ห้องเรียนความรู้ BLAZE: กังหันก๊าซ

แนวคิดพื้นฐาน

ตาม "คำศัพท์กังหันแก๊ส" (GB/T 15135-2018) กังหันแก๊สหมายถึงเครื่องหมุนต่อเนื่อง (เครื่องเดี่ยว) ที่แปลงพลังงานความร้อนเป็นแรงกล รวมถึงคอมเพรสเซอร์ อุปกรณ์สำหรับทำความร้อนให้ของไหลทำงาน (เช่น เครื่องเผาไหม้) กังหัน ระบบควบคุม และอุปกรณ์เสริม

กังหันแก๊สอุตสาหกรรม มักเรียกว่ากังหันแก๊สหรือกังหัน หรือเครื่องยนต์แก๊สอุตสาหกรรม เป็นสิ่งเดียวกันกับเครื่องยนต์กังหันแก๊สสำหรับการบิน (เรียกว่าเครื่องยนต์การบิน) แต่มีสถานการณ์การใช้งานแตกต่างกันเล็กน้อย โดยมันจะอัดก๊าซความดันสูงเข้าไปในห้องเผาไหม้ และผ่านปฏิกิริยาของพลังงานเคมี เพื่อแปลงพลังงานเคมีเป็นแรงกลผ่านกังหัน (การ phiên yin ของ turbine)

ในฐานะอุปกรณ์แปลงพลังงาน เครื่องยนต์ก๊าซเป็นเครื่องยนต์อากาศยานที่เปลี่ยน kérosene การบินเป็นพลังงานกลไกสำหรับใบพัดเมื่อบินในท้องฟ้า; เครื่องยนต์ก๊าซที่ใช้บนพื้นดินจะเปลี่ยนก๊าซธรรมชาติและน้ำมันเป็นพลังงานกลไกสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

เครื่องจักรไอน้ำ เครื่องยนต์เผาภายใน และเครื่องยนต์ก๊าซถูกพัฒนาขึ้นครั้งแรกเพื่อใช้งานบนเรือรบ เครื่องจักรไอน้ำถูกใช้ก่อนสงครามโลกครั้งที่ 1 เครื่องยนต์เผาภายในถูกใช้ระหว่างสงครามโลกครั้งที่ 1 และสงครามโลกครั้งที่ 2 และเครื่องยนต์ก๊าซสำหรับเรือรบได้ถูกพัฒนาหลังสงครามโลกครั้งที่ 2 โดยปรับปรุงมาจากเครื่องยนต์อากาศยานและถูกนำมาใช้หลักๆ ในเรือผิวน้ำขนาดใหญ่

เครื่องยนต์ก๊าซมีลักษณะเด่นหลายประการ:

ประการแรก ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานทฤษฎีสามารถถึง 88% ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูงที่สุดในโลกจนถึงขณะนี้ เซลล์เชื้อเพลิงกล่าวว่าสามารถบรรลุประสิทธิภาพการแปลงได้ถึง 90% แต่ยังไม่ได้รับการพาณิชย์อย่างเต็มที่ ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานทฤษฎีของเครื่องยนต์เผาไหม้มีค่าเท่ากับ 88% ซึ่งได้รับการทดสอบมาเป็นเวลาหลายทศวรรษ

ประการที่สอง อุณหภูมิการเผาไหม้ของกังหันก๊าซค่อนข้างสูง และการปล่อยก๊าซที่เป็นอันตรายค่อนข้างต่ำ

ประการที่สาม ความหนาแน่นของกำลังค่อนข้างมาก เครื่องเดี่ยวขนาดเท่าตู้คอนเทนเนอร์สามารถจ่ายพลังงานให้กับเรือทำลายอากาศยานได้ ส่วนสองตู้คอนเทนเนอร์ก็เพียงพอสำหรับการใช้ไฟฟ้าของประชาชนในระดับอำเภอได้เกือบหมด กังหันไอน้ำมีขนาดใหญ่มาก เช่น เครื่องยนต์ดีเซลและเครื่องยนต์เผาภายในที่มีกำลังมากกว่า 10 เมกะวัตต์ มักจะเป็นอุปกรณ์ขนาดใหญ่ที่มีน้ำหนักหลายพันตันและสูงหลายสิบเมตร

