Salle de Connaissance BLAZE : Turbine à Gaz

Notions de base

Selon le "Vocabulaire des turbines à gaz" (GB/T 15135-2018), une turbine à gaz désigne une machine tournante à flux continu (machine unique) qui convertit l'énergie thermique en travail mécanique, incluant un compresseur, un équipement pour chauffer le fluide de travail (comme une chambre de combustion), une turbine, un système de contrôle et des équipements auxiliaires.

Les moteurs à turbines à gaz industriels, généralement appelés turbines à gaz ou turbines industrielles, sont fondamentalement la même chose que les moteurs à turbines gazeuses aéronautiques (appelés moteurs aéronautiques), mais les scénarios d'application sont légèrement différents. Ils compriment du gaz à haute pression dans une chambre de combustion, et par réaction de l'énergie chimique, ils convertissent cette énergie chimique en travail mécanique grâce à une turbine (la translittération de turbine).

En tant que dispositif de conversion d'énergie, une turbine à gaz est un moteur d'avion qui convertit le kérosène aéronautique en énergie mécanique pour l'hélice lorsqu'il vole dans le ciel ; une turbine à gaz utilisée au sol convertit le gaz naturel et le pétrole en énergie mécanique pour le générateur.

Les turbines à vapeur, les moteurs à combustion interne et les turbines à gaz ont été développés pour la première fois pour être utilisés sur des cuirassés. Les turbines à vapeur étaient utilisées avant la Première Guerre mondiale, les moteurs à combustion interne pendant la Première et la Seconde Guerre mondiale, et les turbines à gaz pour les cuirassés ont été développées après la Seconde Guerre mondiale. Elles ont été modifiées à partir de moteurs d'avion et ont principalement été utilisées sur de grands navires de surface.

Les turbines à gaz présentent plusieurs caractéristiques :

Tout d'abord, l'efficacité théorique de conversion d'énergie peut atteindre 88 %, ce qui en fait l'appareil avec la plus haute efficacité de conversion d'énergie au monde jusqu'à présent. On dit que les piles à combustible peuvent atteindre une efficacité de conversion de 90 %, mais elles ne sont pas encore entièrement commercialisées ; l'efficacité théorique de conversion d'énergie des moteurs à combustion est de 88 %, ce qui a été testé pendant des décennies.

Deuxièmement, la température de combustion des turbines à gaz est relativement élevée, et les émissions de gaz nocifs sont relativement faibles.

Troisièmement, la densité de puissance est relativement importante. Une seule machine de la taille d'un conteneur peut fournir de l'énergie à un destroyer ; deux conteneurs suffisent pratiquement pour l'électricité civile d'un département. Les turbines à vapeur sont très grandes, comme les moteurs diesel et les moteurs à combustion interne d'une capacité supérieure à 10 mégawatts, qui sont généralement des appareils pesant des milliers de tonnes et mesurant plusieurs dizaines de mètres de haut.

Quatrièmement, les turbines à gaz ne sont pas comme les moteurs à combustion interne, qui fonctionnent par cycles de plusieurs temps et produisent du travail une fois tous les 4 temps. Les turbines à gaz fonctionnent en continu, et la turbine est une ligne de vortex. C'est un dispositif de moteur thermique avec l'efficacité de conversion d'énergie la plus élevée, convertissant l'énergie chimique en énergie thermique et mécanique.

Dans les années 1970, les turbines à gaz sont entrées dans l'industrie pétrolière américaine, donnant naissance aux turbines à gaz industrielles. Les moteurs d'avion nécessitent des performances relativement élevées, sont relativement sophistiqués et ont une durée de vie relativement courte ; les moteurs industriels n'ont pas besoin de réduire le poids, sont fabriqués très robustes et nécessitent une durée de vie relativement longue. Vers les années 1980, avec le développement du gaz naturel, elles sont entrées dans l'industrie électrique.

Après la Seconde Guerre mondiale, le niveau technique des États-Unis n'était pas très élevé. Les premières acquisitions étaient des entreprises italiennes, qui sont le fer de lance des équipements tournants en Europe. L'entreprise britannique typique est Rolls-Royce, qui fabrique des moteurs d'avion. En général, les entreprises qui fabriquent des moteurs d'avion produisent également des turbines à gaz. Siemens en Allemagne a racheté des entreprises un peu partout en Europe et a également acquis la division de modification aéronautique de Rolls-Royce. Les turbines à gaz russes collaborent principalement avec l'Ukraine. Les conceptions se font toutes en Russie, et certaines bases de fabrication sont à Marioupol, en Ukraine.

Ces dernières décennies, seules Mitsubishi au Japon a développé une véritable turbine à gaz lourde, et Kawasaki en fabrique de plus petites, donc il existe encore un certain seuil. Les turbines à gaz de petite et moyenne taille sont principalement fournies par GE, notamment pour l'usage militaire. Les destroyers modernes sont équipés majoritairement de turbines GE, modèle LM-2500. Siemens a acquis certaines de ses petites turbines à gaz à Lincoln, au Royaume-Uni, avec une capacité inférieure à 15 MW, et d'autres à Finspång, en Suède. La meilleure entreprise dans les turbines à gaz de petite taille est Solar aux États-Unis, qui est très proche de ses clients et détient la plus grande part de marché mondiale pour les turbines à gaz de moins de 15 MW.

