燃气轮机工作原理、优势、需求及技术壁垒分析

燃气轮机性能优越，更适合用于为 AI 数据中心供电。

燃气轮机（Gas Turbine）是以连续流动的气体为工质、把热能转换为机械功的旋转式动 力机械，包括压气机、燃烧室、透平三大核心设备。其工作原理为：压气机从外部吸入 空气，空气从燃气轮机进气口进入，通过压气机叶片升压，压缩后送入燃烧室，同时燃 料(气体或液体燃料)也通过燃料喷嘴喷入燃烧室,与高压空气进行混合后燃烧。燃烧生成 的高温、高压烟气受热后膨胀,经过导流后与透平叶片接触,气体在接触过程中逐渐膨胀, 推动透平叶片带动主轴旋转，实现热能转化为机械能。 燃气轮机在电力、能源开采与输送、舰船以及分布式能源系统方面应用广泛，是关系国 家安全和国民经济持续增长的重大动力装备，被誉为工业制造领域“皇冠上的明珠”，是 展现一个国家先进科技水平、强大军事实力和综合国力的重要标志。

我们认为，燃气轮机发电凭借项目建设速度快、发电稳定、启动速度快，碳排放低，成 本较低等优势，未来有望成为 AI 数据中心领域供电的重要方案。 优势 1：相比核电，气电项目建设速度较快。 根据 2024 年 8 月世界核能协会（WNA）发布的《2024 年世界核电厂运行实绩报告》，2023 年开始供电的核反应堆平均建设周期为 115 个月（约 9-10 年），高于 2021 年的 88 个月 和2022年的89个月，也高于近年来的平均水平。相比之下，气电项目的建设时间较短。 根据国金数字未来实验室统计，美国 2020 年后投产的 500MW 以上功率的气电站建设周期 均在 4 年以内，大多在 3 年以内。目前数据中心的建设周期通常在 2-4 年，气电站的建 设周期与数据中心匹配，功率也可完全覆盖。此外，美国气电站建设技术成熟，目前美 国主流的新一代 F 级、H 级、J 级燃气轮机从 2010 年便已开始建设，目前技术成熟，因 此也不存在等待商业化的过程。

优势 2：相比光伏和风电，美国气电项目的审批时间更短，且发电更加稳定。（1）根据 BERKELEY LAB，凭借占地面积小、建设周期短、清洁高效等众多优势，近年来美国新增 气电项目申请并网许可的等待时间显著下滑，2023 年已下滑至 10 个月左右，相比之下， 风电和光伏项目需要等待 30 个月以上，气电项目建设的响应速度更快。此外，风电和光 伏发电具有一定的季节性和周期性，而数据中心的高商业价值要求其需要 365 天*24 小时 具备稳定的电源，相比之下，燃气轮机发电更加稳定。

优势 3：相比柴油机发电，燃气轮机具有启动速度快、易于部署、发电品质好、节能环 保、维护方便等优势。燃气轮机从启动到满负荷运转仅需 20 分钟，热态启动速度更快， 可以在 1 分钟内快速发电出力。同时，燃气轮机易于部署，相同功率下，燃气轮机比柴 油机尺寸小，重量轻，占地面积小。此外，燃气轮机结构简单、运动部件少，可靠性高， 日常维护费用低于柴油机。其操作方便且可实现无人值守监控，维护工作量小，运行成 本低。

优势 4：气电发电建设成本相对较低。平准化度电成本 LCOE（Levelized Cost of Energy），是对项目生命周期内的成本和发电量进行平准化后计算得到的发电成本，即生 命周期内的成本现值/生命周期内发电量现值，一般以兆瓦时（MWH）为单位，一兆瓦时 等于 1000 度电（KWH），常被用于比较和评估不同发电方式之间的综合经济效益。根据 IEA，2020 年美国气电项目平准化度电成本为 45 美元/兆瓦时，在各类发电方式中处于较 低水平。此外，据 EIA 预测，到 2028 年，美国气电的 LCOE 平均为 42.72 美元/MWh，较2020 年成本进一步下滑，气电项目经济性较为突出。

得益于上述综合优势，目前在 AI 数据中心领域，已经有较多科技公司使用气电发电，尤 其是 2024 年开始，气电在数据中心供电领域的应用迅速推广，例如 META、xAI、Equinix 等数据中心巨头也逐步采用气电。

伴随着美国科技公司逐步使用燃气轮机为 AI 数据中心供电，全球燃气轮机需求正在加速 提升。根据 Gas Turbine World 和三菱重工预测，2019-2023 年全球燃气轮机销量从 39.98GW 提升到 44.1GW，CAGR 为 2.49%，预计 2024-2026 年全球燃机年均销量为 60GW， 较 23 年的 44.1GW 提升 36%，增长加速。

远期来看，根据国金证券数字未来实验室预测，在谨慎、中性、乐观假设下，2035 年， 全球数据中心对气电的需求分别为 510/813/1444TWh，占 2023 年气电总 发电 量的 7.8%/12.4%/22.1%；若为数据中心建设的气电站均为基荷电站，以 65%的容量因子计算， 对气电新装机规模的需求分别为 7.94/15.74/34.62GW，占 2023 年气电新装机规模的 14.11%/27.96%/61.49%。

