高溫合金在燃氣輪機領(lǐng)域的應用及發(fā)展狀況

楊興杰 2024年9月25日來源：中研網(wǎng) 624 36 繁體

高溫合金行業(yè)市場需求與發(fā)展前景如何?怎樣做價值投資？

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燃氣輪機熱端部件燃燒室、連接導管、導向葉片、工作葉片和渦輪盤大多采用高溫合金材料制備，這一點與航空發(fā)動機類似，此外燃氣輪機工作環(huán)境還需要承受高硫燃氣和海水鹽分的腐蝕，設(shè)備通常工作壽命要求達到50,000-100,000小時、渦輪盤工轉(zhuǎn)數(shù)接近10,000轉(zhuǎn)分鐘、材料耐用溫

燃氣輪機裝置是一種以空氣及燃氣為介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動機，結(jié)構(gòu)與航空發(fā)動機相似。燃氣輪機主要由壓氣機、燃燒室和渦輪三大部件組成，機組啟動成功后，壓氣機連續(xù)不斷從外界大氣中吸入大氣并增壓，噴入燃燒室的燃料與空氣混合后點火燃燒，高溫高壓燃氣在渦輪中膨脹做功，2/3左右被用來帶動壓氣機，其余通過機組的傳輸軸帶動外界的各種負荷，如發(fā)電機、壓縮機、螺旋槳、泵等。燃氣輪機可以看作由燃氣發(fā)生器和動力渦輪兩大部分組成，用來帶動壓氣機和附件的稱為燃氣發(fā)生器渦輪，用來帶動減速器、螺旋槳或其他外負荷—專做功率輸出的稱為動力渦輪。

燃氣輪機具有多種優(yōu)點，例如效率高、功率大、體積小、投資省、運行成本低和壽命周期較長等。它可用于發(fā)電、交通和工業(yè)動力等領(lǐng)域。按照輸出功率來劃分，燃氣輪機可分為微型、輕型和重型三類。微型和輕型燃氣輪機功率通常在50MW以內(nèi)，可由航空發(fā)動機改制而成，能用于工業(yè)發(fā)電、船舶動力、管道增壓、坦克機車、分布式發(fā)電及熱電聯(lián)供等場景；重型燃氣輪機功率在50MW以上，主要用作陸地上固定的發(fā)電機組，如城市電網(wǎng)。

燃氣輪機的發(fā)展方向包括提高裝置的熱效率、增加單機功率、發(fā)展聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)、余熱利用回熱、燃用多種燃料以降低成本等。為了實現(xiàn)這些目標，需要不斷改進燃氣輪機的各個部件和循環(huán)系統(tǒng)，提高材料性能和制造工藝，以及探索新的技術(shù)和應用場景。

在我國，燃氣輪機的研究和發(fā)展具有重要意義。它可以應用于“西氣東輸”等大型工程，以及船舶制造業(yè)等領(lǐng)域。例如，在“西氣東輸”工程中，需要使用燃氣輪機驅(qū)動的壓縮機來保證天然氣的長距離輸送。高效低碳燃氣輪機試驗裝置的建設(shè)，也有助于我國在燃氣輪機領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。但我國在燃氣輪機技術(shù)方面，尤其是重型燃氣輪機，曾面臨國外的技術(shù)封鎖，經(jīng)過長期努力，目前已取得了一定的突破和成果。

目前燃氣輪機廣泛應用于發(fā)電、船舶動力、機車動力、管道增壓等領(lǐng)域，全世界1/5發(fā)電量來自于燃氣輪機，燃氣輪機循環(huán)熱效率可以到達60%，遠遠超過一般火電站使用的超臨界燃煤系統(tǒng)的40%；在船舶動力方面，歐美艦艇燃氣輪機裝配率在50%以上。燃氣輪機熱端部件燃燒室、連接導管、導向葉片、工作葉片和渦輪盤大多采用高溫合金材料制備，這一點與航空發(fā)動機類似，此外燃氣輪機工作環(huán)境還需要承受高硫燃氣和海水鹽分的腐蝕，設(shè)備通常工作壽命要求達到50,000-100,000小時、渦輪盤工轉(zhuǎn)數(shù)接近10,000轉(zhuǎn)分鐘、材料耐用溫度超過600℃，為滿足上述設(shè)備要求，部件材料必須使用具備耐高溫、高蠕變強度特性的高溫合金材料，目前國內(nèi)外燃氣輪機制造普遍采用鎳基高溫合金，相關(guān)需求難以替代。