Classification

Selon la forme structurelle et la puissance de sortie, les turbines à gaz peuvent être divisées en trois catégories : micro, légères et lourdes. Parmi elles, les turbines à gaz micro et légères peuvent être modifiées à partir de moteurs d'avion (également connues sous le nom de "aéro-gaz"), avec une puissance généralement inférieure à 50 MW, et peuvent être utilisées pour la production industrielle d'électricité, la propulsion navale, le renforcement de pipeline, les locomotives blindées, la génération d'énergie distribuée et la cogénération. Les turbines à gaz lourdes ont une puissance supérieure à 50 MW et sont principalement utilisées comme générateurs fixes au sol, tels que les réseaux électriques urbains.

Les moteurs à gaz lourds sont généralement classés selon la température. Les classes E, F, G et H correspondent à différentes températures de combustion. D'un point de vue ingénieriel, il est préférable de les classer en fonction de la capacité de support thermique de l'alliage.

En Chine, il s'agit principalement de petites turbines à gaz. Les petites turbines à gaz sont généralement classées par structure : mono-axe, double-axe, triple-axe, modifiées aéronautiques, industrielles, et rarement classées par température, car la température des petites turbines à gaz n'est pas aussi élevée que celle des turbines à gaz lourdes. Celles avec une puissance inférieure à 30 mégawatts sont en fait des cristaux équi-axés, c'est-à-dire de classe E. Ce n'est pas absolu, et certaines plus avancées ont atteint la classe F. La classe E a été expérimentée en Chine en 1995. Environ 50 mégawatts correspondent probablement à la classe F, qui est un cristal orienté. La Chine a expérimenté cette classe en 2005, et nous disposons maintenant de tous ces matériaux. Les turbines à gaz les plus avancées ont atteint la classe H, et nous avons maintenant notre deuxième génération de cristaux simples.

Généralement, ceux en dessous de 1 MW sont appelés micro-turbines à gaz. En réalité, les micro-turbines à gaz à l'étranger n'utilisent pas de tels alliages performants en raison de la faible température. Elles utilisent certains aciers spéciaux et recourent rarement à des cristaux équiaxes. Celles autour de 15 MW sont appelées petites turbines à gaz, qui utilisent principalement des cristaux équiaxes. Il existe également certaines entreprises spécialisées à l'étranger qui utilisent des aciers spéciaux, mais comme leurs revêtements sont particulièrement bons, elles sont fabriquées avec plus de qualité. Les turbines de taille moyenne de 30 à 50 MW utilisent généralement plus de cristaux orientés, c'est-à-dire de classe F. Les plus grandes utilisent des monocristaux de première et deuxième génération, qui sont nos marques nationales.

Les microturbines à gaz, ainsi que les petites et moyennes turbines, sont principalement utilisées pour la production décentralisée d'électricité et la cogénération. Celles de moins de 30 MW et de 15 MW sont principalement utilisées dans le Sichuan, tandis que celles de moins de 7 MW sont principalement utilisées à Chongqing. Cela est lié à l'échelle de leurs parcs industriels. Celles d'environ 30 MW sont principalement utilisées dans le Jiangsu, et celles allant de 50 MW à 100 MW sont principalement utilisées dans des parcs industriels du Guangdong, généralement pour la production décentralisée d'électricité ou la cogénération. Celles au-dessus de 100 MW sont essentiellement utilisées pour la régulation de pointe des grands réseaux électriques ou comme centrales électriques de base. L'industrie pétrolière et gazière utilise principalement des petites turbines. Dans l'industrie extractive amont, des turbines de 7 MW et 15 MW sont principalement utilisées, tandis que le transport de pipelines en aval repose principalement sur des turbines de 15 MW et 30 MW.

Le système de conception des turbines à gaz en dessous de 30 MW est relativement mature, et le système de matériaux de processus est également relativement mature. Le taux de rendement de l'OBT peut atteindre 85 %. Les turbines à gaz industrielles doivent encore se concentrer sur les performances économiques, l'évaluation technique et économique, ou le rapport qualité-prix, et l'indicateur d'évaluation principal est le taux de rendement.

Pour les turbines à gaz de taille moyenne et grande, nous (nationaux) disposons de peu d'accumulation en termes de logiciels de conception, de spécifications de conception et de bases de données sur certains matériaux et processus dans notre système de conception. Par conséquent, ce système de conception n'est pas très abouti et le taux de rendement n'est pas élevé. Le niveau F ou l'orientation cristalline est un point de rupture. En dessous de l'orientation cristalline, nous sommes encore assez confiants pour participer à la compétition internationale. Au-dessus de l'orientation cristalline, au niveau industriel, nous avons encore un certain écart. Ce domaine est confié à l'équipe nationale. Plusieurs entreprises centrales mènent des recherches et développements fondamentaux, et les investissements dans les matériaux de base et les processus de base sont importants.

