کلاس دانش BLAZE: توربین گاز

مفاهیم اساسی

با توجه به "واژگان توربین گاز" (GB/T 15135-2018)، توربین گاز به یک ماشین دوار با جریان پیوسته (تک ماشین) اطلاق می شود که انرژی حرارتی را به کار مکانیکی تبدیل می کند، از جمله کمپرسور، تجهیزات گرمایش سیال کار (مانند محفظه احتراق)، توربین، سیستم کنترل و تجهیزات کمکی.

موتورهای توربین گاز صنعتی که عموماً به آنها توربین گاز یا توربین، موتورهای گازی صنعتی گفته می شود، اساساً همان موتورهای گازی توربین هوانوردی هستند (که به آنها موتورهای هوانوردی گفته می شود)، اما سناریوهای کاربرد کمی متفاوت است. آنها گاز پرفشار را در یک محفظه احتراق فشرده می کنند و از طریق واکنش انرژی شیمیایی، انرژی شیمیایی را از طریق یک توربین به کار مکانیکی تبدیل می کنند (تبدیل توربین).

به عنوان یک وسیله تبدیل انرژی، توربین گاز یک موتور هواپیما است که نفت سفید هواپیمایی را به انرژی مکانیکی برای ملخ در هنگام پرواز در آسمان تبدیل می کند. یک توربین گازی که روی زمین استفاده می شود، گاز طبیعی و نفت را به انرژی مکانیکی برای ژنراتور تبدیل می کند.

توربین های بخار، موتورهای احتراق داخلی و توربین های گازی برای اولین بار برای استفاده در کشتی های جنگی ساخته شدند. توربین های بخار قبل از جنگ جهانی اول، موتورهای احتراق داخلی در طول جنگ جهانی اول و دوم و توربین های گازی برای کشتی های جنگی پس از جنگ جهانی دوم توسعه یافتند. آنها از موتورهای هواپیما اصلاح شدند و عمدتاً در کشتی های سطحی بزرگ استفاده می شدند.

توربین های گاز دارای چندین ویژگی هستند:

اولاً، راندمان تبدیل انرژی تئوری می تواند به 88٪ برسد که دستگاهی با بالاترین راندمان تبدیل انرژی در جهان تاکنون است. گفته می شود پیل های سوختی قادر به دستیابی به راندمان تبدیل 90 درصدی هستند، اما هنوز به طور کامل تجاری سازی نشده اند. بازده تئوری تبدیل انرژی موتورهای احتراقی 88 درصد است که برای چندین دهه آزمایش شده است.

دوم اینکه دمای احتراق توربین های گازی نسبتاً زیاد است و انتشار گازهای مضر نسبتاً کم است.

سوم، چگالی توان نسبتاً بزرگ است. یک ماشین به اندازه یک ظرف می تواند انرژی یک ناوشکن را تامین کند. دو کانتینر اساسا برای برق غیرنظامی یک شهرستان کافی است. توربین های بخار بسیار بزرگ هستند مانند موتورهای دیزل و موتورهای احتراق داخلی با ظرفیت بیش از 10 مگاوات که اساساً دستگاه های بزرگی با وزن هزاران تن و ارتفاع ده ها متر هستند.

چهارم اینکه توربین های گازی مانند موتورهای احتراق داخلی که از نوع سکته ای هستند نیستند و هر 4 زمان یک بار کار انجام می شود. توربین های گاز به طور مداوم کار می کنند و توربین یک خط گردابی است. این یک دستگاه موتور حرارتی با بالاترین راندمان تبدیل انرژی است که انرژی شیمیایی را به انرژی حرارتی و انرژی مکانیکی تبدیل می کند.

در دهه 1970، توربین های گازی وارد صنعت نفت ایالات متحده شد و باعث پیدایش توربین های گاز صنعتی شد. موتورهای هواپیما به عملکرد نسبتاً بالایی نیاز دارند، نسبتاً پیچیده هستند و طول عمر نسبتاً کوتاهی دارند. موتورهای صنعتی نیازی به کاهش وزن ندارند، بسیار محکم ساخته می شوند و به طول عمر نسبتاً طولانی نیاز دارند. در حدود دهه 1980 با توسعه گاز طبیعی وارد صنعت برق شد.

