《AI热潮催动电力需求激增 燃气轮机行业迎发展“东风”》

  • 来源专题:能源情报网监测服务平台
  • 编译者: 郭楷模
  • 发布时间:2025-02-17
  • 为满足日益增长的AI服务需求,数据中心建设“快马加鞭”,由此带来的电力需求问题引发市场关注。据市场调查机构Gartner(高德纳)预测,到2027年,40%的现有AI数据中心将因电力供应不足而导致运营受限。AI数据中心的不断扩张所带来的能耗问题不容小觑。据了解,AI技术能耗要远高于传统互联网服务,单次ChatGPT查询耗电量是谷歌搜索的10倍。随着AI技术的广泛应用,数据中心的电力消耗将进一步加剧。

    这一问题,已成为横亘在人工智能产业发展面前的重要“关卡”。

    “AI数据中心扩张导致电力需求迅猛增长,为有效应对这一问题,需要优化电力供应,构建多元化能源结构,大力引入风能、太阳能等清洁能源,降低对传统化石燃料的依赖,推动能源可持续发展。”中国电子商务专家服务中心副主任郭涛对《证券日报》记者表示,此外,AI数据中心可以运用液冷系统等高效节能的设备与技术,提高能源转换效率。

    不过,可再生能源如风能、太阳能等虽然发展迅速,但其发电具有间歇性和不稳定性的问题,目前还难以单独承担起为数据中心等大型耗电设施提供稳定电力的责任。在可再生能源发电还未完全成熟的当下,燃气轮机扛起了引领行业前行的“大旗”。

    “燃气轮机发电是一种可行的供电方案,尤其适合需要大量稳定电力供应的设施。其优点是启动速度快,能够在短时间内达到满负荷运行,这对于应对突然增加的电力需求十分有利。”盘古智库高级研究员余丰慧对《证券日报》记者表示,燃气轮机当前发电技术成熟,不仅能快速部署,还能够在较短时间内适应电力需求的变化。

    国金证券研报称,燃气轮机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,有望成为AI数据中心领域供电的重要方案。

    “燃气轮机发电启动快、稳定性好,不仅能在一定程度上减少数据中心对传统高污染能源的依赖,也能够为可再生能源的进一步发展争取时间和空间。”深度科技研究院院长张孝荣对记者表示。

    受益于AI数据中心催化,全球燃气轮机行业需求显著提升。安徽应流机电股份有限公司(以下简称“应流股份”)证券部工作人员对《证券日报》记者表示,当前海外燃机龙头公司产能偏紧,尤其是零部件环节,产能更加紧张。在此背景下,国内产业链龙头公司有望借此机会实现订单和收入的高增长,加速燃机国产化进程。

    “截至2024年9月30日,公司在手的燃气轮机领域订单约8亿元,其中2024年8月份至9月份新签订单就达到了4亿元。订单量显著提升,有望加速燃机零部件国产化进程。”上述应流股份工作人员介绍。

    “选择燃气轮机作为主要供电方式时,要综合具体情况权衡利弊,结合其他可再生能源技术,构建稳定可靠的电力体系。”郭涛表示。

  • 原文来源:https://www.nengyuanjie.net/article/110799.html
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  • 《中国航发燃机:燃气轮机如何提升发电效率》

    • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2021-11-29
    • 前言: 未来将大规模以可再生能源发电为主体,但可再生能源自身存在随机性、间歇性和波动性,使得电网和电力供应系统的安全性和稳定性备受考验。燃气轮机具有占地小、可靠性好、效率高、快速启停等优点,必将在电网过渡阶段发挥至关重要的作用。 目前燃气轮机联合循环模式相较于简单循环配置下能增加约20%的效率。对通过采用更高的燃烧温度和提高部件性能,可显著提升燃气轮机发电的效率。中国航发燃机瞄准世界燃气轮机技术发展方向,为进一步提高燃气轮机发电效率进行了深入研究并编译本文,以期引发行业更多有益的思考。 热力循环 当今世界大多数燃气轮机采用简单循环运行,只有少数燃气轮机用压缩机中间冷却、再加热(顺序燃烧)或通过回热器进行内部热回收。简单循环需要更高的入口温度和更高的部件性能,每一代燃气轮机的效率都有会小幅提升。然而提高效率需要不断完善技术,鉴于热力学和材料学的高需求,这些效率的提高在经济性上有待商榷。基于此,业内已经有一些声音在呼唤——其他循环,如热布雷顿循环,将被考虑用于未来的联合循环燃气轮机,在不达到如此高温度的情况下实现类似的效率。需要进一步探索在额定和非设计条件下对循环性能、燃烧器运行、冷却流量管理、涡轮机热管理以及重要的灵活性的影响。 气路设计 目前燃气轮机中的压气机和涡轮的气路设计已经实现了核心等熵流(远离环空的流动)的精细化水平。通过多目标优化获得的高度三维叶片现在普遍使用,产生了前所未有的空气动力学效率。进一步的内部效率提升将是适度的,尤其是在压气机中。 尽管如此,仍有些二次流动可进一步提高效率。涡轮间隙控制就是其中之一,估计有可能通过主动间隙控制系统实现0.25%的联合循环效率增益。主动间隙控制系统可用于新的燃气轮机和现有装置升级;其中一些依靠转子的轴向位移,而另一些则径向工作。无论采用什么方法,都面临着发动机瞬态温度分布的挑战,这些挑战受到负载变化的影响,更加频繁启动或停止。未来的系统需要能够进一步减少压气机端部泄漏流量,避免旋转部件和静止部件之间的物理接触。 冷却系统 大约20%的压缩机流量从气路排出,用于冷却和密封发动机的(高压)热部分。其中大部分用于冷却一级涡轮叶片。在涡轮高压段内气路的根部,吸入热气也可能导致机械故障和空气动力损失。当燃气轮机的高应力部件(如转子盘)被从气路吸入的热气过热时,可能会触发机械故障。轮辋密封件通常与内部密封件一起从压缩机排出冷却/密封空气以防止流入空腔,但这也会降低燃气轮机效率。从压气机排出的空气会导致热效率减少,更重要的是气体路径中的出口和核心流之间的相互作用会产生进一步的动力损失。这些现象也受到瞬态操作的影响,因为这会改变所有相关流动的压力和温度分布,以及密封元件的公差。 因此,二级气路的改进设计、多目标拓扑优化和冷却流的主动控制是需要进一步研究的领域,以进一步提高现有和新燃气轮机的性能。 底层循环 现代热回收蒸汽发生器在压力水平下产生蒸汽并结合,目前能够在技术上可行的情况下回收尽可能多的能量,受最低烟道温度限制,这会引发烟道气流中的冷凝问题。从第二定律的角度(即火用破坏)来看,超临界高压蒸发器可以减少这种不可逆性,但相关成本可能无法通过边际性能增强(估计最先进技术的联合循环效率点为0.5个百分点来补偿)。 多压力热回收蒸汽发生器(HRSG)在燃气轮机的低排气温度下最受关注。当从单压到多压降低时,随着温度提高性能,并且在热气温度(HRSG入口)大约为700℃时,两种布局之间的差异消失了。随着燃气轮机排气温度的升高(现在超过650℃)需要以较低容量系数运行的联合循环发电厂的经济成本,可能有机会采用亚临界的单压再热底部循环。 附加说明 在未来几十年,联合循环发电厂高效发电将依赖于部分负荷效率而不是额定工况效率。因此,提高部分负荷性能和瞬态响应(尽可能快地过渡到更高负载以减少低负载下的运行时间)将对于运行的灵活性和电网的利益至关重要。这同样适用于减少燃气轮机的最小环境负荷,从而减少启动和关闭的次数,并减少相关的燃料消耗、提高使用寿命和降低排放。这一切都与提高联合循环和简单循环燃气轮机的整体效率有关。
  • 《中国航发燃机:燃气轮机复杂循环技术助力商业化发展》

    • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2021-12-31
    • 前言:目前世界各地的能源系统正在发生根本性变化,在"双碳"背景之下,如何通过工艺流程中燃气轮机的技术迭代优化等手段实现产业链的低碳化升级,已成为行业重点关注的问题。燃气轮机作为工业能效的关键部件,主要的新兴技术有湿压缩循环、有机朗肯循环及超临界朗肯循环。这些技术对于高效节约能源、降低成本有着巨大的能效潜力。目前这些技术主要适用于化工、石油、炼化及冶金等行业。然而,这些技术的大规模商业化应用面临极大的技术挑战,这些技术挑战可以通过加大技术创新力度来解决。为了更好地助力双碳目标,中国航发燃机结合燃气轮机循环发电技术的发展方向,深入研究燃气轮机复杂循环技术。 超临界CO2循环 超临界汽轮机技术最初在上世纪60年代初得到展示,并在90年代纳入主要原始设备制造商的产品组合中。今天,它已成为新发电厂的标准,使蒸汽压力和温度超过300bar和600℃,效率比亚临界高5个百分点。现在,行业的目标是400bar和700℃的压力和温度,并希望接近50%的效率。 与这项技术努力并行的是,在超临界压力和温度下工作的新一代封闭循环使用二氧化碳作为工作流体,在与超超临界汽轮机相似的峰值压力和温度下工作,但随着涡轮机入口温度升高到600℃以上,性能会越来越好。从技术角度来看,sCO2系统位于蒸汽轮机和燃气轮机的中间位置,与前者相比占地面积更小,效率和燃料灵活性比后者更高,甚至可以在天然气应用中实现具有成本效益的碳捕获。学术界和工业界一致认为,高于50%的效率完全在涡轮机入口温度为700℃量级的技术能力范围内。目前正在理论和实验上探索超临界CO2循环,用于第四代核反应堆、聚光太阳能(CSP)、煤粉、天然气和废热回收等多种场景。成熟度各不相同,商业系统目前可用于5到10兆瓦规模(TRL9)的废热回收,而该技术处于天然气应用的预商业阶段(TRL7-8),包括小型 (1MWe) 和大型应用(25MWe) 。在CSP应用中,目前有几个项目正在通过相关环境中的演示将该技术带到TRL6。考虑到该技术通常需要更长的时间尺度,只有在核能领域,除了一些实验室规模测试(TRL4)外,没有正在进行的大型实验项目。 可以确定许多跨领域的研究,需要紧凑、高效、具有成本效益的换热器设计,以减少换热器成本的很大一部分,并减少系统的热惯性。在使用天然气运行的系统中,需要高温氧燃烧系统以确保燃烧稳定性以扩展调节能力。必须改进涡轮机械设计,不仅是针对气路的空气热特性,而且最重要的是,轴承和密封等次要元件的设计受到此类机械的特定特性(非常高的密度和压力梯度、高表面速度和单位载荷)。还必须更好地理解作为规模函数的系统集成,因为这对于优化驱动器类型至关重要。 压缩机和泵以及系统在非设计条件下的运行。还必须制定部分负载运行策略,因为它们对性能和灵活性有非常大的影响,同时对输出范围非常敏感。就在最近,还正在研究确定可以添加到工作流体中的添加剂的不同举措,以提高在温暖和炎热环境中运行时这些循环的性能。初步结果是有希望的,但需要更多的研究来了解所得混合物的热稳定性和长期降解,以及对涡轮机械和热交换器的设计和性能的影响。 增压燃烧 从历史上看,燃气轮机的效率提高是通过展示更高的涡轮机入口温度来实现的。然而,从热力学的角度来看,恒定压力下的热量添加(燃气轮机中的布雷顿循环)产生的热效率低于恒定体积下的热量添加(汉弗莱和雷恩斯特-葛兰循环)。这是由压力增益燃烧引起的,它有可能实现与传统布雷顿循环相同的时间平均燃烧器出口温度,但压力水平更高。对于相同的涡轮机入口温度,这导致较低的压缩比(跨压缩机)和较高的整体循环热力学效率,其限制由材料和冷却技术决定。 倾斜方向,从而抑制了在PDC情况下连续产生爆震波的需要。