Clasă de Cunoștințe BLAZE: Turbină cu Gaz

Concepte de bază

Conform vocabularului „Gas Turbine Vocabulary” (GB/T 15135-2018), o turbină aerozis reprezintă o mașină rotitoare cu flux continuu (mașină unică) care convertește energia termică în lucru mecanic, inclusiv un compresor, echipamente pentru încălzirea lichidului de lucru (cum ar fi o cameră de combustie), o turbină, un sistem de control și echipamente auxiliare.

Motorurile de turbină aerozis industriale, denumite în mod uzual turbine aerozis sau turbine industriale, sunt esențial aceeași chestiune ca motoarele de turbină aerozis pentru aviație (denumite motoare aeronautice), dar scenariile de aplicare diferă ușor. Acestea comprimă gazul la presiuni ridicate într-o cameră de combustie și prin reacția energiei chimice, convertește energia chimică în lucru mecanic prin intermediul unei turbine (transliterarea cuvântului turbine).

Ca dispozitiv de conversie a energiei, o turbină cu gaz este un motor de avion care convertește kerosenul de aviatic în energie mecanică pentru propulsor atunci când zboară în cer; o turbină cu gaz folosită pe pământ convertește gazele naturale și țițeiul în energie mecanică pentru generator.

Turbine cu aburi, motoare cu combustie internă și turbine cu gaz au fost dezvoltate inițial pentru a fi utilizate pe nave de război. Turbinele cu aburi au fost folosite înainte de Primul Război Mondial, motoarele cu combustie internă au fost folosite în timpul Primului și al Doilea Război Mondial, iar turbinele cu gaz pentru nave de război au fost dezvoltate după Al Doilea Război Mondial. Acestea au fost modificate din motoare de avioane și erau utilizate în principal pe nave de suprafață mari.

Turbinele cu gaz au mai multe caracteristici:

În primul rând, eficiența teoretică de conversie a energiei poate ajunge la 88%, ceea ce reprezintă dispozitivul cu cea mai mare eficiență de conversie a energiei din lume până acum. Celulele de combustie se spune că pot atinge o eficiență de conversie de 90%, dar acestea nu au fost încă complet comercializate; eficiența teoretică de conversie a energiei a motorilor cu combustie internă este de 88%, ceea ce a fost testat timp de zeci de ani.

În al doilea rând, temperatura de combustie a turbinelor cu gaz este relativ ridicată, iar emisiile de gaze nocive sunt relativ mici.

În al treilea rând, densitatea puterii este relativ mare. O singură mașinărie de dimensiunea unui container poate furniza energie unui distruktor; două containeruri sunt de regulă suficiente pentru cererea electrică civilă a unui județ. Turbinele cu aburi sunt foarte mari, precum motoarele diesel și motoarele cu combustie internă cu o capacitate de peste 10 megawatti, care sunt de regulă dispozitive mari de câteva mii de tone și de zeci de metri înălțime.

În al patrulea rând, turbinele cu gaz nu sunt ca motoarele cu combustie internă, care sunt de tip ciclu și efectuează muncă o dată la fiecare 4 cicluri. Turbinele cu gaz funcționează în mod continuu, iar turbina este o linie de vorți. Este un dispozitiv motor termic cu cea mai mare eficiență de conversie a energiei, convertind energia chimică în energie termică și mecanică.

În anii '70, turbinele cu gaz au intrat în industria petroliferă din SUA, ceea ce a dus la apariția turbinelor industriale cu gaz. Motoarele pentru aeronave necesită performanțe relativ ridicate, sunt relativ sofisticate și au o viață utilă relativ scurtă; motoarele industriale nu trebuie să reducă greutatea, sunt fabricate foarte robuste și necesită o viață utilă relativ lungă. La începutul anilor '80, cu dezvoltarea gazei naturale, acestea au pătruns în industria energetică.

După Războiul Mondial al II-lea, nivelul tehnic al Statelor Unite nu era prea ridicat. Cel mai timpuriu achiziție a fost de la companiile italiene, care sunt capitalul echipamentelor rotative din Europa. Compania tipic britanică este Rolls-Royce, care produce motoare pentru avioane. De regulă, companiile care produc motoare pentru avioane fac și turbine cu gaz. Siemens din Germania a fost achiziționată pe tot cuprinsul Europei, iar în plus a achiziționat modificările avionului Rolls-Royce. Turbinile cu gaz ale Rusiei colaborează în principal cu Ucraina. Proiectele sunt toate în Rusia, iar unele dintre bazele de fabricație se află în Mariupol, Ucraina.

În ultimele decenii, doar Mitsubishi din Japonia a dezvoltat o turbină gaz reală pesată, iar Kawasaki produce una mai mici, așa că există încă un anumit prag. Turbinele gaz mini și medii sunt în principal GE, mai ales pentru uz militar. Cele principale corvette sunt în mare parte GE, modelul LM-2500. Siemens a cumpărat unele dintre turbinele sale de gaz mici din Lincoln, Regatul Unit, cu o capacitate de sub 15 MW, și unele din Finspång, Suedia. Cea mai bună companie în turbinele de gaz mici este Solar din Statele Unite, care este foarte apropiată de clienții săi și are cea mai mare parte de piață din lume pentru turbinele de gaz mici cu o capacitate de sub 15 MW.

