Класroom BLAZE: Газова турбіна

Основні поняття

За «Газотурбіновим словником» (GB/T 15135-2018), газова турбіна є неперервно поточним воротливим пристроєм (одиниця), який перетворює теплову енергію на механічну роботу, включаючи компресор, обладнання для нагріву робочої рідини (наприклад, камера згоряння), турбіну, систему керування та допоміжну обладнання.

Промислові газотурбінові двигуни, як правило, називаються газовими турбінами або турбінами, промисловими газовими двигунами, і по суті є тим самим, що й авіаційні турбінові газові двигуни (називаються авіаційними двигунами), але сценарії застосування трохи відрізняються. Вони стискають високотисковий газ у камеру згоряння, і через реакцію хімічної енергії перетворюють хімічну енергію на механічну роботу через турбіну (транслітерація турбіни).

Як пристрій для перетворення енергії, газова турбіна є літакомотором, який перетворює авіаційний керосин у механічну енергію для вінту при політі у небі; газова турбіна, яка використовується на землі, перетворює природний газ і нафту у механічну енергію для генератора.

Парові турбіни, внутрішньозапалювальні двигуни та газові турбіни спочатку розроблялися для використання на військових кораблях. Парові турбіни використовувалися до Першої світової війни, внутрішньозапалювальні двигуни використовувалися під час Першої та Другої світових війн, а газові турбіни для військових кораблів були розроблені після Другої світової війни. Вони були модифіковані від літакомоторів і головним чином використовувались на великій поверхневій флоті.

Газові турбіни мають кілька характеристик:

По-перше, теоретична ефективність перетворення енергії може досягати 88%, що є пристроєм з найвищою ефективністю перетворення енергії у світі на сьогоднішній день. Паливні елементи, мовляв, можуть досягти ефективності перетворення 90%, але вони ще не повністю комерціалізовані; теоретична ефективність перетворення енергії у двигунах внутрішнього згоряння становить 88%, і це було перевірене протягом десятків років.

По-друге, температура згоряння газових турбин досить висока, а викиди шкідливих газів відносно низькі.

По-третє, щільність потужності досить велика. Одна машина розміром з контейнер може забезпечувати енергією есминець; два контейнера фактично достатньо для цивільного споживання електроенергії у районі. Парові турбіни досить великі, наприклад, дизельні двигуни і двигуни внутрішнього згоряння з потужністю більше 10 мегават, які, фактично, є пристроями вагою кілька тисяч тон і висотою десятки метрів.

Четверте, газові турбіни відрізняються від двигунів внутрішнього згоряння, які працюють за циклом із чотирьох тактів, де робота виконується раз на кожні 4 такти. Газові турбіни працюють неперервано, а турбіна є вихоровою лінією. Це пристрій теплового двигуна з найвищою ефективністю перетворення енергії, який перетворює хімічну енергію у теплову і механічну енергію.

У 1970-х роках газові турбіни потрапили до американської нафтогазової промисловості, що сприяло виникненню промислових газових турбин. Двигуни літаків потребують відносно високої продуктивності, є досить складними і мають відносно короткий термін служби; промислові двигуни не потребують зменшення ваги, виготовляються дуже міцними і мають вимогу до відносно довгого терміну служби. У 1980-х роках, з розвитком природного газу, вони потрапили до електроенергетичної промисловості.

Після Другої світової війни технічний рівень Сполучених Штатів був не дуже високим. Найраніші здобутки були італійськими компаніями, які є капіталом обертового обладнання в Європі. Типова британська компанія - це Rolls-Royce, яка виготовляє авіадвигуни. Зазвичай компанії, які виготовляють авіадвигуни, також виробляють газові турбіни. Сіменс з Німеччини була здобутою по всій Європі, а також здобула модифікацію літаків Rolls-Royce. Російські газові турбіни головним чином співпрацюють з Україною. Проектування виконується у Росії, а деякі виробничі бази знаходяться в Маріуполі, Україна.

У останні десятиліття тільки Mitsubishi в Японії розробила справжню газову турбіну промислового призначення, а Kawasaki виробляє менші моделі, тому певний поріг все ще існує. Малі та середньої розмірності газові турбіни головним чином виробляються компанією GE, особливо для воєнних потреб. Головні знищувачі багато на яких встановлені газові турбіни GE, моделі LM-2500. Siemens купив деякі малі газові турбіни в Лінкольні, Велика Британія, з потужністю менше 15 МВт, а також у Фінспангі, Швеція. Найкращою компанією у сфері малих газових турбин є Solar в США, яка має найбільшу близькість до своїх клієнтів та найвищу частку ринку у світі для малих газових турбин з потужністю менше 15 МВт.

