BLAZE Knowledge Classroom: Gas Turbine

Grundlegende Begriffe

Laut dem "Gas Turbine Vocabulary" (GB/T 15135-2018) bezeichnet man eine Gasturbine als kontinuierlich strömende Rotationsmaschine (Einzelmaschine), die thermische Energie in mechanische Arbeit umwandelt, einschließlich eines Kompressors, Geräte zur Erwärmung des Arbeitsmediums (wie ein Brennkammer), einer Turbine, eines Steuersystems und Hilfsausrüstungen.

Industrielle Gasturbinenmotoren, allgemein als Gasturbinen oder Turbinen, industrielle Gasmotoren bezeichnet, sind im Wesentlichen dasselbe wie Flugzeugturbinengasmotoren (als Flugzeugmotoren bezeichnet), aber die Anwendungsszenarien unterscheiden sich leicht. Sie pressen hochdruckgas in eine Brennkammer und wandeln durch die Reaktion der chemischen Energie diese über eine Turbine (die Transkription von Turbine) in mechanische Arbeit um.

Als Energieumwandlungsgerate ist eine Gasturbine ein Flugzeugmotor, der bei der Flugaufgabe das Aviatik-Kerosin in mechanische Energie fur den Propeller umwandelt; eine auf dem Boden verwendete Gasturbine wandelt Erdgas und Oel in mechanische Energie fur den Generator um.

Dampfturbinen, Verbrennungsmotoren und Gasturbinen wurden zuerst fur den Einsatz auf Kriegsschiffen entwickelt. Dampfturbinen wurden vor dem Ersten Weltkrieg eingesetzt, Verbrennungsmotoren wurden wahrend des Ersten und Zweiten Weltkriegs verwendet, und Kriegsschiff-Gasturbinen wurden nach dem Zweiten Weltkrieg entwickelt. Sie wurden von Flugzeugmotoren abgeleitet und wurden hauptsachlich auf grossen Oberflachenbooten eingesetzt.

Gasturbinen haben mehrere Eigenschaften:

Erstens kann die theoretische Energieumwandlungseffizienz 88 % erreichen, was das Gerät mit der höchsten Energieumwandlungseffizienz der Welt bislang ist. Brennstoffzellen sollen eine Umwandlungseffizienz von 90 % erreichen können, sind jedoch noch nicht vollständig kommerziell umgesetzt; die theoretische Energieumwandlungseffizienz von Verbrennungsmotoren beträgt 88 %, was Jahrzehnte lang getestet wurde.

Zweitens ist die Brenntemperatur von Gasturbinen relativ hoch und die Ausstoßmenge schädlicher Gase relativ gering.

Drittens ist die Leistungsdichte relativ groß. Eine Einheit in Containergröße kann einem Zerstörer Energie liefern; zwei Container reichen im Grunde aus, um den Strombedarf einer Kreisstadt zu decken. Dampfturbinen sind sehr groß, wie Dieselmotoren und Verbrennungsmotoren mit einer Kapazität von mehr als 10 Megawatt, die im Wesentlichen Tausende von Tonnen wiegende und zehn Meter hohe große Anlagen sind.

Viertens, Gas turbines sind nicht wie Otto-Motoren, die zu den Hubkolbenmaschinen gehören und bei denen in jedem Vier-Takt-Zyklus einmal Arbeit geleistet wird. Gas turbines arbeiten kontinuierlich, und die Turbine ist eine Wirbellschaft. Es handelt sich um ein thermisches Motorgerät mit der höchsten Energieumwandlungseffizienz, das chemische Energie in Wärme- und mechanische Energie umwandelt.

In den 1970er Jahren kamen Gas turbines in die Ölindustrie der USA, was zur Entwicklung von Industrie-Gasturbinen führte. Flugzeugmotoren erfordern relativ hohe Leistung, sind komplexer aufgebaut und haben eine kürzere Lebensdauer; Industrie-Motoren müssen kein Gewicht sparen, sind sehr robust gebaut und benötigen eine längere Lebensdauer. In den 1980er Jahren, mit der Entwicklung von Erdgas, kam es auch in die Energiewirtschaft.

