Sala de Conhecimento BLAZE: Turbina a Gás

Conceitos Básicos

De acordo com o "Vocabulário de Turbina a Gás" (GB/T 15135-2018), uma turbina a gás refere-se a uma máquina rotativa de fluxo contínuo (máquina única) que converte energia térmica em trabalho mecânico, incluindo um compressor, equipamentos para aquecer o fluido de trabalho (como uma câmara de combustão), uma turbina, um sistema de controle e equipamentos auxiliares.

Motores a gás industriais, geralmente referidos como turbinas a gás ou turbinas industriais, são essencialmente a mesma coisa que motores a gás turbineiros aviadores (referidos como motores aeronáuticos), mas os cenários de aplicação são ligeiramente diferentes. Eles comprimem gases de alta pressão em uma câmara de combustão e, por meio da reação de energia química, convertem a energia química em trabalho mecânico através de uma turbina (a transliteração de turbine).

Como dispositivo de conversão de energia, um turbina a gás é um motor de avião que converte querosene de aviação em energia mecânica para o hélice ao voar no céu; uma turbina a gás usada no solo converte gás natural e petróleo em energia mecânica para o gerador.

Turbinas a vapor, motores de combustão interna e turbinas a gás foram inicialmente desenvolvidos para uso em navios de guerra. Turbinas a vapor foram usadas antes da Primeira Guerra Mundial, motores de combustão interna foram usados durante a Primeira e Segunda Guerras Mundiais, e turbinas a gás para navios de guerra foram desenvolvidas após a Segunda Guerra Mundial. Elas foram modificadas a partir de motores de aviões e eram usadas principalmente em grandes navios de superfície.

As turbinas a gás têm várias características:

Primeiro, a eficiência teórica de conversão de energia pode atingir 88%, que é o dispositivo com a maior eficiência de conversão de energia do mundo até agora. Diz-se que as células a combustível podem alcançar uma eficiência de conversão de 90%, mas ainda não foram totalmente comercializadas; a eficiência teórica de conversão de energia dos motores de combustão é de 88%, o que foi testado por décadas.

Segundo, a temperatura de combustão das turbinas a gás é relativamente alta e a emissão de gases nocivos é relativamente baixa.

Terceiro, a densidade de potência é relativamente grande. Uma única máquina do tamanho de um contêiner pode fornecer energia para um destróier; dois contêineres são basicamente suficientes para o consumo elétrico civil de um condado. As turbinas a vapor são muito grandes, como motores diesel e motores de combustão interna com capacidade superior a 10 megawatts, que são basicamente dispositivos grandes, pesando milhares de toneladas e medindo dezenas de metros de altura.

Em quarto lugar, as turbinas a gás não são como motores de combustão interna, que são do tipo de curso e realizam trabalho uma vez a cada 4 ciclos. As turbinas a gás funcionam continuamente, e a turbina é uma linha de vórtice. É um dispositivo de motor térmico com a maior eficiência de conversão de energia, convertendo energia química em energia térmica e mecânica.

Nos anos 70, as turbinas a gás entraram na indústria petrolífera dos EUA, surgindo assim as turbinas a gás industriais. Os motores de aeronaves exigem desempenho relativamente alto, são relativamente sofisticados e têm vida útil relativamente curta; os motores industriais não precisam reduzir o peso, são feitos muito robustos e requerem uma vida útil relativamente longa. Nos anos 80, com o desenvolvimento do gás natural, elas entraram na indústria de energia.

Após a Segunda Guerra Mundial, o nível técnico dos Estados Unidos não era muito alto. As primeiras aquisições foram de empresas italianas, que são o centro de equipamentos rotativos na Europa. A típica empresa britânica é a Rolls-Royce, que fabrica motores aeronáuticos. Geralmente, empresas que fabricam motores aeronáuticos também fazem turbinas a gás. A Siemens da Alemanha foi adquirida em toda a Europa e também comprou a divisão de modificações de aviões da Rolls-Royce. As turbinas a gás da Rússia estão principalmente em cooperação com a Ucrânia. Os projetos são todos na Rússia, e algumas das bases de fabricação estão em Mariupol, Ucrânia.

Nas últimas décadas, apenas a Mitsubishi do Japão desenvolveu uma turbina a gás de verdadeiro grande porte, e a Kawasaki fabrica versões menores, então ainda existe um certo limiar. As turbinas a gás pequenas e médias são principalmente da GE, especialmente para uso militar. Os destróieres principais são em sua maioria da GE, o modelo LM-2500. A Siemens adquiriu algumas de suas turbinas a gás menores em Lincoln, Reino Unido, com capacidade inferior a 15 MW, e outras em Finspång, Suécia. A melhor empresa em turbinas a gás pequenas é a Solar nos EUA, que está muito próxima de seus clientes e possui a maior fatia de mercado mundial para turbinas a gás pequenas com capacidade inferior a 15 MW.

