BLAZE 지식 교실: 가스터빈

기본 개념

「가스 터빈 용어」(GB/T 15135-2018)에 따르면, 가스 터빈은 열 에너지를 기계적 작업으로 변환하는 연속 유동 회전 기계(단일 기계)로, 압축기, 작업 유체를 가열하기 위한 장치(예: 연소실), 터빈, 제어 시스템 및 보조 장비를 포함합니다.

산업용 가스 터빈 엔진은 일반적으로 가스 터빈 또는 터빈, 산업용 가스 엔진이라고 불리며, 이는 항공용 터빈 가스 엔진(항공 엔진으로 지칭됨)과 본질적으로 같은 것이지만 적용 환경이 약간 다릅니다. 고압 가스를 연소실로 압축하여 화학 에너지의 반응을 통해 터빈을 이용해 화학 에너지를 기계적 작업으로 변환합니다(터빈은 음역어입니다).

에너지 변환 장치로서 가스 터빈은 하늘을 비행할 때 항공 케로신을 프로펠러의 기계 에너지로 변환하는 항공기 엔진입니다. 지상에서 사용되는 가스 터빈은 천연가스와 석유를 발전기의 기계 에너지로 변환합니다.

증기 터빈, 내연기관, 그리고 가스 터빈은 처음에 전함용으로 개발되었습니다. 제1차 세계 대전 이전에 증기 터빈이 사용되었고, 제1차 및 제2차 세계 대전 동안 내연기관이 사용되었으며, 제2차 세계 대전 이후 전함용 가스 터빈이 개발되었습니다. 이는 항공기 엔진에서 변형된 것으로 주로 큰 표면 함정에 사용되었습니다.

가스 터빈은 여러 가지 특징이 있습니다:

첫째, 이론적인 에너지 전환 효율이 88%에 달할 수 있으며, 이는 현재까지 세계에서 가장 높은 에너지 전환 효율을 가진 장치입니다. 연료전지는 90%의 전환 효율을 달성할 수 있다고 알려져 있지만 아직 완전히 상용화되지는 않았습니다. 연소 엔진의 이론적 에너지 전환 효율은 88%로, 수십 년 동안 검증되었습니다.

둘째, 가스터빈의 연소 온도는 비교적 높으며, 유해 가스 배출량은 상대적으로 낮습니다.

셋째, 전력 밀도가 비교적 큽니다. 컨테이너 크기의 단일 기계로 구축함에 에너지를 공급할 수 있으며, 두 개의 컨테이너로 기본적으로 한 군의 민간 전력을 충당할 수 있습니다. 증기 터빈은 매우 크며, 예를 들어 10메가와트 이상의 디젤 엔진이나 내연기관은 수천 톤의 무게와 수십 미터 높이의 대형 장치들입니다.

네 번째로, 가스 터빈은 내연기관과 달라서 내연기관은 스토크 방식이며 4번의 스토크마다 한 번씩 작업이 이루어집니다. 가스 터빈은 연속적으로 작동하며 터빈은 소용돌이선입니다. 이는 열기관 장치 중 에너지 전환 효율이 가장 높아 화학 에너지를 열 에너지와 기계 에너지로 변환합니다.

1970년대에 가스 터빈이 미국 석유 산업에 진입하면서 산업용 가스 터빈이 등장했습니다. 항공기 엔진은 비교적 높은 성능을 요구하며 구조가 복잡하고 수명이 상대적으로 짧습니다. 반면 산업용 엔진은 무게를 줄일 필요가 없고 매우 견고하게 만들어지며 비교적 긴 수명이 요구됩니다. 1980년대 즈음해서 천연가스의 발전과 함께 전력 산업에 진출했습니다.

제2차 세계 대전 이후 미국의 기술 수준은 매우 높지 않았습니다. 가장 초기의 인수는 유럽에서 회전 장비의 본거지인 이탈리아 기업들이었습니다. 대표적인 영국 기업으로는 항공기 엔진을 만드는 롤스로이스가 있습니다. 일반적으로 항공기 엔진을 제작하는会사들은 가스 터빈도 생산합니다. 독일의 지멘스는 유럽 전역에서 인수를 진행했으며, 롤스로이스의 항공기 개조 부문도 인수했습니다. 러시아의 가스 터빈은 주로 우크라이나와 협력하여 진행됩니다. 설계는 모두 러시아에서 이루어지고 일부 제조 기지는 우크라이나 마리우폴에 있습니다.

최근 수십 년 동안 일본의 미쓰비시만이 진정한 중형 가스터빈을 개발했고, 가와사키는 작은 크기의 가스터빈을 제작하고 있어 여전히 일정한 기술 장벽이 존재합니다. 소형 및 중형 가스터빈은 주로 GE가 독보적이고 특히 군사용으로 많이 사용됩니다. 주류 구축함에는 대부분 GE의 LM-2500 모델이 사용됩니다. 시멘스는 영국 링컨에서 일부 소형 가스터빈을 인수했는데, 이들은 15MW 미만의 용량을 가지고 있으며, 스웨덴 핀스판에서도 일부를 생산합니다. 소형 가스터빈 분야에서 최고의 회사는 미국의 솔라(Solar)로, 이 회사는 고객과 매우 밀접한 관계를 유지하며, 15MW 미만의 소형 가스터빈 시장에서 세계 최대 점유율을 보유하고 있습니다.

