CLASSE DI CONOSCENZA BLAZE: Gas Turbine

Concetti di base

Secondo il "Vocabolario delle Turbine a Gas" (GB/T 15135-2018), una turbina a gas si riferisce a una macchina rotante a flusso continuo (singola macchina) che converte l'energia termica in lavoro meccanico, inclusi un compressore, attrezzature per riscaldare il fluido di lavoro (come una camera di combustione), una turbina, un sistema di controllo e attrezzature ausiliarie.

I motori a turbine a gas industriali, generalmente denominati turbine a gas o turbine industriali, sono sostanzialmente la stessa cosa dei motori a turbine a gas per l'aviazione (denominati motori aviari), anche se le situazioni di applicazione sono leggermente diverse. Comprimono gas ad alta pressione all'interno di una camera di combustione e, attraverso la reazione dell'energia chimica, convertono l'energia chimica in lavoro meccanico tramite una turbina (la traslitterazione di turbine).

Come dispositivo di conversione dell'energia, un gas turbine è un motore aereo che converte il cherosene da aviazione in energia meccanica per il propulsore durante il volo; un gas turbine utilizzato a terra converte gas naturale e petrolio in energia meccanica per il generatore.

Le turbine a vapore, i motori a combustione interna e le turbine a gas sono stati sviluppati per la prima volta per l'uso sulle navi da guerra. Le turbine a vapore venivano utilizzate prima della Prima Guerra Mondiale, i motori a combustione interna durante la Prima e la Seconda Guerra Mondiale, e le turbine a gas per navi da guerra sono state sviluppate dopo la Seconda Guerra Mondiale. Sono state modificate a partire dai motori aerei e sono state principalmente utilizzate sulle grandi navi da superficie.

Le turbine a gas hanno diverse caratteristiche:

Primo, l'efficienza teorica di conversione energetica può raggiungere il 88%, che è l'apparato con l'efficienza di conversione energetica più alta al mondo fino ad oggi. Si dice che le pile a combustibile possano raggiungere un'efficienza di conversione del 90%, ma non sono ancora state completamente commercializzate; l'efficienza teorica di conversione energetica dei motori a combustione è del 88%, che è stata testata per decenni.

Secondo, la temperatura di combustione dei gas turbinati è relativamente alta e l'emissione di gas nocivi è relativamente bassa.

Terzo, la densità di potenza è relativamente grande. Una singola macchina della dimensione di un contenitore può fornire energia a una fregata; due contenitori sono in genere sufficienti per l'elettricità civile di un distretto. Le turbine a vapore sono molto grandi, come i motori diesel e i motori a combustione interna con una capacità superiore ai 10 megawatt, che sono fondamentalmente dispositivi grandi che pesano migliaia di tonnellate e hanno decine di metri di altezza.

In quarto luogo, le turbine a gas non sono come i motori a combustione interna, che sono a ciclo alternato e svolgono lavoro una volta ogni 4 fasi. Le turbine a gas funzionano in modo continuo, e la turbina è una linea di vortice. È un dispositivo motore termico con l'efficienza di conversione energetica più alta, che trasforma energia chimica in energia termica e meccanica.

Negli anni '70, le turbine a gas sono entrate nell'industria petrolifera statunitense, dando origine alle turbine a gas industriali. I motori aeronautici richiedono prestazioni relativamente elevate, sono relativamente sofisticati e hanno una durata relativa breve; i motori industriali non devono ridurre il peso, sono costruiti molto robusti e richiedono una vita utile relativamente lunga. Negli anni '80, con lo sviluppo del gas naturale, sono entrate nell'industria elettrica.

Dopo la Seconda Guerra Mondiale, il livello tecnico degli Stati Uniti non era molto alto. Le prime acquisizioni furono di aziende italiane, che rappresentano il centro del settore dei macchinari rotanti in Europa. Un esempio tipico di azienda britannica è Rolls-Royce, che produce motori per aerei. Generalmente, le aziende che producono motori per aerei realizzano anche turbine a gas. La Siemens tedesca ha acquisito società in tutta l'Europa e ha anche acquisito la divisione di modifiche aeronautiche di Rolls-Royce. Le turbine a gas russe collaborano principalmente con l'Ucraina. I progetti sono tutti in Russia, mentre alcune basi di produzione si trovano a Mariupol', in Ucraina.

Negli ultimi decenni, solo Mitsubishi del Giappone ha sviluppato un vero e proprio gas turbine pesante, mentre Kawasaki ne produce di più piccole, quindi esiste ancora una certa soglia. Le turbine a gas di dimensioni medie e piccole sono principalmente di GE, specialmente per l'uso militare. Le fregate principali utilizzano prevalentemente GE, il modello LM-2500. Siemens ha acquisito alcune delle sue piccole turbine a gas a Lincoln, nel Regno Unito, con una capacità inferiore a 15 MW, e altre a Finspång, in Svezia. La migliore azienda nel settore delle piccole turbine a gas è Solar negli Stati Uniti, che è molto vicina ai propri clienti e detiene la quota di mercato più alta al mondo per turbine a gas con una capacità inferiore a 15 MW.