Nach dem Zweiten Weltkrieg war das technische Niveau der Vereinigten Staaten nicht sehr hoch. Die frühesten Übernahmen betrafen italienische Unternehmen, die den Mittelpunkt der Drehmaschinen in Europa darstellen. Das typische britische Unternehmen ist Rolls-Royce, das Flugzeugtriebwerke herstellt. Im Allgemeinen produzieren Unternehmen, die Flugzeugtriebwerke herstellen, auch Gasturbinen. Deutschlands Siemens expandierte überall in Europa und übernahm auch die Flugzeugmodifikation von Rolls-Royce. Russlands Gasturbinen kooperieren hauptsächlich mit der Ukraine. Die Designs stammen alle aus Russland, einige der Produktionsstandorte befinden sich jedoch in Mariupol, Ukraine.

In den letzten Jahrzehnten hat nur Mitsubishi in Japan eine echte Hochleistungsgasturbine entwickelt, und Kawasaki stellt kleinere her, daher gibt es immer noch einen bestimmten Schwellwert. Kleine und mittlere Gasturbinen kommen hauptsächlich von GE, insbesondere für militärische Zwecke. Die Hauptstromzerstörer sind größtenteils mit GE ausgestattet, dem Modell LM-2500. Siemens hat einige seiner kleinen Gasturbinen in Lincoln, Großbritannien, übernommen, mit einer Leistung von weniger als 15 MW, und einige in Finspång, Schweden. Das beste Unternehmen bei kleinen Gasturbinen ist Solar in den USA, das sehr eng mit seinen Kunden zusammenarbeitet und den höchsten Marktanteil weltweit für kleine Gasturbinen mit einer Kapazität von weniger als 15 MW hat.

Klassifizierung

Je nach Bauform und Leistung können Gasturbinen in drei Kategorien unterteilt werden: Mikro, leicht und schwer. Dazu gehören Mikro- und Leichtgasturbinen, die von Flugzeugmotoren abgeleitet werden können (auch bekannt als "Aero-to-Gas"). Ihre Leistung liegt normalerweise unter 50 MW und sie können für industrielle Stromerzeugung, Schiffsantrieb, Rohrleitungsaufmunition, Panzerlokomotiven, dezentrale Energieerzeugung und Kraft-Wärme-Kopplung verwendet werden. Schwerlastgasturbinen haben eine Leistung von mehr als 50 MW und werden hauptsächlich als feste Erzeuger auf dem Land eingesetzt, wie zum Beispiel in städtischen Stromnetzen.

Schwere Gasmotoren werden im Allgemeinen nach Temperatur klassifiziert. Die Klassen E, F, G und H entsprechen unterschiedlichen Brenntemperaturen. Aus ingenieurtechnischer Sicht ist es vorzuziehen, sie nach der Temperaturbelastbarkeit des Legierungsstoffes zu klassifizieren.

In China handelt es sich im Wesentlichen um kleine Gasturbinen. Kleine Gasturbinen werden im Allgemeinen nach ihrer Struktur klassifiziert: einachsrig, zweiachsrig, dreiachsrig, luftfahrtmodifiziert, industriell und selten nach Temperatur, da die Temperatur von kleinen Gasturbinen im Vergleich zu schweren Gasturbinen nicht so hoch ist. Turbinen mit Leistungen unter 30 Megawatt sind tatsächlich gleichaxige Kristalle, das heißt E-Klasse. Dies ist nicht absolut, und einige fortschrittlichere haben die F-Klasse erreicht. Die E-Klasse wurde 1995 in China erstmals produziert. Etwa 50 Megawatt entsprechen wahrscheinlich der F-Klasse, die ausgerichteten Kristallen. China hat diese Klasse 2005 erstmals hergestellt, und wir verfügen jetzt über all diese Materialien. Die fortschrittlichsten Gasturbinen haben die H-Klasse erreicht, und wir verfügen nun über unsere zweite Generation von Einzalkristallen.