분류

구조 형식과 출력 용량에 따라 가스 터빈은 소형, 경형 및 중형으로 나눌 수 있습니다. 그중에서 소형 및 경형 가스 터빈은 항공기 엔진을 변형한 것(즉, "항공-가스"라고도 함)으로, 출력이 일반적으로 50MW 이하이며 산업 발전, 선박 동력, 파이프라인 부스트, 탱크 기관차, 분산형 발전 및 열병합 발전에 사용될 수 있습니다. 중형 가스 터빈은 출력이 50MW 이상이며 주로 지상 고정 발전기로 사용되며 예를 들어 도시 전력망 등에 사용됩니다.

중형 가스 엔진은 일반적으로 온도에 따라 분류됩니다. E급, F급, G급, H급은 각각 다른 연소 온도에 대응합니다. 공학적 관점에서 보면 합금의 온도 내성에 따라 분류하는 것이 더 적합할 수 있습니다.

중국에서는 기본적으로 소형 가스 터빈을 다룹니다. 소형 가스 터빈은 구조에 따라 일반적으로 단일 축, 이축, 삼축, 항공 변형, 산업용으로 분류됩니다. 온도로는 거의 분류하지 않는데, 이는 중형 가스 터빈과 비교했을 때 소형 가스 터빈의 온도가 그렇게 높지 않기 때문입니다. 출력이 30메가와트 이하인 것은 사실상 등축結晶이며, 즉 E등급에 해당합니다. 이는 절대적인 것이 아니며, 더 발전된 일부는 F등급까지 도달했습니다. E등급은 중국에서 1995년에 시험 생산되었습니다. 약 50메가와트는 아마 F등급에 해당하며, 이는 방향성 결정입니다. 중국은 2005년에 이 등급을 시험 생산했으며, 현재 우리는 이러한 모든 재료를 보유하고 있습니다. 가장 발전된 가스 터빈은 H등급에 도달했으며, 현재 우리는 두 번째 세대의 단결정을 보유하고 있습니다.

대체로 1MW 이하를 마이크로 가스 터빈이라고 부릅니다. 실제로 해외의 마이크로 가스 터빈은 온도가 낮기 때문에 그렇게 좋은 합금을 사용하지 않습니다. 그들은 일부 특수 강재를 사용하며, 거의 등축結晶을 사용하지 않습니다. 15MW 정도는 소형 가스 터빈으로 주로 등축結晶을 사용합니다. 또한 해외에는 몇몇 특수 회사들이 특수 강재를 사용하는데, 그들의 코팅이 특히 우수하기 때문에 더 나은 성능을 발휘합니다. 30~50MW 중소형은 주로 방향성結晶을 더 많이 사용하며, 이는 F등급에 해당합니다. 더 큰 규모의 경우 첫 번째와 두 번째 세대 단결정을 사용하며, 이는 우리 국내 브랜드입니다.

소형 및 중형, 미니 가스 터빈은 주로 분산 전력과 열병합 발전에 사용됩니다. 30MW 이하와 15MW 이하는 주로 쓰촨에서 사용되며, 7MW 이하는 주로 충칭에서 사용됩니다. 이는 그들의 산업 단지의 규모와 관련이 있습니다. 약 30MW는 주로 장쑤에서 사용되며, 50MW에서 100MW는 주로 광동의 산업 단지에서 사용되며 일반적으로 분산 전력이나 열병합 발전에 사용됩니다. 100MW 이상은 기본적으로 큰 전력망의 피크 조정 또는 기저부하 발전소로 사용됩니다. 석유 및 가스 산업은 기본적으로 소형을 사용합니다. 상류 채굴 산업에서는 주로 7MW와 15MW가 사용되고, 중류 파이프라인 운송은 주로 15MW와 30MW입니다.

30MW 이하의 가스 터빈 설계 시스템은 비교적 성숙하고, 공정 재료 시스템도 비교적 성숙하다. OBT의 수율은 85%에 달할 수 있다. 산업용 가스 터빈은 여전히 경제성, 기술 경제 평가 또는 비용 대비 성능에 초점을 맞춰야 하며, 주요 평가 지표는 수율이다.

중형 및 대형 가스 터빈에 대해 (국내) 우리는 디자인 소프트웨어, 디자인 사양, 일부 재료 및 공정의 데이터베이스가 디자인 시스템 내에서 축적된 것이 적기 때문에 이 디자인 시스템은 아직 완전하지 않고 수율도 높지 않습니다. F급 또는 방향성結晶은 분수령입니다. 방향성結晶 아래는 우리가 국제 경쟁에 참여하는 데 있어 여전히 충분한 자신감을 가지고 있습니다. 방향성結晶 이상은 산업 수준에서 우리는 여전히 일정한 격차가 있습니다. 이 영역은 국가팀에게 맡겨졌습니다. 몇몇 중앙 기업들이 기본 연구 개발을 진행하고 있으며, 기본 재료와 기본 공정에 대한 투자는 매우 큽니다.

