燃氣輪機在工業(yè)發(fā)電、機械驅(qū)動、油氣生產(chǎn)等領(lǐng)域有廣泛應用。首先，相對于傳統(tǒng) 的鍋爐、蒸汽輪機等，燃氣輪機在運輸和安裝過程中更加便捷，降低了工程投資和 施工周期。其次，燃氣輪機擁有大功率輸出能力，可以為各類設備提供穩(wěn)定而強勁 的動力，確保設備能夠高效運行。另外，燃氣輪機具有啟動快的優(yōu)勢。在緊急情況 下，燃氣輪機能夠迅速啟動并投入運行，為設備提供及時的動力支持。此外，燃氣輪 機還具備燃料適應性強、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)勢，憑借輕量化設計、高效的動力輸出、快速 響應能力以及環(huán)保節(jié)能特性，燃氣輪機在工業(yè)發(fā)電、機械驅(qū)動、油氣生產(chǎn)等多個領(lǐng) 域扮演著重要的角色。
燃氣輪機是一種旋轉(zhuǎn)葉輪式熱力發(fā)動機，其核心部件包括壓氣機、燃燒室和燃氣渦 輪，這三者共同構(gòu)成了燃氣輪機的簡單循環(huán)，這也是大多數(shù)燃氣輪機所采用的基本 方案。簡單來說，其工作原理在于通過連續(xù)流動的氣體作為工質(zhì)，驅(qū)動葉輪高速旋 轉(zhuǎn)，從而將燃料的能量高效地轉(zhuǎn)化為有用功。 根據(jù)華天航空動力官網(wǎng)的相關(guān)說明，在燃氣輪機的工作流程中，壓氣機首先負責從 外界大氣環(huán)境中吸入空氣，并通過軸流式壓氣機的逐級壓縮，使空氣增壓且溫度相 應提高。隨后，壓縮空氣被送往燃燒室，與噴入的燃料混合并進行充分燃燒，產(chǎn)生高 溫高壓的氣體。這些氣體隨后進入燃氣渦輪中，通過膨脹做功，推動渦輪旋轉(zhuǎn)，進而 帶動壓氣機和外負荷轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)。這一過程不僅實現(xiàn)了氣體或液體燃料的化學能 部分轉(zhuǎn)化為機械功，同時也輸出了電功。在燃氣輪機中，壓氣機是由燃氣渦輪膨脹 做功來帶動的，它扮演著渦輪負載的重要角色。
在簡單循環(huán)中，渦輪發(fā)出的機械功有相當一部分（大約1/2到2/3）用于帶動壓氣機運 轉(zhuǎn)，而剩余的機械功（約1/3）則用于驅(qū)動發(fā)電機。在燃氣輪機啟動的初始階段，通 常需要外界動力源（如起動機）來帶動壓氣機旋轉(zhuǎn)，直到燃氣渦輪發(fā)出的機械功超 過壓氣機消耗的機械功時，外界起動機才會脫扣，燃氣輪機才能獨立運行。這一精 巧的設計確保了燃氣輪機在啟動和運行過程中的高效與穩(wěn)定。
按照燃氣工作溫度，燃氣輪機可以分為E級、F級、G/H級、J/HA/HL級，這也是主要 的分類方式。根據(jù)工信微報和《Gas Turbines Past, Present & Future》(S.C. (John) Gülen，2021年)說明，燃氣工作溫度約1200℃-1300℃為E級燃氣輪機，燃氣工作溫 度約1400℃為F級燃氣輪機，燃氣工作溫度約1500℃為G/H級燃氣輪機，燃氣工作溫 度約1600℃為J/HA/HL級燃氣輪機，其中F級是目前在役的主流機型。第一代F級燃 氣輪機始于20世紀90年代，此后又推出了G/H級燃氣輪機，步入2010年后研制出了 效率更高的J/HA/HL級燃氣輪機，目前F級以上燃氣輪機效率均大于40%。
按照功率大小，燃氣輪機可以分為重型燃氣輪機、中型燃氣輪機、小型燃氣輪機、微 型燃氣輪機、超微型燃氣輪機。根據(jù)華天航空動力官網(wǎng)說明：重型燃氣輪機功率范 圍在100MW以上；中型燃氣輪機功率范圍在10MW～100MW；小型燃氣輪機功率范 圍在1MW～10MW；微型燃氣輪機功率范圍在100KW～1MW；超微型燃氣輪機功率 范圍在100KW以下。其中，微型燃氣輪機可由航空發(fā)動機改制而成，稱為“航改燃”。 按照設計初衷和用途，燃氣輪機可以分為工業(yè)型燃氣輪機和航改型燃氣輪機。根據(jù) 航空產(chǎn)業(yè)網(wǎng)、西門子能源官網(wǎng)說明，工業(yè)型燃氣輪機設計緊湊、可靠，注重長時間運 行的經(jīng)濟性和可靠性，主要用于發(fā)電、工業(yè)驅(qū)動和船舶推進；航改型燃氣輪機設計 靈活、緊湊、重量輕，注重高功率輸出和輕量化，最初開發(fā)應用于航空領(lǐng)域，后經(jīng)過 改造用于地面或工業(yè)應用（如油氣行業(yè)的發(fā)電和機械驅(qū)動應用等）。
在技術(shù)與材料的雙重考驗下，燃氣輪機產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)壁壘相對較高，制造過程涉及 氣動力學、固體力學、燃燒學、機械學、材料學、自動控制等多學科交叉。 燃氣輪機的上游產(chǎn)業(yè)鏈主要聚焦在材料研發(fā)生產(chǎn)。燃氣輪機部件的關(guān)鍵材料，主要 包括多種高溫合金、鋁合金、鈦合金，以及高性能的復合材料和熱障涂層等。燃氣輪 機作為一種能夠?qū)崮苻D(zhuǎn)化為機械功的旋轉(zhuǎn)動力機械，其正常運作基于連續(xù)流動的 高溫氣體，因此需要能夠承受較高的溫度。例如在工業(yè)和船用領(lǐng)域，根據(jù)華天航空 動力官網(wǎng)相關(guān)說明，燃氣輪機需承受高達1200攝氏度的極端溫度。因此，燃氣輪機 的主要材料以高溫合金、鈦合金等為主。隨著技術(shù)的進步和研究的深入，合金材料 也經(jīng)歷了較為漫長的發(fā)展歷程。以高溫合金為例，根據(jù)《Gas Turbines Past, Present & Future》(S.C. (John) Gülen，2021年)資料顯示，合金材料經(jīng)歷了由鍛造合金到等 軸熔模鑄造合金再到定向凝固鑄造合金的發(fā)展歷程，并于20世紀80年代研發(fā)了單晶 鑄造合金。同時，熱障涂層的運用顯著提升了零部件的抗腐蝕和耐高溫性能，確保 了其在極端工況下的穩(wěn)定運行。
燃氣輪機的中游產(chǎn)業(yè)鏈以零部件的精密制造為核心。渦輪葉片、壓氣機葉片、燃燒 室以及渦輪輪盤，為燃氣輪機的四大核心熱端部件。這些部件的制造難度較高，需 要鑄造、鍛造、焊接、熱處理、無損檢測、精加工以及性能評價等多個學科和專業(yè)的 深度融合。
燃氣輪機的下游產(chǎn)業(yè)鏈主要涉及整機制造、維護保養(yǎng)、維修及升級。整機制造企業(yè) 對各零部件進行篩選和設計，將零部件整合成高效、可靠、能夠安全運行的燃氣輪 機。此外，為了確保燃氣輪機的穩(wěn)定性并且延長其使用壽命，下游環(huán)節(jié)還包括了定 期的維護、修理及可能的升級。
燃氣輪機行業(yè)下游應用廣泛，主要涵蓋電力、油氣運輸、船舶制造、重型機車等多 個關(guān)鍵領(lǐng)域。隨著天然氣作為一種高效、優(yōu)質(zhì)、清潔的能源和理想的化工原料，近年 來逐漸被世界各國重視，燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)技術(shù)較適合于燃用天然氣的動力裝 置，因其具有高效能源轉(zhuǎn)換能力和環(huán)保排放特性，天然氣能夠得到更加充分的利用。 據(jù)Grand View Research 網(wǎng)站統(tǒng)計，目前全球燃氣輪機的主要用途集中在電力生產(chǎn) 上，占比超67.0%，其高效穩(wěn)定的性能使其成為電力行業(yè)的首選動力源。同時，也有 部分燃氣輪機被應用于工業(yè)如為艦船和坦克提供動力支持等。隨著技術(shù)的不斷進步 和市場的不斷擴大，新的燃氣輪機產(chǎn)品型號不斷出現(xiàn)，機組性能不斷改善提高。
電力公用行業(yè)以重型燃氣輪機為主，過去七年內(nèi)重型燃氣裝機量占比近95%。重型 燃氣輪機由于其功率高，穩(wěn)定性較好，且長期運行的經(jīng)濟性更好等原因，在公用發(fā) 電行業(yè)上具備較強優(yōu)勢。據(jù)Gas Turbine World雜志，2017-2023年全球燃氣輪機用 于電力公用行業(yè)的臺數(shù)為1445臺，發(fā)電裝機容量達229.25GW。按裝機臺數(shù)劃分，重 型燃氣輪機安裝臺數(shù)為1020臺，占比約70%；按裝機兆瓦數(shù)劃分，重型燃氣輪機裝 機約217.01GW，占比達95%。