Класифікація

За структурною формою та вихідною потужністю, газотурбіни можуть бути розділені на три категорії: мікрогабаритні, легкі і важкі. Серед них, мікрогабаритні та легкі газотурбіни можуть бути модифіковані з літакових двигунів (також відомі як "авіа-в-газ"), з потужністю зазвичай до 50 МВт, і їх можна використовувати для промислової електрогенерації, корабельних силових установок, підвищення тиску в трубопроводах, танкових локомотивів, розподіленої електрогенерації та комбінованого теплового та електричного забезпечення. Важкі газотурбіни мають потужність більше 50 МВт і головним чином використовуються як нерухомі генератори на суші, такі як міські електромережі.

Важкі газові двигуни зазвичай класифікуються за температурою. Класи E, F, G і H відповідають різним температурам згоряння. З інженерної точки зору, краще класифікувати їх на основі термічної стійкості сплаву.

В Китаї, зазвичай йдеться про малі газові турбіни. Малі газові турбіни, як правило, класифікуються за структурою: одновісні, двовісні, тривісні, авіаційно-модифіковані, промислові, і рідко класифікуються за температурою, оскільки температура маленьких газових турбин не така висока, як у важкісних газових турбин. Ті, що мають потужність нижче 30 мегават, насправді є еквіаксіальними кристалами, іншими словами, E-класу. Це не абсолютне правило, і деякі більш сучасні досягли F-класу. E-клас був спробно випущений в Китаї у 1995 році. Проте, приблизно 50 мегават, ймовірно, відповідає F-класу, який є орієнтованим кристалом. Китай провів спробний випуск цього класу у 2005 році, і зараз у нас є всі ці матеріали. Найбільш сучасні газові турбіни досягли H-класу, і зараз у нас є наші другогенераційні одноосільні кристали.

Зазвичай установки нижче 1 МВт називаються мікрогазотурбінними. На справді, за кордоном мікрогазотурбіни не використовують такі якісні сплави через низьку температуру. Вони використовують деякі спеціальні сталі, і рідко використовують еквіаксальні кристали. Ті, що становлять близько 15 МВт, називаються маленькими газотурбінами, які головним чином використовують еквіаксальні кристали. Також деякі спеціальні компанії за кордоном використовують спеціальні сталі, але через те, що їхні покриття особливо якісні, вони виготовлені краще. Малі та середні 30~50 МВт загалом більше використовують напрямлені кристали, це F-клас. Більші використовують першого та другого покоління однокристалів, це наші внутрішні бренди.

Малі, середні та мікрогазотурбіни в основному використовуються у розподіленому електропостачанні та спільному виробництві тепла і електроенергії. Ті, що менше 30 МВт і 15 МВт, використовуються переважно в Сичuan, а ті, що менше 7 МВт, використовуються переважно в Чунцінгу. Це пов'язано з масштабами їх промислових парків. Ті, що приблизно 30 МВт, використовуються переважно в Джянсулі, а ті від 50 МВт до 100 МВт використовуються переважно у промислових парках Гуандуну, загалом для розподіленого електропостачання або спільного виробництва тепла і електроенергії. Ті, що більше 100 МВт, використовуються базово для регулювання пікової навантаженості великих електромереж або як станції базової навантаженості. Нафто-та газова промисловість в основному використовує малі. У верхньому секторі добычи нафти і газу переважно використовуються 7 МВт і 15 МВт, а в середньому секторі трубопровідних пересувань головним чином 15 МВт і 30 МВт.

Система проектування газотурбінних двигунів менше 30 МВт є відносно досконалою, і процесовий матеріальний системний підхід також є відносно досконалим. Рентабельність OBT може досягати 85%. Промисловим газотурбінним двигунам все ще потрібно зосереджуватися на економічній ефективності, технічній та економічній оцінці, або вартісній ефективності, і головним показником оцінки є рентабельність.

Щодо середнього та великого розміру газових турбін, у нас (домашніх) мало накопичено проектного програмного забезпечення, проектних специфікацій та баз даних деяких матеріалів та процесів у нашій системі проектування, тому ця система проектування не є досить вдосконаленою, а коефіцієнт викиду невеликий. Рівень F або напрямковий кристал є розділом. Під напрямковим кристалом ми достатньо самодостатні для участі у міжнародній конкуренції. Вище напрямкового кристалу, на рівні промисловості, у нас все ще є певний прогалина. Ця сfera передана національній команді. Кілька центральних підприємств проводять деякі основні дослідження та розробки, інвестиції у основні матеріали та основні процеси величезні.

