PHÒNG HỌC BLAZE Knowledge: Tuabin Khí

Khái niệm Cơ bản

Theo "Từ Điển Tuabin Khí" (GB/T 15135-2018), tuabin khí là một máy quay dòng chảy liên tục (máy đơn) chuyển đổi năng lượng nhiệt thành công suất cơ học, bao gồm máy nén, thiết bị làm nóng chất lưu công tác (như buồng đốt), tuabin, hệ thống điều khiển và thiết bị phụ trợ.

Tuabin khí công nghiệp, thường được gọi là tuabin khí hoặc tuabin, động cơ khí công nghiệp, về cơ bản là giống như động cơ tuabin khí hàng không (được gọi là động cơ hàng không), nhưng tình huống ứng dụng có chút khác biệt. Chúng nén khí áp suất cao vào buồng đốt, và thông qua phản ứng của năng lượng hóa học, chuyển đổi năng lượng hóa học thành công việc cơ học thông qua một tuabin (là phiên âm của turbine).

Làm thiết bị chuyển đổi năng lượng, một tuabin khí là động cơ máy bay chuyển đổi dầu hỏa hàng không thành năng lượng cơ học cho cánh quạt khi bay trên trời; tuabin khí sử dụng trên mặt đất chuyển đổi khí tự nhiên và dầu thành năng lượng cơ học cho máy phát điện.

Máy turbine hơi nước, động cơ đốt trong và máy turbine khí đã được phát triển lần đầu tiên để sử dụng trên tàu chiến. Máy turbine hơi nước được sử dụng trước Chiến tranh Thế giới thứ nhất, động cơ đốt trong được sử dụng trong Chiến tranh Thế giới thứ nhất và Chiến tranh Thế giới thứ hai, và máy turbine khí cho tàu chiến được phát triển sau Chiến tranh Thế giới thứ hai. Chúng được cải tiến từ động cơ máy bay và chủ yếu được sử dụng trên các tàu mặt nước lớn.

Máy turbine khí có một số đặc điểm:

Thứ nhất, hiệu suất chuyển đổi năng lượng lý thuyết có thể đạt đến 88%, đây là thiết bị có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao nhất thế giới hiện nay. Pin nhiên liệu được nói là có thể đạt hiệu suất chuyển đổi 90%, nhưng chúng chưa được thương mại hóa hoàn toàn; hiệu suất chuyển đổi năng lượng lý thuyết của động cơ đốt trong là 88%, đã được kiểm chứng qua hàng chục năm.

Thứ hai, nhiệt độ cháy của máy turbine khí tương đối cao và lượng khí thải độc hại tương đối thấp.

Thứ ba, mật độ công suất tương đối lớn. Một máy duy nhất cỡ container có thể cung cấp năng lượng cho một tàu khu trục; hai container cơ bản là đủ để cung cấp điện dân dụng cho một huyện. Turbin hơi nước rất lớn, ví dụ như động cơ diesel và động cơ đốt trong có công suất hơn 10 megawatt, thường là các thiết bị lớn nặng hàng nghìn tấn và cao hàng chục mét.

Thứ tư, turbin khí không giống như động cơ đốt trong, vốn là loại làm việc theo chu trình và thực hiện công sau mỗi 4 chu kỳ. Turbin khí hoạt động liên tục, và turbin là một dòng xoáy. Đây là thiết bị động cơ nhiệt có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao nhất, chuyển hóa năng lượng hóa học thành năng lượng nhiệt và cơ học.

Vào thập niên 1970, tua-bin khí đã bước vào ngành công nghiệp dầu mỏ của Hoa Kỳ, dẫn đến sự ra đời của tua-bin khí công nghiệp. Động cơ máy bay cần hiệu suất tương đối cao, tương đối tinh vi và có tuổi thọ tương đối ngắn; động cơ công nghiệp không cần giảm trọng lượng, được chế tạo rất chắc chắn và yêu cầu tuổi thọ tương đối dài. Khoảng thập niên 1980, cùng với sự phát triển của khí天然气, nó đã bước vào ngành công nghiệp điện lực.

