تولید و توسعه توربین های گاز
توربین گاز بهعنوان یک دستاورد فناورانه بشر، نقش بسزایی در زندگی امروزی دارد. با توجه به سطح فناوری بالا و پیچیدگی فنی زیاد این ماشینها، برخورداری از دانش طراحی و ساخت آنها اهمیت راهبردی برای مجموعههای صنعتی پیشرو و کشورهای صاحب فناوری جهان دارد. در این نوشتار، با نگاهی به تحولات سالهای اخیر بازار، تولید و توسعه توربین های گاز در حوزه هوایی غیرنظامی و زمینی صنعتی مورد بررسی و توجه قرار گرفتهاست.
بزرگترین بخش صنعت توربین گاز متعلق به هوانوردی تجاری است. در هوانوردی تجاری، موتورهای توربوفن نقش مهمی را ایفا میکنند. علاوه بر آن، توربینهای گاز که برای تولید برق بکار میروند، نیز بخش بزرگ دیگری از این صنعت را تشکیل میدهند. با این وجود، گاهی اوقات بازارهای کوچک نیز میتوانند نقش مهمی را ایفا کنند.
بهعنوان مثال، میتوان به بازار توربینهای گاز محرک مکانیکی اشاره کرد که ارزش مالی تولید آنها در سال 2021، از مرز 2 میلیارد دلار عبور کردهاست. این چیزی نیست که بتوان سرسری از آن رد شد، اما از نقطه نظر ارزش تولید برای کل صنعت توربین گاز و بنابر گزارش موسسه معتبر فورکست اینترنشنال، مجموعا این میزان بالغ بر 61.6 میلیارد دلار در سال 2021 بودهاست.
توربینهای گاز محرک مکانیکی کاربردهای مختلفی دارند، اما یکی از کاربردهای اصلی آنها، تامین توان کمپرسورهای خط انتقال گاز طبیعی است. این کمپرسورها از گاز طبیعی بهعنوان سوخت استفاده میکنند. ایستگاههای تقویت فشار معمولا در فاصله 100 کیلومتری از هم قرار دارند تا جریان و فشار خط انتقال را حفظ کنند که میتواند به هزار پاسکال برسد.
اهمیت استفاده از این نوع توربین گاز، بطور چشمگیری در طول بحران برق در فوریه 2021، پس از طوفان شدید زمستانی در تگزاس مشخص شد. خاموشیهای پیدرپی و طولانی، دلایل متعددی داشت، اما یکی از عوامل اصلی آن، عدم عایقبندی تاسیسات خط انتقال مانند ایستگاههای تقویت فشار در زمستان بود.
سامانههای کنترل ایستگاههای تقویت فشار همراه با سایر اثرات ناشی از عدم عایقبندی تاسیسات، عملکرد نیروگاه را با اختلال مواجه کرد. در نتیجه، نیروگاههای گاز طبیعی به دلیل کمبود گاز در خط انتقال خاموش میشدند. این امر منجر به ایجاد مشکلات اساسی در زیرساختهای انرژی در تاریخ تگزاس شد که تلفات جانی و خسارات میلیارد دلاری به همراه داشت.
پایگاه اطلاعرسانی فورکست اینترنشنال، بهعنوان یک منبع معتبر برای دادههای مربوط به بازار جهانی توربین گاز، با استفاده از مدلهای رایانهای و یک پایگاه داده گسترده، ارزش تولید توربینهای گاز از سال 1990 تا 2020 را ارائه داده و مقادیر را تا سال 2034 پیش بینی کردهاست.
بنابر گزارش این پایگاه، ارزش تولید و توسعه توربین های گاز در سراسر جهان برای سال 2021، به میزان 61.6 میلیارد دلار برآورد شده که نسبت به سال 2020، افزایش 12 درصدی داشتهاست. در سال 2020، تولید توربینهای گاز به پایینترین حد خود به میزان 55.1 میلیارد دلار، ناشی از همهگیری کووید19 رسیدهاست. در سال 2018، ارزش جهانی تولید توربین گاز بالغ بر 88.4 میلیارد دلار بوده و در مقایسه با برآوردهای پیشین، زیان انباشته تولید معادل 100 میلیارد دلار را نشان میدهد.