Classificazione

In base alla forma strutturale e alla potenza di output, i gas turbine possono essere divisi in tre categorie: micro, leggeri e pesanti. Tra questi, i gas turbine micro e leggeri possono essere modificati a partire da motori aerei (noti anche come "aero-to-gas"), con una potenza generalmente inferiore a 50 MW, e possono essere utilizzati per la produzione industriale di energia, propulsione navale, aumento della pressione nei tubi, locomotori corazzati, generazione distribuita di energia e cogenerazione. I gas turbine pesanti hanno una potenza superiore a 50 MW e vengono utilizzati principalmente come generatori fissi a terra, come le reti elettriche urbane.

I motori a gas pesanti sono generalmente classificati in base alla temperatura. Le classi E, F, G e H corrispondono a diverse temperature di combustione. Da un punto di vista ingegneristico, è preferibile classificarli in base alla capacità di resistenza termica dell'alluminio.

In Cina, si tratta fondamentalmente di piccoli turbine a gas. I piccoli turbine a gas sono generalmente classificati in base alla struttura: mono-asse, bi-asse, tri-asse, modificati per l'aeronautica, industriali, e raramente classificati in base alla temperatura, poiché la temperatura dei piccoli turbine a gas non è così alta rispetto a quelli pesanti. Quelli con livelli di potenza inferiori ai 30 megawatt sono in realtà cristalli equiaxed, cioè di classe E. Questo non è assoluto, e alcuni più avanzati hanno raggiunto la classe F. La classe E è stata sperimentata in Cina nel 1995. Circa 50 megawatt corrispondono probabilmente alla classe F, che è un cristallo orientato. La Cina ha sperimentato questa classe nel 2005, e ora disponiamo di tutti questi materiali. I turbine a gas più avanzati hanno raggiunto la classe H, e ora abbiamo i nostri secondi cristalli singoli.

In generale, quelli sotto i 1 MW vengono chiamati micro-turbine a gas. Infatti, all'estero le micro-turbine a gas non utilizzano leghe così avanzate a causa della bassa temperatura. Usano alcuni acciai speciali e raramente cristalli equiaxed. Quelle intorno ai 15 MW vengono definite piccole turbine a gas, che utilizzano principalmente cristalli equiaxed. Alcune aziende specializzate all'estero usano acciai speciali, ma poiché i loro rivestimenti sono particolarmente buoni, riescono a ottimizzare le prestazioni. Le turbine medie da 30~50 MW utilizzano generalmente più cristalli orientati, ovvero di classe F. Le più grandi utilizzano cristalli singoli delle prime e seconde generazioni, che sono marche nazionali nostre.

I piccoli, medi e micro turbine a gas vengono utilizzate principalmente per la produzione distribuita di energia elettrica e per la cogenerazione. Quelle sotto i 30 MW e i 15 MW vengono utilizzate principalmente in Sichuan, mentre quelle sotto i 7 MW vengono utilizzate principalmente a Chongqing. Ciò è correlato alla dimensione dei loro parchi industriali. Quelle intorno ai 30 MW vengono utilizzate principalmente in Jiangsu, e quelle da 50 MW a 100 MW vengono utilizzate principalmente nei parchi industriali del Guangdong, generalmente per la produzione distribuita di energia o per la cogenerazione. Quelle superiori ai 100 MW vengono utilizzate fondamentalmente per la regolazione del picco della grande rete elettrica o come centrali base. L'industria petrolifera e del gas utilizza fondamentalmente le turbine più piccole. Nell'industria estrattiva upstream, vengono utilizzate principalmente turbine da 7 MW e 15 MW, mentre nel trasporto midstream attraverso pipeline si utilizzano principalmente turbine da 15 MW e 30 MW.

Il sistema di progettazione dei motori a gas inferiori a 30 MW è relativamente maturo, e il sistema dei materiali processati è anch'esso relativamente maturo. Il tasso di resa dell'OBT può raggiungere l'85%. I motori a gas industriali devono comunque concentrarsi sulle prestazioni economiche, sulla valutazione tecnico-economica o sul rapporto costo-prestazioni, e l'indicatore principale di valutazione è il tasso di resa.

Per le turbine a gas di media e grande dimensione, noi (nazionali) abbiamo poco accumulo di software di progettazione, specifiche tecniche e database di alcuni materiali e processi nel nostro sistema di progettazione, quindi questo sistema di progettazione non è molto maturo e il tasso di resa non è elevato. Il livello F o orientato cristallino è un punto di divisione. Al di sotto del cristallo orientato, siamo abbastanza sicuri di poter partecipare alla competizione internazionale. Al di sopra del cristallo orientato, a livello industriale, c'è ancora una certa differenza. Questo settore è affidato alla squadra nazionale. Alcune imprese centrali stanno conducendo alcune ricerche di base e lo investimento in materiali di base e processi di base è enorme.

