燃气轮机行业研究：AI催化燃气轮机需求上行，关注国内产业链投资机会

投资逻辑 全球AI数据中心扩张加剧电力消耗，带动燃气轮机发电需求高增。目前全球AI数据中心规模大幅扩张，导致电力需求高增。高德纳预测2023-2027年全球AI服务器用电量将从195太瓦时提升到500太瓦时。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，未来有望成为AI数据中心领域供电的重要方案，看好燃机长期需求上行。2019-2023年全球燃机销量从39.98GW提升到44.10GW，CAGR为2.49%，三菱重工预计2024-2026年全球燃机年均销量为60GW，较23年提升36%，增长加速。我们预计2025-2027年美国AI新增用电对应燃机的新增装机需求分别为12/15/18GW，分别同比+47%/25%/20%，保持高增。 燃气轮机：全球市场高度集中，海外燃机龙头订单高增，且长期享受高估值。（1）规模：根据Precedence research，2023年全球新机/服务市场规模分别为262/376亿美元，未来有望持续增长。（2）格局：三菱重工、西门子能源、GEV为全球三家龙头，2023年全球份额合计达82%，集中度高。（3）趋势：伴随燃机景气度上行，海外燃机龙头呈现出3个共同点：燃机订单高增、计划扩大燃机产能、燃机订单以服务为主，且订单可见度高。例如GEV：2024财年，燃机新签订单20.2GW，同比+113%；并计划2024-2027年将燃机产能从55台提升到80台。2024年末，GEV电力业务在手订单734亿美元，按2024年收入算，电力业务订单可见度已达4年。（4）估值：高维保占比带动现金流改善，催化海外燃机龙头估值提升。例如GEV：持续稳定的维保订单带动现金流改善，2024年GEV经营活动现金流26亿美元，同比+118%。同时，GEV估值水平持续攀升， 2024M7 - 2025M1 ，PE- TTM 约从37倍提升到90倍。 燃气轮机叶片：燃机核心零部件，技术壁垒高，技术迭代慢，全球产能严重不足。（1）地位：叶片是燃机核心零部件，价值量占比35%，占比最高，耐高温程度直接决定了燃机的性能，涡轮进口温度每提高40℃，燃机热效率可提高1.5%，功率增加10%。（2）特征：第一，涡轮叶片的技术壁垒高，由于工作环境高温高压，通常选择高温合金作为制作材料。同时制造工艺复杂，铸造和精密加工环节均包含10余道工序。第二，叶片技术迭代慢，单晶技术从90年代沿用至今仍为主流，内部冷却技术更是从60年代沿用至今。壁垒高、迭代慢的特征导致行业新进入者较少，新技术替代的风险小，龙头公司份额稳固。（3）产能：全球燃机叶片产能不足，PCC和Howmet为全球两大龙头，PCC在2020年员工数量减少40%，直到2023年收入尚未恢复2019年的水平，慢于整机龙头。Howmet在2020-2023年固定资产净额持续下滑。2018年以来，PCC和Howmet固定资产周转率维持在2左右，显著低于GEV等整机公司。 中国燃机市场持续扩容，国产化加速推进。（1）规模：2015-2023年，我国燃机市场规模CAGR为9%，未来随着国产化提升和燃气发电占比提升，看好中国燃机市场持续扩容。（2）国产化：21世纪初，我国通过合作海外龙头，以市场换技术引进重燃。2009年开始我国自主研发F级50MW重燃，在两机专项等政策支持下，近年来重燃技术不断取得新突破。例如2022年我国实现F级50MW重燃国产化；2024年F级300MW重燃首次点火成功，国产化不断加速。 龙头公司基业长青的秘诀：重视研发投入+重视维保业务+业务多元化、市场国际化+长期重资产投入。我们复盘全球燃机产业链龙头成长历程发现，重视研发带来的技术领先；重视维保业务带来的现金流改善；业务多元化、 市场全球化带来的抗周期波动能力，以及长期重资产投入为铸件公司带来的长期收入提升，是龙头公司基业长青的秘诀。 投资建议 全球AI数据中心规模扩张带动燃机需求提升，2024年全球燃机龙头订单高增。同时，由于海外燃机产业链龙头产能紧张，叠加国内燃气轮机的国产化加速推进，看好国内产业链龙头份额提升，推荐国内燃机叶片龙头应流股份。 风险提示 全球数据中心扩张不及预期、国内主要厂商扩产进度不及预期、汇率波动风险。 1.全球AI数据中心扩张，带动燃气轮机长期需求高增 1.1全球AI数据中心迅速扩张，带动用电需求高增 全球数据中心的规模正在迅速扩大。AI模型的训练和推理、云计算、数据分析等需要消耗大量计算资源，催生了对数据中心井喷式的需求，不论是单个数据中心的规模还是全球数据中心整体规模，均将迅速扩大。在过去，一个功耗不到50MW的数据中心被认为是大型数据中心，而现在超过100MW的数据中心已变得常见。以目前常见的单个数据中心10万卡集群和单卡功率1.2kW计算，一个AI数据中心的功耗就可以达到120MW，部分未来的数据中心园区的功耗甚至会超过1GW。 