油氣行業(yè)重型燃氣輪機與航改型燃氣輪機平分秋色。據(jù)Gas Turbine World網(wǎng)站， 2017-2023年全球燃氣輪機用于油氣行業(yè)的臺數(shù)為1585臺，發(fā)電裝機容量達 45.91GW。按照裝機容量劃分，航改型、重型、輕型燃氣輪機占比分別為42%、44%、 14%。
燃氣輪機近五年銷售量較平穩(wěn)，技術(shù)迭代或可激發(fā)下游更新需求。據(jù)Gas Turbine World網(wǎng)站預計，燃氣輪機銷售量從2019年的389臺逐步攀升至2023年的453臺，而 按兆瓦數(shù)統(tǒng)計則由39975MW波動上升至44101GW。2023年按兆瓦數(shù)口徑統(tǒng)計的銷 售量較2022年略有下滑，主要是因為2022年電力公司對新一代H級與J級燃氣輪機技 術(shù)的更新需求激增，導致2022年銷售量基數(shù)較高，達50479WM。
未來十年全球訂單總額超1370億美元，市場前景較為廣闊。據(jù)Gas Turbine World網(wǎng) 站雜志，預計2024年全年銷售按兆瓦數(shù)統(tǒng)計將達到45805MW，同比增長3.9%；按 臺數(shù)統(tǒng)計將達到502臺，同比增加10.9%，其中發(fā)電公用行業(yè)將增長17%，油氣行業(yè) 將增長5%。此外，預計未來十年燃氣輪機僅新增訂單額（不包含輔助系統(tǒng)以及安裝 費用）就將超過1370億美元，售后與維修市場規(guī)?；?qū)⒊^2610億美元。據(jù)藍色碳 能公眾號測算，亞太地區(qū)作為全球燃氣輪機市場增長最快地區(qū)，2023年燃氣輪機市 場規(guī)模約94.45億美元，預計到2033年將達到199.6億美元，年復合增長率達7.8%。
全球燃機市場景氣度持續(xù)，龍頭企業(yè)如GE Vernova 相關(guān)訂單及營收快速增長。據(jù) GE Vernova 公司公眾號，公司公布2024年財報，強勁財務表現(xiàn)表明當前全球能源 變革、低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展勢頭足。2024年第二季度，GEV 公司發(fā)電業(yè)務板塊，訂單方面， 實現(xiàn)訂單總額50億美元，有機同比增長30%，主要得益于燃氣發(fā)電和水電訂單的增 長，其中服務訂單（售后維修及備件）也實現(xiàn)雙位數(shù)增長；營收層面，發(fā)電業(yè)務板塊 第二季度實現(xiàn)總營收45億美元，增長8%、有機增長10%，其中燃氣發(fā)電設備及服務 業(yè)務對該增長貢獻最大；利潤率第二季度增長1.8%，得益于燃氣發(fā)電服務量的增長、 生產(chǎn)力的提高以及價格的積極走勢。
全球燃氣輪機領(lǐng)域的格局相對穩(wěn)固，三大巨頭公司共同占據(jù)了超過七成的市場份額。 目前，國際燃氣輪機行業(yè)已經(jīng)形成了由少數(shù)巨頭高度壟斷的技術(shù)與市場格局。根據(jù) Gas turbine world網(wǎng)站的最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在2023年按OEM劃分的燃氣輪機市場份額 中，三菱動力以35.6%的份額雄踞榜首，緊隨其后的是西門子能源和通用電氣，分別 占據(jù)了24.5%和16.2%的市場份額。
隨著以“碳達峰”“碳中和”為目標的能源轉(zhuǎn)型持續(xù)推進，全球四大動力設備制造 廠商先后推出H/J級燃氣輪機。相比于其他機型，H/J級燃氣輪機是一種高效、可靠 且操作靈活的解決方案，能夠提高發(fā)電效率，更具經(jīng)濟性。H /J級燃氣輪機研發(fā)制造 的核心技術(shù)和市場份額目前主要由通用公司（GE Vernova）、西門子公司（siemens energy）、三菱公司（Mitsubishi Power）以及安薩爾多公司（Ansaldo）分割，目 前H /J級燃氣輪機已能實現(xiàn)高達64%的聯(lián)合循環(huán)凈效率。
當前我國H/J級燃氣輪機主要機型仍以進口為主。根據(jù)《Gas Turbines Past, Present & Future》(S. C. (John) Gülen，2021年)， G/H級燃氣輪機的透平入口燃氣溫度在 F級燃氣輪機的基礎上提高了100℃，而J/HA/HL級燃氣輪機入口燃氣溫度，則在G/H 級燃氣輪機的基礎上進一步增長了100℃，并且需要在減少氮氧化物等污染氣體排放 的同時提高效率，這對冶金技術(shù)、熱障涂層技術(shù)及冷卻技術(shù)等提出更高的要求。例 如，根據(jù)《H 級燃氣輪機的發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)特點分析》（蟻建榮等，2022年）的研 究，為了提高葉片的機械強度和耐腐蝕能力，通用公司9HA.2燃氣輪機中的壓氣機第 1級動葉采用了鈦合金葉片，9HA.01壓氣機的第1級動葉為GTD450材料；為了使葉 片的抗裂性得到提高，實現(xiàn)在最極端條件下涂層的堅固性，西門子的SGT5－9000HL 機型，對熱障涂層進行了改進；為了使葉片氣動損失和冷卻效率得到優(yōu)化，安薩爾 多公司的H級GT36燃氣輪機對噴嘴葉片和動葉葉片都采用了氣膜冷卻技術(shù)，還加入 了表面光滑的熱障涂層。
天然氣發(fā)電需求是影響燃氣輪機規(guī)模化民用的原因之一。鑒于工業(yè)發(fā)電是燃氣輪機 的主要應用方向，較低的燃氣發(fā)電需求占比影響對燃氣輪機的需求。根據(jù)Wind數(shù)據(jù) 顯示，2004年前，我國天然氣供應長期低位徘徊，相較于美國和俄羅斯，其供應量 僅為兩國的二十分之一。由于天然氣供應的嚴重不足，我國燃氣發(fā)電的潛力被極大 地限制，導致同期燃氣發(fā)電量僅為美俄的百分之一，進而減少了前期國內(nèi)對燃氣輪 機的需求。
在國產(chǎn)化程度提高、天然氣供應增阿基、相關(guān)技術(shù)突破等驅(qū)動下，我國燃氣輪機供 應鏈未來發(fā)展空間大。我國燃氣輪機供應鏈有望受益于天然氣供應量上升所帶來的 燃氣發(fā)電需求增長。據(jù)中國石油報公眾號2024年7月推送，我國天然氣產(chǎn)量已連續(xù)4 年超過2000億立方米，連續(xù)7年保持百億立方米級別的增產(chǎn)態(tài)勢，并預計到2025年 將迎來天然氣大發(fā)展時代，成為繼美國、俄羅斯、伊朗之后，躋身年產(chǎn)量2500億立 方米級的天然氣大國。天然氣供應量的增長將從需求端推動我國燃氣輪機產(chǎn)業(yè)鏈發(fā) 展。同時，我國燃氣輪機的國產(chǎn)化趨勢將從供給端支撐燃氣發(fā)電需求的增長。
燃氣輪機作為“動力心臟”事關(guān)能源安全，政策支持力度持續(xù)加大。為了增強我國 在航空發(fā)動機和燃氣輪機領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力，黨中央、國務院于2012年設立了“航 空發(fā)動機與燃氣輪機”國家科技重大專項（簡稱“兩機專項”），并成立了專家委員 會進行深入論證，為我國燃氣輪機的發(fā)展奠定了基礎。2014年7月，“兩機專項”的 實施方案正式提交至國務院，這一專項的核心目標是通過自主研發(fā)重點型號，構(gòu)建 起我國“兩機”動力行業(yè)的自主創(chuàng)新能力體系，致力于將我國的航空發(fā)動機和燃氣 輪機產(chǎn)業(yè)塑造為具有國際競爭力的戰(zhàn)略性高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，從而滿足我國航空、能源和 電力工業(yè)對高性能動力裝備的迫切需求。隨著“兩機專項”的深入實施，在2015年， 燃氣輪機的發(fā)展被納入了《中國制造2025》的國家戰(zhàn)略規(guī)劃之中。