تقریبا تمام میزان زیان تولید مربوط به صنعت هوانوردی بوده که در سال 2021، ارزش تولید بالغ بر51.1 میلیارد دلار در مقابل پیشبینی 89.6 میلیارد دلاری در سال 2019 بود. روند تاریخی ارزش تولید توربین گاز مطابق گزارش فورکست اینترنشنال در دو دهه گذشته، نشاندهنده افزایش یکنواخت و ثابت برای بخش توربین گاز هوانوردی یا موتور توربوفن از 18.3 میلیارد دلار در سال 2000 به 70.6 میلیارد دلار در سال 2019 است. پس از آن یک کاهش تولید شدید به میزان 45 میلیارد دلار در سال 2020 به دلیل همهگیری کووید19 رخ دادهاست.
برآوردها نشان میداد که تا اواخر سال 2023، روند بازار در این حوزه به وضعیت طبیعی خود برمیگردد. با نگاهی به دهه آینده، طبق پیشبینی فورکست اینترنشنال، ارزش تولید هواپیما در سال 2032، به 99.4 میلیارد دلار میرسد.
بازار هوانوردی غیرنظامی شاهد برخی از فناوریهای جدید نوآورانه است که به تجاریسازی نزدیک میشوند. در ژوئن سال 2021، شرکت CFM اینترنشنال حاصل سرمایهگذاری مشترک شرکتهای موتورهای هوایی جنرال الکتریک و سافران، برنامه نوآوری روزآمد خود برای موتورهای پایدار موسوم به رایز را اعلام کرد. این برنامه یک اثباتگر فناوری موتور روتور باز است که نسل جدید موتورهای توربوفن تجاری را برای اواسط دهه 2030 هدف قرار میدهد.
” بخوانید: ارزش مالی بازار توربین گاز جهانی از دهه ۱۹۹۰ تا ۲۰۳۰ “
موتورهای روتور باز اساسا یک موتور توربوجت هستند که یک فن یا فنهای روی ناسل بیرونی را هدایت میکنند. این عمل برخلاف موتورهای توربوفن بوده که در آنها فن توسط یک مجرای ناسلی فن احاطه شدهاست. طراحی روتور باز نشاندهنده سرعت پرواز و عملکرد بالای یک توربوفن است، در حالی که به گونهای طراحی شده که بتواند مصرف سوخت بهینه همسطح موتورهای توربوپراپ داشته باشد.
برنامه رایز CFM در ادامه برنامه موفق لیپ این شرکت در سال 2008 دنبال میشود که منجر به تولید موتورهای تجاری توربوفن 20 هزار تا 35 هزار پاوندی برای هواپیماهای مسافربری باریکپیکر شد. در حال حاضر، شرکت CFM بزرگترین تولیدکننده موتورهای هواپیما بشمار میرود که بیش از 30 هزار موتور توربوفن تحویل داده و چندین هزار دستگاه موتور CFM56 و لیپ نیز در سال نیز آماده تحویل هستند.
برنامه رایز شرکت CFM احتمالا یک چالش خواهد داشت. پرتاندویتنی که در حال حاضر بزرگترین تولیدکننده موتورهای توربوفن دندهای در هوانوردی تجاری بشمار میرود، به نظر میرسد مشکلات موتور جدید 30 هزار پاوندی PW1100G خود که برای اولین بار در سال 2016 رخ داد را حل کردهاست. موتور PW1100G نیروی پیشران بیش از 1100 فروند هواپیما را تامین میکند. این موتور علاوه بر ارائه قابلیتاطمینان، مصرف سوخت را تا 20 درصد کاهش میدهد.
با موفقیت موتور فعلی با نسبت تبدیل جعبهدنده 3، پرتاندویتنی قصد دارد به سمت موتورهایی با نسبت تبدیل بالاتر و در نتیجه نیروی پیشران بیشتر برود. بهعنوان مثال، در نسبت 4، نسبت کنارگذر را میتوان به 15 افزایش داد. این امر منجر به صرفهجویی بیشتر سوخت شده و احتمالا باعث ایجاد رقابت با موتورهای برنامه رایز شرکت CFM در دهه 2030 میشود.
بسیاری از این پیشبینیها برای تقاضای هوانوردی غیرنظامی به نحوه بازیابی پس از همهگیری و پیامدهای جنگ در اوکراین بستگی دارد. شیوع کووید19 منجر به زمینگیرشدن حدود 14 هزار هواپیمای جت به دلیل کاهش تقاضای سفر شد. موتورهای این هواپیماهای زمینگیرشده هنوز عمر مفیدی دارند که اصطلاحا به آن زمان سبز گفته میشود.
شرکتهای هواپیمایی میتوانند این موتورها را در هواپیماهای عملیاتی بکار گیرند و بنابراین خرید موتورهای جدید و تعمیر و بازسازی موتورهای پرهزینه را به تاریخهای بعدی موکول کنند. این امر میتواند روند فروش موتورهای جدید را کاهشی کند.
