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Dogecoin - An open-source peer-to-er digital currencyAIDC电源行业研究:海外数据中心需求高增燃气轮机迎东风

作者:小编2025-01-21 22:03:36

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  燃气轮机(Gas Turbine)是一种以连续流动的气体为工质、把热能转换为机械功的 高速旋转叶轮式动力机械设备。燃气轮机被誉为装备制造业“皇冠上的明珠”,体现 了一个国家的工业水平,在能源供给方面发挥着举足轻重的作用。燃气轮机凭借其 污染小、热效率高、调峰性能好、启动快捷、建设周期短、占地少、投资省等优点, 日益受到人们的青睐,逐渐成为能源行业的主力选手。 燃气轮机的工作原理基于布雷顿循环,包括压缩、燃烧和膨胀3个主要过程。首现, 空气通过压气机被压缩后进入燃烧室,与燃料混合并燃烧,产生高温高压的燃气; 然后,高温高压的燃气通过透平膨胀做功,带动透平旋转,驱动发电机或其他机械 设备运转,将热能转换为机械能。与传统的蒸汽轮机和内燃机相比,燃气轮机展现 出诸多优势,包括启动快速、效率高、污染排放较低及维护便捷。这些特性使燃气轮 机在航空、发电和船舶推进、工业发电及油气管道增压输送等多个领域得到广泛应 用。

  压气机通过吸入外界空气并经过逐级加速和增压,最终产生高压气体。压气机主要 分为三种,分别是轴流式压气机、离心式压气机和活塞式压气机。在大中型燃气轮 机中常用的是轴流式压气机,其特点为级压比小但级数多、流量大、效率高。轴流式 压气机会有许多叶片,形状类似于螺旋桨,分为“动叶”和“静叶”两种,其中“动 叶”在旋转的过程中将气流向后推,此时气流的温度和压力都会升高,“静叶”的主 要作用是将因“动叶”的作用而产生旋转的气流导引回轴内,使之以正确的角度进 入下一组转子,通常一组“动叶”和一组“静叶”被称为一级,每级通常的级压比在 1.15-1.35之间,即每级可增压1.15-1.35。 燃烧室最基本功能是使燃料与压气机送来的一部分高压气体在燃烧室进行有效的燃 烧,另一部分压缩气体与燃烧后形成的燃烧产物均匀地掺混,将其温度降低到燃气 透平进口的初温水平,以便送到燃气透平中做功,同时燃烧室能控制NOx的生成,使燃气透平的排气符合环保标准的要求。燃烧室按照气流流动可分为逆流式和顺流 式,按总体结构划分则可分为圆管型、分管型、环型和环管型。燃烧室主要由燃料喷 嘴、燃烧端盖组件、燃料喷嘴外缸、火焰筒、过渡段、导流衬套、后缸、联焰管等组 件构成。

  传统数据中心以电网为主要电源、柴油发电机为备份电源的供电模式,随着规模的 扩大正暴露出明显的局限性。(1)高碳排放和高污染使其难以满足日益严格的环保 法规要求,成为绿色发展的掣肘;(2)备份电源效率低下,无法承担电网调峰功能, 导致设备长期闲置、利用率低下,资源浪费严重。根据中科国晟统计,一个60MW的 数据中心需配备30台2MW柴油发电机和80吨柴油,而年均开机时间却不到1小时, 维护和燃料更换更是费时费力。(3)柴油机功率密度低,占地空间大,进一步增加 了成本压力和运营复杂性。这种传统供电模式在高成本、高污染与低效率的交织下, 已难以满足现代数据中心对高效、可持续发展的需求,亟需以绿色能源和创新技术 为核心的新模式替代。

  涡轮叶片是航空发动机和燃气轮机中最关键的零件之一,处于发动机中温度最高、 应力最复杂、环境最恶劣的部位,且数量众多、形状复杂、尺寸要求高、加工难度 大,直接影响着航空发动机和燃气轮机的性能。涡轮叶片是将高温、高压燃气的能 量持续转换为机械能并带动其他部件工作,根据所处环境的差异,可以细分为高压 和低压涡轮叶片。高压涡轮叶片需要在1400°℃~2200℃、20atm~50atm的环境中以 1.5万转/分钟的速度下高速旋转,叶片榫头(工作叶片和涡轮盘相连的部分)所承受 的离心力相当于叶片重量的1万倍,高达10~15吨。因此,高压涡轮叶片要求具备极 强的耐高温、抗蠕变、抗疲劳和抗腐蚀能力以及较长的使用寿命。当高温高速高压 气流经过高压涡轮叶片后,含有的能量有所下降,低压涡轮叶片的工作环境会相对 温和一些,相应的性能要求会有所降低。