สี่째 เครื่องก๊าซไม่เหมือนกับเครื่องยนต์เผาไหม้ภายใน ซึ่งเป็นแบบจังหวะการทำงาน และจะทำงานเพียงครั้งเดียวทุก 4 จังหวะ เครื่องก๊าซทำงานอย่างต่อเนื่อง และเทอร์ไบน์เป็นเส้นวนหมุน มันเป็นอุปกรณ์เครื่องยนต์ความร้อนที่มีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูงที่สุด สามารถแปลงพลังงานเคมีให้กลายเป็นพลังงานความร้อนและพลังงานกลไก

ในช่วงทศวรรษ 1970 เครื่องก๊าซเข้าสู่อุตสาหกรรมน้ำมันของสหรัฐอเมริกา ส่งผลให้เกิดเทอร์ไบน์ก๊าซสำหรับอุตสาหกรรม เครื่องยนต์อากาศยานต้องการสมรรถนะค่อนข้างสูง มีความซับซ้อนมากกว่า และมีอายุการใช้งานค่อนข้างสั้น ในขณะที่เครื่องยนต์อุตสาหกรรมไม่จำเป็นต้องลดน้ำหนัก ถูกสร้างให้มีความแข็งแรงมาก และต้องการอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่า ประมาณช่วงทศวรรษ 1980 กับการพัฒนาของก๊าซธรรมชาติ เครื่องก๊าซได้เข้าสู่อุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้า

หลังสงครามโลกครั้งที่สอง ระดับเทคโนโลยีของสหรัฐอเมริกายังไม่สูงนัก การซื้อกิจการครั้งแรกเกิดขึ้นกับบริษัทอิตาลี ซึ่งเป็นผู้นำด้านอุปกรณ์หมุนเวียนในยุโรป ตัวอย่างของบริษัทอังกฤษคือโรลส์-รอยซ์ ที่ผลิตเครื่องยนต์สำหรับอากาศยาน โดยปกติแล้วบริษัทที่ผลิตเครื่องยนต์สำหรับอากาศยานจะผลิตก๊าซเทอร์ไบน์ด้วย เช่น เซมันส์ของเยอรมนีได้เข้าซื้อกิจการหลายแห่งทั่วยุโรป และยังได้ซื้อกิจการด้านการปรับแต่งอากาศยานจากโรลส์-รอยซ์ ส่วนก๊าซเทอร์ไบน์ของรัสเซียส่วนใหญ่เป็นความร่วมมือกับยูเครน โดยการออกแบบทั้งหมดทำในรัสเซีย ในขณะที่ฐานการผลิตบางส่วนอยู่ที่มารีอูปอล ประเทศยูเครน

ในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา มีเพียงมิตซูบิชิของญี่ปุ่นเท่านั้นที่พัฒนาเทอร์ไบน์ก๊าซหนักจริง และคาORIZAWA ผลิตเทอร์ไบน์ขนาดเล็กกว่า ดังนั้นยังคงมีเกณฑ์มาตรฐานบางอย่าง เทอร์ไบน์ก๊าซขนาดกลางและเล็กส่วนใหญ่เป็นของ GE โดยเฉพาะสำหรับการใช้งานทางทหาร เรือขับไล่หลักส่วนใหญ่มักใช้เครื่องยนต์ GE รุ่น LM-2500 เซมันส์ได้เข้าซื้อเทอร์ไบน์ก๊าซขนาดเล็กบางส่วนจากลินคอล์น สหราชอาณาจักร ซึ่งมีกำลังการผลิตน้อยกว่า 15 เมกะวัตต์ และบางส่วนจากฟินส์พังค์ ในสวีเดน บริษัทที่ดีที่สุดในด้านเทอร์ไบน์ก๊าซขนาดเล็กคือโซลาร์ในสหรัฐอเมริกา ซึ่งมีความใกล้ชิดกับลูกค้ามากที่สุด และมีส่วนแบ่งตลาดสูงสุดในโลกสำหรับเทอร์ไบน์ก๊าซขนาดเล็กที่มีกำลังการผลิตน้อยกว่า 15 เมกะวัตต์

