Clase de Conocimiento BLAZE: Turbina de Gas

Conceptos Básicos

De acuerdo con el "Glosario de Turbinas de Gas" (GB/T 15135-2018), una turbina de gas se refiere a una máquina rotativa de flujo continuo (máquina individual) que convierte la energía térmica en trabajo mecánico, incluyendo un compresor, equipos para calentar el fluido de trabajo (como una cámara de combustión), una turbina, un sistema de control y equipos auxiliares.

Los motores de turbinas de gas industriales, generalmente conocidos como turbinas de gas o turbinas industriales, son esencialmente lo mismo que los motores de turbinas de gas aeroespaciales (conocidos como motores aeroespaciales), pero los escenarios de aplicación son ligeramente diferentes. Comprimen gases a alta presión en una cámara de combustión y, mediante la reacción de la energía química, convierten la energía química en trabajo mecánico mediante una turbina (la transliteración de turbina).

Como dispositivo de conversión de energía, una turbina de gas es un motor de avión que convierte el queroseno de aviación en energía mecánica para el propulsor al volar en el cielo; una turbina de gas utilizada en tierra convierte el gas natural y el petróleo en energía mecánica para el generador.

Las turbinas de vapor, los motores de combustión interna y las turbinas de gas se desarrollaron inicialmente para su uso en buques de guerra. Las turbinas de vapor se utilizaron antes de la Primera Guerra Mundial, los motores de combustión interna se usaron durante la Primera y Segunda Guerra Mundial, y las turbinas de gas para buques de guerra se desarrollaron después de la Segunda Guerra Mundial. Fueron modificadas a partir de motores de avión y se utilizaron principalmente en grandes buques de superficie.

Las turbinas de gas tienen varias características:

Primero, la eficiencia teórica de conversión de energía puede alcanzar el 88%, lo que es el dispositivo con la mayor eficiencia de conversión de energía en el mundo hasta ahora. Se dice que las pilas de combustible pueden lograr una eficiencia de conversión del 90%, pero aún no se han comercializado por completo; la eficiencia teórica de conversión de energía de los motores de combustión es del 88%, lo cual ha sido probado durante décadas.

Segundo, la temperatura de combustión de las turbinas de gas es relativamente alta y la emisión de gases nocivos es relativamente baja.

Tercero, la densidad de potencia es relativamente grande. Una sola máquina del tamaño de un contenedor puede suministrar energía a un destructor; dos contenedores son básicamente suficientes para la electricidad civil de un condado. Las turbinas de vapor son muy grandes, como los motores diésel y los motores de combustión interna con una capacidad superior a los 10 megavatios, que son básicamente dispositivos grandes que pesan miles de toneladas y tienen decenas de metros de altura.

En cuarto lugar, las turbinas de gas no son como los motores de combustión interna, que son de tipo alternativo y realizan trabajo una vez cada 4 tiempos. Las turbinas de gas funcionan continuamente, y la turbina es una línea de vórtice. Es un dispositivo térmico con la mayor eficiencia de conversión de energía, convirtiendo energía química en energía térmica y mecánica.

En la década de 1970, las turbinas de gas entraron en la industria petrolera de EE.UU., dando lugar a las turbinas de gas industriales. Los motores de avión requieren un rendimiento relativamente alto, son relativamente sofisticados y tienen una vida útil relativamente corta; los motores industriales no necesitan reducir el peso, se fabrican muy robustos y requieren una vida útil relativamente larga. A fines de la década de 1980, con el desarrollo del gas natural, entraron en la industria eléctrica.

Después de la Segunda Guerra Mundial, el nivel técnico de Estados Unidos no era muy alto. Las primeras adquisiciones fueron de empresas italianas, que son el centro de equipos rotativos en Europa. La empresa británica típica es Rolls-Royce, que fabrica motores aeronáuticos. Por lo general, las empresas que fabrican motores aeronáuticos también fabrican turbinas de gas. La Siemens de Alemania adquirió empresas por toda Europa y también compró la división de modificaciones de aviones de Rolls-Royce. Las turbinas de gas rusas están principalmente en cooperación con Ucrania. Los diseños son todos de Rusia, y algunas de las bases de fabricación están en Mariupol, Ucrania.

En las últimas décadas, solo Mitsubishi de Japón ha desarrollado una verdadera turbina de gas pesada, y Kawasaki fabrica versiones más pequeñas, por lo que aún existe un cierto umbral. Las turbinas de gas pequeñas y medianas son principalmente de GE, especialmente para uso militar. Los destructores principales son en su mayoría GE, el modelo LM-2500. Siemens adquirió algunas de sus pequeñas turbinas de gas en Lincoln, Reino Unido, con una capacidad de menos de 15 MW, y otras en Finspång, Suecia. La mejor empresa en turbinas de gas pequeñas es Solar en EE.UU., la cual está muy cerca de sus clientes y tiene la mayor cuota de mercado a nivel mundial para turbinas de gas pequeñas con una capacidad de menos de 15 MW.

