BLAZE Kennisklas: Gas T turbine

Basisconcepten

Volgens de "Gas Turbine Vocabulary" (GB/T 15135-2018) verwijst een gas turbine naar een continue-stroom draaiende machine (enkelvoudige machine) die thermische energie omzet in mechanische arbeid, inclusief een compressor, uitrusting voor het verwarmen van het werkmedium (zoals een brandkamer), een turbine, een besturingssysteem en bijbehorende apparatuur.

Industriële gasturbinemotoren, vaak gewoon gas turbines of turbines genoemd, zijn wezenlijk hetzelfde als luchtvaartgasturbinemotoren (ook wel vliegtuigmotoren genoemd), maar de toepassingsgebieden verschillen iets. Ze comprimeren hoge drukgas in een brandkamer en converteren door middel van chemische reacties de chemische energie via een turbine (de letterlijke vertaling van turbine) in mechanische arbeid.

Als een energieomzettingsapparaat is een gasturbine een vliegtuigmotor die vliegtuigkerosine omzet in mechanische energie voor de propeller tijdens het vliegen in de lucht; een op de grond gebruikte gasturbine zet aardgas en olie om in mechanische energie voor de generator.

Stoomturbines, binnenverbreningsmotoren en gasturbinen werden voor het eerst ontwikkeld voor gebruik op oorlogsschepen. Stoomturbines werden gebruikt voor de Eerste Wereldoorlog, binnenverbreningsmotoren werden gebruikt tijdens de Eerste en Tweede Wereldoorlog, en gasturbinen voor oorlogsschepen werden ontwikkeld na de Tweede Wereldoorlog. Ze werden aangepast van vliegtuigmotoren en werden voornamelijk gebruikt op grote oppervlaktevaartuigen.

Gasturbinen hebben verschillende kenmerken:

Ten eerste kan de theoretische energieconversie-efficiëntie 88% bereiken, wat het toestel met de hoogste energieconversie-efficiëntie ter wereld is tot nu toe. Brandstofcellen zouden een conversie-efficiëntie van 90% kunnen bereiken, maar zijn nog niet volledig gecommercialiseerd; de theoretische energieconversie-efficiëntie van verbrandingsmotoren is 88%, wat al decennialang getest is.

Ten tweede is de verbrandingstemperatuur van gasturbines relatief hoog en is de uitstoot van schadelijke gassen relatief laag.

Ten derde is de vermogensdichtheid relatief groot. Een enkel apparaat, zo groot als een container, kan voldoende energie leveren voor een destroyer; twee containers zijn vrijwel voldoende voor het civiele elektriciteitsgebruik van een district. Stoomturbines zijn zeer groot, zoals dieselmotoren en binnenverbrenningsmotoren met een capaciteit van meer dan 10 megawatt, die doorgaans apparaten van duizenden tonnen en tientallen meters hoog zijn.

Ten vierde, gasturbines zijn niet zoals binnenverbbrandingsmotoren, die van de stoottype zijn en waarbij werk eenmaal wordt verricht na elke 4 slagen. Gasturbines werken continu, en de turbine is een draaikolklijn. Het is het thermische machineapparaat met de hoogste energieomzettings-efficiëntie, dat chemische energie omzet in thermische en mechanische energie.

In de jaren '70 kwamen gasturbines in de Amerikaanse olie-industrie, wat leidde tot industriële gasturbines. Vliegtuigmotoren vereisen relatief hoge prestaties, zijn relatief geavanceerd en hebben een relatief korte levensduur; industriële motoren hoeven geen gewicht te verminderen, zijn zeer robuust gemaakt en vereisen een relatief lange levensduur. Rond de jaren '80, met de ontwikkeling van aardgas, kwam het in de elektriciteits-industrie.

Na de Tweede Wereldoorlog was het technische niveau van de Verenigde Staten niet heel hoog. De vroegste verworvenheden waren Italiaanse bedrijven, die de kern vormden van draaiende apparatuur in Europa. Het typische Britse bedrijf is Rolls-Royce, dat vliegtuigmotoren maakt. Algemener gezegd maken bedrijven die vliegtuigmotoren produceren ook gasturbines. Duitsland's Siemens werd overal in Europa overgenomen en heeft ook de vliegtuigmodificaties van Rolls-Royce overgenomen. Ruslands gasturbines zijn voornamelijk in samenwerking met Oekraïne. De ontwerpen komen allemaal uit Rusland, en sommige productiebases zijn in Mariupol, Oekraïne.

In de afgelopen decennia heeft alleen Mitsubishi uit Japan een echte zware gasturbine ontwikkeld, en Kawasaki maakt kleinere exemplaren, dus er bestaat nog steeds een bepaalde drempel. Kleine en middelgrote gasturbinen komen voornamelijk van GE, vooral voor militair gebruik. De meeste moderne torpedojagers zijn uitgerust met turbines van GE, het model LM-2500. Siemens heeft enkele van zijn kleine gasturbinen in Lincoln, Verenigd Koninkrijk, overgenomen, met een capaciteit van minder dan 15 MW, en enkele in Finspång, Zweden. Het beste bedrijf op het gebied van kleine gasturbinen is Solar in de VS, dat zeer dicht bij zijn klanten staat en wereldwijd de grootste marktaandeel heeft voor kleine gasturbinen met een capaciteit van minder dan 15 MW.