بعد از جنگ جهانی دوم، سطح فنی ایالات متحده چندان بالا نبود. اولین خرید متعلق به شرکت های ایتالیایی بود که پایتخت تجهیزات دوار در اروپا هستند. شرکت انگلیسی معمولی رولز رویس است که موتور هواپیما تولید می کند. به طور کلی، شرکت هایی که موتور هواپیما می سازند، توربین های گازی می سازند. زیمنس آلمان در سرتاسر اروپا خریداری شد و همچنین تغییرات هواپیمای رولز رویس را نیز خریداری کرد. توربین های گاز روسیه عمدتاً با اوکراین همکاری می کنند. طرح ها همه در روسیه هستند و برخی از پایگاه های تولیدی در Mariupol، اوکراین هستند.

در دهه‌های اخیر، تنها میتسوبیشی ژاپن یک توربین گازی واقعی ساخته است و کاوازاکی توربین‌های کوچک‌تر می‌سازد، بنابراین هنوز آستانه مشخصی وجود دارد. توربین های گازی کوچک و متوسط ​​عمدتاً جنرال الکتریک هستند، به ویژه برای استفاده نظامی. ناوشکن‌های اصلی عمدتاً جنرال الکتریک، مدل LM-2500 هستند. زیمنس برخی از توربین های گازی کوچک خود را در لینکلن، انگلستان، با ظرفیت کمتر از 15 مگاوات، و برخی در فینسپانگ، سوئد، خریداری کرد. بهترین شرکت در زمینه توربین های گازی کوچک سولار در آمریکا است که بسیار نزدیک به مشتریان خود است و بیشترین سهم بازار توربین های گازی کوچک با ظرفیت کمتر از 15 مگاوات را در جهان دارد.

طبقه بندی

توربین های گازی با توجه به شکل ساختاری و توان خروجی به سه دسته میکرو، سبک و سنگین تقسیم می شوند. در میان آنها، توربین های گاز میکرو و سبک را می توان از موتورهای هواپیما (همچنین به عنوان "هوا به گاز" شناخته می شود)، با قدرتی که معمولاً در حدود 50 مگاوات است، تغییر داد و می تواند در تولید برق صنعتی، نیروی کشتی، تقویت خط لوله، مخزن استفاده شود. لوکوموتیوها، تولید برق توزیع شده و حرارت و برق ترکیبی. توربین های گاز سنگین دارای توانی بیش از 50 مگاوات هستند و عمدتاً به عنوان ژنراتورهای ثابت در زمین مانند شبکه های برق شهری استفاده می شوند.

موتورهای گازسوز سنگین به طور کلی بر اساس دما طبقه بندی می شوند. کلاس E، F، G و H مربوط به دماهای مختلف احتراق است. از دیدگاه مهندسی، طبقه بندی آنها بر اساس ظرفیت تحمل دمای آلیاژ ترجیح داده می شود.

در چین، اساساً توربین های گازی کوچک هستند. توربین های گازی کوچک به طور کلی بر اساس ساختار طبقه بندی می شوند: تک محوری، دو محوره، سه محوری، هوا اصلاح شده، صنعتی و به ندرت بر اساس دما طبقه بندی می شوند، زیرا دمای توربین های گازی کوچک در مقایسه با گازهای سنگین زیاد نیست. توربین ها آنهایی که سطح توان آنها زیر 30 مگاوات است در واقع کریستالهای هم محور هستند، یعنی درجه E. این مطلق نیست و برخی پیشرفته تر به درجه F رسیده اند. E-grade به صورت آزمایشی در سال 1995 در چین تولید شد. حدود 50 مگاوات احتمالاً مربوط به درجه F است که کریستال گرا است. چین در سال 2005 این گرید را به صورت آزمایشی تولید کرد و ما اکنون همه این مواد را داریم. پیشرفته ترین توربین های گازی به درجه H رسیده اند و ما اکنون تک کریستال های نسل دوم خود را داریم.

به طور کلی، توربین های زیر 1 مگاوات را توربین های میکرو گاز می نامند. در واقع توربین های میکروگاز خارج از کشور به دلیل دمای پایین از چنین آلیاژهای خوبی استفاده نمی کنند. آنها از فولادهای خاصی استفاده می کنند و به ندرت از کریستال های هم محور استفاده می کنند. توربین های گازی کوچکی که در حدود 15 مگاوات هستند نامیده می شوند که عمدتاً از کریستال های هم محور استفاده می کنند. در خارج از کشور نیز شرکت های خاصی وجود دارند که از فولادهای مخصوص استفاده می کنند، اما به دلیل اینکه روکش های آنها خوب است، بهتر ساخته می شوند. در سایز کوچک و متوسط ​​30 تا 50 مگاوات معمولاً از کریستال‌های جهت‌دارتر استفاده می‌شود، یعنی درجه F. بزرگترها از تک بلورهای نسل اول و دوم که برندهای داخلی ما هستند استفاده می کنند.