Clasificación

De acuerdo con la forma estructural y la potencia de salida, las turbinas de gas se pueden dividir en tres categorías: micro, ligeras y pesadas. Entre ellas, las turbinas de gas micro y ligeras pueden modificarse a partir de motores aeronáuticos (también conocidas como "aero-to-gas"), con una potencia generalmente inferior a 50 MW, y pueden utilizarse en generación eléctrica industrial, propulsión naval, impulsión de tuberías, locomotoras de tanques, generación distribuida y cogeneración. Las turbinas de gas pesadas tienen una potencia superior a 50 MW y se utilizan principalmente como generadores fijos en tierra, como redes eléctricas urbanas.

Los motores de gas pesados generalmente se clasifican según la temperatura. Las clases E, F, G y H corresponden a diferentes temperaturas de combustión. Desde una perspectiva de ingeniería, es más preferible clasificarlos según la capacidad de soporte térmico del aleación.

En China, básicamente son pequeñas turbinas de gas. Las pequeñas turbinas de gas generalmente se clasifican por estructura: mono-eje, doble eje, triple eje, modificadas para aviación, industriales, y rara vez se clasifican por temperatura, ya que la temperatura de las pequeñas turbinas de gas no es tan alta en comparación con las turbinas de gas pesadas. Aquellas con niveles de potencia por debajo de 30 megavatios son en realidad cristales equiaxiales, es decir, de clase E. Esto no es absoluto, y algunas más avanzadas han alcanzado la clase F. La clase E fue probada en China en 1995. Alrededor de 50 megavatios probablemente corresponde a la clase F, que es cristal orientado. China produjo experimentalmente esta clase en 2005, y ahora tenemos todos estos materiales. Las turbinas de gas más avanzadas han alcanzado la clase H, y ahora contamos con nuestros segundos cristales monocristalinos.

En general, aquellos por debajo de 1 MW se llaman micro-turbinas de gas. De hecho, las micro-turbinas de gas en el extranjero no utilizan aleaciones tan buenas debido a la baja temperatura. Usan algunos aceros especiales y rara vez emplean cristales equiaxiales. Aquellos alrededor de 15 MW se denominan pequeñas turbinas de gas, que utilizan principalmente cristales equiaxiales. También hay algunas empresas especiales en el extranjero que usan aceros especiales, pero como sus recubrimientos son particularmente buenos, los fabrican mejor. Las de tamaño mediano de 30~50 MW suelen usar más cristales orientados, es decir, de clase F. Las más grandes utilizan cristales únicos de primera y segunda generación, que son marcas nacionales nuestras.

Las turbinas de gas pequeñas, medianas y micro se utilizan principalmente en la generación distribuida de energía y en la cogeneración de calor y electricidad. Aquellas por debajo de 30 MW y 15 MW se utilizan principalmente en Sichuan, y las de menos de 7 MW se utilizan principalmente en Chongqing. Esto está relacionado con la escala de sus parques industriales. Las turbinas de alrededor de 30 MW se utilizan principalmente en Jiangsu, y las que van de 50 MW a 100 MW se utilizan principalmente en parques industriales en Guangdong, generalmente para generación distribuida o cogeneración de calor y electricidad. Las turbinas de más de 100 MW se utilizan básicamente para la regulación de picos de algunas grandes redes eléctricas o como centrales eléctricas de carga base. La industria del petróleo y el gas utiliza fundamentalmente las pequeñas. En la minería, en la parte alta de la cadena, se usan principalmente las de 7 MW y 15 MW, y el transporte por ductos en la parte media es principalmente de 15 MW y 30 MW.

El sistema de diseño de turbinas de gas por debajo de 30 MW es relativamente maduro, y el sistema de materiales del proceso también es relativamente maduro. La tasa de rendimiento de OBT puede alcanzar el 85%. Las turbinas de gas industriales aún deben centrarse en el rendimiento económico, la evaluación técnico-económica o el costo-beneficio, y el principal indicador de evaluación es la tasa de rendimiento.

Para turbinas de gas de mediano y gran tamaño, nosotros (nacionales) tenemos poca acumulación de software de diseño, especificaciones de diseño y bases de datos de algunos materiales y procesos en nuestro sistema de diseño, por lo que este sistema de diseño no está muy desarrollado y la tasa de producción no es alta. El nivel F o el cristal orientado es un punto de inflexión. Por debajo del cristal orientado, aún tenemos suficiente confianza para participar en la competencia internacional. Por encima del cristal orientado, a nivel industrial, aún existe cierta brecha. Este área se delega al equipo nacional. Algunas empresas centrales están realizando investigaciones y desarrollos básicos, y la inversión en materiales básicos y procesos básicos es enorme.