การจัดหมวดหมู่

ตามรูปแบบโครงสร้างและกำลังผลิต เครื่องยนต์ก๊าซสามารถแบ่งออกเป็นสามประเภท ได้แก่ ขนาดจิ๋ว ขนาดเบา และขนาดหนัก โดยที่เครื่องยนต์ก๊าซขนาดจิ๋วและเบานั้นสามารถดัดแปลงมาจากเครื่องยนต์อากาศยาน (หรือที่เรียกว่า "aero-to-gas") โดยมีกำลังโดยทั่วไปไม่เกิน 50MW และสามารถใช้งานในพลังงานอุตสาหกรรม พลังงานเรือ การเพิ่มแรงดันท่อส่งน้ำ เครื่องจักรรถถัง การผลิตไฟฟ้าแบบกระจาย และการผลิตพลังงานร่วมกับความร้อน ส่วนเครื่องยนต์ก๊าซขนาดหนักจะมีกำลังมากกว่า 50MW และใช้งานเป็นหลักสำหรับการเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบติดตั้งบนพื้น เช่น ในระบบไฟฟ้าเมือง

เครื่องยนต์ก๊าซขนาดหนักทั่วไปจะถูกจัดหมวดหมู่ตามอุณหภูมิ กลุ่ม E, F, G และ H หมายถึงอุณหภูมิการเผาไหม้ที่แตกต่างกัน จากมุมมองทางวิศวกรรม การจัดหมวดหมู่ตามความสามารถในการทนอุณหภูมิของโลหะผสมจะเหมาะสมกว่า

ในประเทศจีน เป็นกังหันแก๊ซขนาดเล็กเป็นหลัก กังหันแก๊ซขนาดเล็กมักจะแบ่งประเภทตามโครงสร้าง: เส้นผ่านศูนย์กลางเดี่ยว, เส้นผ่านศูนย์กลางคู่, เส้นผ่านศูนย์กลางสาม, แบบดัดแปลงจากอากาศยาน, อุตสาหกรรม และแทบไม่เคยแบ่งตามอุณหภูมิ เพราะอุณหภูมิกังหันแก๊ซขนาดเล็กไม่สูงเท่ากับกังหันแก๊ซหนัก กังหันที่มีกำลังต่ำกว่า 30 เมกะวัตต์ จะเป็นคริสตัลสมมาตร (Equiaxed Crystals) หรือคือระดับ E ซึ่งไม่ใช่เรื่องแน่นอน เพราะบางรุ่นที่ล้ำหน้ากว่าได้ถึงระดับ F ระดับ E ได้ทำการทดลองผลิตในประเทศจีนในปี 1995 ส่วนประมาณ 50 เมกะวัตต์ น่าจะตรงกับระดับ F ซึ่งเป็นคริสตัลทิศทางเดียว (Directional Solidification Crystal) จีนได้ทดลองผลิตรุ่นนี้ในปี 2005 และตอนนี้เรามีวัสดุเหล่านี้ครบแล้ว กังหันแก๊ซที่ล้ำหน้าที่สุดได้ถึงระดับ H และตอนนี้เรามีผลึกเดี่ยวชั่นสองของเราเอง