توربین‌های گاز کوچک و متوسط ​​و میکرو بیشتر در توان توزیعی و حرارت و توان ترکیبی استفاده می‌شوند. آنهایی که کمتر از 30 مگاوات و 15 مگاوات هستند بیشتر در سیچوان استفاده می شوند و آنها زیر 7 مگاوات بیشتر در چونگ کینگ استفاده می شوند. این به مقیاس شهرک های صنعتی آن مربوط می شود. آنهایی که حدود 30 مگاوات هستند بیشتر در جیانگسو استفاده می شوند و آنهایی از 50 مگاوات تا 100 مگاوات بیشتر در پارکهای صنعتی در گوانگدونگ استفاده می شوند، به طور کلی برای برق توزیع شده یا حرارت و برق ترکیبی. توان بالای 100 مگاوات اساساً برای تنظیم پیک شبکه برق بزرگ یا به عنوان نیروگاه های بار پایه استفاده می شود. صنعت نفت و گاز اساسا از نمونه های کوچک استفاده می کند. در صنعت معدن بالادستی، 7 مگاوات و 15 مگاوات بیشتر استفاده می شود و حمل و نقل خط لوله میانی عمدتا 15 مگاوات و 30 مگاوات است.

سیستم طراحی توربین های گازی زیر 30 مگاوات نسبتا بالغ است و سیستم مواد فرآیند نیز نسبتا بالغ است. نرخ بازده OBT می تواند به 85٪ برسد. توربین های گاز صنعتی هنوز باید بر عملکرد اقتصادی، ارزیابی فنی و اقتصادی یا عملکرد هزینه تمرکز کنند و شاخص اصلی ارزیابی نرخ بازده است.

برای توربین‌های گازی با اندازه متوسط ​​و بزرگ، ما (داخلی) نرم‌افزار طراحی، مشخصات طراحی و پایگاه‌های اطلاعاتی برخی مواد و فرآیندها در سیستم طراحی خود انباشته کمی داریم، بنابراین این سیستم طراحی چندان بالغ نیست و نرخ بازده بالا نیست. . کریستال سطح F یا جهت دار یک حوزه آبخیز است. زیر کریستال گرا، ما هنوز به اندازه کافی برای شرکت در مسابقات بین المللی اطمینان داریم. بالاتر از کریستال گرا، در سطح صنعتی، هنوز یک شکاف مشخص داریم. این منطقه به تیم ملی واگذار شده است. چندین شرکت مرکزی در حال انجام تحقیقات و توسعه اولیه هستند و سرمایه گذاری در مواد اولیه و فرآیندهای اساسی بسیار زیاد است.

زنجیره صنعتی

در بالادست زنجیره صنعت توربین گاز کشور من، تولیدکنندگان آلیاژهای با دمای بالا، آلیاژهای تیتانیوم، مواد کامپوزیت، آلیاژهای آلومینیوم و فولاد عمومی شامل Gangyan Gaona، Fushun Special Steel، Baoti Group و غیره می‌شوند. مواد ریخته گری، آهنگری یا فرآیندهای دیگری برای ساخت پره های توربین، شفت ها و سایر قطعات انجام می شود. تیغه ها و سایر قسمت ها با فرآیند ریخته گری تشکیل می شوند. تولید کنندگان عمده داخلی ریخته گری و آهنگری عبارتند از Yingliu Co., Ltd., Wanze Co., Ltd., Tunan Co., Ltd. و غیره. سپس تولید کنندگان دستگاه های پایین دستی قطعات مختلف را در ماشین های کامل مونتاژ می کنند. تولید کنندگان عمده عبارتند از AECC، شانگهای الکتریک، هلان توربین، هاربین الکتریک و غیره.

