Классroom Знаний BLAZE: Газовая Турбина

Основные концепции

Согласно «Газотурбинной терминологии» (ГБ/Т 15135-2018), газовая турбина представляет собой непрерывно действующую вращающуюся машину (одномашинную), которая преобразует тепловую энергию в механическую работу, включая компрессор, оборудование для нагрева рабочей жидкости (например, камера сгорания), турбину, систему управления и вспомогательное оборудование.

Промышленные газотурбинные двигатели, как правило, называемые газовыми турбинами или турбинами, промышленными газовыми двигателями, по сути, являются тем же самым, что и авиационные газотурбинные двигатели (называемые авиадвигателями), но сцены применения немного отличаются. Они сжимают высокое давление газа в камеру сгорания и через реакцию химической энергии преобразуют химическую энергию в механическую работу через турбину (транслитерацию турбины).

В качестве устройства преобразования энергии газовая турбина является авиадвигателем, который преобразует авиакеросин в механическую энергию для винта при полете в небе; газовая турбина, используемая на земле, преобразует природный газ и нефть в механическую энергию для генератора.

Паровые турбины, внутренние combustion двигатели и газовые турбины впервые были разработаны для использования на военных кораблях. Паровые турбины использовались до Первой мировой войны, двигатели внутреннего сгорания использовались во время Первой и Второй мировых войн, а газовые турбины для военных кораблей были разработаны после Второй мировой войны. Они были модифицированы от авиадвигателей и主要用于 основном на крупных надводных кораблях.

У газовых турбин есть несколько характеристик:

Во-первых, теоретический КПД преобразования энергии может достигать 88%, что является устройством с самым высоким КПД преобразования энергии в мире на данный момент. Говорят, что топливные элементы могут достичь КПД преобразования 90%, но они еще не полностью коммерциализированы; теоретический КПД преобразования энергии у двигателей внутреннего сгорания составляет 88%, что было проверено десятилетиями.

Во-вторых, температура горения газовых турбин относительно высока, а выбросы вредных газов сравнительно низки.

В-третьих, удельная мощность относительно велика. Одна машина размером с контейнер может обеспечивать энергией эсминец; два контейнера, как правило, достаточно для гражданского электроснабжения целого уезда. Паровые турбины очень большие, например, дизельные двигатели и двигатели внутреннего сгорания мощностью более 10 мегаватт обычно являются огромными устройствами весом тысячи тонн и высотой десятки метров.

Четвертое, газовые турбины не похожи на двигатели внутреннего сгорания, которые работают по принципу тактового цикла и производят работу один раз на четыре такта. Газовые турбины работают непрерывно, а турбина представляет собой вихревую линию. Это устройство теплового двигателя с самой высокой эффективностью преобразования энергии, которое преобразует химическую энергию в тепловую и механическую энергию.

В 1970-х годах газовые турбины вошли в американскую нефтяную промышленность, что привело к появлению промышленных газовых турбин. Двигатели самолетов требуют относительно высокой производительности, более сложны и имеют относительно короткий срок службы; промышленные двигатели не нуждаются в снижении веса, они сделаны очень прочными и требуют относительно длительного срока службы. В 1980-х годах, с развитием природного газа, они вошли в энергетическую отрасль.

После Второй мировой войны технический уровень Соединенных Штатов не был очень высоким. Наиболее ранние приобретения касались итальянских компаний, которые являются лидерами в области вращающегося оборудования в Европе. Типичной британской компанией является Rolls-Royce, которая производит авиадвигатели. Как правило, компании, производящие авиадвигатели, также производят газовые турбины. Siemens из Германии приобретала активы по всей Европе и также купила подразделение модификации авиационных двигателей Rolls-Royce. Газовые турбины России в основном находятся в сотрудничестве с Украиной. Проекты разрабатываются в России, а некоторые производственные базы находятся в Мариуполе, Украина.

В последние десятилетия только Mitsubishi из Японии разработала настоящую тяжелую газовую турбину, а Kawasaki производит более мелкие, поэтому определенный порог все еще существует. Малые и средние газовые турбины в основном от GE, особенно для военного использования. Основные эсминцы оснащены преимущественно турбинами GE модели LM-2500. Siemens приобрела некоторые из своих малых газовых турбин в Линкольне, Великобритания, с мощностью менее 15 МВт, и некоторые в Финспанге, Швеция. Лучшей компанией в сфере малых газовых турбин является Solar из США, которая очень близка к своим клиентам и обладает наибольшей долей рынка в мире для малых газовых турбин с мощностью менее 15 МВт.