系列利好政策助推我國燃氣輪機行業(yè)的發(fā)展。根據(jù)《重型燃氣輪機產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新鏈競 爭力分析》（胡文龍，2021年），2014年，中國聯(lián)合重型燃氣輪機技術(shù)有限公司（簡 稱“中國重燃”）在上海揭牌，作為國家級重型燃氣輪機專項的科研先鋒，該公司肩 負起研制重型燃氣輪機和工程驗證機等重任；2017年，為加速燃氣輪機產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新 步伐與核心技術(shù)的國產(chǎn)化進程，依托哈爾濱電氣、東方電氣、上海電氣、中國航發(fā)、 中國船舶重工集團等十大領(lǐng)軍企業(yè)，啟動了首批燃氣輪機創(chuàng)新發(fā)展示范項目；2018 年，教育部正式批準清華大學攜手中國重燃，共建“燃氣輪機省部共建協(xié)同創(chuàng)新中 心”，該中心緊密圍繞國家“兩機專項”中的燃氣輪機研發(fā)需求，深耕科技攻關(guān)與應 用基礎研究；2020年“中國燃氣輪機產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟”正式成立，以中國重燃為理事 長單位，匯聚了全國范圍內(nèi)66家頂尖高校、科研機構(gòu)、創(chuàng)新中心、動力集團、制造 企業(yè)及行業(yè)用戶等核心成員。
我國燃氣輪機行業(yè)的發(fā)展離不開零部件制造領(lǐng)域的突破。根據(jù)中國東方電氣集團有 限公司官網(wǎng)、新華網(wǎng)、“工信微報”微信公眾號等介紹，自2016年建立起國內(nèi)首批 壓氣機、燃燒器及透平部件級試驗平臺以來，我國燃氣輪機技術(shù)持續(xù)突破。2018年， 自主研發(fā)的壓氣機與燃燒器問世，同時建成目前國內(nèi)最大功率的燃氣輪機整機試驗 臺；2019年，實現(xiàn)了所有高溫部件的完全自主制造，整機點火試驗一次成功；2020 年，F(xiàn)級50兆瓦重型燃氣輪機首次運行至滿負荷狀態(tài)；2022年，實現(xiàn)F級50兆瓦重型 燃氣輪機滿負荷連續(xù)運行24+72小時，在華電清遠再次一次點火成功；2023年3月， 東方電氣集團成功推出了我國首臺全國產(chǎn)化的F級50兆瓦重型燃氣輪機商業(yè)示范機 組；同年6月，中國航發(fā)“太行110”重型燃氣輪機順利通過產(chǎn)品驗證鑒定，標志著 我國在該領(lǐng)域已全面完成自主研制流程，填補了國內(nèi)該功率等級產(chǎn)品的空白；2024 年2月，國內(nèi)首臺300兆瓦F級重型燃氣輪機樣機在上海臨港順利完成總裝下線，這是 我國在大功率重型燃氣輪機自主設計制造領(lǐng)域的首次突破。
目前，國內(nèi)燃氣輪機產(chǎn)業(yè)鏈正逐步完善。據(jù)Gas Turbine Focus發(fā)布的《燃氣輪機產(chǎn) 業(yè)發(fā)展白皮書（2023）》顯示，國內(nèi)燃氣輪機零部件企業(yè)逐年增加，地位逐步提升； 整機企業(yè)如中國重燃、東方電氣等在重型燃氣輪機國產(chǎn)化方面不斷取得進展；無錫 明陽氫燃公司在氫燃料燃氣輪機領(lǐng)域取得較大突破。據(jù)東方電氣2023年年報顯示， 公司燃機業(yè)務收入由2022年18.31億元增長至2023年的37.89億元，同比增長率達 106.94%，增長速度較快。 材料技術(shù)的雙重突破將有望推動我國燃氣輪機的國產(chǎn)化趨勢。長期以來，受制于燃 氣輪機技術(shù)的高門檻與復雜性，我國本土制造的燃氣輪機在國際市場占有率則相對 較低。據(jù)Wind數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2017年至2024年5月之間，進口燃氣輪機金額在總進出口 交易額中的比例始終保持在30%以上的高位；從進出口結(jié)構(gòu)來看，我國在P≤5000kw 的輕型燃氣輪機出口領(lǐng)域展現(xiàn)出一定競爭力，但面對P5000kw的重型燃氣輪機市場， 則大多依賴于進口。重型燃氣輪機因其復雜的工藝技術(shù)和高附加值特性，導致了我 國在燃氣輪機整體貿(mào)易中處于逆差狀況。隨著國內(nèi)燃氣輪機在性能與質(zhì)量上的不斷 提升，有望減少對進口產(chǎn)品的依賴，推動燃氣輪機行業(yè)的國產(chǎn)化進程，并在全球市 場中逐步增強競爭力。
尖端零部件技術(shù)的重大突破，有望驅(qū)動我國燃氣輪機實現(xiàn)出海。目前，我國燃氣輪 機產(chǎn)品開始積極尋求海外市場拓展。根據(jù)央視新聞客戶端報道，2021年6月，中國船 舶集團703所自主研發(fā)的CGT25-D型燃氣輪機，在俄羅斯諾瓦泰克天然氣增壓站項 目中成功完成了七十二小時的考核試驗，并順利通過交付驗收，標志著我國燃氣輪 機產(chǎn)品首次邁入國際市場，實現(xiàn)了出口零的突破。2023年，據(jù)High North News報道， 俄羅斯最大的獨立天然氣生產(chǎn)商諾瓦泰克公司計劃與中國哈爾濱汽輪機廠有限責任 公司簽訂采購合同，向其采購20臺燃氣輪機。
燃氣輪機是天然氣發(fā)電的核心設備，燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率高。據(jù)中國能建公 眾號文章，根據(jù)熱力循環(huán)的特點，燃機項目可分為簡單循環(huán)發(fā)電項目和燃氣-蒸汽聯(lián) 合循環(huán)發(fā)電項目。簡單循環(huán)由燃氣輪機和發(fā)電機獨立組成，燃燒段的高溫排氣直接 排入大氣，不進行任何利用，其優(yōu)點是裝機快，起停靈活，缺點是效率較低；聯(lián)合循 環(huán)在簡單循環(huán)的基礎上，利用燃氣輪機排氣余熱在余熱鍋爐中將水加熱變成過熱蒸 汽，再將蒸汽引入汽輪機膨脹做功，整體效率較高。據(jù)《工業(yè)燃氣輪機先進技術(shù)現(xiàn)狀 及發(fā)展趨勢》（孔祥林，2024），用于發(fā)電的重型燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)效率約64%， 簡單循環(huán)效率約44%。而據(jù)《我國燃氣發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢》（劉志坦，2018）， 燃煤電廠機組發(fā)電效率僅為42％~47％。
中國天然氣發(fā)電處于穩(wěn)健發(fā)展期。據(jù)GE公司的天然氣發(fā)展白皮書，自2014年7月以 來，國家發(fā)改委陸續(xù)發(fā)布了一系列鼓勵和促進天然氣發(fā)電發(fā)展的相關(guān)政策。2017年 6月，國家發(fā)展改革委發(fā)布的《加快推進天然氣利用的意見》中提出，將天然氣培育 成為中國現(xiàn)代清潔能源體系的主體能源之一。與此同時，天然氣發(fā)電行業(yè)的改革和 發(fā)展也在不斷推進。截至2023年底，我國燃氣發(fā)電裝機容量已經(jīng)達到1.26億千瓦， 同比增長9.38%，近十年天然氣發(fā)電裝機年均復合增長率達11.4%，主要集中在長三 角區(qū)域的江浙滬、珠三角區(qū)域的廣東，以及京津冀等負荷中心省市。
我們將未來天然氣裝機需求拆分為兩部分，一部分需求來自其在新型電力系統(tǒng)中的 定位，由于其在滿足新能源發(fā)電的調(diào)峰需求方面優(yōu)勢較為顯著，因此具備較強的需 求剛性；另一部分需求來自燃煤發(fā)電廠逐步淘汰而導致的空缺填補，該部分受天然 氣價格影響較大，需求彈性較大。
雙碳目標下，可再生能源持續(xù)替代化石能源發(fā)電已成為主要發(fā)展趨勢之一。據(jù)中國電力報及Wind數(shù)據(jù)，2023年我 國可再生能源總裝機達到14.5億kw，占全國發(fā)電總裝機超過50%，歷史性超過火電 裝機，其中風電與太陽能發(fā)電總裝機占比超35%。據(jù)IEA預測，2023-2028年間中國 的可再生能源電力裝機容量增長將增加兩倍，占全球增長的56%，達到2062.1GW。
可再生能源存在“看天吃飯”問題，因此新型電力系統(tǒng)存在靈活調(diào)峰需求。據(jù)《對 天然氣在新型能源體系中地位和作用的認識》（周淑慧，2024），隨著可再生能源 裝機占比快速增加，風力發(fā)電、太陽能發(fā)電等出力的隨機性和波動性使得電力系統(tǒng) 面臨季節(jié)性調(diào)節(jié)需求增大、長周期調(diào)節(jié)難度加大等難題。從青海地區(qū)風電及光伏發(fā) 電逐月特性曲線月最高，6月最低，峰谷比超過1.5；而從青海地區(qū)風電及光伏發(fā)電高峰月平均日 處理曲線可知，光伏發(fā)電白天與晚上出力存在極大差別，午間達到極值，夜間降為 零；風力發(fā)電日內(nèi)也存在明顯波動，傍晚高，午間低，兩時段相差約1.6倍。