  亚太地区主导燃气轮机市场,全球制造商竞逐高潜力区域。亚太地区已成为全球燃 气轮机市场的核心增长引擎,展现出强劲的需求潜力和扩张态势。亚太地区的能源 结构调整和环保政策推动了对天然气发电的依赖,尤其是在中国、印度等新兴经济 体,对低碳高效能源的需求持续攀升。其次,人口增长与工业化进程加剧了对电力 可靠性和可持续性的需求,这为燃气轮机市场创造了巨大的发展空间。此外,亚太 国家政府大力支持天然气基础设施的建设,为燃气轮机的部署扫清了障碍。从竞争 格局来看,GE Vernova凭借强大的技术领先性和品牌认知度占据主导地位,但本土 制造商如东方电气正迅速崛起,抢占重要的区域性市场份额。相比之下,非洲和大 洋洲市场虽体量较小,但其未来的高增长潜力使其成为国际厂商新的战略布局重点。 燃气轮机市场竞争正在从技术驱动转向综合战略,包括成本优势、区域适应性以及 与清洁能源的融合发展能力,这将决定厂商在未来的市场地位。

  国内叶片生产商在国际市场中的参与度不断提升,风扇/压气机叶片市场出现分化: 空心叶片、复材叶片市场由欧美企业主导,国际航空发动机巨头拥有直属工厂。涡 扇发动机风扇叶片、压气机低压级叶片所用的空心叶片、复合材料叶片对材料及制 造工艺的要求较高,国内起步相对较晚,目前国际市场仍以欧美企业为主导。 GE、赛峰、罗罗、普惠等国际航空发动机巨头均拥有直属工厂,或与合作公司成 立合资工厂,如Albany/Safran合资工厂、CFAN公司。 中国公司锻造技术进步显著,锻造叶片产业正向中国转移。美国、德国、英国的锻 造技术较强,在加工设备等方面也拥有优势,但随着中国锻造技术的不断提升,国 产锻造叶片具备全球竞争力。从成本角度考虑,国际航空发动机巨头加大了对中国 锻造叶片的采购力度,航发动力、航亚科技、无锡透平等公司先后获得锻造叶片大 单,锻造叶片产业正向中国转移。

  动机的气道中,涡轮入口温度超过1600℃,同时叶片需要承受发动机起动、停车循 环的高温燃气冲刷、温度交变、高转速下的离心力等,这就要求合金材料在高温下 具有一定蠕变强度、热机械疲劳强度、抗硫化介质腐蚀等。由于工作环境恶劣,对材 料、工艺要求极高,涡轮叶片通常由高温合金材料精铸而成。高性能、长寿命的涡轮 精铸叶片均由欧美企业提供,GE、赛峰、罗罗、普惠等国际航空发动机巨头均有直 属涡轮叶片工厂,PCC公司是最大的独立涡轮叶片供应商。俄罗斯的涡轮叶片可满 足性能需求,但在使用寿命和经济性上远不如欧美产品。 国内企业进步显著,航发精铸、应流股份等多家公司涡轮叶片实现突破,发展空间 较大。经过多年发展,国内涡轮叶片技术进步显著,其中,航发精铸实现涡轮叶片 的稳定供应,叶片性能和寿命不断提升,是国内最主要的涡轮叶片供应商;应流股 份、江苏永瀚、万泽股份实现技术突破,成功进入中国航发的供应商序列。目前国 内军品列装加速,民航需求较大,涡轮叶片具有较大发展空间。

  AI数据中心建设需求驱动,“燃气轮机+压缩机”双端受益。联德股份成立于1993年, 主要从事高精度机械零部件以及精密型腔模产品的研发、设计、生产和销售,提供从 铸造到精加工的一站式服务,公司的主要产品包括压缩机、工程机械、能源设备以 及食品机械整机制造的精密零部件。 AI数据中心的建设推动了温控设备和发电设备的需求增长,联德股份作为关键铸件 供应商有望从中获益。在温控系统方面,压缩机的性能直接影响整个系统的效率, 而公司生产的压缩机零部件是冷却环节的核心部件,其下游客户在数据中心领域广 泛使用这些产品。此外,公司还生产包括油服设备、柴油机、燃气轮机等在内的精密 机械零部件,公司目前为卡特彼勒提供的能源设备零部件包含油气设备、柴油机、 燃气轮机等方面的精密机械零部件,这些产品在当前数据中心柴油发电机市场供需 紧张的背景下,有望进一步受益。