Clasificarea

Conform formei structurale și puterii de ieșire, turbinele cu gaz pot fi împărțite în trei categorii: micro, ușoare și grele. Printre acestea, turbinele cu gaz micro și ușoare pot fi modificate din motoare aeronautice (cunoscute și sub numele de "aero-to-gas"), având o putere de obicei în interiorul 50MW, și pot fi utilizate în generarea electrică industrială, propulsia navală, creșterea presiunii în conducte, locomotive cu tanche, generarea distribuită de energie și producția combinată de căldură și electricitate. Turbinele cu gaz grele au o putere de peste 50MW și sunt folosite în principal ca generatoare fixe pe uscat, cum ar fi rețelele electrice urbane.

Motoarele cu gaz grele sunt de obicei clasificate în funcție de temperatură. Clasele E, F, G și H corespund diferitelor temperaturi de combustie. Din perspectiva ingineriei, este mai preferabil să le clasificăm pe baza capacității de suportare a temperaturii a aliajelor.

În China, este de bază vorba despre turbine gaz mini. Turbinele gaz mini sunt de obicei clasificate după structură: monoaxiale, biaxiale, triaxiale, modificate pentru aeronautică, industriale, și rar sunt clasificate după temperatură, deoarece temperatura turbinelor gaz mini nu este atât de ridicată în comparație cu cea a turbinelor gaz grele. Cele cu niveluri de putere sub 30 megavatioare sunt de fapt cristale egiaxe, adică de clasa E. Acest lucru nu este absolut, iar unele mai avansate au ajuns la clasa F. Clasa E a fost experimentat-produsă în China în 1995. Ceva de 50 megavatioare probabil corespunde clasei F, care este cristal orientat. China a experimentat producerea acestei clase în 2005, și acum avem toate aceste materiale. Cele mai avansate turbine gaz au ajuns la clasa H, și acum avem cristale unice de a doua generație.

În general, cele de sub 1 MW se numesc micro-turbine gaze. De fapt, micro-turbinile gaze din străinătate nu folosesc astfel de aliaje bune din cauza temperaturii scăzute. Ele folosesc unele oțeluri speciale, și rar cristale egiaxe. Cele în jurul 15 MW se numesc turbine gaze mici, care folosesc în principal cristale egiaxe. Există și unele companii speciale din străinătate care folosesc oțeli speciali, dar deoarece revestirile lor sunt deosebit de bune, acestea sunt fabricate mai bine. Pe cele mici și medii de 30~50 MW se folosesc de regulă mai multe cristale orientate, adică clasa F. Cele mai mari folosesc cristale unice ale primei și ale doua generații, care sunt marcați național.

Turbinele de gaz mici, medii și micro sunt folosite în principal pentru energie distribuită și producție combinată de căldură și electricitate. Cele sub 30 MW și 15 MW sunt folosite în principal în Sichuan, iar cele sub 7 MW sunt folosite în principal în Chongqing. Acest lucru este legat de dimensiunea parcurilor industriale din regiune. Cele în jur de 30 MW sunt folosite în principal în Jiangsu, iar cele între 50 MW și 100 MW sunt folosite în parcuri industriale din Guangdong, de obicei pentru energie distribuită sau producție combinată de căldură și electricitate. Cele peste 100 MW sunt folosite în general pentru reglarea creșterii rețelelor electrice mari sau ca stații de bază. Industria petrolifă și a gazei folosește în principal turbine mici. În industria de extracție din amont, se folosesc majoritar turbine de 7 MW și 15 MW, iar transportul prin conducte din migă este în principal de 15 MW și 30 MW.

Sistemul de proiectare al turbinelor cu gaz sub 30 MW este relativ maturesc, iar sistemul de materiale procesuale este, de asemenea, relativ maturesc. Rata de producție a OBT poate atinge 85%. Turbinile industriale cu gaz trebuie să se concentreze încă asupra performanței economice, evaluării tehnico-economice sau raportului calitate-preț, iar indicatorul principal de evaluare este rata de producție.

Pentru turbinele cu gaz de mărime medie și mare, noi (din țară) avem puțină experiență în ceea ce privește programele de proiectare, specificațiile de proiectare și bazele de date ale unor materiale și procese din sistemul nostru de proiectare, astfel că acest sistem de proiectare nu este foarte maturesc și rata de succes nu este mare. Nivelul F sau cristal orientat reprezintă un punct de diviziune. Sub cristalul orientat, suntem destul de siguri că putem să participăm la competiția internațională. Deasupra cristalului orientat, la nivel industrial, există încă o anumită diferență. Această zonă a fost transferată echipei naționale. Câteva întreprinderi centrale efectuează câteva cercetări și dezvoltări fundamentale, iar investițiile în materiale și procese de bază sunt mari.