我國靈活性調(diào)峰電源裝機占比較低，還存在較大發(fā)展空間。據(jù)“中科院之聲”公眾 號，根據(jù)北歐等新能源發(fā)電比例較高地區(qū)的電力系統(tǒng)調(diào)峰經(jīng)驗，要保障電網(wǎng)的安全 穩(wěn)定運行，靈活調(diào)峰電源裝機容量至少要達到總裝機容量的10％～15％。據(jù)“ 電聯(lián) 新媒”公眾號，中電聯(lián)研究顯示，我國靈活調(diào)節(jié)電源裝機占比不到6%，新能源富集 的“三北”地區(qū)不足3%。比較而言，歐美等國家靈活電源比重較高，西班牙、德國、 美國靈活電源占比分別為34%、18%、49%。
天然氣發(fā)電響應快、穩(wěn)定，適用于靈活調(diào)峰，將成為新能源電力系統(tǒng)的重要補充。 據(jù)《天然氣發(fā)電在中國能源轉(zhuǎn)型期的定位與發(fā)展路徑建議》（單彤文，2021），燃 氣發(fā)電相比燃煤發(fā)電具有負荷調(diào)節(jié)范圍寬、響應快速、變負荷能力強的特點，是電 網(wǎng)調(diào)峰的更佳選擇。燃氣電廠冷啟動時間僅為燃煤電廠的幾分之一甚至幾十分之一。 此外，與儲能電池相比，燃氣電廠的成本更低。在穩(wěn)定性方面，據(jù)GE Gas Power測 算的不同電源類型的可靠容量系數(shù)對比，氣電是除核電外第二可靠的調(diào)峰電源。相 比而言，天然氣發(fā)電既可以實現(xiàn)分鐘級的響應，又能實現(xiàn)較低成本，無疑是響應速 度及成本綜合較優(yōu)的調(diào)峰電源，為可再生能源提供調(diào)峰服務，緩解或消除其不穩(wěn)定、 瞬時變化大對電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。
與燃煤發(fā)電相比，燃氣發(fā)電清潔程度更高，更契合“雙碳”目標。據(jù)GE Vernova官 方公眾號，發(fā)同等電量時，天然氣發(fā)電產(chǎn)生的二氧化碳比煤電低60%以上，以使用 天然氣為燃料的HA級燃機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組為例，雖然同為化石能源，但每度電的 二氧化碳排放值僅為320g。最先進的9HA.02 聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率64%，折合每度電 煤耗192克。燃機聯(lián)合循環(huán)的碳強度比同等煤電少60%以上。且由于燃氣輪機從源頭 降低Sox、NOx顆粒物的污染物排放，避免了二次污染。
能效高、占地少、節(jié)約資源，燃氣發(fā)電組更適宜布局在城市周邊。據(jù)《新型電力系 統(tǒng)中我國氣電產(chǎn)業(yè)的定位與思考》（劉志坦，2024），大型燃氣發(fā)電機組發(fā)電效率 較燃煤機組可提高10%以上；大型燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)較燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)能效更高且能源產(chǎn) 出品位更高。新建9F燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組占地面積僅為660MW超臨界燃煤電廠的 約1/4；燃氣電廠單位度電耗水量僅為燃煤電廠的30%左右；燃氣電廠的建設周期相 對更短、初始投資相對更低。
燃氣分布式能源優(yōu)勢明顯，國內(nèi)裝機規(guī)模增長可期。據(jù)《中國石油石化》2023年4月 公眾號，在近中期，燃氣分布式能源將發(fā)揮低碳、穩(wěn)定、靈活等優(yōu)勢，為推動可再生 能源發(fā)展和構(gòu)建新型能源體系提供支撐和保障，并通過氫能、生物天然氣等低碳燃 氣應用推動技術(shù)創(chuàng)新。中國城市燃氣協(xié)會分布式能源專業(yè)委員會基于行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā) 展趨勢，按照低、中、高三種情景對2025年和2030年天然氣分布式能源總裝機規(guī)模 進行預測，認為2025 年，低、中、高三種情景下，裝機規(guī)模分別為3001萬千瓦、 3605萬千瓦和4297萬千瓦；2030 年，低、中、高三種情景下，裝機規(guī)模分別為4050 萬千瓦、5843萬千瓦和8363萬千瓦。
信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展或為能源設施帶來一定挑戰(zhàn)。信息技術(shù)行業(yè)發(fā)展，如云計算、 AI 人工智能、ML 機器學習、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，牽引對于數(shù)據(jù)中心的可持續(xù)、高成 本效益、可靠運行的要求，進而對數(shù)據(jù)中心此類能源密集型行業(yè)的能源設施提出了 新的挑戰(zhàn)，尤其是 AI 和 ML 的發(fā)展。同時，據(jù)GE Vernova 《Greening the future data center infrastructure via the GE aeroderivative technology and microgrid controls》, 過去十年，數(shù)據(jù)中心因云計算、超大規(guī)模、5G 網(wǎng)絡等技術(shù)變革，規(guī)模 大幅增長。預計到 2025 年，數(shù)據(jù)存儲量將從 2018 年的 33ZB 增長到 175ZB， 盡管單位數(shù)據(jù)傳輸能耗有所降低，但整體能耗仍持續(xù)增加，給能源供應帶來壓力。 數(shù)據(jù)中心、人工智能和加密貨幣的電力消費預計將大幅增加。據(jù)IEA 報告《Electricity 2024 analysis and forecast to 2026》（2024年1月報告），2022年全球數(shù)據(jù)中心、 加密貨幣和人工智能（AI）消耗了約460 TWh的電力，幾乎占全球總電力需求的2%。 數(shù)據(jù)中心的電力需求主要來自兩個過程，計算占數(shù)據(jù)中心電力需求的40%，實現(xiàn)穩(wěn) 定加工效率的冷卻要求占40%，其余20%來自其他關(guān)聯(lián)的IT設備。根據(jù)部署速度、效 率提高范圍以及人工智能和加密貨幣趨勢，該報告預計2026年數(shù)據(jù)中心、加密貨幣 和人工智能的全球用電量將在620-1050TWh之間，高于2022年的460TWh。目前， 全球有8000多個數(shù)據(jù)中心，其中約33%位于美國，16%位于歐洲，近10%位于中國。 預計未來幾年美國數(shù)據(jù)中心的電力消耗量將快速增長，從2022年的約200 TWh（占 美國電力需求約4%），增長到2026年的近260TWh、占總電力需求的6%；據(jù)中國國 家電網(wǎng)能源研究院預計，到2030年，該國數(shù)據(jù)中心行業(yè)的電力需求將比2020年翻一 番，達到400 TWh。據(jù)預計，2023年，NVIDIA出貨了100,000臺設備，平均每年消 耗7.3 TWh的電力。
AI 和 ML 發(fā)展，離不開安全、穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)中心的能源建設，據(jù) GE Vernova 《The data centers AI & ML Trilemma》，AI和ML對能源帶來的挑戰(zhàn)主要有幾點： 1. 機架功率密度和冷卻系統(tǒng)能耗需求增加電力負擔。電源使用效率（PUE）是計算 機數(shù)據(jù)中心設施使用的總能量，與輸送到計算設備的能量之比，是數(shù)據(jù)中心最重要 的關(guān)鍵績效指標之一。在理想情況下，PUE比率應等于1，但總會存在將該比率增加 到1以上的低效率，如熱負荷和冷卻系統(tǒng)。隨著AI和ML的快速發(fā)展，往往需要大規(guī)模 使用HPC和GPU，與傳統(tǒng)架構(gòu)相比，這使得機架功率密度攀升，可能超70KW/架。 傳統(tǒng)空氣冷卻系統(tǒng)在機架密度超20KW時效率降低，未來可能需更多液體冷卻，進一 步增加電力需求和電網(wǎng)負擔。 2. 碳排放增加。以GPT - 3為例，1.1的電源使用效率（PUE）數(shù)據(jù)中心需消耗1287 兆瓦時（MWH），產(chǎn)生502噸二氧化碳當量排放，乘以PUE后為552噸，使得數(shù)據(jù)中 心多靠購買可再生能源證書（RECs）抵消碳足跡，但隨著ML、AI模型發(fā)展，此方式 可能因價格上漲，增加數(shù)據(jù)中心的運營成本。 3. 水排放的增加。訓練AI模型如GPT – 3需消耗大量清潔淡水，數(shù)據(jù)中心使用液體 冷卻時水資源問題凸顯，且水使用效率（WUE）受多種因素影響，ML模型訓練時 WUE可能因不同情況波動。
傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的備用能源難以同時兼顧可靠性、清潔性等需求。 據(jù)GE Vernova 《Greening the future data center infrastructure via the GE aeroderivative technology and microgrid controls》，數(shù)據(jù)中心依賴備用電源，如 高速柴油發(fā)電機組，隨著化石燃料成本上升、企業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標和法規(guī)要求，這 種模式難以持續(xù)且擴大使用范圍，需提高運營效率并更多依賴可再生能源，但可再 生能源發(fā)電的間歇性和不穩(wěn)定性又帶來新挑戰(zhàn)。 據(jù)《國產(chǎn)燃機在數(shù)據(jù)中心應急電源的應用》（趙大鵬，2022年），近期全球部分出 現(xiàn)大面積限電，在一定程度上影響了數(shù)據(jù)中心的電力供應。此外，當出現(xiàn)突發(fā)性不 可抗拒自然災害天氣、大面積停電事故、兩路市電電源同時停電或檢修的情況時， 應按要求啟動備用電站的后備電源。而在保障數(shù)據(jù)中心通信系統(tǒng)高品質(zhì)供電的同時， 應急電源還要綠色、節(jié)能、低碳，因此對于超大型數(shù)據(jù)中心而言，碳排放更少的燃氣 輪機應急電源發(fā)電機組的相對優(yōu)勢較為明顯。
數(shù)據(jù)中心燃氣輪機發(fā)電機組與柴油發(fā)電機組對比主要有四點優(yōu)勢，據(jù)《國產(chǎn)燃機在 數(shù)據(jù)中心應急電源的應用》（趙大鵬，2022年），數(shù)據(jù)中心燃氣輪機發(fā)電機組與柴 油發(fā)電機組相比，有4個方面優(yōu)勢，易于部署、發(fā)電品質(zhì)好、節(jié)能環(huán)保、維護方便。 例如，在維護方便方面，相同負荷時燃氣輪機的配置數(shù)量少，約為往復式柴油發(fā)電 機組的1/6~1/8。安裝調(diào)試完成后幾乎沒有維護工作，年保養(yǎng)運行時間比往復式柴油 發(fā)電機組減少3/4以上。在超大型數(shù)據(jù)中心應用方面，燃氣輪機作為分布式能源能夠 起到調(diào)峰及安全保障作用。 例如，2016年2月1日，由于天氣原因造成的突發(fā)事件導致中國聯(lián)通天津濱海新區(qū)IDC 的兩路市電供電全部中斷。QD128通信燃氣輪機發(fā)電機組自動起動，一次起動成功， 并突加載1.2MW負荷，穩(wěn)定運行至市電供電恢復，歷時1.5 小時，成功避免了類似 事件造成的服務器失電、客戶數(shù)據(jù)丟失等損失。
隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的擴大，燃氣輪機有望成為運營商備份能源的可選選擇之一。據(jù) 中科國晟公眾號2024年10月推送，對于大型數(shù)據(jù)中心（60 MW以上）的連續(xù)發(fā)電和 供冷，多燃料燃氣輪機是較佳解決方案之一，它們是經(jīng)過驗證的可靠的技術(shù)，在電 冷聯(lián)供模式下表現(xiàn)出高燃料效率，同時滿足數(shù)據(jù)中心的電力和冷卻需求。 例如，（1）以60MW數(shù)據(jù)中心為例，需要配備30臺2MW柴油發(fā)電機以及80噸柴油， 年平均開機時間不到1小時，備而不用、設備閑置和維護保養(yǎng)造成一定的資源浪費， 油料品質(zhì)也需要不斷檢查更新，費時費力；（2）對于數(shù)據(jù)中心運營商最重要的考量 是運營成本。由于航改燃機的安裝周期短、燃料靈活性更高、維護更簡單、效率更 高，運營費用差異較大。使用三臺30MW級航改燃機聯(lián)合循環(huán)典型115 MW發(fā)電廠可 能比安裝同功率等級的往復式發(fā)動機成本更高，但考慮到節(jié)省潤滑油、維護成本和 所有此類費用，與更便宜且污染更嚴重的重質(zhì)燃料油（HFO）相比，每年可以節(jié)省 超過5000萬元。（3）裝備低排放燃燒系統(tǒng)的航改燃機的排放水平遠低于往復式發(fā)動 機，研究表明，典型30MW航改燃機的CO排放水平不到往復式發(fā)動機的5％，NOx排 放水平不到往復式發(fā)動機的6％。 例如，據(jù)GE Vernova 《Greening the future data center infrastructure via the GE aeroderivative technology and microgrid controls》，針對數(shù)據(jù)中心能源體系，GE Vernova提出了6種解決方案，其中一種為“電網(wǎng)連接與備用發(fā)電”，該方案的工 作模式是數(shù)據(jù)中心主電源來自電網(wǎng)，航改燃氣輪機作為備用電源，其優(yōu)勢是啟動迅 速（約5分鐘），同時非備用時可服務電網(wǎng)獲取收益，改善項目資產(chǎn)負債表并減輕 電網(wǎng)負擔；使用可再生和混合燃料更可持續(xù)、經(jīng)濟。
海外主要燃氣輪機巨頭積極拓展燃氣輪機在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的應用。例如，據(jù)彭博社 2024年12月新聞，隨著人工智能需求激增，GE Vernova 將利用天然氣為城市規(guī)模 的數(shù)據(jù)中心供電，同時公司與大型技術(shù)公司簽訂了渦輪機銷售合同。通用電氣 Vernova公司首席執(zhí)行官Scott Strazik表示，大型科技公司正在為其計劃中的5千兆 瓦數(shù)據(jù)中心園區(qū)預留渦輪機（燃氣發(fā)電廠的核心發(fā)動機），表示這些公司的目標是 讓其中一些大型設施最早于2028年投入運行，同時他提到僅在過去30天內(nèi)，GE Vernova 就與包括數(shù)據(jù)中心開發(fā)商在內(nèi)的客戶簽訂了9千兆瓦的燃氣輪機訂單。此 外，據(jù)彭博社2024年10月新聞，三菱電機認為，與過去三年相比，到2026年，全球 每年訂購的燃氣輪機數(shù)量將增加50%，部分原因是數(shù)據(jù)中心的增長。
煤炭曾為美國最主要電力來源，天然氣發(fā)電后來居上。據(jù)《美歐煤電轉(zhuǎn)型的經(jīng)驗及 啟示》（張曉艷，2022），煤炭在2004年以前在總發(fā)電量中占比一直維持在50%以 上。1998—1999年，煤電發(fā)電量超過2萬億千瓦時峰值，此后略有下降，但在2005 與2007年再次超過2萬億千瓦時，隨后基本維持下降趨勢。2016年煤電發(fā)電量降至 1.24萬億千瓦時（占比降至30.3%）并首次被天然氣發(fā)電超越，2020年被可再生能源 （20.3%）和核電（19.6%）超越，發(fā)電量降至第四，占美國總發(fā)電量比重為19.1%。 據(jù)《美國能源可持續(xù)利用現(xiàn)狀及對中國的啟示》（胡健，2024），2021年，美國天 然氣發(fā)電占發(fā)電總量的38.3%，達到1575TW·h，比2020年下降2.2%。
美國自2010年以來，燃煤發(fā)電廠部分轉(zhuǎn)為燃氣發(fā)電廠。據(jù)《美歐煤電轉(zhuǎn)型的經(jīng)驗及 啟示》（張曉艷，2022），為了滿足日益趨嚴的排放標準，除開發(fā)新技術(shù)，減少碳 及有毒氣體排放外，美國燃煤電廠通常采取兩種做法（EIA，2020）：一是淘汰燃煤 電廠，新建天然氣聯(lián)合循環(huán)（NGCC）電廠。2011—2019年，美國有17家發(fā)電企業(yè) 用新的NGCC電廠替換舊的燃煤電廠，新建NGCC電廠總發(fā)電量為15.3吉瓦（GW）， 比原來燃煤電廠7.9GW容量增加了94%。二是改造燃煤電廠的鍋爐，轉(zhuǎn)向燃燒其他 碳排放較少的燃料（如天然氣）。服役期較長且裝機容量較小的煤電廠常采用這種 方法。2011—2019年，共有104家燃煤電廠采用第二種方法，雖然大多數(shù)電廠完全 轉(zhuǎn)為燃燒天然氣，但也有少數(shù)電廠同時保留燃煤發(fā)電能力，以便最經(jīng)濟、有效地使 用燃料。