Cadena Industrial

En la parte alta de la cadena de industria de turbinas de gas de mi país, los fabricantes de aleaciones de alto temperatura, aleaciones de titanio, materiales compuestos, aleaciones de aluminio y acero general incluyen Gangyan Gaona, Fushun Special Steel, Baoti Group, etc. En el enlace de partes y componentes intermedios, los materiales se funden, forjan u otros procesos se operan para fabricar turbinas, rotores y otras piezas. Las palas y otras piezas se forman mediante un proceso de fundición. Los principales fabricantes nacionales de fundición y forja incluyen Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd., etc. Luego, los fabricantes de equipos completos en la corriente baja ensamblan varias partes en máquinas completas. Los principales fabricantes incluyen AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric, etc.

Las industrias aguas arriba, especialmente productos como aleaciones a alta temperatura, aleaciones de titanio a alta temperatura, recubrimientos térmicos de barrera y materiales compuestos cerámicos avanzados, tienen un papel importante en la promoción de la industria de defensa nacional y la fabricación de equipos de alta gama. Las turbinas de gas nacionales se utilizan principalmente para la generación de electricidad, y una pequeña parte se emplea para inyección de agua, toma de aire, presurización en campos petrolíferos y gasíferos, y propulsión de buques y tanques. El enfoque está en la generación distribuida, cogeneración, transporte de gas natural por oleoductos, propulsión naval y accionamiento mecánico. En aspectos como el suministro de energía distribuido, estaciones de presurización, generación industrial de energía y otros campos, las turbinas de gas de nuestro país tienen enormes mercados potenciales, y las políticas apoyan el rápido desarrollo de la industria. Los grandes proyectos actuales de nuestro país como la "Transmisión de Gas de Oeste a Este", la "Transmisión de Electricidad de Oeste a Este" y la "Divertición de Agua de Sur a Norte", junto con el rápido desarrollo de la industria naval de nuestro país, han llevado a un aumento rápido en la demanda de turbinas de gas en nuestro país.

Política Industrial

El sistema de energía moderna del 14º Plan Quinquenal también enumera las turbinas de gas como una tecnología clave central, colocándola básicamente al mismo nivel que la energía nuclear, los nuevos sistemas de energía, el almacenamiento de energía y la energía de hidrógeno.

La Corporación Estatal de Inversiones en Energía ha realizado dos proyectos especiales, uno es un gran proyecto para turbinas de gas pesadas, incluidas las turbinas de gas con mezcla de hidrógeno. Una de pura hidrocarburo se ha construido en Mongolia Interior pero aún no ha sido puesta en funcionamiento. La planta eléctrica de Jingmen ha mezclado un 15%. Harbin Electric y el Grupo Eléctrico de Guangdong, que es el Grupo Energético de Guangdong, han realizado un proyecto de mezcla de hidrógeno en Daya Bay, y Hangzhou Steam Turbine y Siemens han realizado un proyecto de mezcla de hidrógeno en Zhoushan.

Las turbinas de gas son ampliamente utilizadas en el Gasoducto Oeste-Este y en plataformas petroleras marítimas. Como empresa relacionada con la defensa, CNOOC también ha sido sancionada por Estados Unidos y enfrenta el riesgo de cortes de suministro. Durante la guerra entre Rusia y Ucrania, las turbinas de gas Siemens compradas por Rusia fueron retenidas cuando se enviaron a Canadá para reparación, afectando la seguridad energética. La localización debe realizarse lo antes posible.

Espacio de Mercado

En 2022, la producción de turbinas de gas de mi país será de 4,0563 millones de kilovatios, y la demanda será de aproximadamente 6,7986 millones de kilovatios.

Según estadísticas, el tamaño del mercado de turbinas de gas de mi país alcanzó los 61.669 mil millones de yuanes en 2022, de los cuales el tamaño del mercado de microturbinas fue de 893 millones de yuanes, el tamaño del mercado de turbinas ligeras fue de 56.569 mil millones de yuanes, y el tamaño del mercado de turbinas pesadas fue de 4.207 mil millones de yuanes.

Mi país ahora tiene la capacidad de producir de manera independiente turbinas de gas ligeras (potencia inferior a 50 MW), y las de gama baja incluso pueden ser exportadas, pero las turbinas de gas pesadas (potencia superior a 50 MW) aún dependen básicamente de las importaciones, y la tecnología nuclear es prácticamente monopolizada por fabricantes internacionales como GE en Estados Unidos, Mitsubishi en Japón y Siemens en Alemania. Existe un riesgo de quedar "asfixiados" en el mercado nacional. Según datos de la Administración General de Aduanas, las importaciones de turbinas de gas en 2022 serán de 4.161 millones de dólares estadounidenses y las exportaciones serán de 735 millones de dólares estadounidenses.