โดยทั่วไปแล้ว เครื่องกำเนิดก๊าซขนาดเล็ก (ไมโคร-แกสเทอร์ไบน์) จะหมายถึงเครื่องที่มีกำลังต่ำกว่า 1 MW ในความเป็นจริง ไมโคร-แกสเทอร์ไบน์ในต่างประเทศไม่ได้ใช้โลหะผสมที่ดีมากนักเนื่องจากอุณหภูมิต่ำ พวกมันใช้เหล็กพิเศษบางชนิด และแทบจะไม่ใช้ผลึกแบบ equiaxed สำหรับแกสเทอร์ไบน์ขนาดเล็กที่มีกำลังประมาณ 15 MW จะเรียกว่าแกสเทอร์ไบน์ขนาดเล็ก โดยส่วนใหญ่จะใช้ผลึกแบบ equiaxed นอกจากนี้ยังมีบริษัทพิเศษบางแห่งในต่างประเทศที่ใช้เหล็กพิเศษ แต่เนื่องจากชั้นเคลือบที่ดีมาก ทำให้สามารถผลิตได้ดีขึ้น ส่วนแกสเทอร์ไบน์ขนาดกลางและขนาดเล็กที่มีกำลัง 30~50 MW จะใช้ผลึกแบบ oriented มากขึ้น ซึ่งเป็นเกรด F ส่วนที่มีขนาดใหญ่กว่าจะใช้ผลึกเดี่ยวรุ่นแรกและรุ่นที่สอง ซึ่งเป็นแบรนด์ในประเทศของเรา

กังหันแก๊ซขนาดเล็ก กลาง และจิ๋วส่วนใหญ่ใช้ในระบบพลังงานกระจายและพลังงานความร้อนร่วมกัน กังหันที่มีกำลังต่ำกว่า 30 เมกะวัตต์และ 15 เมกะวัตต์ส่วนใหญ่ใช้ในมณฑลเสฉวน ในขณะที่กังหันที่มีกำลังต่ำกว่า 7 เมกะวัตต์ส่วนใหญ่ใช้ในเมืองฉงชิ่ง สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับขนาดของพื้นที่อุตสาหกรรมของพวกเขา กังหันที่มีกำลังประมาณ 30 เมกะวัตต์ส่วนใหญ่ใช้ในมณฑลเจียงซู ในขณะที่กังหันที่มีกำลังระหว่าง 50 เมกะวัตต์ถึง 100 เมกะวัตต์ส่วนใหญ่ใช้ในพื้นที่อุตสาหกรรมของมณฑลกวางตุ้ง โดยทั่วไปจะใช้สำหรับพลังงานกระจายหรือพลังงานความร้อนร่วมกัน กังหันที่มีกำลังมากกว่า 100 เมกะวัตต์ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการควบคุมโหลดสูงสุดของระบบไฟฟ้าขนาดใหญ่ หรือเป็นโรงไฟฟ้าฐาน ในอุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซส่วนใหญ่ใช้กังหันขนาดเล็ก ในอุตสาหกรรมการขุดเจาะระดับต้นน้ำ มักใช้กังหันขนาด 7 เมกะวัตต์และ 15 เมกะวัตต์ ในขณะที่การขนส่งผ่านท่อระดับกลางมักใช้กังหันขนาด 15 เมกะวัตต์และ 30 เมกะวัตต์

ระบบการออกแบบของกังหันแก๊สที่มีกำลังต่ำกว่า 30 MW มีความสมบูรณ์ค่อนข้างมาก และระบบวัสดุกระบวนการก็มีความสมบูรณ์ค่อนข้างมากเช่นกัน อัตราผลผลิตของ OBT สามารถถึง 85% กังหันแก๊สสำหรับอุตสาหกรรมยังคงต้องให้ความสำคัญกับประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจ การประเมินทางเทคนิคและเศรษฐกิจ หรือความคุ้มค่าทางต้นทุน โดยตัวชี้วัดหลักคืออัตราผลผลิต