Sau Chiến tranh Thế giới thứ II, trình độ kỹ thuật của Hoa Kỳ chưa thực sự cao. Những thương vụ mua lại sớm nhất là từ các công ty Ý, vốn là trung tâm của thiết bị quay ở châu Âu. Công ty điển hình của Anh là Rolls-Royce, chuyên sản xuất động cơ máy bay. Thông thường, các công ty sản xuất động cơ máy bay cũng sẽ sản xuất tua-bin khí. Siemens của Đức đã mua lại nhiều công ty trên khắp châu Âu, bao gồm cả bộ phận sửa đổi động cơ máy bay của Rolls-Royce. Tua-bin khí của Nga chủ yếu hợp tác với Ukraine. Các thiết kế đều ở Nga, một số cơ sở sản xuất nằm ở Mariupol, Ukraine.

Trong vài thập kỷ gần đây, chỉ có Mitsubishi của Nhật Bản phát triển một tuabin khí thực sự nặng, và Kawasaki sản xuất những tuabin nhỏ hơn, vì vậy vẫn còn một ngưỡng nhất định. Tuabin khí cỡ nhỏ và trung chủ yếu là của GE, đặc biệt là cho mục đích quân sự. Các tàu khu trục chính đều sử dụng tuabin GE, cụ thể là mẫu LM-2500. Siemens đã mua một số tuabin khí nhỏ ở Lincoln, Anh, với công suất dưới 15 MW, và một số khác ở Finspång, Thụy Điển. Công ty tốt nhất trong lĩnh vực tuabin khí nhỏ là Solar của Mỹ, công ty này rất gần gũi với khách hàng và có thị phần cao nhất thế giới đối với tuabin khí nhỏ có công suất dưới 15 MW.

Nhóm phân loại

Theo cấu trúc và công suất đầu ra, tuabin khí có thể được chia thành ba loại: vi, nhẹ và nặng. Trong đó, tuabin khí vi và nhẹ có thể được cải tiến từ động cơ máy bay (cũng được gọi là "aero-to-gas"), với công suất thường dưới 50MW, và có thể được sử dụng trong phát điện công nghiệp, năng lượng tàu thuyền, tăng áp đường ống, đầu kéo xe bọc thép, phát điện phân tán và cung cấp nhiệt kết hợp. Tuabin khí nặng có công suất trên 50MW và chủ yếu được sử dụng làm máy phát cố định trên đất liền, chẳng hạn như mạng điện thành phố.

Động cơ tuabin khí nặng thường được phân loại theo nhiệt độ. Các loại E, F, G và H tương ứng với các nhiệt độ đốt khác nhau. Từ góc độ kỹ thuật, việc phân loại chúng dựa trên khả năng chịu nhiệt của hợp kim là ưu tiên hơn.

Tại Trung Quốc, cơ bản là các tua-bin khí nhỏ. Các tua-bin khí nhỏ thường được phân loại theo cấu trúc: trục đơn, trục kép, trục ba, kiểu hàng không sửa đổi, công nghiệp, và hiếm khi được phân loại theo nhiệt độ, vì nhiệt độ của các tua-bin khí nhỏ không cao như các tua-bin khí nặng. Những loại có công suất dưới 30 megawatt thực chất là tinh thể đồng trục, tức là cấp E. Điều này không tuyệt đối, và một số loại tiên tiến hơn đã đạt đến cấp F. Cấp E đã được thử nghiệm sản xuất tại Trung Quốc vào năm 1995. Khoảng 50 megawatt có lẽ tương ứng với cấp F, đó là tinh thể định hướng. Trung Quốc đã thử nghiệm sản xuất cấp này vào năm 2005, và bây giờ chúng ta đã có tất cả các vật liệu này. Các tua-bin khí tiên tiến nhất đã đạt đến cấp H, và bây giờ chúng ta đã có tinh thể đơn thế hệ thứ hai của mình.

Thông thường, những turbin khí vi mô có công suất dưới 1 MW được gọi là turbin khí vi mô. Thực tế, các turbin khí vi mô ở nước ngoài không sử dụng các hợp kim tốt như vậy vì nhiệt độ thấp. Họ sử dụng một số loại thép đặc biệt và rất ít khi sử dụng tinh thể đồng trục. Những turbin khoảng 15 MW được gọi là turbin khí nhỏ, chủ yếu sử dụng tinh thể đồng trục. Cũng có một số công ty đặc biệt ở nước ngoài sử dụng thép đặc biệt, nhưng vì lớp phủ của họ đặc biệt tốt nên chúng hoạt động hiệu quả hơn. Turbin khí cỡ nhỏ và trung bình từ 30~50 MW thường sử dụng nhiều tinh thể định hướng hơn, tức là loại F. Những turbin lớn hơn sử dụng tinh thể đơn thế hệ đầu tiên và thứ hai, đó là các thương hiệu trong nước của chúng ta.

