Die „Reputationsmaschine“ ist wirklich vielversprechend! Neuer Durchbruch bei der ersten 50-MW-Hochleistungsgasturbine der F-Klasse meines Landes

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Yao Yu (Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas)

Hersteller: China Science Expo

„Wenn der Hahn kräht, wird die Welt weiß.“ Am 8. März 2023 wurde unter lautem mechanischem Dröhnen eine „Stolzmaschine“ aus China nach 72+24 Stunden Probebetrieb in Qingyuan, Guangdong, offiziell in den kommerziellen Betrieb genommen. Dies ist der erste unabhängig entwickelte Hochleistungs-Gasturbinengeneratorsatz G50 der F-Klasse mit 50 MW in meinem Land. Mit seiner Einführung wurde der technologische Durchbruch von „0“ auf „1“ vollzogen, sodass China nun über 100 % im Inland produzierte Hochleistungsgasturbinen verfügt.

Die erste unabhängig entwickelte 50-MW-Hochleistungsgasturbine der F-Klasse meines Landes ist im Handel erhältlich

(Fotoquelle: CCTV13 Morning News)

Diese „Stolz suchende Maschine“ ist keine gewöhnliche Maschine. Seine Betriebstemperatur übersteigt 1300 °C und liegt damit nahe an der hohen Temperatur von vulkanischem Magma. Sein Arbeitsdruck erreicht 18 Atmosphären, was dem Wasserdruck in einer Tiefe von 180 Metern auf dem Meeresboden entspricht. In einer solch rauen Umgebung mit hohen Temperaturen und hohem Druck muss sich die Gasturbinenturbine mit einer hohen Geschwindigkeit von 6000 Umdrehungen pro Minute drehen, und ihre lineare Geschwindigkeit ist mehr als doppelt so hoch wie die Fluggeschwindigkeit eines großen Passagierflugzeugs. Im kombinierten Kreislaufbetrieb kann es über 70.000 Kilowattstunden Strom pro Stunde erzeugen und damit den täglichen Strombedarf von 7.000 Haushalten decken. Im Vergleich zu Wärmekraftwerken gleicher Leistung kann die Hochleistungsgasturbine G50 den Kohlendioxidausstoß um mehr als 500.000 Tonnen pro Jahr reduzieren.

Warum heißen Schwerlast-Gasturbinen „Stolzmaschinen“?

So wie die Dampfmaschine den Aufschwung der ersten industriellen Revolution auslöste, sind Gasturbinen im neuen Zeitalter eine strategische Ausrüstung für die nationale Energie- und Verteidigungssicherheit. Sie werden in vielen Bereichen eingesetzt, beispielsweise in der Landesverteidigung, im Transportwesen, in der Energieversorgung und im Umweltschutz. Hochleistungs-Gasturbinen sind das „Herzstück“ moderner Stromerzeugungsanlagen, Flugausrüstungen, Militärschiffe (Flugzeugträger und U-Boote) und anderer wichtiger nationaler Waffen.

50-MW-Hochleistungsgasturbine der F-Klasse

(Fotoquelle: China News Service)

Die Energieumwandlungsmethode einer Gasturbine ist die gleiche wie bei einer Dampfmaschine, d. h., beide wandeln die chemische Energie des Brennstoffs in Strom (oder Elektrizität) um. Der Unterschied besteht darin, dass eine Dampfmaschine Wasser zum Kochen bringt. Wenn Wasser in Dampf umgewandelt wird, dehnt sich sein Volumen aus und treibt dadurch den Kolben (oder andere Kraftmaschinen wie eine Dampfturbine) zur Arbeit an.

Schematische Darstellung des Funktionsprinzips einer Dampfmaschine. Feuer erhitzt Wasser in einem Kessel (blau), das sich in Dampf (rosa) verwandelt. Der Dampf dehnt sich aus und versetzt den Kolben in eine Hin- und Herbewegung.

Bildquelle: Wikipedia

Gasturbinen benötigen keinen erhitzten Dampf als Zwischenmedium, sondern leiten das Gas direkt in die Turbine, wo es sich ausdehnt und Arbeit verrichtet. Dies erfordert, dass die Komponenten der Gasturbine extrem hohen Temperaturen, hohen Drücken und hohen Drehzahlen über lange Zeit standhalten und den sicheren und stabilen Betrieb der gesamten Maschine gewährleisten. Höhere Betriebsparameter verbessern außerdem die Arbeitskapazität der Anlage erheblich und ermöglichen der Gasturbine die Eigenschaften einer hohen Einzelleistung, einer schnellen Startgeschwindigkeit, einer starken Manövrierfähigkeit und einer hohen Energieumwandlungsrate.

Wenn eine Gasturbine in Betrieb ist, saugt sie kontinuierlich Luft aus der Atmosphäre an und komprimiert sie. Die komprimierte Luft wird in die Brennkammer geleitet, vollständig mit dem eingespritzten Kraftstoff vermischt und dann zu einem Verbrennungsgas mit hoher Temperatur und hohem Druck verbrannt, das dann in die Gasturbine geleitet wird, um das Turbinenlaufrad anzutreiben, das sich dreht und ausdehnt, um Arbeit zu verrichten. Die Ausgangsleistung kann als Strom genutzt oder in Elektrizität umgewandelt werden.