圖表：2019-2021年中國燃氣輪機需求量

數(shù)據(jù)來源：中國機械業(yè)協(xié)會、中研普華產(chǎn)業(yè)研究院

根據(jù)中國機械業(yè)協(xié)會相關(guān)資料顯示，在2019到2021年中國燃氣輪機需求量呈快速上漲趨勢，2019-2021年復合年增長率達40.84%，2021年中國燃氣輪機需求量達789.6萬千瓦時，較2020年增長了237.5萬千瓦時。燃氣輪機是能源系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，是先進的動力機械裝備，屬于高新技術(shù)密集型產(chǎn)品。作為高科技的載體，燃氣輪機是國家高技術(shù)水平和科技實力的重要代表，具有十分突出的戰(zhàn)略地位。目前，僅有英、美、俄等少數(shù)發(fā)達國家具有完全獨立研制燃氣輪機的能力，我國燃氣輪機早期受經(jīng)濟和工業(yè)水平影響發(fā)展較為緩慢，近年來國內(nèi)燃氣輪機發(fā)展有所突破，已經(jīng)實現(xiàn)某型號燃氣輪機的國產(chǎn)化。未來，通過“兩機專項”重大戰(zhàn)略的實施，我國將在重型燃氣輪機設(shè)計技術(shù)、高溫部件制造技術(shù)和運行維護技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)上力爭實現(xiàn)突破，在國內(nèi)基本形成完整的重型燃氣輪機產(chǎn)業(yè)體系，國產(chǎn)燃氣輪機的市場有著廣闊的增長空間，并將促進高溫合金材料需求的增長。

船舶作為燃氣輪機的主要應用場景之一，對高溫合金有極大的需求空間。軍用艦船方面，由于近期地緣關(guān)系急劇緊張，亞太局勢日趨復雜，臺海、南海局勢不斷緊張，海軍將成為未來國防發(fā)展的重中之重；我國不斷部署新型艦船列裝部隊，目前已具備了較強的軍用船舶研發(fā)和多艦艇建造的能力。從未來發(fā)展方向上看，美國現(xiàn)有11艘航母服役，中國目前僅2艘服役，仍有極大發(fā)展空間，航母編隊需配置相應的護衛(wèi)艦、驅(qū)逐艦、登陸艦和補給艦等艦船，將帶來較大的艦隊購置投入。高溫合金材料作為軍用艦船燃氣輪機的重要部件原材料，市場空間拓展可期。

民用艦船方面，“十四五規(guī)劃”提出，要立足產(chǎn)業(yè)規(guī)模優(yōu)勢、配套優(yōu)勢和部分領(lǐng)域先發(fā)優(yōu)勢，鞏固提升船舶等領(lǐng)域全產(chǎn)業(yè)鏈競爭力，從符合未來產(chǎn)業(yè)變革方向的整機產(chǎn)品入手打造戰(zhàn)略性全局性產(chǎn)業(yè)鏈。交通運輸部和科學技術(shù)部聯(lián)合印發(fā)的《交通領(lǐng)域科技創(chuàng)新中長期發(fā)展規(guī)劃綱要（2021-2035年）》提出，要強化船舶等裝備動力傳動系統(tǒng)攻關(guān)，突破高效率、大推力/大功率發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)大功率船舶渦輪增壓器等核心零部件，到2035年交通運輸科技創(chuàng)新水平總體邁入世界前列。

2023年，我國造船三大指標：造船完工量、新接訂單量、手持訂單量，以載重噸計分別占世界總量的50.20%、66.60%和55.00%。我國造船完工量長期保持高位，2021年、2022年及2023年，我國手持船舶訂單量較去年同期分別增長34.78%、10.15%及32.00%。

圖表：2015-2023年中國三大造船指標