Fushun Special Steel, Baoti Group atd. V prostředním díle výroby součástek jsou materiály lisované, kované nebo podrobeny jiným procesům pro výrobu turbinových listů, hřídelů a dalších součástí. Listy a další součástky jsou tvořeny litím. Hlavní domácí firmy specializované na lití a kování zahrnují Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd. atd. Nakonec, v dolním průmyslovém řetězi se montují různé součásti do celkových strojů. Hlavní výrobci zahrnují AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric atd.

Horní průmysl, zejména produkty jako vysoko temperační slitiny, vysoko temperační titanové slitiny, tepelně izolační nátěry a pokročilé keramické kompozitní materiály, mají významnou roli při podpoře obranného průmyslu a výroby vysoké technologie. Domácí plynové turbíny se používají hlavně na výrodu elektriny, menší část je použita pro vodní napajení, vzduchové nasávání, tlačení v ropných a plynných polích a pro pohon lodí a tanků. Důraz je kladen na rozdělenou výrodu elektřiny, kombinované výrobu tepla a elektřiny, přepravu přirozeného plynu potrubím, pohon lodí a mechanické otočné systémy. V oblastech rozdělené dodávky energie, tlační stanice a průmyslová výroba elektřiny máme obrovský potenciál trhu pro plynové turbíny a politiky podporují rychlý rozvoj této odvětví. Současné velké projekty v zemi, jako jsou "Přenos plynu západ-východ", "Přenos elektřiny západ-východ" a "Přesun vody jih-sever", spolu s rychlým rozvojem lodního průmyslu vedly ke rychlému nárůstu poptávky po plynových turbínách.

Průmyslová politika

Moderní energetický systém 14. pětiletého plánu rovněž uvádí plynové turbíny jako jádrovou klíčovou technologii, což je v podstatě stejná úroveň jako jaderná energie, nové elektrické sítě, akumulace energie a hydrogeenová energie.

Státní energetická investiční korporace provedla dva speciální projekty, jeden z nich je velkým projektem těžkých plynových turbín, včetně plynových turbín na směsi s vodíkem. Čistě vodíková byla postavena ve Vnitřní Mongolsku, ale ještě nebyla spuštěna do provozu. Elektrárna v Jingmen používá směs 15 %. Harbin Electric a Guangdong Electric Group, která je Guangdong Energy Group, realizovaly projekt směsi vodíku v Daye Bay, a Hangzhou Steam Turbine a Siemens realizovaly projekt směsi vodíku v Žhóushan.

Gazové turbíny jsou široce používány v potrubním systému Západ-Východ Plyn a na offshore ropných plošinách. Jako podnik spojený s vojenskými aktivitami byla CNOOC také sankcionována Spojenými Státy a čelí riziku přerušení dodávek. Během války mezi Ruskem a Ukrajinou byly gazové turbíny Siemens zakoupené Ruskem zadrženy při jejich odeslání do Kanady na opravu, což mělo dopad na energetickou bezpečnost. Lokalizace musí být provedena co nejdříve.

Tržní prostor

V roce 2022 bude výroba gazových turbin ve své zemi 4,0563 milionu kilowattů a poptávka bude asi 6,7986 milionu kilowattů.

Podle statistik dosáhl trh se gazovými turbinami ve své zemi v roce 2022 objemu 61,669 miliard yuanů, z toho velikost trhu s mikro turbinami byla 893 milionů yuanů, velikost trhu s lehkými turbinami 56,569 miliard yuanů a velikost trhu s těžkými turbinami 4,207 miliard yuanů.

Moje země nyní má schopnost nezávisle vyrábět lehké plynové turbíny (výkon pod 50 MW), a dokonce lze exportovat nižší kvalitu, ale těžké plynové turbíny (výkon nad 50 MW) jsou stále závislé na dovozu, a jádrovní technologie je prakticky monopolizována mezinárodními výrobci jako GE ve Spojených státech, Mitsubishi v Japonsku a Siemens v Německu. Existuje riziko "dušení" na domácím trhu. Podle dat Generální správy celního úřadu bude dovoz plynových turbín v roce 2022 částkou 4,161 miliardy USD a export bude částkou 735 milionů USD.