Classificação

De acordo com a forma estrutural e potência de saída, as turbinas a gás podem ser divididas em três categorias: micro, leves e pesadas. Dentre elas, turbinas a gás micro e leves podem ser modificadas a partir de motores de aviões (também conhecidas como "aero-to-gas"), com potência geralmente inferior a 50MW, e podem ser utilizadas na geração de energia industrial, propulsão naval, aumento de dutos, locomotivas de tanques, geração distribuída de energia e cogeração de calor e energia. As turbinas a gás pesadas têm uma potência superior a 50MW e são usadas principalmente como geradores fixos em terra, como redes elétricas urbanas.

Os motores a gás pesados geralmente são classificados de acordo com a temperatura. As classes E, F, G e H correspondem a diferentes temperaturas de combustão. Do ponto de vista da engenharia, é mais preferível classificá-los com base na capacidade de suportar temperatura do material de liga.

Na China, basicamente são turbinas a gás pequenas. As turbinas a gás pequenas geralmente são classificadas por estrutura: mono-eixo, bieixo, tri-eixo, modificadas aeroespaciais, industriais e raramente são classificadas por temperatura, porque a temperatura das turbinas a gás pequenas não é tão alta quanto nas turbinas a gás pesadas. Aquelas com potência abaixo de 30 megawatts são na verdade cristais equiaxiais, ou seja, classe E. Isso não é absoluto, e algumas mais avançadas alcançaram a classe F. A classe E foi experimentalmente produzida na China em 1995. Cerca de 50 megawatts provavelmente corresponde à classe F, que é cristal orientado. A China experimentalmente produziu essa classe em 2005, e agora temos todos esses materiais. As turbinas a gás mais avançadas alcançaram a classe H, e agora temos nossos cristais monocristalinos de segunda geração.

Geralmente, aqueles abaixo de 1 MW são chamados de micro-turbinas a gás. De fato, micro-turbinas a gás no exterior não utilizam tais boas ligas devido à baixa temperatura. Elas usam alguns aços especiais e raramente utilizam cristais equiaxiais. Aquelas em torno de 15 MW são chamadas de pequenas turbinas a gás, que principalmente utilizam cristais equiaxiais. Também existem algumas empresas especiais no exterior que usam aços especiais, mas como seus revestimentos são particularmente bons, elas são fabricadas de forma superior. Pequenas e médias de 30~50 MW geralmente utilizam mais cristais orientados, ou seja, classe F. As maiores utilizam cristais únicos das primeiras e segundas gerações, que são marcas nacionais nossas.

Turbos a gás de pequeno, médio e micro porte são usados principalmente em energia distribuída e cogeração. Os de menos de 30 MW e 15 MW são usados principalmente em Sichuan, e os de menos de 7 MW são usados principalmente em Chongqing. Isso está relacionado à escala de seus parques industriais. Os de cerca de 30 MW são usados principalmente em Jiangsu, e os de 50 MW a 100 MW são usados principalmente em parques industriais em Guangdong, geralmente para energia distribuída ou cogeração. Os acima de 100 MW são usados basicamente para regulação de pico de grandes redes elétricas ou como usinas de carga base. A indústria de petróleo e gás usa basicamente os menores. Na mineração de montante, são usados principalmente os de 7 MW e 15 MW, e no transporte de gasodutos de meio curso, são usados principalmente os de 15 MW e 30 MW.

O sistema de design de turbinas a gás abaixo de 30 MW é relativamente maduro, e o sistema de materiais de processo também é relativamente maduro. A taxa de conversão do OBT pode alcançar 85%. As turbinas a gás industriais ainda precisam se concentrar no desempenho econômico, na avaliação técnico-econômica ou no custo-benefício, e o principal indicador de avaliação é a taxa de conversão.

Para turbinas a gás de médio e grande porte, nós (nacionais) temos pouca experiência acumulada em softwares de design, especificações de design e bancos de dados de alguns materiais e processos em nosso sistema de design, então este sistema de design não é muito maduro e a taxa de produção não é alta. O nível F ou cristal orientado é um divisor de águas. Abaixo do cristal orientado, ainda temos confiança suficiente para participar da competição internacional. Acima do cristal orientado, no nível industrial, ainda existe uma certa diferença. Esta área é entregue à equipe nacional. Alguns empresas centrais estão realizando pesquisas e desenvolvimentos básicos, e o investimento em materiais e processos fundamentais é enorme.

