ブレイズ知識教室：ガスタービン

基本概念

「ガスタービン用語」（GB/T 15135-2018）によると、ガスタービンとは熱エネルギーを機械的作業に変換する連続流れの回転機械（単一機械）であり、圧縮機、作動流体を加熱する装置（例えば燃焼室）、タービン、制御システムおよび補助装置を含むものである。

産業用ガスタービンエンジンは、一般的にガスタービンやタービン、産業用ガスエンジンと呼ばれ、航空用タービンガスエンジン（航空エンジンと呼ばれる）と同じものであるが、適用シーンが若干異なる。これは高圧ガスを燃焼室に圧縮し、化学エネルギーの反応を通じて、タービン（タービンの音写）によって化学エネルギーを機械的作業に変換する。

エネルギー変換装置として、ガスタービンは航空機のエンジンであり、空を飛行中にジェット燃料をプロペラ用の機械エネルギーに変換します。一方、地上で使用されるガスタービンは、天然ガスや油を発電機用の機械エネルギーに変換します。

蒸気タービン、内燃機関、ガスタービンは最初に戦艦で使用するために開発されました。蒸気タービンは第一次世界大戦前に、内燃機関は第一次および第二次世界大戦中に使用され、戦艦用のガスタービンは第二次世界大戦後に開発されました。これらは航空機用エンジンから改造されたもので、主に大型水面艦艇で使用されました。

ガスタービンにはいくつかの特徴があります：

まず、理論的なエネルギー変換効率は88%に達することができ、これは現在世界で最も高いエネルギー変換効率を持つ装置です。燃料電池は90%の変換効率を達成できると言われていますが、まだ完全に商用化されていません。理論的なエネルギー変換効率として、燃焼エンジンも88%ですが、これは数十年にわたり試験されています。

次に、ガスタービンの燃焼温度は比較的高く、有害ガスの排出量は比較的低いです。

さらに、パワー密度は比較的大きいです。コンテナサイズの単一機械で駆逐艦にエネルギーを供給でき、2つのコンテナがあれば基本的に県全体の民生用電力を賄えます。蒸気タービンは非常に大きく、例えば10メガワット以上のディーゼルエンジンや内燃機関は、基本的には数千トンの重さがあり、数十メートルの高さの大規模な装置です。

第四に、ガスタービンはストローク式の内燃機関とは異なり、4ストロークごとに一度だけ作業を行うわけではありません。ガスタービンは連続的に動作し、タービンは渦線です。これは、化学エネルギーを熱エネルギーおよび機械エネルギーに変換する最も高いエネルギー変換効率を持つ熱機関装置です。

1970年代に、ガスタービンがアメリカの石油産業に導入され、産業用ガスタービンが登場しました。航空機エンジンは比較的高性能を必要とし、精密で寿命が比較的短いのに対し、産業用エンジンは軽量化を必要とせず、非常に頑丈に作られ、長い寿命が要求されます。1980年代頃、天然ガスの発展とともに、電力産業にも進出しました。

第二次世界大戦後、アメリカ合衆国の技術レベルはそれほど高くありませんでした。最初の買収は、ヨーロッパにおける回転機器のリーダーであるイタリアの企業でした。典型的なイギリスの企業としてはロールス・ロイスがあり、これは航空機エンジンを製造しています。一般的に、航空機エンジンを作っている会社はガスタービンも製造します。ドイツのシーメンスはヨーロッパ全体で買収を行い、ロールス・ロイスの航空機改造部門も買収しました。ロシアのガスタービンは主にウクライナとの協力によって作られており、設計はすべてロシアで行われていますが、一部の製造拠点はウクライナのマリウポリにあります。