Lanțul industrial

În amontul lanțului industrial al turbinei cu gaz din țara mea, producătorii de aleați termici, aleați de titan, materiale compozite, aleați de aluminiu și oțel obișnuit includ Gangyan Gaona, Fushun Special Steel, Baoti Group, etc. În segmentul intermediar al componentelor, materialele sunt fuzionate, forjate sau supuse altor proceduri pentru a fabrica lame de turbină, axe și alte componente. Lamele și alte componente sunt fabricate prin procesul de fusie. Principalele companii naționale de fusie și forjare includ Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd., etc. Apoi, în aval, producătorii de mașini complete asamblează diferitele componente în mașini complete. Principalele producătoare includ AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric, etc.

Industriile upstream, în special produsele precum aleaşe de înaltă temperatură, aleaşe de titan la înaltă temperatură, revărsuri termice și materiale compozite ceramice avansate, joacă un rol important în promovarea industriei de apărare națională și a fabricației de echipamente de înaltă performanță. Turbinele gaz din țară sunt utilizate în principal pentru producerea de electricitate, iar o mică parte sunt folosite pentru injeção de apă, introducere de aer, presurizare în câmpurile de țiței și gaze naturale, precum și pentru motorizarea navelor și tancurilor. Accentul este pus pe generarea distribuită de energie, cogenerarea căldurii și electricității, transportul gazelor naturale prin conducte, propulsia navală și conducerea mecanică. În aspecte precum aprovizionarea energetică distribuită, stațiile de presurizare, generarea industrială de energie și alte domenii, turbinele gaz din țară au un potențial de piață masiv, iar politica sprijină dezvoltarea rapidă a industriei. Proiectele actuale de scară largă din țară, cum ar fi "Transmiterea Gazei de la Vest la Est", "Transmiterea Energiei de la Vest la Est" și "Devierarea Apei de la Sud la Nord", precum și dezvoltarea rapidă a industriei navale din țară, au dus la o creștere rapidă a nevoilor noastre de turbine gaz.

Politica Industrială

Sistemul modern de energie al Planului Quinquenal al 14-a also listează turbinele gaze drept o tehnologie cheie de bază, plasându-le practic la același nivel cu energia nucleară, noile sisteme de putere, stocarea energiei și energia hidrogenului.

Statal Power Investment Corporation a realizat două proiecte speciale, unul este un proiect major pentru turbinele gaze grele, inclusiv turbinele cu amestec de hidrogen. Una pur hidrogen a fost construită în Inner Mongolia, dar nu a fost încă pusă în funcțiune. Centrala Electrică Jingmen a amestecat 15%. Harbin Electric și Grupul Electric Guangdong, care este Grupul Energetic Guangdong, au realizat un proiect de amestecare cu hidrogen în Daya Bay, iar Hangzhou Steam Turbine și Siemens au realizat un proiect de amestecare cu hidrogen în Zhoushan.

Turbinele cu gaz sunt folosite în mod extensiv în Conducta de Gaz Est-Vest și pe platformele offshore de petrol. Fiind o întreprindere legată de apărare, CNOOC a fost de asemenea sancționată de Statele Unite și se confruntă cu riscul unei reduceri a aprovizionării. În timpul războiului ruso-ucrainean, turbinele cu gaz Siemens cumpărate de Rusia au fost reținute când au fost trimise în Canada pentru reparare, ceea ce a afectat securitatea energetică. Localizarea trebuie să fie realizată cât mai curând posibil.

Spațiu de Piață

În 2022, producția de turbine cu gaz a țării noastre va fi de 4.0563 milioane de kilowati, iar cererea va fi de aproximativ 6.7986 milioane de kilowati.

Conform statisticilor, dimensiunea pieței de turbine cu gaz a țării noastre a ajuns la 61,669 miliarde de yuan în 2022, dintre care dimensiunea pieței de turbine cu gaz micro era de 893 de milioane de yuan, dimensiunea pieței de turbine cu gaz ușoare era de 56,569 miliarde de yuan, iar dimensiunea pieței de turbine cu gaz grele era de 4,207 miliarde de yuan.

Țara mea are acum capacitatea de a produce independent turbine gaz ușoare (putere sub 50MW), iar cele de nivel scăzut pot fi chiar exportate, dar turbinile gaz重e grele (putere peste 50MW) sunt încă în mare măsură dependente de importuri, iar tehnologia de bază este aproape exclusiv monopolizată de producători internaționali precum GE din Statele Unite, Mitsubishi din Japonia și Siemens din Germania. Există un risc de a fi "strâns de gât" pe piața internă. Conform datelor Administrației Generale de Vamal, importurile de turbine gaz din 2022 vor fi de 4,161 miliarde de dolari SUA, iar exporturile vor fi de 735 de milioane de dolari SUA.