Cadeia Industrial

Na montante da cadeia de suprimentos da indústria de turbinas a gás do meu país, fabricantes de ligas de alta temperatura, ligas de titânio, materiais compostos, ligas de alumínio e aço geral incluem Gangyan Gaona, Fushun Special Steel, Baoti Group, entre outros. No elo intermediário de peças e componentes, os materiais são fundidos, forjados ou submetidos a outros processos para fabricar pás de turbina, eixos e outras peças. As pás e outras peças são formadas pelo processo de fundição. Principais fabricantes nacionais de fundição e forjamento incluem Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd., entre outros. Em seguida, os fabricantes de máquinas inteiras na jusante montam várias peças em máquinas completas. Os principais fabricantes incluem AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric, entre outros.

As indústrias upstream, especialmente produtos como ligas de alta temperatura, ligas de titânio de alta temperatura, revestimentos térmicos de barreira e materiais compósitos cerâmicos avançados, desempenham um papel significativo no desenvolvimento da indústria de defesa nacional e na fabricação de equipamentos de alta tecnologia. As turbinas a gás domésticas são usadas principalmente para geração de energia, e uma pequena parte é utilizada para injeção de água, captação de ar, pressurização em campos de petróleo e gás, além de fornecer energia para navios e tanques. O foco está em geração distribuída, cogeração, transporte de gasodutos de gás natural, propulsão naval e acionamento mecânico. A turbina a gás do meu país tem um enorme potencial de mercado nos campos de fornecimento de energia distribuída, estações de pressurização, geração industrial de eletricidade e outros setores, com políticas que apoiam o rápido desenvolvimento da indústria. Os grandes projetos atuais do meu país, como a "Transmissão de Gás Oeste-Leste", "Transmissão de Energia Oeste-Leste" e "Desvio de Água Sul-Norte", além do rápido desenvolvimento da indústria naval do meu país, levaram a um aumento rápido na demanda por turbinas a gás no meu país.

Política Industrial

O sistema de energia moderna do 14º Plano Quinquenal também lista turbinas a gás como uma tecnologia chave de nível central, basicamente colocando-a no mesmo nível que energia nuclear, novos sistemas de energia, armazenamento de energia e hidrogênio.

A State Power Investment Corporation realizou dois projetos especiais, um é um grande projeto para turbinas a gás pesadas, incluindo turbinas a gás com mistura de hidrogênio. Uma puramente a hidrogênio foi construída na Mongólia Interior, mas ainda não entrou em operação. A Usina Termelétrica de Jingmen já misturou 15%. A Harbin Electric e o Grupo Elétrico de Guangdong, que é o Grupo Energético de Guangdong, realizaram um projeto de mistura de hidrogênio em Daya Bay, e a Hangzhou Steam Turbine e a Siemens realizaram um projeto de mistura de hidrogênio em Zhoushan.

As turbinas a gás são amplamente utilizadas no Gasoduto Oeste-Leste e em plataformas de petróleo offshore. Como empresa relacionada ao setor militar, a CNOOC também foi sancionada pelos Estados Unidos e enfrenta o risco de cortes no fornecimento. Durante a guerra entre Rússia e Ucrânia, as turbinas a gás Siemens compradas pela Rússia foram retidas quando enviadas para o Canadá para reparo, afetando a segurança energética. A localização deve ser realizada o mais rápido possível.

Espaço de Mercado

Em 2022, a produção de turbinas a gás do meu país será de 4.0563 milhões de quilowatts, e a demanda será de aproximadamente 6.7986 milhões de quilowatts.

De acordo com estatísticas, o tamanho do mercado de turbinas a gás do meu país atingiu 61,669 bilhões de yuans em 2022, dos quais o tamanho do mercado de microturbinas foi de 893 milhões de yuans, o tamanho do mercado de turbinas leves foi de 56,569 bilhões de yuans, e o tamanho do mercado de turbinas pesadas foi de 4,207 bilhões de yuans.

Meu país agora tem a capacidade de produzir independentemente turbinas a gás leves (potência abaixo de 50MW), e as de nível inferior podem até ser exportadas, mas as turbinas a gás pesadas (potência acima de 50MW) ainda dependem basicamente de importações, e a tecnologia central é praticamente monopolizada por fabricantes internacionais como a GE nos Estados Unidos, a Mitsubishi no Japão e a Siemens na Alemanha. Existe o risco de sermos "estrangulados" no mercado doméstico. De acordo com dados da Administração Geral das Alfândegas, as importações de turbinas a gás em 2022 serão de US$ 4,161 bilhões e as exportações serão de US$ 735 milhões.