近年の数十年間で、日本のみつubishiが唯一実用的な大型ガスタービンを開発しており、小型のものは川崎重工が製造しているため、いまだに一定の技術的障壁があります。中小型のガスタービンは主にGEが手掛けており、特に軍用ではその地位が確立されています。主流の駆逐艦には大半がGEのLM-2500モデルが搭載されています。シーメンスは、イギリスのリンカーンでいくつかの小型ガスタービンを取得しており、これは15MW未満のもので、またスウェーデンのフィンスパンでも一部製造しています。小型ガスタービンにおいて最も優れた企業はアメリカのSolarであり、顧客に非常に近く、15MW未満の小型ガスタービン市場において世界最高のシェアを持っています。

分類

構造形式と出力に応じて、ガスタービンは3つのカテゴリに分けられます：マイクロ、軽量、重量。その中で、マイクロおよび軽量のガスタービンは航空機エンジンから改造されることがあり（「エアロ・トゥ・ガス」とも呼ばれます）、通常50MW以内の出力を有し、産業発電、船用動力、パイプラインブースティング、戦車機関、分散型発電、およびコージェネレーションに使用できます。重型ガスタービンは50MW以上の出力を有し、主に都市電力網などの陸上固定発電機として使用されます。

重型ガスエンジンは一般的に温度に基づいて分類されます。Eクラス、Fクラス、Gクラス、Hクラスはそれぞれ異なる燃焼温度に対応します。工学的な観点からは、合金の耐温度能力に基づいて分類することがより好ましいです。

中国では基本的に小型ガスタービンです。小型ガスタービンは一般的に構造によって分類されます：単軸、二軸、三軸、航空機改造型、工業用などです。温度で分類されるのはあまりなく、これは重 Duty ガスタービンと比べて小型ガスタービンの温度がそれほど高くないためです。出力30メガワット以下のものは実際には等方性結晶、つまりEクラスです。これは絶対的なものではなく、より進んだものはFクラスに達しています。Eクラスは中国で1995年に試作されました。約50メガワットはおそらくFクラス、すなわち方向性結晶に対応します。中国は2005年にこのクラスを試作し、今やこれらの材料すべてを持っています。最も先進的なガスタービンはHクラスに達しており、現在では第二世代の単結晶も保有しています。

一般的に、1 MW以下のものはマイクロガスタービンと呼ばれます。実際、海外のマイクロガスタービンは低温のため、そんなに高性能な合金は使用していません。代わりに特殊な鋼を使用し、ほとんどは等軸結晶を使用しません。約15 MWのものは小型ガスタービンと呼ばれ、主に等軸結晶が使用されます。また、海外にはいくつかの特殊な会社があり、特殊鋼を使用していますが、そのコーティングが特に優れているため、より良い性能を発揮します。30～50 MWの中型から小型のものは通常、より多くの方向性結晶を使用し、これはF級です。さらに大型のものは第一世代および第二世代の単結晶を使用しており、これらは国内ブランドです。

小型、中型およびマイクロガスタービンは主に分散電力やコージェネレーションで使用されます。30MW未満と15MW未満のものは主に四川省で、7MW未満のものは主に重慶市で使用されており、これはその工業団地の規模に関連しています。30MW前後のものは主に江苏省で使用され、50MWから100MWのものは主に広東省の工業団地で使用され、一般的に分散電力やコージェネレーションに使われます。100MWを超えるものは基本的に大規模な電力網のピーク調整やベースロード電力駅として使用されます。石油・ガス業界では基本的におよそ小型のものが使用されます。上流の採掘業界では主に7MWと15MWが、中流のパイプライン輸送では主に15MWと30MWが使用されています。

30 MW以下のガスタービンの設計システムは比較的成熟しており、プロセス材料システムも比較的成熟しています。OBTの収率は85%に達することができます。工業用ガスタービンは依然として経済性能、技術経済評価、またはコストパフォーマンスに重点を置く必要があり、主要な評価指標は収率です。

中型および大型のガスタービンについては、我が国（国内）は設計ソフトウェア、設計規格、そしていくつかの材料やプロセスに関するデータベースの蓄積が少なく、現在の設計システムはまだ十分に成熟しておらず、収率も高くありません。F級または指向結晶が分水嶺です。指向結晶以下の領域では、我々は依然として十分な自信を持って国際競争に参加できます。しかし、指向結晶以上の領域では、工業レベルにおいて一定の差があります。この分野は国家チームに委ねられており、数の中核企業が基礎研究開発を行っています。基礎材料や基礎プロセスへの投資は非常に巨大です。