图表1：全球部分主要数据中心市场概况 大型数据中心自备电力将是大势所趋。大功耗的数据中心接入电网将造成极大的负担，这种负担体现在两方面：1）整个电网的发电能力开始承压；2）数据中心选址存在聚集效应，导致局部区域电力负荷过高。因此新建数据中心需要与电站合作，提前规划单独供电。例如，美国德克萨斯州公用事业委员会已向科技公司表示，若希望尽快接入电网，那么他们需要自备一些电力。美国弗吉尼亚州聚集了大量数据中心，据弗吉尼亚州联合立法审计和审查委员会估算，若没有限制，数据中心将导致该地区2040年电力装机规模较2025年增长超过30GW，接近目前装机量存量，建设足够的发电和输电设施将非常困难。在“大型化”趋势下，自然需要整个电网以更快的速度扩大装机规模，数据中心自备电站也越来越有必要性，尤其是在数据中心聚集的地区。 图表2：美国弗吉尼亚州的数据中心集中在北部，对局部电网造成较大压力 图表3：美国弗吉尼亚州未来更多地区将面临数据中心的用电压力 全球数据中心持续扩张背景下，AI用电量将保持高速增长。根据高德纳预测，目前全球为实现生成式AI而新建的大型数据中心数量高速增长，导致电力需求高增。2023-2027年全球AI服务器用电量将从195太瓦时提升到500太瓦时，2027年现有AI数据中心的40%将因电力供应问题而受到运营限制。对于数据中心领域用电量，如果再往远期来看： 1）使用数据中心历史用电量测算： AI发展和数字化推动数据中心计算规模激增，尽管历史上能源效率不断提高，但未来效率提高的潜力正在下降，随着数据中心的规模和复杂性提升，冷却系统、电力分配系统和服务器基础设施的效率改善可能难以跟上步伐。据GECF统计，2023年全球数据中心用电量为414TWh，3年CAGR约为19%。假设人工智能稳步增长，数据中心容量适度增加，能源效率提升抵消部分增加的电力需求。在谨慎、中性和乐观假设下，2035年，数据中心用电量将分别达到1544.38/2321.05/3911.11TWh，占2023年全球用电量的比例分别为5.17%/7.77%/13.10%。 2）通过英伟达GPU销量和功耗测算： 由于GPU产能受CoWoS产能影响，我们按照台积电CoWoS产能上限来预测。目前台积电CoWoS扩产计划一直在持续，我们推测2025年平均月产能约为55K左右，全年660K CoWoS产能，其中英伟达占据了约60%，约420K的CoWoS产能，英伟达2025年B200系列将获得约320K产能，H100将获得约60K产能，B300A将获得约40K产能。综合来看，采用英伟达加速卡的数据中心中服务器容量将达到6886MW。PUE（Power Usage Effectiveness）是衡量数据中心整体能效表现的关键指标之一，通常由数据中心总耗电量除以IT设备耗电量（即服务器耗电量）得出。在传统风冷数据中心中，这一比例通常达到1.5。而在现代液冷数据中心中，这一比例通常为1.05-1.2之间。我们为采用英伟达卡的数据中心选择PUE为1.2，最终得到8263MW的容量。同理，我们对自研加速卡厂商采用同样的方法测算，最终得出采用自研芯片的数据中心容量可达4383MW，英伟达+自研芯片容量合计达到12646MW，一年的耗电量将达到约111TWh。 考虑到训练1T参数级别的模型、视屏模型等高算力需求的模型依然需要大的算力集群去训练，同时多模态模型推理需求的大幅提升也对算力提出了要求，我们认为未来计算卡将在较长时间内继续保持高增速。在GPU更新换代时，通常厂商会提高额定功率以提升芯片性能，我们同时也会预计加速卡功耗将不断提升。但一般计算卡在训练1-3年后就将损坏，我们将累计三年耗电量作为数据中心累计耗电量。在我们谨慎、中性、乐观估计下，2035年全球数据中心AI训练&推理对电力的需求将达到807/2428/6905TWh。 图表4：使用历史用电量测算，中性情形2035年数据中心用电量将达到2321TWh 图表5：使用英伟达GPU测算，中性情形2035年数据中心AI训练&推理用电量将达到2428TWh 1.2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。 图表6：燃气轮机外观 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。 图表7：美国新气电项目的建设周期大多在3年以内 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BERKELEYLAB，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。 图表8：2023年，美国新增气电项目申请并网许可等待时间仅10个月，短于风电、光伏 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