電廠翻新改造可以通過性能提升和利用現(xiàn)有基礎設施來節(jié)約成本。與新建或待開發(fā) 項目相比，改造后的電廠除了能夠減少全生命周期的二氧化碳排放，在成本方面也 具有一定優(yōu)勢，因為它們可以使用現(xiàn)有的電網(wǎng)連接和輸電基礎設施。用燃氣輪機取 代燃煤鍋爐的煤改氣便是改造方法之一，這使得公用事業(yè)級電廠能夠繼續(xù)運營下去 而非退役。
美國燃氣逐步替代燃煤成為發(fā)電主力能源，我們認為主要有兩點原因：技術(shù)創(chuàng)新帶 來自產(chǎn)天然氣的增長，使天然氣成本大幅下降，為根本原因；政策引導，推動能源專 型，起到加速催化作用。 技術(shù)進步提升天然氣發(fā)電競爭力。據(jù)《美歐煤電轉(zhuǎn)型的經(jīng)驗及啟示》（張曉艷，2022）， 2005 年美國《能源政策法》頒布時，全美71.7%的發(fā)電量來自火電（包括煤電、天 然氣和石油發(fā)電），其中煤電占七成以上。隨著美國掌握了先進的開采技術(shù)及配套 設施的發(fā)展和成熟，美國能夠低成本、大規(guī)模地開發(fā)頁巖氣，天然氣產(chǎn)量大幅度增 加。據(jù)《頁巖氣革命撼動天然氣市場了嗎》（黎江峰，2020），此次“頁巖氣革命” 使得北美地區(qū)的天然氣價格不斷下跌，亨利港的天然氣價格從2005年10月的13.63 美元/百萬英熱單位一路跌到了2020年3月的1.70美元/百萬英熱單位。同時，燃氣-蒸 汽聯(lián)合循環(huán)電廠先進的渦輪技術(shù)也增大了電廠的產(chǎn)能，使得燃煤發(fā)電在美國電力市 場逐漸失去競爭優(yōu)勢，天然氣發(fā)電量的占比逐漸上升。
美國環(huán)保政策發(fā)展成熟，對推廣天然氣發(fā)電的應用起到一定的助推作用。據(jù)《國外 天然氣發(fā)電現(xiàn)狀及其對我國的啟示》（張姍，2020）以及《美歐煤電轉(zhuǎn)型的經(jīng)驗及 啟示》（張曉艷，2022），美國早在1995年便頒布了首個全國性限額與交易體系， 即酸雨控制計劃，用以減少電廠二氧化硫和氮氧化物排放，并制定氮氧化物的單機 排放標準。此后幾年，發(fā)布了《發(fā)電企業(yè)有害氣體污染評估決議》、《汞和空氣污染 物標準》以及州際空氣污染控制規(guī)定，對發(fā)電廠的排放標準逐步趨嚴，但燃煤發(fā)電 廠占比下降速度較緩。在頁巖氣采集技術(shù)突破后，奧巴馬政府推行“清潔能源戰(zhàn)略”， 2015年推出清潔能源計劃（CPP），明確各州碳減排目標，監(jiān)管發(fā)電廠二氧化碳排 放，燃氣發(fā)電廠的替代速度加快。在奧巴馬第二任期內(nèi)（2013—2016 年），美國煤 電退役規(guī)模為48.9GW；特朗普執(zhí)政期間，盡管煤電行業(yè)得到部分政策支持，但煤電 退役規(guī)模創(chuàng)歷史新高，達到52.4GW。 與美國相比，現(xiàn)階段天然氣對燃煤發(fā)電的替代進程，仍部分受限于天然氣成本。據(jù) 《超低排放燃煤電廠和燃氣電廠綜合對比》（徐靜馨，2020），超低排放燃煤發(fā)電 的成本是氣電的50%，燃煤發(fā)電成本遠小于氣電，燃氣發(fā)電成本中72.15%來自燃料 費。而據(jù)《燃氣輪機產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書2023》，2022年受天然氣價格走高影響，各燃 氣發(fā)電企業(yè)經(jīng)營壓力較大，部分電廠生產(chǎn)經(jīng)營困難，尤其是小型的6F、9E 機組由于 機組效率較低，虧損較為嚴重。此外，建造成本方面，國際上采用9F型機組的燃氣 電廠的單位造價大約為2421元/kW，中國引進的9F型機組單位造價為3090~4096元 /kW，新建燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的總投資達20億元。燃氣發(fā)電廠建造成本有望隨 燃氣輪機國產(chǎn)化而降低，但運營費用的主要部分天然氣燃料成本在短期內(nèi)難以下降。
當前我國天然氣供給增長穩(wěn)定，進口依賴程度較高。我國天然氣供給主要來源包括 自產(chǎn)天然氣、LNG進口以及管道進口。過去十年內(nèi)，除2022年因國際形勢影響導致 LNG進口大幅降低，我國自產(chǎn)天然氣與進口天然氣總體呈現(xiàn)穩(wěn)定增長趨勢。2023年， 我國自產(chǎn)天然氣與進口天然氣共3979億立方米，同比增長7.28%。自2018年以來， 天然氣表觀消費量的對外依存度均為40%上下，2023年對外依存度達40.6%，同比 微升0.9pct。
我國自產(chǎn)天然氣增速穩(wěn)定，非常規(guī)天然氣產(chǎn)量有望占據(jù)主導地位。據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù) 據(jù)，2023年中國全年共生產(chǎn)天然氣2324×108 m3，年產(chǎn)量同比增加123×108 m3，增 長5.6%。這是2017年以來，中國天然氣年增產(chǎn)量連續(xù)七年超過100×108 m3。2023 年中國天然氣總產(chǎn)量構(gòu)成中，致密氣約為600×108 m3、頁巖氣約為250×108 m3、 煤層氣為110×108 m3，三者合計占比為41.3%。按照目前的天然氣勘探成效和新增 天然氣探明儲量發(fā)展趨勢，預計非常規(guī)天然氣產(chǎn)量將很快在中國天然氣總產(chǎn)量中占 據(jù)主導地位。
天然氣進口量增價跌，LNG進口量重返世界第一。進口量方面，2023 年中國天然氣 進口量重回上行通道，全年共進口天然氣1655×108 m3，較2022年增加148×108 m3， 同比增加9.9%。其中，LNG進口力度遠高于管道氣，LNG進口984×108 m3，增幅為 12.4%，重新回到世界第一LNG進口國；管道氣進口671×108 m3，增幅為6.2%。價 格方面，據(jù)海關(guān)總署的數(shù)據(jù)測算，2023年我國進口天然氣（包括管道氣和LNG）年 均到岸價約為2.73元/m3，同比下跌0.38元/m3，跌幅為12.2%。2023年中國LNG進口 均價約為3.21元/m3，下跌 0.77元/m3，但管道氣進口均價則為2.03元/m3，上漲 0.14 元/m3。因此，中國天然氣進口價格下跌主要是LNG跌幅較大所致。
預計短期內(nèi)天然氣供給趨于寬松，氣電成本的長期下降預計仍依賴于國內(nèi)自產(chǎn)天然 氣產(chǎn)量提升。據(jù)《2023年中國天然氣調(diào)峰特性及2024年市場供需展望》（粟科華， 2024），考慮終端需求和新建儲氣庫/LNG儲罐帶來的新增庫存需求后，其預計在基 準情景下2024年中國天然氣供應量將超過需求量63×108 m3，供需格局延續(xù)寬松。 在此條件下，國內(nèi)氣態(tài)、液態(tài)天然氣銷售價格預計將回落。但考慮到燃氣發(fā)電廠運 行周期往往在10年以上，進口天然氣價格更易受國際環(huán)境波動影響，為長期降低天 然氣發(fā)電的燃料成本，還需我國自產(chǎn)天然氣發(fā)揮好“壓艙石”作用，大幅提升產(chǎn)量。
航空發(fā)動機與燃氣輪機并稱“兩機”，兩者技術(shù)原理相似，后期維護成本均相對較 高。據(jù)上海浦東先進能源動力研究中心公眾號，重型燃氣輪機作為航空發(fā)動機衍生 出來而后獨立發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)品，與燃氣渦輪航空發(fā)動機存在80%相似度，但更加 注重熱效比，兩者產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)也有許多共同點。且從應用角度看，燃氣輪機用 于發(fā)電廠同樣需要極長的生命周期，和較高的穩(wěn)定性與安全性。 例如，航空發(fā)動機維修服務收入規(guī)模至少是新機采購收入的4倍以上。參考英國 RR2014年6月19日公布的投資者簡報，對于一個典型的航空發(fā)動機項目，維修服務 產(chǎn)生的收入規(guī)模至少是新機OE銷售收入的4倍以上。