産業連鎖

我が国のガスタービン産業チェーンの上流では、高温合金、チタン合金、複合材料、アルミニウム合金、一般鋼のメーカーに甘研高納、撫順特殊鋼、宝钛集団などが含まれます。中流の部品・コンポーネント部門では、材料が鋳造、鍛造またはその他のプロセスによってタービンブレード、軸などの部品に加工されます。ブレードやその他の部品は鋳造プロセスで形成されます。主要な国内の鋳造・鍛造メーカーには英聯公司、万泽公司、通南公司などがあります。そして、下流の完成品メーカーは、さまざまな部品を組み立てて完成品にします。主要なメーカーにはAECC、上海電気、賀蘭タービン、哈爾濱電気などがあります。

高温合金、高温チタン合金、熱障塗料、および先進セラミック複合材料などの上流産業は、特に国防産業と高級装備製造業の発展に重要な役割を果たしています。国内のガスタービンは主に発電に使用され、一部は油田やガス田での水注入、空気取り入れ、増圧や、船舶・戦車の動力にも使用されています。重点分野としては、分散型発電、 cogeneration（熱電併給）、天然ガス管路輸送、船舶推進、機械駆動などがあります。我が国のガスタービンは、分散エネルギーサプライ、増圧局、工業用発電などの分野で大きな潜在市場を持ち、政策によって産業の急速な発展が支援されています。「西気東送」「西電東送」「南水北調」などの現在の大規模プロジェクトや、我が国の造船業の急速な発展により、ガスタービンに対する我が国の需要が急増しています。

産業政策

第14次五カ年計画の現代エネルギー体系でも、ガスタービンが核心となる重要な技術として挙げられており、基本的に原子力、新しい電力システム、エネルギーストレージ、水素エネルギーと同じレベルに位置づけられています。

国家電力投資集団は2つの特別プロジェクトを行っており、その一つは大型ガスタービンに関する重大项目で、水素混合ガスタービンも含まれています。純粋な水素用のものは内モンゴルに建設されていますが、まだ運転開始していません。荊門発電所では15%の混合が行われています。哈爾浜電気と広東電気集団（広東エネルギー集団）は大亜湾で水素混合プロジェクトを実施しており、杭州蒸気タービンとシーメンスは舟山で水素混合プロジェクトを行っています。

ガスタービンは西東ガスパイプラインや沖合油田プラットフォームで広く使用されています。軍関連企業である中国海洋石油总公司（CNOOC）も、アメリカによる制裁を受けており、供給停止のリスクに直面しています。ロシア・ウクライナ戦争中にロシアが購入したシーメンスのガスタービンは、カナダに修理のために送られた際に差し押さえられ、エネルギー安全保障に影響を与えました。 Localizationはできるだけ早く実施する必要があります。

市場空間

2022年、我が国のガスタービン生産量は405.63万キロワットで、需要は約679.86万キロワットです。

統計によると、2022年に我が国のガスタービン市場規模は616.69億元で、そのうちマイクロガスタービンの市場規模は8.93億元、軽量ガスタービンの市場規模は565.69億元、重量ガスタービンの市場規模は42.07億元でした。

我が国は現在、出力50MW以下の小型ガスタービンを自国で独立して生産する能力を持っていますし、低性能のものは甚至輸出も可能ですが、出力50MW以上の大型ガスタービンについては依然として基本的に輸入に依存しており、コア技術はアメリカのGEや日本の三菱、ドイツのシーメンスなどの国際メーカーによってほぼ独占されています。国内市場で「窒息」するリスクがあります。税関総署のデータによると、2022年のガスタービンの輸入額は41億6100万ドル、輸出額は7億3500万ドルです。