สำหรับกังหันแก๊ซขนาดกลางและขนาดใหญ่ เรา (ในประเทศ) มีการสะสมของซอฟต์แวร์ออกแบบ ข้อมูลจำเพาะในการออกแบบ และฐานข้อมูลของวัสดุและกระบวนการบางอย่างในระบบการออกแบบของเราค่อนข้างน้อย ดังนั้นระบบการออกแบบนี้ยังไม่ค่อยสมบูรณ์และอัตราความสำเร็จยังไม่สูงนัก F-level หรือผลที่มีทิศทางเป็นจุดแบ่ง ในระดับต่ำกว่าผลที่มีทิศทาง เราเชื่อมั่นพอที่จะเข้าร่วมการแข่งขันในระดับนานาชาติ แต่เหนือกว่าผลที่มีทิศทาง ในระดับอุตสาหกรรมเรายังคงมีช่องว่างอยู่บ้าง พื้นที่นี้ได้ถูกมอบหมายให้กับทีมชาติ องค์กรกลางหลายแห่งกำลังทำการวิจัยพัฒนาเบื้องต้น และการลงทุนในวัสดุพื้นฐานและกระบวนการพื้นฐานนั้นมีขนาดใหญ่มาก

ห่วงโซ่อุตสาหกรรม

ในอัพสตรีมของห่วงโซ่อุตสาหกรรมกังหันก๊าซของประเทศเรา ผู้ผลิตโลหะผสมอุณหภูมิสูง ไทเทเนียม อัลลอยด์ วัสดุคอมโพสิต อลูมิเนียม และเหล็กทั่วไป เช่น Gangyan Gaona, Fushun Special Steel, Baoti Group เป็นต้น ในส่วนกลางของห่วงโซ้ ซึ่งเป็นการผลิตชิ้นส่วนและอะไหล่ จะดำเนินการหล่อ หรือขึ้นรูปเพื่อทำใบจักร เสากังหัน และชิ้นส่วนอื่น ๆ โดยใบจักรและชิ้นส่วนอื่น ๆ จะถูกสร้างขึ้นโดยกระบวนการหล่อ ผู้ผลิตหลักในประเทศสำหรับการหล่อและการขึ้นรูป ได้แก่ Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd. เป็นต้น จากนั้น ในส่วนดาวน์สตรีม ผู้ผลิตเครื่องจักรรวมจะประกอบชิ้นส่วนต่าง ๆ เข้าด้วยกันเป็นเครื่องจักรทั้งหมด ผู้ผลิตหลัก ได้แก่ AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric เป็นต้น

อุตสาหกรรมต้นน้ำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งผลิตภัณฑ์ เช่น อโลหะความร้อนสูง อโลหะไทเทเนียมความร้อนสูง โค้ทกันความร้อน และวัสดุคอมโพสิตเซรามิกขั้นสูง มีบทบาทสำคัญในการส่งเสริมอุตสาหกรรมป้องกันประเทศและอุตสาหกรรมการผลิตเครื่องจักรชั้นสูง กังหันแก๊ซในประเทศส่วนใหญ่ใช้สำหรับการผลิตไฟฟ้า และจำนวนเล็กน้อยใช้สำหรับการฉีดน้ำ การดูดอากาศ การเพิ่มแรงดันในพื้นที่สำรวจและผลิตน้ำมันและก๊าซ เรือ และถังน้ำมัน การโฟกัสจะอยู่ที่การผลิตพลังงานแบบกระจาย การผลิตไฟฟ้าพร้อมความร้อน การขนส่งท่อส่งก๊าซธรรมชาติ การเดินเรือ และการขับเคลื่อนกลไก ตลาดของกังหันแก๊ซในประเทศเรามีศักยภาพมหาศาลในด้านการจ่ายพลังงานแบบกระจาย สถานีเพิ่มแรงดัน การผลิตไฟฟ้าทางอุตสาหกรรม และสาขาอื่น ๆ อีกมากมาย และนโยบายสนับสนุนการพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรม โครงการขนาดใหญ่ในปัจจุบันของประเทศเรา เช่น "การขนส่งก๊าซจากตะวันตกไปตะวันออก" "การส่งกระแสไฟฟ้าจากตะวันตกไปตะวันออก" และ "การเบี่ยงน้ำจากใต้ไปเหนือ" รวมถึงการพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมการสร้างเรือในประเทศของเรา ส่งผลให้มีความต้องการกังหันแก๊ซในประเทศเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว

นโยบายอุตสาหกรรม

ระบบพลังงานสมัยใหม่ในแผนพัฒนาเศรษฐกิจและสังคม 5 ปี ฉบับที่ 14 ยังได้ระบุว่ากังหันก๊าซเป็นเทคโนโลยีหลักสำคัญ โดยพื้นฐานแล้วได้วางไว้ในระดับเดียวกับพลังงานนิวเคลียร์ ระบบพลังงานใหม่ การเก็บพลังงาน และพลังงานไฮโดรเจน

บริษัท State Power Investment Corporation ได้ทำโครงการพิเศษสองโครงการ หนึ่งในนั้นคือโครงการใหญ่สำหรับกังหันก๊าซขนาดหนัก รวมถึงกังหันก๊าซผสมไฮโดรเจน กังหันที่ใช้เพียวไฮโดรเจนได้มีการสร้างขึ้นแล้วในมณฑล內蒙古 แต่ยังไม่ได้เริ่มดำเนินการ โรงไฟฟ้า Jingmen ได้ผสมก๊าซในสัดส่วน 15% บริษัท Harbin Electric และกลุ่ม Guangdong Electric ซึ่งเป็น Guangdong Energy Group ได้ทำโครงการผสมไฮโดรเจนในเขต Daya Bay และ Hangzhou Steam Turbine กับ Siemens ได้ทำโครงการผสมไฮโดรเจนในเมือง Zhoushan

กังหันแก๊สได้รับการใช้งานอย่างแพร่หลายในท่อส่งก๊าซทิศตะวันตก-ตะวันออก และบนแพลตฟอร์มขุดน้ำมันนอกชายฝั่ง นอกจากนี้ในฐานะองค์กรที่เกี่ยวข้องกับทางทหาร CNOOC ยังถูกสหรัฐอเมริกาคว่ำบาตรและเผชิญกับความเสี่ยงของการขาดแคลนการจัดหา ในช่วงสงครามระหว่างรัสเซียและยูเครน กังหันแก๊สของ Siemens ที่รัสเซียซื้อมาถูกยึดไว้เมื่อส่งไปซ่อมที่แคนาดา ส่งผลกระทบต่อความมั่นคงทางพลังงาน การผลิตภายในประเทศจำเป็นต้องดำเนินการโดยเร็วที่สุด

พื้นที่ตลาด

ในปี 2022 การผลิตกังหันแก๊สของประเทศของเราจะอยู่ที่ 4.0563 ล้านกิโลวัตต์ และความต้องการจะอยู่ที่ประมาณ 6.7986 ล้านกิโลวัตต์

ตามสถิติ ขนาดของตลาดกังหันแก๊สในประเทศของเราในปี 2022 อยู่ที่ 61.669 พันล้านหยวน โดยที่ขนาดตลาดของกังหันแก๊สรุ่นเล็กอยู่ที่ 893 ล้านหยวน ขนาดตลาดของกังหันแก๊สเบาอยู่ที่ 56.569 พันล้านหยวน และขนาดตลาดของกังหันแก๊สรุ่นหนักอยู่ที่ 4.207 พันล้านหยวน

ประเทศของฉันในตอนนี้มีความสามารถในการผลิตกังหันก๊าซขนาดเล็ก (กำลังต่ำกว่า 50MW) ได้อย่างอิสระ และกังหันที่อยู่ในระดับต้นๆ ยังสามารถส่งออกได้ด้วย แต่กังหันก๊าซขนาดใหญ่ (กำลังมากกว่า 50MW) ยังคงพึ่งพาการนำเข้าเป็นหลัก โดยเทคโนโลยีแกนกลางถูกผูกขาดโดยผู้ผลิตนานาชาติ เช่น GE ในสหรัฐอเมริกา, Mitsubishi ในญี่ปุ่น และ Siemens ในเยอรมนี ซึ่งมีความเสี่ยงที่จะ "ถูกบีบรัด" ในตลาดภายในประเทศ ตามข้อมูลจากกรมศุลกากร การนำเข้ากังหันก๊าซในปี 2022 จะอยู่ที่ 4.161 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ และการส่งออกอยู่ที่ 735 ล้านดอลลาร์สหรัฐ