Im Allgemeinen werden Turbinen unter 1 MW als Mikro-Gasturbinen bezeichnet. Tatsächlich verwenden Mikro-Gasturbinen im Ausland aufgrund der niedrigen Temperaturen keine solch guten Legierungen. Sie verwenden einige spezielle Stähle und nutzen selten äquiaxiale Kristalle. Die um die 15 MW großen werden als kleine Gasturbinen bezeichnet, die hauptsächlich äquiaxiale Kristalle verwenden. Einige spezielle Firmen im Ausland verwenden ebenfalls spezielle Stähle, aber da ihre Beschichtungen besonders gut sind, werden sie besser hergestellt. Kleine und mittlere Turbinen von 30 bis 50 MW verwenden normalerweise mehr orientierte Kristalle, das heißt F-Klasse. Größere verwenden Erst- und Zweitgenerationseinkristalle, das sind unsere nationalen Marken.

Kleine, mittlere und mikro Gas turbines werden hauptsächlich in dezentraler Energieerzeugung und KWK (Kombinierte Wärme- und Kraftwerke) eingesetzt. Die unter 30 MW und 15 MW werden hauptsächlich in Sichuan eingesetzt, während die unter 7 MW hauptsächlich in Chongqing verwendet werden. Dies ist mit der Größe ihrer Industriegebiete verbunden. Die um die 30 MW drehenden werden hauptsächlich in Jiangsu eingesetzt, und die zwischen 50 MW und 100 MW werden hauptsächlich in Industriegebieten in Guangdong eingesetzt, meist für dezentrale Energieerzeugung oder KWK. Die über 100 MW werden grundsätzlich für einige große Netzsynchronisationsdienste oder als Grundlastkraftwerke genutzt. Die Öl- und Gasindustrie verwendet grundsätzlich kleine Turbinen. In der Aufschließungsindustrie werden hauptsächlich 7 MW und 15 MW eingesetzt, während im Mittelstrom Rohrleitungstransport hauptsächlich 15 MW und 30 MW verwendet werden.

Das Design-System von Gasturbinen unter 30 MW ist relativ reif, und das Prozessmaterialsystem ist ebenfalls relativ reif. Die Ausbeuterate von OBT kann 85 % erreichen. Industriegasturbinen müssen weiterhin auf wirtschaftliche Leistungsfähigkeit, technisch-wirtschaftliche Bewertung oder Kosten-Nutzen-Verhältnis fokussieren, und der Hauptbewertungsindikator ist die Ausbeuterate.

Bei Gasstrahlern mittlerer und großer Größe haben wir (inländisch) nur wenig Erfahrung mit Design-Software, Design-Spezifikationen und Datenbanken für einige Materialien und Prozesse in unserem Designsystm gesammelt, daher ist dieses System noch nicht sehr reif und die Ausbeute ist nicht hoch. Das F-Niveau oder das orientierte Kristall ist ein Scheideweg. Unterhalb des orientierten Kristalls sind wir noch selbstsicher genug, um an internationaler Konkurrenz teilzunehmen. Oberhalb des orientierten Kristalls besteht auf Industrienebene immer noch ein gewisser Unterschied. Dieses Gebiet wird von der nationalen Mannschaft übernommen. Mehrere zentrale Unternehmen führen grundlegende Forschungen und Entwicklungen durch, und die Investitionen in grundlegende Materialien und grundlegende Prozesse sind immens.

Wertekette

In der Aufwärtsphase der Wertschöpfungskette der Gasturbinenindustrie meines Landes umfassen die Hersteller von Hochtemperaturlegierungen, Titanlegierungen, Verbundmaterialien, Aluminiumlegierungen und allgemeinem Stahl Unternehmen wie Gangyan Gaona, Fushun Special Steel, Baoti Group usw. In der Mittelstrom-Phase der Komponentenherstellung werden die Materialien gegossen, geschmiedet oder andere Verfahren angewendet, um Turbinenschaufeln, Wellen und andere Komponenten herzustellen. Schaufeln und andere Teile werden durch den Gießprozess hergestellt. Zu den führenden nationalen Gießerei- und Schmiedebetrieben gehören Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd. usw. Anschließend montieren die Downstream-Gerätehersteller verschiedene Komponenten zu vollständigen Maschinen zusammen. Zu den wichtigsten Herstellern zählen AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric usw.

