BLAZE-tietoklasshuone: Kaasuturbiini

Peruskäsitteet

Mukaan "Kaasuturbiinisanankirjaan" (GB/T 15135-2018), kaasuturbiini viittaa jatkuvasti virtaavaan pyörivään koneeseen (yksikköön), joka muuntaa termostoa mekaaniseksi työksi, mukaan lukien kompressori, laitteisto työaineen lämmittämiseen (kuten polttohuone), turbiini, hallintojärjestelmä ja apulaitteet.

Teolliset kaasuturbiinimoottorit, joita yleensä kutsutaan kaasuturbiineiksi tai turbiineiksi, teollisiin kaasumoottoreihin, ovat periaatteessa sama asia kuin ilmailumuotoiset turbiinikaasumoottorit (joita kutsutaan ilmailumoottoreiksi), mutta käyttötarkoitus on hieman erilainen. Ne puristavat korkean paineen kaasun polttohuoneeseen, ja kemiallisen energian reaktion kautta ne muuttavat kemiallista energiaa mekaaniseksi työksi turbiinin (turbiinin suomenkielinen ohjakirjoitus) avulla.

Energian muunnoslaitteena kaasuturbiini on lentokoneen moottori, joka muuttaa lentokonekerooseni mekaaniseksi energiaksi käynnistäessään toimintaa ilmassa; maalla käytettävä kaasuturbiini puolestaan muuttaa luonnonkaasua ja öljyä mekaaniseksi energiaksi generaattorille.

Höyryturbiinit, sisäpolttoimoottorit ja kaasuturbiinit kehitettiin ensimmäiseksi laivojen, erityisesti sotilasalusien, käyttöön. Höyryturbiinit käytettiin ennen I maailmansotaa, sisäpolttoimoottorit käytettiin I ja II maailmansodassa, ja sotilasalusia varten kehitetyt kaasuturbiinit tulivat käyttöön jälkeen II maailmansodan. Ne muokattiin lentokoneiden moottoreista ja käytettiin pääasiassa suurilla pinnaluisuksilla.

Kaasuturbiineilla on useita ominaisuuksia:

Ensimmäiseksi, teoreettinen energiansiirtoeffektiivisyys voi saavuttaa 88 %:n, mikä on tähän mennessä maailman laajimmin tehokkain energia-muunnoslaite. Polttoainelementit sanotaan pystyvän saavuttamaan muunnosaste 90 %, mutta niitä ei ole vielä täysin kaupallistettu; polttoilmoottorien teoreettinen energiamuunnosaste on 88 %, mikä on testattu vuosikymmeniä.

Toiseksi, kaasuturbiinien polttotemperatureissa on suhteellisen korkea ja haitallisten kaasujen päästöt ovat suhteellisen alhaiset.

Kolmanneksi, teho tiheyteen suhteessa on suhteellisen suuri. Yksittäinen kone konttille koon mukanaan voi toimittaa energiat tuhansilleihin; kaksi konttia riittää suurelta osin yhdelle maakunnalle siviilien sähkötarpeisiin. Höyryturbiinit ovat erittäin isoja, kuten dieselimoottorit ja sisäpolttoimoottorit, joiden kapasiteetti ylittää 10 megawattia, jotka ovat pääasiassa laitteita, jotka painavat tuhansia tonneja ja ovat korkeita useita metrejä.

Neljänneksi, kaasuturbiinit eivät ole samankaltaiset kuin sisäpoltomoottorit, jotka toimivat työntöjen periaatteella ja joissa työ suoritetaan kerran joka neljännellä työntöllä. Kaasuturbiinit toimivat jatkuvasti, ja turbiini on pyörremyrsky. Se on lämpömoottori-laite korkeimmalla energiansiirtoehdolla, joka muuttaa kemiallista energiaa lämpö- ja mekaaniseksi energiaksi.

1970-luvulla kaasuturbiinit tulivat osaksi Yhdysvaltain öljy-alasta, mikä johti teollisuuskäyttöön tarkoitettuihin kaasuturbiineihin. Ilmailumoottorit vaativat suhteellisesti korkeampaa suorituskykyä, ovat suhteellisesti monimutkaisempia ja niiden elinikä on suhteellisesti lyhyempi; teollisuusmoottorit eivät tarvitse painoarvoa vähentää, ne on tehty erittäin vahvaksi, ja niiden on oltava suhteellisesti pitkäikäisiä. 1980-luvun ympäristössä luonnonkaasun kehityksen myötä ne tulivat osaksi sähkö-alasta.