Turbine khí nhỏ, vừa và siêu nhỏ chủ yếu được sử dụng trong điện phân tán và nhiệt điện kết hợp. Những loại dưới 30 MW và 15 MW chủ yếu được sử dụng ở Tứ Xuyên, và những loại dưới 7 MW chủ yếu được sử dụng ở Trùng Khánh. Điều này liên quan đến quy mô của các khu công nghiệp của họ. Những loại khoảng 30 MW chủ yếu được sử dụng ở Giang Tô, và những loại từ 50 MW đến 100 MW chủ yếu được sử dụng trong các khu công nghiệp ở Quảng Đông, thường dùng cho điện phân tán hoặc nhiệt điện kết hợp. Những loại trên 100 MW cơ bản được sử dụng để điều tiết đỉnh tải cho một số mạng điện lớn hoặc làm nhà máy điện tải cơ bản. Ngành công nghiệp dầu khí cơ bản sử dụng loại nhỏ. Trong ngành khai thác thượng nguồn, chủ yếu sử dụng 7 MW và 15 MW, và vận chuyển đường ống trung nguồn chủ yếu là 15 MW và 30 MW.

Hệ thống thiết kế của tua-bin khí có công suất dưới 30 MW tương đối trưởng thành, và hệ thống vật liệu quy trình cũng tương đối trưởng thành. Tỷ lệ thu hồi của OBT có thể đạt đến 85%. Tua-bin khí công nghiệp vẫn cần tập trung vào hiệu suất kinh tế, đánh giá kỹ thuật và kinh tế, hoặc hiệu suất chi phí, và chỉ tiêu đánh giá chính là tỷ lệ thu hồi.

Đối với tua-bin khí cỡ trung và lớn, chúng ta (nội địa) có ít tích lũy về phần mềm thiết kế, tiêu chuẩn thiết kế và cơ sở dữ liệu của một số vật liệu và quy trình trong hệ thống thiết kế của mình, vì vậy hệ thống thiết kế này chưa thực sự trưởng thành và tỷ lệ sản xuất không cao. Cấp F hoặc tinh thể định hướng là một điểm phân waters. Dưới tinh thể định hướng, chúng ta vẫn tự tin đủ để tham gia vào cạnh tranh quốc tế. Trên tinh thể định hướng, ở mức độ công nghiệp, chúng ta vẫn còn một khoảng cách nhất định. Lĩnh vực này được giao cho đội ngũ quốc gia. Một số doanh nghiệp trung ương đang tiến hành nghiên cứu và phát triển cơ bản, và khoản đầu tư vào vật liệu cơ bản và quy trình cơ bản là rất lớn.

Chuỗi Công Nghiệp

Ở thượng nguồn của chuỗi công nghiệp tuabin khí của đất nước tôi, các nhà sản xuất hợp kim nhiệt độ cao, titan, vật liệu composite, hợp kim nhôm và thép thông thường bao gồm Gangyan Gaona, Fushun Special Steel, Baoti Group, v.v. Ở khâu giữa dòng các bộ phận và linh kiện, vật liệu được đúc, rèn hoặc thực hiện các quy trình khác để tạo ra các cánh tuabin, trục và các bộ phận khác. Các cánh và các bộ phận khác được tạo thành bằng quy trình đúc. Các nhà sản xuất chính trong nước về đúc và rèn bao gồm Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd., v.v. Sau đó, các nhà sản xuất máy toàn phần ở hạ nguồn lắp ráp các bộ phận khác nhau thành máy hoàn chỉnh. Các nhà sản xuất chính bao gồm AECC, Shanghai Electric, Helan Turbine, Harbin Electric, v.v.