Die Aufschalungsinvestments, insbesondere Produkte wie Hochtemperaturlegierungen, Hochtemperaturtitanlegierungen, thermische Barrierebeschichtungen und fortschrittliche keramische Verbundwerkstoffe, spielen eine bedeutende Rolle bei der Förderung der Verteidigungsindustrie und der Herstellung hochwertiger Ausrüstung. Inländische Gasturbinen werden hauptsächlich für Stromerzeugung eingesetzt, wobei eine geringe Anzahl davon für Wasserinjektion, Luftaufnahme, Druckerhöhung in Ölfeldern sowie für die Antriebskraft von Schiffen und Panzern verwendet wird. Der Schwerpunkt liegt auf dezentraler Stromerzeugung, Kombikraftwerk, Erdgasleitungstransport, Schiffstriebwerke und Maschinenantrieb. In Bezug auf Aspekte haben die Gasturbinen unseres Landes riesige potenzielle Märkte im Bereich der dezentralen Energieversorgung, Druckstationen und industriellen Stromerzeugung, und es gibt politische Unterstützung für die schnelle Entwicklung der Branche. Die derzeit laufenden Großprojekte unseres Landes wie "West-Ost-Gaspipeline", "West-Ost-Stromübertragung" und "Süd-Nord-Wasserumleitung" sowie die rasante Entwicklung unserer Schifffahrt führen zu einem starken Anstieg der Nachfrage nach Gasturbinen in unserem Land.

Industriepolitik

Das moderne Energiesystem des 14. Fünfjahresplans führt Gasturbinen ebenfalls als Kernschlüsseltechnologie auf, wobei sie im Grunde auf die gleiche Stufe wie Kernenergie, neue Stromsysteme, Energiespeicher und Wasserstoffenergie gesetzt werden.

Die State Power Investment Corporation hat zwei Spezialprojekte durchgeführt, eines davon ist ein Großprojekt für schwere Gasturbinen, einschließlich Wasserstoffgemisch-Gasturbinen. Eine reine Wasserstoffanlage wurde in Innere Mongolei gebaut, aber noch nicht in Betrieb genommen. Das Kraftwerk in Jingmen hat 15 % gemischt. Harbin Electric und Guangdong Electric Group, also Guangdong Energy Group, haben ein Wasserstoff-Mischprojekt in Daya Bay durchgeführt, und Hangzhou Steam Turbine und Siemens haben ein Wasserstoff-Mischprojekt in Zhoushan realisiert.

Gas turbines werden im West-Ost-Gas-Pipeline-Projekt sowie auf off-shore-Ölplattformen weitgehend eingesetzt. Als militärisch verbundenes Unternehmen wurde CNOOC ebenfalls von den USA sanktioniert und steht vor dem Risiko von Lieferengpässen. Während des Krieges zwischen Russland und der Ukraine wurden die von Russland gekauften Siemens-Gasturbinen, die nach Kanada geschickt wurden, um repariert zu werden, beschlagnahmt, was die Energiesicherheit beeinträchtigte. Eine Lokalisierung muss so schnell wie möglich durchgeführt werden.

Marktraum

Im Jahr 2022 betrug die Produktion von Gasturbinen in unserem Land 4,0563 Millionen kW, während die Nachfrage etwa 6,7986 Millionen kW erreichte.

Laut Statistiken belief sich der Marktwert der Gasturbinen in unserem Land im Jahr 2022 auf 61,669 Milliarden Yuan, wovon der Markt für Mikro-Gasturbinen 8,93 Milliarden Yuan, der Markt für leichte Gasturbinen 56,569 Milliarden Yuan und der Markt für schwere Gasturbinen 4,207 Milliarden Yuan betrug.

Mein Land verfügt nun über die Fähigkeit, leichte Gasturbinen (Leistung unter 50 MW) unabhängig herzustellen, und die günstigeren Modelle können sogar exportiert werden. Schwere Gasturbinen (Leistung über 50 MW) hängen jedoch weiterhin weitgehend von Importen ab, und die Kerntechnologie wird im Wesentlichen von internationalen Herstellern wie GE in den USA, Mitsubishi in Japan und Siemens in Deutschland monopolisiert. Es besteht das Risiko einer "Würgeeffekt" auf dem Inlandsmarkt. Laut Daten der Generalverwaltung für Zoll beliefen sich die Gasturbinen-Importe im Jahr 2022 auf 4,161 Milliarden US-Dollar und die Exporte auf 735 Millionen US-Dollar.