预计 2025 年美国 AI 数据中心新增用电量对应燃气轮机新增装机需求同比提升 47%。根据 BERKELEY LAB，2025-2028E 美国 AI 数据中心用电量分别为 305/387/480/578 太瓦时， 则：2025-2028 年新增用电量分别为 74/81/93/98 太瓦时。2025-2028 年美国燃气轮机开 机小时数采用 2018-2023 年均值的 3323 小时，则：2025-2028 年美国 AI 新增用电对应燃 气轮机的新增装机需求分别为 12/15/18/21GW，分别同比提升 47%/25%/20%/13%。

燃气轮机的技术壁垒较高，主要体现在设计技术、材料技术和制造工艺等方面。

设计技术。燃气轮机内部的气体流动、燃烧过程较为复杂。先进的气动设计能有效提高压气机和涡 轮的效率，这需要高精度的计算流体动力学（CFD）模拟技术来优化叶片形状、流道等结 构，确保气流均匀稳定，减少能量损失。

在压气机的设计中，空气动力学优化是提升效率的核心。通过精确的叶片型线设计 和流动控制技术，压气机能够减少流动损失和二次流动效应，从而提高压缩效率。 其中涉及到的技术包括：压气机气动高负荷、高效率、高转速设计技术，气动性能 高稳定性设计技术，整机气动性能模拟与实验技术，转子强度与振动设计技术等。

燃烧室的设计难度也较高。根据《大国重器：燃气轮机技术的演进与展望》，燃烧室 的设计不仅要保证燃料的完全燃烧，实现高热效率，还需要在燃烧过程中尽量抑制 污染物的生成。为此，燃烧室通常采用预混合燃烧技术，使空气和燃料在进入燃烧 区域前充分混合，从而实现更均匀的燃烧，抑制局部高温区的形成，减少有害物质 的生成。

材料技术。燃气轮机的燃烧室和涡轮叶片，由于工作环境温度较高，因此制造材料的选择较为重要。

燃烧室：由于燃烧过程中产生的高温气体会对燃烧室壁面造成巨大的热负荷，先进 的燃烧室设计通常采用耐高温合金或陶瓷基复合材料，并采用诸如气膜冷却、冲击 冷却和对流冷却等冷却技术。这些技术能够降低燃烧室壁面的温度，延长其使用寿 命，确保燃气轮机在高负荷下的长期稳定运行。

涡轮叶片：涡轮叶片工作在高温高压的环境中，基体材料通常为镍基或钴基高温合 金。其中，静叶由于燃气热负荷更高，燃气温度不均匀性更突出，要求具有良好的 抗高温热疲劳性能、抗高温氧化和腐蚀性能，常采用钴基高温合金。动叶虽然燃气 热负荷相对于静叶较低，但需承受高离心应力、振动应力和高温燃气的高速冲蚀， 要求具有良好的高温持久强度和抗蠕变性能、良好的高温强度和韧性等，一般选择 镍基高温合金。 此外，为了提高叶片耐高温、抗氧化及腐蚀的能力，透平前两级叶片表面通常喷涂 50-600μm 的热障涂层(TBC)。热障涂层由金属粘结底层和陶瓷面层组成，粘结底层 主要担负着热膨胀匹配过渡、抗氧化、抗腐蚀的多重功效，而陶瓷面层主要起隔热 作用。

制造工艺。燃气轮机对部件的制造精度要求高。例如，涡轮叶片的制造需要精密的铸造和加工技术， 其叶型尺寸公差极小，稍有偏差就会影响性能。根据《燃气轮机涡轮叶片制造工艺现状 及发展方向》，燃气轮机涡轮叶片处在温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，被列 为第一关键件，其性能水平是整机先进程度的重要标志。涡轮叶片的制造工艺路线较为 复杂，铸造和精密加工环节均包含 10 余道工序。精密加工通常包含封堵与去密封、叶根装配面加工、气膜孔加工、铝化物涂层、组件焊接、热障涂层、流量检测等多种以高新 前沿技术为依托的关键工艺，这些加工工艺在发展和应用过程中造就了燃气轮机热端涡 轮叶片高附加值的特点。

燃气轮机装配是制造及修理过程中的后期工序，其难点在于自动化程度低、装配精度要 求高且工作量大。

自动化程度低：根据两级动力控制，相对飞机、汽车等大型工业产品，燃气轮机装 配的数字化和自动化程度较低。由于燃机结构复杂，零部件数量多，使得装配过程 复杂，工序繁多，且装配过程主要由手工完成，对装备技能人才队伍的素质要求高。

精度要求高且工作量大：燃机装配是一个将零件制造和部件、组件、成品件、附件 等系统装配并验证设计质量的过程，装配质量直接影响发动机性能、寿命及工作可 靠性。燃机对装配的精度要求较高，要保证各个部件的同心度、轴向间隙等参数精 准无误。其中，涉及到的关键技术包括：转子组合件的同心度控制技术、单元体内 部的转静子间隙和同轴度测量技术、精密流量和密封性检测技术、涡轮导向器喉道 面积测量技术等。燃机装配过程工作量较大，装配平均工作量约占整个发动机修理 工作量的 50%左右。