Các ngành công nghiệp thượng nguồn, đặc biệt là các sản phẩm như hợp kim nhiệt độ cao, hợp kim titan nhiệt độ cao, lớp phủ rào cản nhiệt và vật liệu composite gốm tiên tiến, có vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy ngành công nghiệp quốc phòng và sản xuất thiết bị cao cấp. Turbin khí trong nước chủ yếu được sử dụng để phát điện, và một số ít được sử dụng cho việc bơm nước, hút khí, tăng áp trong các mỏ dầu khí và cung cấp năng lượng cho tàu thuyền và xe tăng. Trọng tâm là phát điện phân tán, đồng phát nhiệt điện, vận chuyển đường ống khí天然气, động lực tàu thuyền và truyền động cơ học. Trong lĩnh vực cung cấp năng lượng phân tán, trạm tăng áp, phát điện công nghiệp và các lĩnh vực khác, turbin khí của đất nước chúng ta có tiềm năng thị trường lớn, và chính sách hỗ trợ sự phát triển nhanh chóng của ngành. Các dự án quy mô lớn hiện nay của đất nước như "Chuyển khí từ Tây sang Đông", "Truyền điện từ Tây sang Đông" và "Điều nước từ Nam ra Bắc" cùng với sự phát triển nhanh chóng của ngành đóng tàu đã dẫn đến sự gia tăng nhanh chóng nhu cầu turbin khí trong nước.

Chính sách Công nghiệp

Hệ thống năng lượng hiện đại trong Kế hoạch Năm năm lần thứ 14 cũng liệt kê tua-bin khí là một công nghệ cốt lõi then chốt, cơ bản đặt nó ở cùng mức độ với năng lượng hạt nhân, hệ thống điện mới, lưu trữ năng lượng và năng lượng hydro.

Tổng công ty Đầu tư Điện lực đã thực hiện hai dự án đặc biệt, một là dự án lớn về tua-bin khí công suất lớn, bao gồm tua-bin khí hỗn hợp hydro. Một tua-bin thuần hydro đã được xây dựng ở Nội Mông nhưng chưa được đưa vào vận hành. Nhà máy nhiệt điện Jingmen đã pha trộn 15%. Tập đoàn Điện lực Hà Bắc và Tập đoàn Năng lượng Quảng Đông đã thực hiện một dự án pha trộn hydro tại Đại Yêu Vịnh, và Công ty Tua-bin Hơi Hàng Châu cùng Siemens đã thực hiện một dự án pha trộn hydro tại Chu Sơn.

Máy tuabin khí được sử dụng rộng rãi trong đường ống khí đốt Tây-Đông và trên các nền tảng dầu khí ngoài khơi. Là một doanh nghiệp liên quan đến quân sự, CNOOC cũng đã bị Hoa Kỳ trừng phạt và đối mặt với nguy cơ gián đoạn nguồn cung. Trong cuộc chiến Nga-Ukraine, các máy tuabin khí của Siemens mà Nga đã mua đã bị giữ lại khi chúng được gửi đến Canada để sửa chữa, ảnh hưởng đến an ninh năng lượng. Việc bản địa hóa phải được thực hiện càng sớm càng tốt.

Không gian thị trường

Năm 2022, sản lượng máy tuabin khí của nước ta sẽ đạt 4,0563 triệu kilowatt, và nhu cầu sẽ khoảng 6,7986 triệu kilowatt.

Theo thống kê, quy mô thị trường máy tuabin khí của nước ta đạt 61,669 tỷ nhân dân tệ vào năm 2022, trong đó quy mô thị trường của máy tuabin khí mini là 8,93 tỷ nhân dân tệ, quy mô thị trường của máy tuabin khí nhẹ là 56,569 tỷ nhân dân tệ, và quy mô thị trường của máy tuabin khí nặng là 4,207 tỷ nhân dân tệ.

Quê hương tôi hiện nay đã có khả năng tự sản xuất tua-bin khí nhẹ (công suất dưới 50MW), và những loại ở phân khúc thấp thậm chí có thể xuất khẩu, nhưng tua-bin khí nặng (công suất trên 50MW) vẫn còn cơ bản phụ thuộc vào nhập khẩu, và công nghệ lõi hầu như bị các nhà sản xuất quốc tế như GE của Mỹ, Mitsubishi của Nhật Bản, và Siemens của Đức độc quyền. Có nguy cơ "bị kẹt" trên thị trường trong nước. Theo dữ liệu từ Tổng cục Hải quan, kim ngạch nhập khẩu tua-bin khí năm 2022 sẽ là 4,161 tỷ USD và xuất khẩu sẽ là 735 triệu USD.