Toisesta maailmansodasta lähtien Yhdysvaltojen tekninen taso ei ollut erityisen korkea. Ensimmäiset hankinnat tehtiin italialaisilta yrityksiltä, jotka ovat Euroopan pyörivän laitteiston pääoma. Tyypillinen brittilainen yritys on Rolls-Royce, joka valmistaa lentokoneiden moottoreita. Yleensä yritykset, jotka valmistavat lentokoneiden moottoreita, tekevät myös kaasuturbiineja. Saksalainen Siemens hankki itselleen yrityksiä koko Euroopassa ja myös Rolls-Roycen lentokoneiden muokkausosaston. Venäjän kaasuturbiinit ovat pääasiassa yhteistyössä Ukrainan kanssa. Suunnitelmat tehdään kaikki Venäjällä, ja osa tuotantobaseista sijaitsee Mariupolissa, Ukrainassa.

Viimeisimmillä vuosikymmenillä vain Japanin Mitsubishi on kehittänyt todellisen raskauden kaasuturbiinin, ja Kawasaki valmistaa pienempiä, joten tietyt esteet ovat edelleen olemassa. Pienet ja keskisuuret kaasuturbiinit ovat pääasiassa GE:itä, erityisesti sotilaskäyttöön. Pääosin torpedollaivoilla käytössä on enimmäkseen GE:n LM-2500-malli. Siemens osti osan pienistä kaasuturbiineista Yhdistyneessä kuningaskunnassa Lincolnessa, niiden kapasiteetti on alle 15 MW, ja joitakin Ruotsin Finspångissa. Parhaana pienissä kaasuturbiineissa on Yhdysvaltojen Solar, joka on erittäin lähellä asiakkaitaan ja jonka markkinaosuus on maailman suurin pienissä kaasuturbiineissa, joiden kapasiteetti on alle 15 MW.

Luokitus

Rakennemuodon ja tulosteen mukaan kaasuturbiinit voidaan jakaa kolmeen luokkaan: mikro, kevyt ja raskaherkulliset. Niistä mikro- ja kevyt kaasuturbiinit voidaan muuntaa lentokoneturbiineista (myös tunnettu nimellä "aero-to-gas"), joilla on yleensä vähintään 50MW voimaa ja jotka voidaan käyttää teollisuuden sähköntuotannossa, laivaston moottoreissa, putkien painekorjaustyössä, panssarivaunujen ajoneuvoissa, hajautetussa sähköntuotannossa ja yhdistetyssä lämpö- ja sähköntuotannossa. Raskaherkullisten turbiinien voima on yli 50MW ja ne käytetään pääasiassa kiinteissä maanalaisissa generaattoreissa, kuten kaupunkisähköverkoissa.

Raskaherkulliset kaasumootorit luokitellaan yleensä lämpötilan perusteella. Luokat E, F, G ja H vastaavat eri poltto lämpötiloja. Insinöörimenetelmän kannalta niitä pidetään paremmin luokiteltuna sen mukaan, kuinka paljon alumiinilaitteet kestää lämpötilan.

Kiinassa kyseessä on pääasiassa pienet kaasuturbiinit. Pienet kaasuturbiinit luokitellaan yleensä rakenteen mukaan: yksiakselliset, kaksiakselliset, kolmeaксelliset, ilmailuun muokatut, teollisuustyyppiset, ja harvoin niitä luokitellaan lämpötilan perusteella, koska pienillä kaasuturbiineilla lämpötila ei ole niin korkea kuin raskaiden kaasuturbiinien kanssa. Ne, joiden teho on alle 30 megawattia, ovat itse asiassa samansuuntaiset kristallit, eli E-luokan turbiinit. Tämä ei ole itsestään selvä, ja joitakin edistyneempiä on saavutettu F-luokkaan. E-luokan turbiini testituotanto aloitettiin Kiinassa vuonna 1995. Noin 50 megawattia vastaa todennäköisesti F-luokkaa, joka on suunnattu kristalli. Kiina testiti tuotantoon tämän luokan vuonna 2005, ja nyt meillä on kaikki nämä materiaalit. Edistyneeдt kaasuturbiinit ovat saavuttaneet H-luokan, ja nyt meillä on toinen sukupolvi yksinkristaleja.