大型商業(yè)航空發(fā)動機項目生命周期較長，主要可劃分為四個階段：第一階段是研發(fā) 和資本投資，現(xiàn)金流流出；第二階段是生產(chǎn)銷售和投資擴大市場份額，現(xiàn)金流仍處 于流出狀態(tài)；第三階段是售后市場收入超過新機銷售的損失，現(xiàn)金流為正，這一階 段可能持續(xù)10-20年；第四階段新機銷售基本結(jié)束，投資基礎服務以提供必要的售后 支持，這一階段可能持續(xù)20-25年。
燃機方面，以GE公司能源部門為例，服務業(yè)務占比在往年營收中均在60%以上。 2018-2023年間，能源部門服務收入占比最高達到70.21%，最低也達61.9%。同時可 以觀察到，服務收入的增速波動較設備收入的波動要小一些，這充分說明了售后服 務業(yè)務對于公司長周期現(xiàn)金流的穩(wěn)定起到一定的平滑作用。
與航空發(fā)動機類似，燃氣輪機公司也通過廣闊售后市場為公司提供充足持續(xù)的現(xiàn)金 流。據(jù)GE Vernova公司的2024年投資者開放日公告，公司重型燃氣輪機的售后服務 積壓訂單達到了430億美元，其中70%以上的積壓訂單剩余合同時間在十年以上。長 時間且大量的售后服務合同為GE Vernova 每年的現(xiàn)金流提供充足保障，其預期 2025年自由現(xiàn)金流達12-18億美元。
國內(nèi)燃機售后市場目前基本被國外主機制作商掌控，高昂的維修成本，成為國內(nèi)天 然氣發(fā)電廠發(fā)展的阻力之一。據(jù)《燃氣輪機運維關(guān)鍵技術(shù)分析與思考》（萬震天， 2020），由于國內(nèi)并沒有完全掌握相關(guān)的運維技術(shù)，只能開展常規(guī)性檢修，核心部 件的運行維護基本上由GE、西門子、三菱重工等主機制造商掌控，技術(shù)壟斷產(chǎn)生了 高昂的檢修維護費用，特別是維修時的備品備件，1個大修周期內(nèi)的所有費用幾乎相 當于1臺新機的設備費用。據(jù)國家能源局《燃氣發(fā)電安全監(jiān)管報告》，國內(nèi)F級機組 檢修維護費用一般都超過3000萬元/臺年，某6F級燃氣電廠機組設備生產(chǎn)廠商CSA （合約式服務協(xié)議）報價為2臺燃機3.2億元/大修周期。
重視燃機售后服務市場對國內(nèi)零部件公司的帶動作用。據(jù)《燃氣輪機運維關(guān)鍵技術(shù) 分析與思考》（萬震天，2020），燃機高溫部件的工作環(huán)境十分惡劣，在熱疲勞、 蠕變、氧化和腐蝕等作用下很容易發(fā)生損傷，維修和更換費用高昂，是燃機發(fā)電運 營成本高的主要原因之一。此外，燃氣輪機熱通道部件在檢修之前通常會準備一套 備品備件，用于檢修過程中對相應的部件進行輪換，備件的價格也十分高昂，9E 燃 機一整套熱端部件的價格就接近整機價格的40%；而三菱F級燃機的熱通道部件的備 件價格也高達上億元。國內(nèi)部分零部件為國外頭部燃氣輪機廠商供貨，有望直接受 益于燃氣輪機廣闊的售后市場。
我們基于以下假設，測算未來我國燃氣輪機市場規(guī)模，具體測算依據(jù)及邏輯如下： 1. 為了通過未來燃氣發(fā)電裝機量計算所需燃機臺數(shù)、進而計算燃機市場空間，首先 需要得知一臺燃機的功率。據(jù)GE VERNOVA公司官網(wǎng)各型號燃機的功率參數(shù)可知， 平均一臺重型燃機的功率為212.08MW，平均一臺航改型燃機的參數(shù)為57.38MW。 2. 我們基于GE VERNOVA的財務數(shù)據(jù)，通過燃機業(yè)務收入除以燃機臺數(shù)進行計算 特定功率的燃機平均單價。GE VERNOVA售出的燃機中分為重型燃機和航改型燃機 兩類，兩者輸出功率相差較大，為此通過其占比進行賦權(quán)計算。 在功率方面：據(jù)GE VERNOVA公司2023年年報，2023年該公司售出的燃機中，重 型燃機占比63.74%，航改型燃機占比為36.26%，因此平均每售出一臺燃機的功率為 155.98MW。 在價格方面：2023年燃機業(yè)務收入為132.89億美元（含設備及服務收入），用燃機 業(yè)務收入除以所售燃機數(shù)量可知平均售出一臺155.98MW的燃機帶來的營收為 146.03百萬美元（包含設備收入和服務收入），按照設備收入約占當年全部營收的 30%，計算可得單位設備價值為43.49百萬美元。 3. 根據(jù)中國能源報網(wǎng)站2022年8月新聞，截至2023年底，我國天然氣發(fā)電裝機容量 已穩(wěn)步攀升至12.6萬MW，預計至2025年將躍升至15萬MW。 4. 線萬MW， 約需307臺功率為155.98MW的燃氣輪機，設備價值為887.08億元，按照設備價值占 全部營收30%的比例計算可得：包含服務后總價值為2978.53億元。據(jù)Grand View Research統(tǒng)計，目前全球燃氣輪機用于發(fā)電比例約為67.0%，還有33%用于油氣、 機械等領(lǐng)域，我們假設該應用比例不變，預計2028年總體燃氣輪機市場價值約為 4445.56億元。
據(jù)statista統(tǒng)計，截至2022年我國燃氣發(fā)電裝機量已躍升至了世界第二，僅次于美國。 美國2023年燃氣裝機量為56.60萬MW，我國若繼續(xù)按照前5年裝機量的平均增速 8.71%增長，預計需18年達到56.49萬MW，較23年增長43.93萬MW，預計燃機總體 市場將突破3萬億。
氫能和可再生能源的深度推廣將在遠期重構(gòu)我國能源體系，綠氫是聯(lián)結(jié)清潔能源和 部分終端用能領(lǐng)域的關(guān)鍵紐帶。據(jù)中國石化出具的報告《中國能源展望2060》，現(xiàn) 階段，制氫耗能僅占我國一次能源消費總量的3%左右；到2060年，這一比例將增至 18%，其中制氫耗電將占據(jù)全社會用電總量的20%以上。通過清潔電力所制得的綠 氫可以幫助化工、冶金、航空等難以直接用電的終端用能領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)全面脫碳，從而 實現(xiàn)工業(yè)場景電氣化。
燃氫燃氣輪機是實現(xiàn)氫能高效轉(zhuǎn)換的重要技術(shù)。據(jù)《氫燃料燃氣輪機與大規(guī)模氫能 發(fā)電》（李星國，2022），實現(xiàn)電能—氫能—電能的高效轉(zhuǎn)換是氫能利用的核心技 術(shù)之一。利用可再生能源產(chǎn)生的多余電量，可以大規(guī)模的電解水制氫實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換 為氫能。目前氫-電轉(zhuǎn)換的主要方法是利用氫燃料電池，包括質(zhì)子交換膜燃料電池和 固體氧化物燃料電池。燃料電池發(fā)電成本高，規(guī)模小，因而僅在轎車、重卡等交通領(lǐng) 域具有發(fā)展空間，難以實現(xiàn)大規(guī)模氫-電轉(zhuǎn)換應用；此外，氫內(nèi)燃機與氫燃料燃氣輪 機也均處于研制探索階段。比較三者特點，燃氫燃氣輪機在輸出功率方面勝于其它 兩者，是未來實現(xiàn)大規(guī)模氫能-電能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵技術(shù)之一。
燃氫燃氣輪機發(fā)展具備較大優(yōu)勢。據(jù)《燃氣輪機氫能發(fā)電全球技術(shù)發(fā)展藍皮書》（全 球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織，2022），在技術(shù)研發(fā)方面，燃氫燃氣輪機可在一定程 度上依賴于現(xiàn)有的燃氣輪機技術(shù)，重點在于修改燃燒室和一些輔助部件，從而允許 氫氣混合燃燒含量逐步提高，這大大降低了燃氫燃氣輪機的研發(fā)資本投入；在基礎 設施方面，低濃度的氫氣和天然氣的混合物可以僅通過少量改造甚至無需改造就可 以利用現(xiàn)有天然氣官網(wǎng)進行輸送，這顯著降低了推動項目試點的成本，也在很大程 度上推動了各國政府在此方面的進程；在下游應用方面，燃氫燃氣輪機可以與其他 行業(yè)（如化工和煉油廠等）耦合，并利用熱電聯(lián)產(chǎn)電廠中燃氫燃氣輪機的余熱，實現(xiàn) 諸如供熱、化工、冶金等傳統(tǒng)碳排放行業(yè)的深度脫碳。2019年1月，燃氣輪機行業(yè)鄭 重承諾到2030年開發(fā)出燃燒100%氫氣的燃氣輪機，克服技術(shù)挑戰(zhàn)，推動這一轉(zhuǎn)變的 迅速發(fā)生，全面支持全球天然氣電網(wǎng)向可再生能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型。