Classificatie

Op basis van de structuur en uitkomstvermogen kunnen gasturbines worden verdeeld in drie categorieën: micro, licht en zwaar. Hiervan kunnen micro- en lichte gasturbines worden aangepast van vliegtuigmotoren (ook bekend als "aero-to-gas"), met een vermogen doorgaans onder de 50 MW, en kunnen worden gebruikt voor industriële elektriciteitsopwekking, scheepskracht, pijpleidingversterking, tanklocomotieven, gedistribueerde energieopwekking en combined heat and power. Zware gasturbines hebben een vermogen van meer dan 50 MW en worden voornamelijk gebruikt als vaste generators op land, zoals stedelijke elektriciteitsnetten.

Zware gasmotoren worden doorgaans ingedeeld volgens temperatuur. Klasse E, F, G en H corresponderen met verschillende brandtemperaturen. Vanuit technisch oogpunt is het beter om ze te classificeren op basis van de temperatuurbelasting van de legering.

In China gaat het voornamelijk om kleine gasturbines. Kleine gasturbines worden doorgaans ingedeeld naar structuur: enkelas, dubbelas, driedubbele as, luchtmodificatie, industrieel, en zelden wordt er op basis van temperatuur ingedeeld, omdat de temperatuur van kleine gasturbines niet zo hoog is in vergelijking met zware gasturbines. Gasturbines met een vermogen onder de 30 megawatt zijn eigenlijk equiaxed kristallen, dat wil zeggen E-klasse. Dit is niet absoluut, en sommige geavanceerdere hebben F-klasse bereikt. De E-klasse werd in 1995 in China geprobeerd te produceren. Ongeveer 50 megawatt komt waarschijnlijk overeen met F-klasse, wat een georienteerde kristalstructuur heeft. China produceerde deze klasse in 2005, en we beschikken nu over al deze materialen. De meest geavanceerde gasturbines hebben H-klasse bereikt, en we beschikken nu over onze tweede generatie enkelkristallen.

Algemeen gezien worden die onder de 1 MW micro-gasturbines genoemd. Eigenlijk gebruiken micro-gasturbines uit het buitenland geen zulke goede legeringen vanwege de lage temperatuur. Ze gebruiken enkele speciale stalen en gebruiken zelden equiaxed kristallen. Die rond de 15 MW worden kleine gasturbines genoemd, die voornamelijk equiaxed kristallen gebruiken. Er zijn ook enkele speciale bedrijven in het buitenland die speciale stalen gebruiken, maar omdat hun coatings bijzonder goed zijn, worden ze beter gemaakt. Kleine en middelgrote turbines van 30~50 MW gebruiken doorgaans meer georienteerde kristallen, dat wil zeggen F-klasse. Grotere turbines gebruiken eerste- en tweede generatie enkelkristallen, wat onze nationale merken zijn.

Kleine, middelgrote en mikro gasturbines worden voornamelijk gebruikt in gedistribueerde stroom en combined heat and power. Die onder de 30 MW en 15 MW worden voornamelijk gebruikt in Sichuan, en die onder de 7 MW worden voornamelijk gebruikt in Chongqing. Dit heeft te maken met de omvang van hun industrieparken. Die rond de 30 MW worden voornamelijk gebruikt in Jiangsu, en die tussen 50 MW en 100 MW worden voornamelijk gebruikt in industrieparken in Guangdong, meestal voor gedistribueerde stroom of combined heat and power. Die boven de 100 MW worden bijna uitsluitend gebruikt voor het regelen van pieken in grote elektriciteitsnetwerken of als baseload-kraftstations. De olie- en gasindustrie gebruikt voornamelijk kleine turbines. In de upstream-mijnbouwindustrie worden voornamelijk turbines van 7 MW en 15 MW gebruikt, en de midstream-leidingtransport is voornamelijk gericht op turbines van 15 MW en 30 MW.

Het ontwerpsysteem van gasturbines onder de 30 MW is relatief volwassen, en het procesmateriaalsysteem is ook relatief volwassen. De opbrengst van OBT kan 85% bereiken. Industriële gasturbines moeten zich nog steeds richten op economische prestaties, technisch-economische evaluatie of kosten-prestatieverhouding, en de belangrijkste evaluatieindicator is de opbrengst.

Voor middelgrote en grote gasturbines hebben wij (thuisland) weinig opgebouwd wat betreft ontwerpprogramma's, ontwerpspecificaties en databanken van sommige materialen en processen in ons ontwerpsysteem, dus dit ontwerpsysteem is nog niet zeer volwassen en de opbrengst is niet hoog. Het F-niveau of gerichte kristalstructuur is een waterscheiding. Onder gerichte kristalstructuur hebben we voldoende zelfvertrouwen om mee te doen aan internationale concurrentie. Boven gerichte kristalstructuur hebben we op industriële niveau nog een zekere achterstand. Dit gebied wordt overgedragen aan het nationale team. Verscheidene centrale bedrijven doen onderzoek en ontwikkeling op basisniveau, en de investeringen in basismaterialen en basisprocessen zijn enorm.