Yleensä ne, jotka ovat alle 1 MW, kutsutaan mikokaasuturbiineiksi. Itse asiassa ulkomailla mikokaasuturbiinit eivät käytä niin hyviä sideyhteneitä alhaisen lämpötilan takia. Ne käyttävät joitakin erityisiä teräksiä ja harvoin yhteneväisiä kristalleja. Ne noin 15 MW:n suuruudeltaan kutsutaan pieniksi kaasuturbiineiksi, jotka käyttävät pääasiassa yhteneväisiä kristalleja. On myös joitakin erityisiä yrityksiä ulkomailla, jotka käyttävät erityisiä teräksiä, mutta koska heidän peitteensä ovat erityisen hyviä, ne onnistuvat tekemään ne paremmiksi. Pienet ja keskisuuret 30~50 MW käyttävät yleensä enemmän suunnattuja kristalleja, eli F-luokkaa. Suuremmat käyttävät ensimmäisen ja toisen sukupolven yksinkristaleja, jotka ovat kotimaisia merkkejämme.

Pienet, keskisuuret ja mikrokastitysturbiinit käytetään pääasiassa hajautetussa energiantuotannossa ja yhdistetyssä lämpö- ja sähköntuotannossa. Ne, jotka ovat alle 30 MW ja 15 MW, käytetään pääasiassa Sichuanissa, ja ne, jotka ovat alle 7 MW, käytetään enimmillään Chongqingissä. Tämä liittyy teollisuuspuistojen mittakaavaan. Noin 30 MW suuret käytetään pääasiassa Jiangsussa, ja 50 MW:n ja 100 MW:n väliset käytetään enimmillään Guangdongin teollisuuspuistoissa, yleensä hajautetuksi energiaksi tai yhdistetyksi lämpö- ja sähköntuotannoksi. Yli 100 MW suuret käytetään periaatteessa joissakin suurissa verkkojen huippukapasiteettien säätöasemissa tai perustelinevyteissä. Oli- ja kaasuteollisuus käyttää pääasiassa pieniä turbiineja. Ylävirtaisessa kaivostoiminnassa käytetään useimmiten 7 MW:n ja 15 MW:n suuria, ja keskvirtaisessa putkistotoiminnassa käytetään pääasiassa 15 MW:n ja 30 MW:n suuria.

Kaasuturbiinien suunnittelujärjestelmä alle 30 MW on suhteellisesti kypsä, ja prosessimateriaalijärjestelmä on myös suhteellisesti kypsä. OBT:n tuotantokapasiteetti voi saavuttaa 85%. Teollisuuskäyttöisiin kaasuturbiineihin tulee keskittyä taloudelliseen suorituskykyyn, teknisen ja taloudellisen arvioinnin tai hintasuhteen osalta, ja pääarvointikriteeri on tuotantokapasiteetti.

Keski- ja suurkohtaisille kaasuturbiineille meillä (kotimaisilla) on vain vähän akkumuloitunut suunnittelusoftwareja, suunnittelunormeja ja joitakin materiaaleja ja prosesseja koskevia tietokantoja suunnittelujärjestelmämme sisällä, joten tämä suunnittelujärjestelmä ei ole vielä erityisen kypsä eikä tuotantokapasiteetti ole korkea. F-taso tai orientoitu kristalli ovat jakosuora. Orientoitua kristallia alapuolella olemme edelleen riittävän luottavaisia osallistumaan kansainväliseen kilpailuun. Orientoitua kristallia yläpuolella teollisuustason suhteen meillä on edelleen tiettyjä eroja. Tämä ala on toimitettu valtiolle. Useat keskusyritykset tekemätöivät jotain perus tutkimusta ja kehitystä, ja perusmateriaaleihin ja perusprosesseihin liittyvä investointi on valtava.

Teollisuusketju

Maani kaasuturbiinialan toimintaketjun ylävirtassa ovat korkealämpökykyisten alleysien, titaanialloysien, yhdistelmämateriaalien, alumiinialloysien ja yleisten teräsaineiden valmistajat, kuten Gangyan Gaona, Fushun Special Steel ja Baoti Group jne. Keskivirtaisessa osissa ja komponentteissa materiaaleja muovataan, rautataan tai niille sovelletaan muita prosesseja tuottamaan turbiinilehtoja, akseleja ja muita osia. Lehdöt ja muut osat muovataan muovatussäädöksessä. Suuret kotimaiset muovaus- ja rautausyritykset ovat Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd. jne. Lopulta alavirtaiset kokonaisvalmistelijat kokoavat eri osat kokonaisvalmiiksi koneiksi. Tärkeimmät valmistajat ovat AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric jne.