Strukturdiagramm einer Gasturbine

(Bildquelle: http://www.timetoast.com/timelines/abel-project-tl)

Gasturbinen gelten als die „Kronjuwelen“ der Gerätebauindustrie, insbesondere Hochleistungsgasturbinen, die als eine der „am schwierigsten herzustellenden mechanischen Anlagen der Welt“ gelten. Sie bestehen aus Zehntausenden von Teilen und betreffen viele Bereiche wie Maschinenbau, Metallurgie, Werkstoffe, chemische Industrie, Energie, Elektronik, Information usw. und decken die übergreifende Integration grundlegender Disziplinen und Ingenieurtechnologien ab, wie etwa Aerodynamik, technische Thermodynamik, Verbrennung, Strukturmechanik, Kontrolltheorie, Werkstoffwissenschaften und Herstellungsverfahren. Seine Forschung und Entwicklung spiegeln das wissenschaftliche und technologische Niveau und die umfassende nationale Stärke eines Landes wider.

Der Roboter der Produktionslinie platziert die fertigen Rotorblätter

(Fotoquelle: China News Service)

Die Forschung und Entwicklung von Hochleistungsgasturbinen ist ein komplexes Systemtechnikprojekt mit hohem technischen Schwierigkeitsgrad, großen F&E-Investitionen und langen Implementierungszyklen. Seit der Einführung der weltweit ersten Hochleistungsgasturbine zur Stromerzeugung im Jahr 1939 hat es im Bereich der Hochleistungsgasturbinen zahlreiche technologische Innovationen und industrielle Umstrukturierungen gegeben. Nur wenige Länder wie die USA, Japan und Deutschland sind in der Lage, Hochleistungsgasturbinen unabhängig zu entwickeln.

Hochleistungs-Gasturbine G50 Komplettmaschinenprüfstand

(Fotoquelle: Dongfang Steam Turbine Co., Ltd.)

Um die wichtigsten Strategien des Landes umzusetzen, hat mein Land das nationale wissenschaftliche und technologische Großprojekt „Flugzeugtriebwerke und Gasturbinen“ („Zwei-Triebwerk-Projekte“) ins Leben gerufen. Die Nationale Energiebehörde hat die Hochleistungsgasturbine der F-Klasse mit 50 MW als erstes großes Demonstrationsprojekt für technische Ausrüstung im Energiebereich aufgeführt. Mit der starken Unterstützung des Landes haben sich zentrale Unternehmen wie Dongfang Electric mit Universitäten und Forschungsinstituten zusammengeschlossen, um wissenschaftliche Forschungsteams zu bilden, die Upstream-, Midstream- und Downstream-Unternehmen in der Industriekette zu koordinieren, um vorteilhafte Ressourcen zu bündeln und sich auf eine anstrengende Reise der unabhängigen Forschung und Entwicklung zu begeben. Seit Beginn der Forschung und Entwicklung im Jahr 2009 gibt es immer wieder gute Nachrichten. Im Jahr 2016 wurden in China die ersten Prüfstände für Kompressor-, Brenner- und Turbinenkomponenten gebaut. Im Jahr 2018 wurden Kompressor und Brenner erfolgreich weiterentwickelt. Im Jahr 2019 wurde eine 100 % unabhängige Fertigung aller Hochtemperaturkomponenten erreicht. Der Zündtest der gesamten Maschine war auf Anhieb erfolgreich. Im Jahr 2020 wurde es erstmals mit 100 % Last betrieben. Ende 2022 gelang in Huadian Qingyuan eine erfolgreiche Zündung, der kommerzielle Betrieb wird 2023 offiziell aufgenommen.

Produktions- und Montageprozess von Hochleistungsgasturbinen

(Fotoquelle: CCTV13 Morning News)

In nur 13 Jahren haben die Hochleistungsgasturbinen meines Landes den gesamten Prozess von der Grundlagentheorie über die Anlagentechnologie, Komponententests, Systemintegration und umfassende Verifizierung bis hin zur Produktanwendung durchlaufen und einen Entwicklungsweg vollzogen, für den westliche Länder Jahrzehnte benötigten. mein Land hat die Fähigkeit zur hundertprozentigen Lokalisierung der unabhängigen Konstruktion, Herstellung, Prüfung und des kommerziellen Betriebs von Hochleistungsgasturbinen wirklich gemeistert, eine sichere, kontrollierbare, unabhängige und zuverlässige Gasturbinen-Industriekette geschaffen und die Lücke im Anwendungsfeld unabhängiger Gasturbinen in meinem Land geschlossen.

Obwohl der derzeitige kommerzielle Hochleistungs-Gasturbinengeneratorsatz G50 der F-Klasse mit 50 MW noch ein Stück vom weltweit höchsten Niveau entfernt ist, werden das aufgebaute unabhängige Designsystem, die beherrschten Kernmethoden, die etablierten unabhängigen Rechte am geistigen Eigentum und das aufgebaute hochqualifizierte Talentteam die koordinierte Entwicklung der Gasturbinendisziplin und -industrie vorantreiben.

Die erste im Inland produzierte hocheffiziente Hochleistungsgasturbine lief vom Band

(Fotoquelle: CCTV13 Morning News)

Noch erfreulicher ist, dass die erste im Inland produzierte luftgekühlte Hochleistungsgasturbine mit dem höchsten Energieeffizienzniveau erfolgreich vom Band in Qinhuangdao, Hebei, gelaufen ist. Sein Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung liegt bei über 64 %, was die fortschrittlichste Technologie in der aktuellen Gasturbinen-Stromerzeugungsbranche darstellt und ihn zur weltweit effizientesten Anlage zur Umwandlung von Wärme in Arbeit macht. Die neue Generation von Gasturbinen wird für mein Land zu einer mächtigen Waffe, um den CO2-Spitzenwert und die CO2-Neutralität zu erreichen, und wird auch der nationalen Waffe, die die nationale Sicherheit schützt, ein stärkeres Herz verleihen. Die Geschichte der im Inland produzierten „Reputationsmaschine“ geht weiter, also warten wir es ab!