산업 연관

우리나라 가스 터빈 산업 연계의 상류에서는 고온 합금, 티타늄 합금, 복합 재료, 알루미늄 합금 및 보통 강재를 생산하는 제조업체로 강연고나, 루순 특수 강철, 바오티 그룹 등이 있습니다. 중류 부품 및 구성 요소 연결에서는 재료가 주조되거나 단조되거나 기타 공정을 거쳐 터빈 날개, 샤프트 등의 부품이 만들어집니다. 날개와 다른 부품은 주조 공정으로 형성됩니다. 주요 국내 주조 및 단조 제조업체로는 영류 회사, 만제 회사, 두난 회사 등이 있습니다. 그리고 하류 전체 기계 제조업체는 다양한 부품을 전체 기계로 조립합니다. 주요 제조업체로는 AECC, 상하이 전기, 헬란 터빈, 하얼빈 전기 등이 있습니다.

상류 산업, 특히 고온 합금, 고온 티타늄 합금, 열 장벽 코팅 및 선진 세라믹 복합 소재와 같은 제품은 국방 산업과 고급 장비 제조를 촉진하는 데 중요한 역할을 합니다. 국내 가스 터빈은 주로 발전에 사용되며, 일부는 석유 및 가스⽥의 수압 주입, 공기 흡입, 압력 증가 및 선박과 탱크 파워에 사용됩니다. 중점은 분산형 발전, 열병합발전, 천연가스 파이프라인 운송, 선박 추진 및 기계 구동입니다. 우리 나라의 가스 터빈은 분산 에너지 공급, 압력 증대소, 산업 발전 등 다양한 분야에서 막대한 잠재 시장을 가지고 있으며, 정책적인 지원으로 인해 산업이 급속히 발전하고 있습니다. 현재 진행 중인 "서부에서 동부로 가스 전송", "서부에서 동부로 전력 전송", "남부에서 북부로 물 유도"와 같은 대규모 프로젝트와 함께 우리 나라 조선 산업의 급속한 발전으로 인해 가스 터빈에 대한 수요가 급증하고 있습니다.

산업 정책

제14차 5개년 계획의 현대 에너지 시스템에서도 가스 터빈이 핵심 기술로 나열되어 있으며, 기본적으로 원자력, 새로운 전력 시스템, 에너지 저장 및 수소 에너지와 같은 수준으로 놓여져 있습니다.

국가 전력 투자 회사는 두 가지 특수 프로젝트를 진행했습니다. 하나는 중형 가스 터빈을 포함한 주요 프로젝트로, 수소 혼합 가스 터빈도 포함됩니다. 순수 수소 터빈은 내몽골에 건설되었지만 아직 운영되지 않고 있습니다. 경문 발전소에서는 15%의 혼합을 실현했습니다. 하얼빈 전기와 광동 전기 그룹(광동 에너지 그룹)은 대아만에서 수소 혼합 프로젝트를 진행했으며, 항저우 증기 터빈과 지멘스는 주산에서 수소 혼합 프로젝트를 진행했습니다.

가스 터빈은 서동가스관선 및 해상 석유 플랫폼에서 널리 사용되고 있습니다. 군사 관련 기업인 중국해유(CNOOC)도 미국의 제재를 받았으며, 공급 중단의 위험에 직면해 있습니다. 러시아-우크라이나 전쟁 동안 러시아가 구매한 지멘스 가스 터빈이 수리 목적으로 캐나다로 보내졌을 때 억류되어 에너지 안보에 영향을 미쳤습니다. 국산화는 가능한 한 빨리 이루어져야 합니다.

시장 공간

2022년 우리 나라의 가스 터빈 생산량은 405만6300킬로와트이며, 수요는 약 679만8600킬로와트입니다.

통계에 따르면 2022년 우리 나라의 가스 터빈 시장 규모는 616억6900만 위안으로, 이중 미니 가스 터빈 시장 규모는 8억9300만 위안, 경형 가스 터빈 시장 규모는 565억6900만 위안, 중형 가스 터빈 시장 규모는 42억700만 위안입니다.

우리나라는 현재 전력 용량 50MW 이하의 경형 가스 터빈을 독립적으로 생산할 수 있는 능력을 갖추었으며, 저급 제품은 심지어 수출도 가능하지만, 50MW 이상의 대형 가스 터빈은 여전히 수입에 크게 의존하고 있으며 핵심 기술은 미국 GE, 일본 미쓰비시, 독일 시멘스 등 국제 제조업체들이 거의 독점하고 있어 국내 시장에서 "목이 조여지는" 위험이 존재합니다. 해관총서의 데이터에 따르면, 2022년 가스 터빈 수입액은 41억 6100만 달러이며, 수출액은 7억 3500만 달러입니다.