Ylävirta-aloilla, erityisesti sellaisten tuotteiden kuten korkealämpötilaisia sideaineita, korkealämpötilaisia titaanisideaineita, lämpöesteiden peitteitä ja edistettyjä keramiikkakompositiemateriaaleja koskevien, on merkittävä rooli kansallisen puolustusteollisuuden ja korkean tason laitevalmistuksen edistämisessä. Kotimaisten kaasuturbiinien pääkäyttötarkoituksena on sähköntuotanto, ja vähemmän niitä käytetään vesien pyyhkimiseen, ilman hengittämiseen sekä öljy- ja kaasikenttien paineen lisäämiseen sekä laivojen ja panssarivaunujen moottoreihin. Keskeiset alat ovat jakaantuneen sähköntuotannon, sähkön ja lämpövoiman yhdistelmän, luonnonkaasuputken kuljetuksen, laivaston etenevyyden ja koneistojen ajo-osastossa. Meidän maamme kaasuturbiinit tarjoavat valtavia potentiaalisia markkinoita jakaantuneessa energian toimittamisessa, paineenlisäysasemissa ja teollisessa sähköntuotannossa, ja politiikat tukivat alan nopeaa kehitystä. Nykyinen suuret projektimme, kuten "Länsista Itään kaasun siirto", "Länsista Itään sähkön siirto" ja "Edestä Länsille vesien ohjaus", sekä kotimaisten laivastoalan nopea kehitys ovat johtaneet nopeaan kasvuun kotimaisten kaasuturbiinien kysynnässä.

Teollisuuspolitiikka

14. viiden vuoden suunnitelman moderni energiasysteemi luettelee kaasuturbiinit myös ytimessä olevina avainteknologioina, asettamalla ne periaatteessa samalle tasolle kuin ydinenergia, uudet sähköjärjestelmät, energiatesaus ja hydrogenenergia.

State Power Investment Corporation on tehnyt kaksi erityishanketta, toinen niistä on raskaiden kaasuturbiinien tärkeä hankke, mukaan lukien hydrikkisuhdanteita sisältävät kaasuturbiinit. Noin 100 % hydrikkisten turbiinien on jo rakennettu Sisä-Mongoliassa, mutta se ei ole vielä käynnistetty. Jingmen-sähkölaitoksessa on sekoitettu 15 %. Harbin Electric ja Guangdong Electric Group, joka on Guangdong Energy Group, ovat tehneet hydrikkisuhdanteen liittyvän hankkeen Daya Bay -alueella, ja Hangzhou Steam Turbine sekä Siemens ovat tehneet hydrikkisuhdanteen liittyvän hankkeen Zhoushanissa.

Kaasuturbiinit ovat laajaltä käytössä Länsi-itä-kaasuputkessa ja merellisillä öljyalustoilla. Koska CNOOC on sotilaskeskeinen yritys, sitä on myös rangaistu Yhdysvalloissa, mikä tuo mukanaan riskin tarjoajien leikkauksista. Venäjän ja Ukrainan sodassa Siemensin kaasuturbiinit, jotka Venäjä oli hankkinut, pidätettiin kun ne lähetettiin Kanadaan korjausta varten, mikä vaikuttanut energiaturvallisuuteen. Paikallistaminen on tehtävä mahdollisimman pian.

Markkinatila

Vuonna 2022 meidän maamme kaasuturbiinipitoisuus oli 4,0563 miljoonaa kilowattia, ja kysyntä oli noin 6,7986 miljoonaa kilowattia.

Tilastojen mukaan meidän maamme kaasuturbiinimarkkinoiden kokoluokka oli 61,669 miljardia yuania vuonna 2022, joista mikrokaasuturbiinien markkinakoko oli 8,93 miljardia yuania, kevyiden kaasuturbiinien markkinakoko oli 56,569 miljardia yuania ja raskaiden kaasuturbiinien markkinakoko oli 4,207 miljardia yuania.

Maani on nyt kykenevä itsenäisesti tuottamaan kevyitä kaasuturbiineja (teho alle 50MW), ja alamalliset voidaan jopa viedä, mutta raskaiden kaasuturbiinien (teho yli 50MW) osalta olemme edelleen suurelta osin riippuvaisia tuonnista, ja ydinteknologia on melkoisesti monopolisoitu kansainvälisillä valmistajilla, kuten Yhdysvaltojen GE, Japanin Mitsubishi ja Saksan Siemens. On olemassa riski "tukeautua" kotimarkkinoilla. Tullihallituksen tietojen mukaan vuoden 2022 kaasuturbiinien tuonti oli 4,161 miljardia Yhdysvaltain dollaria ja vienti 735 miljoonaa Yhdysvaltain dollaria.