虽然这减轻了涡轮机的入口条件,但它仍然带来了燃烧室出口处流场的不可忽视的波动:出口马赫数范围在0.9-1.7之间,压力波动超过75%,温度波动为50%,以及60°流动角波动;这些都是前所未有的涡轮进口边界条件,挑战 PGC 的工业化。最后,波浪转子依赖于在外壳内旋转的蜂窝鼓,其间具有入口和出口管道。在滚筒的通道内,动态波进一步压缩燃烧器上游的压缩机输送空气,并将燃烧气体膨胀到燃烧过程下游的较低压力和温度。 在不同的技术中,PDC被认为具有最大的效率提升潜力,但鉴于具有挑战性的设计和操作条件,RDC似乎在增强性能和可行性之间提供了更好地折中。然而,极不稳定的化学能转化率和较高的出口速度给传统工业燃气轮机带来了严峻的挑战:从爆燃模式过渡到爆震燃烧模式(特别是PDC);燃油喷射和空气混合;燃烧器与上游轴流压缩机集成;燃烧器与下游集成;控制压力。 增益和压力损失、波浪方向性 (RDC);NOX和CO排放控制;不稳定的传热和冷却流管理。这些都是需要在基础和应用层面进一步研究的领域,需要制定解决方案。 湿压缩循环 湿压缩循环的特点是工作流体的含水量非常高。这种水的目标是在全球范围内提高循环的比功,同时,根据所选的加湿技术,还可以获得净输出功率、效率和环境性能(减少NOX排放)的收益。 根据所使用的加湿技术,通常可以确定三类湿循环:第一类涉及在注入点下游注入液态水以实现完全蒸发的循环;这个概念的例子是水雾化进气冷却(WAC)、湿式压缩(TOPHAT)、水喷射的再生蒸发循环 (REVAP),以增加压缩机后面或燃烧室中的功率。另一种选择是将蒸汽注入燃烧室。诸如标准、高级或级联湿空气涡轮循环 (HAT/AHAT/CHAT) 之类的循环将液态水注入带有水回收回路的饱和塔中。后一种选择被证明具有最大的循环性能改进潜力。 这些不同选项的发展状态不同,在TRL2和TRL9之间产生不同的TRL: TRL 2用于CHAT、TOPHAT、REVAP技术;TRL4和TRL7分别用于HAT和 AHAT布局; TRL9 为循环。因此,需要对不同的组件以及系统级别进行进一步的研发。首先,在燃烧器周围,以确保接近化学计量条件和高含水量的稳定运行。对于涡轮机械,还必须更好地理解涡轮机和压气机之间的质量不平衡对非设计行为(喘振裕度的降低)的影响;最后,在注射站的下游,必须验证材料和涂层承受潮湿条件和处理工作流体热性能变化的能力,并且很可能需要能够抵抗这种环境的新材料。材料研究还旨在消除/减轻对软化水的需求,从而简化系统集成、简化操作并大大降低成本。 有机朗肯循环 当可用能源处于低温或发电机的功率输出较小时,使用水/蒸汽的朗肯循环不适合。这是由于循环的热效率降低以及涡轮机械,特别是涡轮机的设计更具挑战性。当满足这些条件时,使用有机化合物代替水成为提高热性能和简化组件设计的替代方案。这得益于有机物的特性。 化合物(比蒸汽更高的摩尔质量和分子复杂性),它比蒸汽产生更大的体积流速和更低的焓降。因此,有机朗肯循环(ORC)通常用于中小型的应用中,从几千瓦到几十兆瓦,以及能源处于中到低温(高达300℃)的应用。 用于固定发电的ORC目前已商业化,其成熟度已确定为TRL9。在过去的二十年里,循环和组件的优化已经实现了显著的性能改进和能源成本的降低。尽管如此,仍有几个领域需要进一步研究以增强系统和组件性能,并提高成本效益。需要通过利用如超临界蒸汽发生器、级联布局或循环(包括湿膨胀)等特性来实现更高热效率的新循环概念,这些特性针对某些应用(如废热回收)的特殊性量身定制。许多与工作流体相关的研究也在进行:开发和测试新的工作流体组合物,推动当前的热稳定性极限,包括混合物--似乎具有实现更高热效率的巨大潜力;考虑有机工作流体的非理想行为的涡轮机械设计方法的发展;需要更深入地了解BZT蒸气预期的非经典气体动力学,包括从计算流体动力学获得的数值预测的实验演示。 在应用方面,重型汽车行业对使用mini-ORC系统进行废热回收的兴趣也开辟了新的研究机会:开发新的系统和组件概念,能够应对固有的可变操作条件,特别是高效容积式膨胀机能够管理更大的膨胀率和系统动态。