Catena industriale

Nella parte alta della catena di fornitura dei turbini a gas del mio paese, i produttori di leghe ad alte temperature, leghe di titanio, materiali compositi, leghe di alluminio e acciai comuni includono Gangyan Gaona, Fushun Special Steel, Baoti Group, ecc. Nella sezione intermedia dedicata ai componenti, i materiali vengono fusi, forgiati o sottoposti ad altri processi per realizzare pale delle turbine, assi e altre parti. Le pale e altre componenti vengono create tramite il processo di fusione. I principali produttori nazionali di fusione e forgiatura includono Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd., ecc. Successivamente, i produttori di macchine complete in fase downstream assemblano varie parti in macchine complete. I principali produttori includono AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric, ecc.

Le industrie upstream, in particolare prodotti come leghe ad alta temperatura, leghe di titanio ad alta temperatura, rivestimenti a barriera termica e materiali compositi ceramici avanzati, hanno un ruolo significativo nel promuovere l'industria della difesa nazionale e la manifattura di attrezzature di alto livello. I gas turbine nazionali vengono utilizzate principalmente per la produzione di energia elettrica, mentre una piccola parte viene usata per l'iniezione d'acqua, l'aspirazione d'aria, il rafforzamento nei campi petroliferi e gassiferi, e come potenza per navi e carri armati. L'attenzione è focalizzata sulla generazione distribuita di energia, sul calore combinato e potenza, sul trasporto di gas naturale tramite pipeline, sulla propulsione navale e sull'impiego meccanico. Il mercato dei gas turbine del nostro paese ha un'enorme potenzialità nei settori dell'energia distribuita, delle stazioni di pressurizzazione e della produzione industriale di energia, con politiche che supportano lo sviluppo rapido dell'industria. Attualmente i grandi progetti nazionali come "Trasmissione del Gas dall'Ovest all'Est", "Trasmissione dell'Energia dall'Ovest all'Est" e "Deviazione dell'Acqua dal Sud al Nord", nonché lo sviluppo rapido dell'industria navale del nostro paese, hanno portato a un aumento rapido della domanda di gas turbine.

Politica Industriale

Il sistema energetico moderno del Quattordicesimo Piano Quinquennale elenca anche i gas turbinati come una tecnologia chiave di base, collocandola sostanzialmente allo stesso livello dell'energia nucleare, dei nuovi sistemi elettrici, del storage energetico e dell'energia idrogena.

La State Power Investment Corporation ha realizzato due progetti speciali, uno è un grande progetto per turbine a gas pesanti, incluso quello per turbine a gas all'idrogeno. Una puramente ad idrogeno è stata costruita nel Mongolia Interna ma non è ancora entrata in funzione. La centrale elettrica di Jingmen ha integrato l'15%. Harbin Electric e Guangdong Electric Group, ovvero Guangdong Energy Group, hanno realizzato un progetto di integrazione idrogeno nella baia di Daya, e Hangzhou Steam Turbine e Siemens hanno realizzato un progetto di integrazione idrogeno a Zhoushan.

Le turbine a gas sono ampiamente utilizzate nella West-East Gas Pipeline e sulle piattaforme petrolifere offshore. Essendo un'impresa legata al settore militare, CNOOC è stata anche sanzionata dagli Stati Uniti e si trova di fronte al rischio di interruzioni di approvvigionamento. Durante la guerra tra Russia e Ucraina, le turbine a gas Siemens acquistate dalla Russia sono state sequestrate durante il loro invio in Canada per riparazioni, influenzando la sicurezza energetica. La localizzazione deve essere avviata il prima possibile.

Spazio di Mercato

Nel 2022, la produzione di turbine a gas del nostro paese sarà di 4,0563 milioni di kilowatt, mentre la domanda sarà di circa 6,7986 milioni di kilowatt.

Secondo statistiche, l'entità del mercato delle turbine a gas del nostro paese ha raggiunto 61,669 miliardi di yuan nel 2022, di cui la dimensione del mercato delle micro turbine a gas era di 893 milioni di yuan, quella delle turbine a gas leggere era di 56,569 miliardi di yuan e quella delle turbine a gas pesanti era di 4,207 miliardi di yuan.

Il mio paese ora ha la capacità di produrre in modo indipendente turbine a gas leggere (potenza inferiore a 50 MW), e quelle di bassa gamma possono persino essere esportate, ma le turbine a gas pesanti (potenza superiore a 50 MW) sono ancora per lo più dipendenti dalle importazioni, e la tecnologia di base è quasi completamente monopolizzata da produttori internazionali come GE negli Stati Uniti, Mitsubishi in Giappone e Siemens in Germania. C'è un rischio di essere "soffocati" sul mercato nazionale. Secondo i dati dell'Amministrazione generale delle dogane, le importazioni di turbine a gas nel 2022 ammontano a 4,161 miliardi di dollari USA, mentre le esportazioni raggiungono 735 milioni di dollari USA.