Промислова ланцюжок

У верхньому потоці ланцюга газотурбінової промисловості моєї країни виробники високотемпературних сплавів, титанових сплавів, складових матеріалів, алюмінієвих сплавів та загального сталого метала включають компанії Gangyan Gaona, Fushun Special Steel, Baoti Group тощо. У середньому постачальницькому зв'язку частин та компонентів матеріали викидаються, ковуються або підлягають іншим процесам для виготовлення турбінних лопаток, валів та інших деталей. Лопатки та інші деталі утворюються за допомогою викидання. Головні виробники викидання та ковки включають компанії Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd. тощо. Потім, у нижньому потоці виробники повних машин збирають різні частини у повні машини. Головні виробники включають AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric тощо.

Вищостоячі промисловості, зокрема продукція, така як високотемпературні сплави, високотемпературні титанові сплави, теплові бар'єрні покриття та передові керамічні складні матеріали, мають велике значення для розвитку оборонної промисловості та виробництва високотехнологічного обладнання. Внутрішні газотурбіни головним чином використовуються для електроенергетики, а невелика їх частина використовується для водозабезпечення, повітряних потоків, стиснення у нефтегазових полях та як джерела сили для кораблів і танків. Увага зосереджена на розподільній енергогенерації, комбінованому тепловиробництві, транспортуванні природного газу через трубопроводи, судноведенні та механічному приводі. У моїй країні газотурбіни мають великий потенціал ринку у сферах розподільчого енергозабезпечення, станцій стиснення, промислового електроенергетичного виробництва та інших галузей, і політики підтримують швидкий розвиток цієї галузі. Поточні великі проекти моєї країни, такі як "Перевезення газу Захід-Схід", "Передача електроенергії Захід-Схід" та "Диверсія води Південний-Північний", а також швидкий розвиток судноплавства моєї країни призвели до швидкого зростання попиту на газотурбіни.

Промислова політика

Сучасна енергетична система П'ятнадцятирічного плану також вказує газові турбіни як ключову технологію, фактично ставлячи їх на той самий рівень, що й ядерну енергію, нові електросистеми, накопичення енергії та водневу енергію.

Державна енергетична інвестиційна корпорація здійснила два спеціальні проекти, один з яких - великий проект важких газових турбин, включаючи турбіни на суміші водню. Чисто воднева установка була побудована в Внутрішньому Монголі, але ще не поставлена ​​на дію. На електростанці у місті Цзиньмінь було застосовано 15% суміші. Харбінський електромеханічний завод та група електроенергетики провінції Гуандун, яка є групою енергії Гуандун, здійснили проект на основі водню в Даявань, а компанія Hangzhou Steam Turbine та Siemens реалізували проект на основі водню в Жоушань.

Газові турбіни широко використовуються у трубопроводі "Захід-Схід" та на офшорних нефтяних платформах. Як підприємство, пов'язане з оборонкою, CNOOC також підlegла санкціям США і стикається з ризиком переривань постачання. Під час російсько-української війни газові турбіни Siemens, придбані Росією, були задержані під час їхнього відправлення до Канади для ремонту, що вплинуло на енергетичну безпеку. Локалізація має бути проведена якомога швидше.

Ринковий простір

У 2022 році виробництво газових турбин у нашій країні складе 4,0563 млн кВт, а попит буде приблизно 6,7986 млн кВт.

За статистикою, розмір ринку газових турбин у нашій країні у 2022 році досяг 61,669 млрд юанів, з них розмір ринку мікрогазових турбин становив 893 млн юанів, розмір ринку легких газових турбин - 56,569 млрд юанів, а розмір ринку важких газових турбин - 4,207 млрд юанів.

Моя країна зараз має можливість незалежно виробляти легкі газотурбінні установки (потужність нижче 50 МВт), і навіть низькорівневі моделі можуть бути експортними, але важкі газотурбінні установки (потужність вище 50 МВт) все ще майже повністю залежать від імпорту, а ядро технологій фактично монополізоване міжнародними виробниками, такими як GE в США, Mitsubishi в Японії та Siemens в Німеччині. Існує ризик "застрягнення" на внутрішньому ринку. За даними Генеральної митниці, у 2022 році імпорт газотурбінних установок складав 4,161 млрд доларів США, а експорт — 735 млн доларів США.