صنایع بالادستی، به ویژه محصولاتی مانند آلیاژهای با دمای بالا، آلیاژهای تیتانیوم با دمای بالا، پوشش‌های مانع حرارتی و مواد کامپوزیت سرامیکی پیشرفته، نقش بسزایی در ارتقای صنعت دفاع ملی و تولید تجهیزات پیشرفته دارند. توربین‌های گاز خانگی عمدتاً برای تولید برق استفاده می‌شوند و تعداد کمی برای تزریق آب، ورودی هوا، فشار در میادین نفت و گاز و نیروی کشتی‌ها و مخازن استفاده می‌شود. تمرکز بر تولید برق پراکنده، حرارت و برق ترکیبی، حمل و نقل با خط لوله گاز طبیعی، نیروی محرکه کشتی، و رانش مکانیکی است. جنبه توربین های گاز کشور من دارای بازارهای بالقوه عظیمی در تامین انرژی پراکنده، ایستگاه های تحت فشار، تولید برق صنعتی و سایر زمینه ها هستند و سیاست ها از توسعه سریع صنعت حمایت می کنند. پروژه های بزرگ فعلی کشورم مانند "انتقال گاز از غرب به شرق"، "انتقال برق از غرب به شرق" و "انحراف آب از جنوب به شمال" و همچنین توسعه سریع صنعت کشتی سازی کشورم منجر به افزایش سریع تقاضای کشور من برای توربین های گاز شده است.

سیاست صنعتی

سیستم انرژی مدرن چهاردهمین برنامه پنج ساله همچنین توربین های گازی را به عنوان یک فناوری اصلی فهرست می کند و اساساً آن را در سطح انرژی هسته ای، سیستم های قدرت جدید، ذخیره انرژی و انرژی هیدروژن قرار می دهد.

شرکت سرمایه گذاری دولتی قدرت دو پروژه ویژه انجام داده است، یکی پروژه بزرگ برای توربین های گازی سنگین، از جمله توربین های گازی مخلوط هیدروژنی. یک هیدروژن خالص در مغولستان داخلی ساخته شده است اما هنوز به بهره برداری نرسیده است. نیروگاه جینگمن 15 درصد ترکیب شده است. هاربین الکتریک و گوانگدونگ الکتریک گروه، که گروه انرژی گوانگدونگ است، پروژه ترکیب هیدروژن را در خلیج دایا انجام داده اند و توربین بخار هانگژو و زیمنس پروژه ترکیب هیدروژن را در ژوشان انجام داده اند.

توربین های گاز به طور گسترده در خط لوله گاز غرب به شرق و در سکوهای نفتی دریایی استفاده می شود. به عنوان یک شرکت مرتبط با نظامی، CNOOC نیز توسط ایالات متحده تحریم شده است و با خطر کاهش عرضه مواجه است. در طول جنگ روسیه و اوکراین، توربین‌های گازی زیمنس خریداری شده توسط روسیه، هنگامی که برای تعمیر به کانادا فرستاده شدند، بازداشت شدند و امنیت انرژی را تحت تأثیر قرار دادند. بومی سازی باید در اسرع وقت انجام شود.

فضای بازار

در سال 2022، تولید توربین گاز کشور من 4.0563 میلیون کیلووات و تقاضا حدود 6.7986 میلیون کیلووات خواهد بود.

بر اساس آمار، اندازه بازار توربین های گاز کشور من در سال 2022 به 61.669 میلیارد یوان رسید که اندازه بازار توربین های گاز میکرو 893 میلیون یوان، اندازه بازار توربین های گاز سبک 56.569 میلیارد یوان و اندازه بازار توربین های گاز سنگین 4.207 میلیارد یوان بود.

کشور من اکنون توانایی تولید مستقل توربین‌های گاز سبک (قدرت زیر 50 مگاوات) را دارد و توربین‌های ارزان‌قیمت را می‌توان حتی صادر کرد، اما توربین‌های گاز سنگین (قدرت بالای 50 مگاوات) هنوز اساساً به واردات وابسته هستند و اساساً فناوری اصلی آن است. در انحصار تولیدکنندگان بین المللی مانند جنرال الکتریک در ایالات متحده، میتسوبیشی در ژاپن و زیمنس در آلمان. خطر «خفه شدن» در بازار داخلی وجود دارد. بر اساس داده های اداره کل گمرک، واردات توربین گازی در سال 2022 بالغ بر 4.161 میلیارد دلار و صادرات آن 735 میلیون دلار خواهد بود.