Классификация

В зависимости от конструктивной формы и выходной мощности газовые турбины можно разделить на три категории: микро, легкие и тяжелые. Среди них микро- и легкие газовые турбины могут быть модифицированы из авиадвигателей (также известных как "аэро-в-газ"), с мощностью обычно в пределах 50 МВт, и могут использоваться для промышленной генерации электроэнергии, судовой энергетики, повышения давления в трубопроводах, танковых локомотивов, распределенной генерации и комбинированного производства тепла и электроэнергии. Тяжелые газовые турбины имеют мощность более 50 МВт и主要用于 наземными стационарными генераторами, такими как городские электросети.

Тяжелые газовые двигатели обычно классифицируются по температуре. Классы E, F, G и H соответствуют разным температурам сгорания. С инженерной точки зрения предпочтительнее классифицировать их на основе термической прочности сплава.

В Китае в основном используются малые газовые турбины. Малые газовые турбины обычно классифицируются по структуре: одноосевые, двухосевые, трехосевые, авиационные модификации, промышленные, и редко классифицируются по температуре, так как температура малых газовых турбин не так высока по сравнению с тяжелыми газовыми турбинами. Те, у которых мощность ниже 30 мегаватт, фактически являются равнозонными кристаллами, то есть класса E. Это не абсолютно, и некоторые более продвинутые достигли класса F. Класс E был опытно изготовлен в Китае в 1995 году. Примерно 50 мегаватт, вероятно, соответствуют классу F, который является ориентированным кристаллом. Китай опытно произвел этот класс в 2005 году, и сейчас у нас есть все эти материалы. Самые передовые газовые турбины достигли класса H, и сейчас у нас есть наши второго поколения однокристаллические материалы.

Обычно установки мощностью менее 1 МВт называются микрогазотурбинными. На самом деле, зарубежные микрогазотурбины не используют такие качественные сплавы из-за низкой температуры. Они используют некоторые специальные стали и редко применяют равнозернистые кристаллы. Установки мощностью около 15 МВт называются малыми газотурбинами, которые в основном используют равнозернистые кристаллы. Также есть некоторые специальные компании за рубежом, которые используют специальные стали, но благодаря их особенно хорошему покрытию, они производят более качественные изделия. Малые и средние установки мощностью 30~50 МВт обычно больше используют定向 crystals, то есть класс F. Более крупные используют первое и второе поколение однокристаллических материалов, которые являются нашими отечественными брендами.

Малые, средние и микротурбины в основном используются в распределенной генерации электроэнергии и в cogeneration (комбинированном производстве тепла и электроэнергии). Те, что мощностью ниже 30 МВт и 15 МВт, в основном используются в Сычуани, а те, что мощностью ниже 7 МВт, в основном используются в Чунцине. Это связано с масштабом их промышленных парков. Те, что мощностью около 30 МВт, в основном используются в Джянсу, а те, что от 50 МВт до 100 МВт, в основном используются в промышленных парках Гуандуна, обычно для распределенной генерации или cogeneration. Те, что мощностью выше 100 МВт, в основном используются для регулирования пиковых нагрузок крупных электросетей или как базовые электростанции. Нефтегазовая промышленность в основном использует малые турбины. В добыче (верхнем потоке) в основном используются турбины мощностью 7 МВт и 15 МВт, а в транспортировке через трубопроводы (средний поток) в основном используются турбины мощностью 15 МВт и 30 МВт.

Система проектирования газовых турбин мощностью ниже 30 МВт относительно成熟, и процессуальная материальная система также относительно mature. Урожайность OBT может достигать 85%. Промышленные газовые турбины по-прежнему должны уделять внимание экономической эффективности, технико-экономической оценке или соотношению цена-качество, а основным показателем оценки является урожайность.

Для средних и крупных газовых турбин у нас (домашних) накоплено мало программного обеспечения для проектирования, технических спецификаций и баз данных по некоторым материалам и процессам в нашей системе проектирования, поэтому эта система проектирования не очень зрелая и производительность невысокая. Уровень F или ориентированные кристаллы является водоразделом. Ниже уровня ориентированных кристаллов мы достаточно уверены в своей способности участвовать в международной конкуренции. Выше уровня ориентированных кристаллов, на промышленном уровне, у нас всё ещё есть определённый разрыв. Эта область передана национальной команде. Несколько центральных предприятий проводят некоторые фундаментальные исследования и разработки, а инвестиции в базовые материалы и базовые процессы огромны.