Industriële keten

In de upstream van de gas turbine industrie keten in mijn land, omvatten de fabrikanten van hoogtemperatuurallega's, titaniumlega's, samengestelde materialen, aluminiumlega's en algemene staal Gangyan Gaona, Fushun Special Steel, Baoti Group, etc. In de midstream onderdelen- en componentenlink worden materialen gegoten, gelast of onderworpen aan andere processen om turbinebladen, asse en andere onderdelen te maken. Bladen en andere onderdelen worden vervaardigd door een gietproces. Belangrijke binnenlandse gieterijen en smederijen omvatten Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd., etc. Daarna assembleren downstream volledige machinefabrikanten verschillende onderdelen tot complete machines. Belangrijke fabrikanten omvatten AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric, etc.

Bovenstroomse industrieën, met name producten zoals hoge-temperatuur legeringen, hoge-temperatuur titaniumlegeringen, thermische barrièrbestrijkingen en geavanceerde keramische compositiematerialen, spelen een belangrijke rol in de ontwikkeling van de nationale verdedigingsindustrie en het hoogwaardige apparatenbouw. Binnenlands worden gasturbines voornamelijk gebruikt voor elektriciteitsopwekking, en een klein deel wordt gebruikt voor waterinjectie, luchtinname, opdrukking in olievelden en gasvelden, en als aandrijving voor schepen en tanks. De focus ligt op gedistribueerde energieopwekking, combinatie van warmte en stroom, transport van aardgaspijpleidingen, schepenpropulsie en mechanische aandrijving. Mijn land heeft enorme potentiële markten voor gasturbines in gebieden zoals gedistribueerde energievoorziening, opdrukkstations, industriële stroomopwekking en andere sectoren, en beleidsmaatregelen ondersteunen de snelle ontwikkeling van de industrie. De huidige grote projecten in mijn land, zoals "Gasoverbrenging West naar Oost", "Stroomoverbrenging West naar Oost" en "Wateroverbrenging Zuid naar Noord", samen met de snelle ontwikkeling van de scheepsbouw-industrie in mijn land, hebben geleid tot een snel toenemende vraag naar gasturbines.

Industrieel beleid

Het moderne energysysteem van het 14de Vijfjarige Plan vermeldt ook gasturbinen als een kernsleuteltechnologie, wat het feitelijk op hetzelfde niveau plaatsingt als kernenergie, nieuwe elektriciteitssystemen, energieopslag en waterstofenergie.

State Power Investment Corporation heeft twee speciale projecten uitgevoerd, één is een groot project voor zware gasturbinen, inclusief waterstofgemengde gasturbinen. Een zuiver waterstofversie is gebouwd in Binnen-Mongolië maar nog niet in bedrijf genomen. De Jingmen-kraftcentrale heeft 15% gemengd. Harbin Electric en Guangdong Electric Group, die Guangdong Energy Group heet, hebben een waterstofmengproject uitgevoerd in Daya Bay, en Hangzhou Steam Turbine en Siemens hebben een waterstofmengproject uitgevoerd in Zhoushan.

Gas turbines worden breed gebruikt in de West-Oost Gasleiding en op offshore olieplatforms. Als een militair gerelateerd bedrijf staat CNOOC ook onder sancties van de Verenigde Staten en loopt het risico op leveringsonderbrekingen. Tijdens de oorlog tussen Rusland en Oekraïne werden de door Rusland aangeschafte Siemens-gasturbines in Canada in beslag genomen toen ze daarheen werden gestuurd voor reparatie, wat invloed had op de energiezekerheid. Lokalisatie moet zo snel mogelijk worden uitgevoerd.

Markt Ruimte

In 2022 bedroeg de productie van gasturbines in ons land 4,0563 miljoen kilowatt, en de vraag zal ongeveer 6,7986 miljoen kilowatt zijn.

Volgens statistieken bedroeg de omvang van de markt voor gasturbines in ons land in 2022 61,669 miljard yuan, waarvan de marktomvang van microgasturbines 8,93 miljard yuan was, de marktomvang van lichte gasturbines 56,569 miljard yuan en de marktomvang van zware gasturbines 4,207 miljard yuan.

Mijn land heeft nu de mogelijkheid om zelf lichte gasturbines (kracht onder de 50MW) te produceren, en lagere versies kunnen zelfs geëxporteerd worden, maar zware gasturbines (kracht boven de 50MW) zijn nog steeds grotendeels afhankelijk van importen, en de kern technologie wordt grotendeels gedemonopoliseerd door internationale fabrikanten zoals GE in de Verenigde Staten, Mitsubishi in Japan, en Siemens in Duitsland. Er bestaat een risico van "wurgage" op de binnenlandse markt. Volgens cijfers van de Generale Douane bedroegen de importwaarden van gasturbines in 2022 4,161 miljard Amerikaanse dollars en de exportwaarden 735 miljoen Amerikaanse dollars.