Chaîne industrielle

Dans l’amont de la chaîne industrielle des turbines à gaz de mon pays, les fabricants d’alliages à haute température, d’alliages de titane, de matériaux composites, d’alliages d’aluminium et d'acier général incluent Gangyan Gaona, Fushun Special Steel, Baoti Group, etc. Dans le maillon intermédiaire des pièces et composants, les matériaux sont coulés, forgés ou soumis à d'autres processus pour fabriquer des pales de turbine, des arbres et autres pièces. Les pales et autres pièces sont formées par un procédé de fonderie. Les principaux fabricants nationaux de fonderie et de forge comprennent Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd., etc. Ensuite, les fabricants de machines complètes en aval assemblent diverses pièces en machines complètes. Les principaux fabricants incluent AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric, etc.

Les industries amont, en particulier les produits tels que les alliages à haute température, les alliages de titane à haute température, les revêtements barrières thermiques et les matériaux composites céramiques avancés, jouent un rôle important dans la promotion de l'industrie de la défense nationale et de la fabrication d'équipements de pointe. Les turbines à gaz domestiques sont principalement utilisées pour la production d'électricité, et une petite partie est utilisée pour l'injection d'eau, l'aspiration d'air, la pressurisation dans les champs pétroliers et gaziers, ainsi que pour l'alimentation des navires et des chars. L'accent est mis sur la génération distribuée d'énergie, la cogénération, le transport de pipelines de gaz naturel, la propulsion navale et la transmission mécanique. Le marché potentiel des turbines à gaz de notre pays est énorme dans les domaines de l'approvisionnement énergétique distribué, des stations de pressurisation, de la production industrielle d'électricité et autres, et les politiques soutiennent le développement rapide de l'industrie. Les grands projets actuels de notre pays comme le "Transport de gaz de l'Ouest vers l'Est", le "Transport d'électricité de l'Ouest vers l'Est" et le "Détournement d'eau du Sud vers le Nord", ainsi que le développement rapide de l'industrie navale de notre pays, ont conduit à une augmentation rapide de la demande de turbines à gaz.

Politique industrielle

Le système énergétique moderne du 14e Plan quinquennal liste également les turbines à gaz comme une technologie clé de base, en plaçant fondamentalement celle-ci au même niveau que l'énergie nucléaire, les nouveaux systèmes électriques, le stockage d'énergie et l'énergie hydrogène.

L'État Corporation d'Investissement Électrique a mené deux projets spéciaux, l'un étant un grand projet pour turbines à gaz lourdes, y compris des turbines à gaz mixées à l'hydrogène. Une turbine purement à hydrogène a été construite en Mongolie intérieure mais n'est pas encore en exploitation. La centrale électrique de Jingmen a mélangé 15 %. Harbin Electric et Guangdong Electric Group, qui est Guangdong Energy Group, ont réalisé un projet de mélange d'hydrogène à Daya Bay, et Hangzhou Steam Turbine et Siemens ont mené un projet de mélange d'hydrogène à Zhoushan.

Les turbines à gaz sont largement utilisées dans le pipeline de gaz Ouest-Est et sur les plates-formes pétrolières offshore. En tant qu'entreprise liée à l'armée, CNOOC a également été sanctionnée par les États-Unis et fait face au risque de coupures d'approvisionnement. Pendant la guerre russo-ukrainienne, les turbines à gaz Siemens achetées par la Russie ont été retenues lorsqu'elles ont été envoyées au Canada pour réparation, affectant la sécurité énergétique. Une localisation doit être réalisée dès que possible.

Espace Marchand

En 2022, la production de turbines à gaz de notre pays sera de 4,0563 millions de kilowatts, et la demande sera d'environ 6,7986 millions de kilowatts.

D'après les statistiques, la taille du marché des turbines à gaz de notre pays a atteint 616,69 milliards de yuans en 2022, dont la taille du marché des micro-turbines à gaz était de 8,93 milliards de yuans, la taille du marché des turbines légères était de 565,69 milliards de yuans, et la taille du marché des turbines lourdes était de 42,07 milliards de yuans.

Mon pays a désormais la capacité de produire indépendamment des turbines à gaz légères (puissance inférieure à 50 MW), et celles de gamme basse peuvent même être exportées, mais les turbines à gaz lourdes (puissance supérieure à 50 MW) dépendent encore principalement des importations, et les technologies de base sont presque monopolisées par des fabricants internationaux tels que GE aux États-Unis, Mitsubishi au Japon et Siemens en Allemagne. Il existe un risque d'être "étouffé" sur le marché domestique. Selon les données de l'Administration générale des Douanes, les importations de turbines à gaz en 2022 s'élèveront à 4,161 milliards de dollars américains et les exportations à 735 millions de dollars américains.