國際主要燃氣輪機廠商，如通用電氣、三菱動力、西門子、安薩爾多、斗山重工等 都開始探索傳統(tǒng)燃氣輪機摻氫技術(shù)，并開始向純氫燃氣輪機加速邁進，示范項目漸 落地。據(jù)“氫能促進會”公眾號2024年5月文章，通用電氣（GE）推出的最先進的 HA級燃機實現(xiàn)了燃料和燃燒技術(shù)上的雙突破，已在美國成功投用，通用電氣已確定 在2030年前實現(xiàn)HA級燃機100%燃氫能力的目標。日本三菱日立正在開發(fā)的先進氫燃氣輪機旨在從能夠燃燒30%氫氣和70%天然氣混合燃料過渡到100%氫燃料。德國 西門子的中型工業(yè)燃氣輪機SGT-600的DLE燃燒室已經(jīng)實現(xiàn)滿負荷燃燒100%氫燃 料，且在整機上進行進一步驗證，可以穩(wěn)定燃燒60%的氫燃料。據(jù)《燃氣輪機氫能發(fā) 電全球技術(shù)發(fā)展藍皮書》，全球各主要國家紛紛開展了氫燃氣輪機的項目示范。
我國為全球最大產(chǎn)氫國與氫氣消費國，氫能產(chǎn)業(yè)鏈已較為完善，燃氫技術(shù)發(fā)展動力 充足。據(jù)中能傳媒研究院報告《中國能源大數(shù)據(jù)報告（2024）》，我國已經(jīng)初步掌 握了氫能制備、儲運、加氫、燃料電池和系統(tǒng)集成等主要技術(shù)和生產(chǎn)工藝，基本構(gòu)建 了較為完整的制氫、儲運、加注和應用的氫能產(chǎn)業(yè)鏈。完整的氫能產(chǎn)業(yè)鏈以及充足 的氫氣產(chǎn)能，可為燃氫燃氣輪機發(fā)展提供充分動力。
輸氫管道建設加碼推進，液氫儲運取得多項突破。據(jù)中能傳媒研究院報告《中國能 源大數(shù)據(jù)報告（2024）》，截至2023年底，我國已建成及處于論證階段的輸氫管線個純氫 與摻氫管線年我國液氫儲運取得多項關(guān)鍵突破，車載液 氫儲氫系統(tǒng)、液氫罐車等相關(guān)裝備制造能力整體升級，氫液化規(guī)模已實現(xiàn)從1.5噸/天 到10噸/天的進步，并且逐步向15噸、30噸/天突破，液氫的大規(guī)模應用前景可期。
加氫站數(shù)量我國保持全球第一，加注能力持續(xù)提升。截至2023年底，我國已累計建 成加氫站428座，加氫站數(shù)量位居全球第一，其中，在運加氫站274座，在運加氫站 加氫能力平均20.8萬千克/天。
成本對于加速氫氣產(chǎn)業(yè)大范圍推廣具有重要作用。據(jù)國際氫能網(wǎng)，IRENA與 Hydrogen Council預測，到2050年可再生能源制氫成本將降至1美元/kg。而隨著太 陽能光伏與風能發(fā)電成本的降低，資源豐富地區(qū)的制氫電力成本將會隨之降低。據(jù) IEA國際能源署網(wǎng)站預測，遠期來看，中國混合太陽能光伏和陸上風力系統(tǒng)的制氫成 本將會相對較低。
核心部件領(lǐng)域，國內(nèi)廠商起步較晚，但進步較快。燃氣輪機有壓氣機、燃燒室、高 溫渦輪葉片三大核心部件，其中燃燒器是燃氫燃氣輪機的核心零部件，關(guān)系到燃氣 輪機能夠燃燒氫氣的比例。由于氫氣燃燒會帶來回火、自燃、熱聲等問題，國內(nèi)外廠 商開發(fā)了多種先進燃燒器以實現(xiàn)摻氫、純氫燃燒。據(jù)氫能促進會公眾號研究，國外 方面，GE公司的適用于SAC（單環(huán)燃燒室）在全世界約有2600臺在運營，可以實現(xiàn) 30%～85%水平的氫混燃燒。安薩爾多開發(fā)了“Flamethrower”燃燒室，可實現(xiàn)40% 水平的氫混燃燒。國內(nèi)方面，華天航空動力深入分析四種主要燃氣輪機燃氫燃燒室 設計技術(shù)的摻氫范圍及優(yōu)缺點，采用貧燃旋流多點直噴技術(shù)方案并應用于HGT-50燃 氣輪機，該燃氣輪機可廣泛應用于摻氫與純氫燃燒發(fā)電；明陽氫燃公司自主研發(fā)的 “木星一號”純氫燃燒室，可實現(xiàn)純氫燃燒，該技術(shù)具有自主知識產(chǎn)權(quán)?？傮w來說國 內(nèi)廠商盡管在該領(lǐng)域起步較晚，但技術(shù)進步速度較快。 示范項目穩(wěn)步推進，不斷積累經(jīng)驗完善技術(shù)。燃氣輪機運行周期長，根據(jù)國際上燃 氣輪機開發(fā)的成功經(jīng)驗，需要依托用戶，建立長期運行的試驗驗證平臺和示范試驗 基地，以便在長期示范及驗證試驗中不斷改進完善相關(guān)技術(shù)。國內(nèi)已有國電投、杭 汽輪、上海電氣等企業(yè)開展相關(guān)示范項目運行。
艦船動力裝置是保證艦船航行能力、機動性和安全的關(guān)鍵要素。據(jù)《軍用船艦動力 裝置技術(shù)應用現(xiàn)狀及未來趨勢展望》（伍賽特，2024），在大、中型的水面艦船中， 目前多采用汽輪機與燃氣輪機。核動力裝置則主要用于大、中型航空母艦及核潛艇。 聯(lián)合動力裝置是一類重要發(fā)展方向，目前多以柴油機或小型燃氣輪機作巡航機組， 以大功率的燃氣輪機作加速機組，從而提高艦船的經(jīng)濟性及機動性，根據(jù)機組搭配 型式的不同，其能運用于多種艦船中。
燃氣輪機是繼蒸汽機和內(nèi)燃機后逐步發(fā)展的船艦動力裝置，具有較多優(yōu)點。據(jù)《艦 用航改燃氣輪機技術(shù)應用及發(fā)展思路》（李敏，2022），燃氣輪機具有質(zhì)量輕、尺 寸小、功率大、起動快等諸多優(yōu)點。航空發(fā)動機技術(shù)的進步帶動了艦用航改燃氣輪 機的迅速發(fā)展，目前已廣泛應用于航空母艦、驅(qū)逐艦、護衛(wèi)艦、兩棲攻擊艦和氣墊登 陸艇等水面艦船，成為艦船的主要動力裝置。20世紀90年代以來，以大型渦扇發(fā)動 機 CF6-80C2/E1、RB211和遄達 800 等為基礎改型研制出的第 4 代航改燃氣輪 機，取得了“可靠性更高、維修性更好、污染更低、功率范圍更寬、應用前景更廣” 的效果。
航改燃、燃氣輪機等技術(shù)發(fā)展與成本降低，使得燃氣輪機在船艦領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化方面實 現(xiàn)譜系化、系列化發(fā)展。據(jù)《艦用航改燃氣輪機技術(shù)應用及發(fā)展思路》（李敏，2022）， 具體可體現(xiàn)為幾個特點，一機多用（各國海軍裝艦使用的燃氣輪機主要集中在少數(shù) 幾個型號，如 TF40B、LM2500、MT30 等）、性能提高（輸出功率不斷提升）、 系列化發(fā)展（由于高門檻，使得艦用燃氣輪機集中在幾大公司的幾個核心型號）。
航改燃當前在國外部分艦艇實現(xiàn)批量化列裝。據(jù)《艦用航改燃氣輪機技術(shù)應用及發(fā) 展思路》（李敏，2022），航改燃氣輪機大多由發(fā)展成熟的航空發(fā)動機（尤其是民 用航空發(fā)動機）改型研制，盡可能地繼承了航空發(fā)動機母型機的技術(shù)和硬件（尤其 核心機部分，基本保持不變），在滿足艦用燃氣輪機的工作環(huán)境和任務要求的前提 下，實現(xiàn)高性能、高可靠性、長壽命和低成本的目標。據(jù)《國外艦船航改燃氣輪機的 發(fā)展特點》（徐智珍，2010），由于艦船航改燃氣輪機具有結(jié)構(gòu)緊湊、起動迅速、 重量輕、可靠性高、維護方便和易于更換等突出優(yōu)勢，在 1947 年成功試裝后就得 到了艦船工業(yè)界的高度重視和大力開發(fā)，已廣泛地應用在大型驅(qū)逐艦、護衛(wèi)艦、大 型巡洋艦、巡邏艇、潛艇支援船、破冰船、氣墊登陸艇與小型航空母艦上。
當前船艦用燃氣輪機仍然存在較大改進空間。據(jù)《艦用燃氣輪機動力裝置現(xiàn)存主要 問題及技術(shù)發(fā)展研究》（伍賽特，2021），燃氣輪機雖然有著明顯的技術(shù)優(yōu)勢，但 是依然存在一定弊端，現(xiàn)有艦用燃氣輪機主要存在一些問題，如油耗率較高（現(xiàn)有 的艦用燃氣輪機的油耗率通常比中速柴油機的油耗率更高）、艦用燃氣輪機的壽命 及翻修周期較短、艦用燃氣輪機的倒車及傳動裝置較復雜等。
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