Промышленная цепочка

На верхнем уровне цепочки промышленности газотурбинной отрасли моей страны, производители высокотемпературных сплавов, титановых сплавов, композитных материалов, алюминиевых сплавов и обычной стали включают компании Gangyan Gaona, Fushun Special Steel, Baoti Group и др. На среднем уровне, связанным с деталями и компонентами, материалы подвергаются литью, ковке или другим процессам для изготовления турбинных лопаток, валов и других частей. Лопатки и другие части формируются методом литья. Основные внутренние производители литья и ковки включают компании Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd. и др. Затем на нижнем уровне цепочки сборочные предприятия собирают различные детали в целые машины. Основные производители включают AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric и др.

Верхнепотоковые отрасли, особенно продукция, такая как высокотемпературные сплавы, высокотемпературные титановые сплавы, теплозащитные покрытия и передовые керамические композиционные материалы, играют важную роль в развитии оборонной промышленности и производства высокотехнологичного оборудования. Внутренние газовые турбины主要用于 электрическая генерация, а небольшая часть используется для закачки воды, забора воздуха, повышения давления на нефтегазовых месторождениях и для обеспечения мощностью кораблей и танков. Основное внимание уделяется распределенной генерации электроэнергии, комбинированному производству тепла и электроэнергии, транспортировке природного газа по трубопроводам, судовым двигателям и механическому приводу. У газовых турбин нашей страны есть огромный потенциал рынка в областях распределенной энергоснабжения, станций повышения давления, промышленной генерации электроэнергии и других сферах, и политика поддерживает быстрое развитие отрасли. Нынешние крупномасштабные проекты нашей страны, такие как "Транзит газа с Запада на Восток", "Передача электроэнергии с Запада на Восток" и "Переброска воды с Юга на Север", а также быстрое развитие судостроительной промышленности нашей страны привели к быстрому росту спроса на газовые турбины.

Промышленная политика

Система современной энергетики в рамках 14-й пятилетки также указывает газовые турбины как ключевую технологию, фактически поставляя её на один уровень с ядерной энергией, новыми системами электроснабжения, накоплением энергии и водородной энергией.

Государственная корпорация по электроэнергетическим инвестициям выполнила два специальных проекта: один из них — крупный проект по созданию тяжёлых газовых турбин, включая турбины на смеси водорода. Чисто водородная турбина была установлена во Внутренней Монголии, но пока не введена в эксплуатацию. На электростанции Цзиньмэнь используется смесь с содержанием 15% водорода. Харбинский электромеханический завод и Группа электростанций провинции Гуандун (Группа энергии Гуандун) реализовали проект на базе смеси водорода в Даьяване, а компания «Чжоушань Паровой Турбин» и Сименс осуществили проект на базе смеси водорода в Чжоушане.

Газовые турбины широко используются в трубопроводе "Запад-Восток" и на морских нефтяных платформах. Как предприятие, связанное с военной сферой, КННК также подверглась санкциям со стороны США и сталкивается с риском прекращения поставок. Во время российско-украинской войны газовые турбины Siemens, приобретенные Россией, были задержаны при отправке в Канаду на ремонт, что повлияло на энергетическую безопасность. Локализация должна быть проведена как можно скорее.

Рыночное пространство

В 2022 году производство газовых турбин в нашей стране составит 4,0563 млн кВт, а спрос будет около 6,7986 млн кВт.

По статистике, объем рынка газовых турбин в нашей стране достиг 61,669 млрд юаней в 2022 году, из которых объем рынка микрогазовых турбин составил 893 млн юаней, объем рынка легких газовых турбин — 56,569 млрд юаней, а объем рынка тяжелых газовых турбин — 4,207 млрд юаней.

Моя страна теперь имеет возможность самостоятельно производить легкие газовые турбины (мощность ниже 50 МВт), и низкоуровневые можно даже экспортировать, но тяжелые газовые турбины (мощность выше 50 МВт) по-прежнему в основном зависят от импорта, а ключевые технологии практически монополизированы международными производителями, такими как GE в США, Mitsubishi в Японии и Siemens в Германии. Существует риск "задушения" на внутреннем рынке. По данным Генерального таможенного управления, импорт газовых турбин в 2022 году составит 4,161 млрд долларов США, а экспорт — 735 млн долларов США.