در عین حال، تحریمهای اعمالشده علیه روسیه در پاسخ به حمله این کشور به اوکراین، سرنوشت بیش از 500 هواپیما به ارزش بیش از 10 میلیارد دلار را در هالهای از ابهام قرار دادهاست. فسخ قراردادهای تعمیر و نگهداری به این معنی است که موتورهای آن هواپیماها میتوانند به سرعت از کار بیافتند، اما خطوط هوایی روسیه در موقعیتی قرار ندارند که بتوانند برای خرید یا اجاره جایگزینی اقدام کنند.
سومین بازار بزرگ برای توربینهای گاز در جهت تولید برق است که ارزش تولید آن در سال 2021، معادل 8 میلیارد دلار بودهاست. بازار تولید برق در سال 2001 شاهد افزایش شدید بود و در سال 2021، یک جهش کوچکتر را تجربه کرد. عرضه بیش از حد نیروگاههای برق توربین گاز در سالهای پس از 2010، بازار را دچار کسادی کردهاست.
با این حال، شواهد متعددی برای اثبات این ادعا وجود دارد که توربینهای گاز نقشی پایدار و فزآینده در بازار تولید برق خواهند داشت. یکی از مهمترین مسئلهها برای توربینهای گاز تولیدکننده برق، تشکیل بخشی از یک نیروگاه سیکل ترکیبی است که از خروجی داغ یک توربین گاز برای تولید بخار و به حرکت درآوردن توربین بخار استفاده میکند.
مطابق فهرست معتبر جهانی توربین گاز ۲۰۲۰، چهار تولیدکننده اصلی شامل جنرال الکتریک، زیمنس، میتسوبیشی، هیتاچی و آنسالدو، در حال حاضر دارای واحدهای سیکل ترکیبی با بهرهوری حرارتی بین 62 تا 64 درصد در محدوده توان خروجی 600 تا 1700 مگاوات هستند. تولیدکنندگان اصلی در حال حاضر به دنبال توسعه نیروگاههای سیکل ترکیبی خود تا بهرهوری حرارتی 65 درصد یا بالاتر هستند.
دادههای سازمان اطلاعات انرژی آمریکا EIA برای سال 2020 نشان میدهد که تامین 35 درصد از برق تولیدشده در این کشور توسط نیروگاههای سیکل ترکیبی گاز طبیعی بودهاست. جایگزینی نیروگاههای سیکل رانکین که با سوخت زغالسنگ کار میکنند با نیروگاههای سیکل ترکیبی توربین گاز که سوخت آنها گاز طبیعی است، منجر به کاهش قابلتوجه 75 درصدی تولید دیاکسیدکربن در هر واحد برق میشود.
انتشار گازهای گلخانهای را میتوان در آینده نزدیک حتی بیشتر کاهش داد. در حال حاضر، گاز هیدروژن که میتواند از طریق الکترولیز آب و الکتریسیته تجدیدپذیر مازاد تولید شود، در نیروگاههای سیکل ترکیبی قابل احتراق است تا فقط بخار آب خارج کند. شرکتها و کشورها در حال حاضر در حال تحقیق در مورد تزریق هیدروژن به خطوط انتقال و گاز هستند که قبلا توسط نیروگاههای سیکل ترکیبی مورد استفاده قرار گرفته و تعدادی از برنامههای آزمایشی در حال انجام است.
تصور یک شبکه برق در آینده نزدیک با استفاده از سوخت هیدروژن آسان است. عدم استفاده از سوختهای فسیلی در صنعت توربین گاز، سلامت این صنعت را تا قرن بیست و یکم تضمین میکند.
چشماندازی خیلی دور
با تعدیل دلار 2021، ارزش تولید در سال 1998 به میزان 30.4 میلیارد دلار بود. بیست سال بعد، ارزش جهانی تولید در سال 2018، حدود 88.4 میلیارد دلار یا تقریبا سه برابر ارزش اولیه بود.
نیاز روزافزون به برق، امروزه توسط توربینهای گاز، هم در تولید نیروی پیشرانش هواپیما و هم تولید برق برآورده میشود. با اطمینان میتوان پیشبینی کرد که توربین گاز نقش خود را بهعنوان یک محرک اصلی افزایش میدهد، زیرا مهندسان همچنان به یافتن کاربردهای جدید برای آن و بهبود عملکرد آن ادامه میدهند.
منبع:
#توربین گاز صنعتی #توربین گاز هوایی
