燃气轮机行业报告：数据中心扩张东风吹动燃机行业需求上升

制造业“皇冠上的明珠”：燃气轮机是一种通过燃料与空气混合燃烧来推动叶轮高速运转的动力机械，燃气轮机被誉为装备制造业“皇冠上的明珠”，体现了一个国家的工业水平。主要结构有压气机、燃烧室和涡轮机。产业链上游主要为原材料研发生产；中游为零部件厂商；下游以整机厂商为主。据Grand View Research测算，2023年全球燃气轮机市场规模为101.9亿美元。 海外龙头垄断整机，国内企业积极参与零部件环节：海外龙头垄断整机市场：2023年三菱重工、西门子能源、GE三家龙头占据全球约76.3%的市场份额，行业壁垒高，潜在竞争者少。燃气轮机国产化替代仍在路上：我国燃气轮机行业起步较晚，曾长期处于被“卡脖子”的状态。目前具备制作小型燃机技术，但大型燃机仍依赖进口。零部件环节国内企业参与度不断提高：自2018年后，燃机零部件采购订单数量进入快速增长阶段，采购事件数量从2018年的451件增加至2023年的3852件，燃气轮机产业链供应链迎来快速发展。 借数据中心增长东风，燃气轮机需求增长又多一发力点：伴随AI巨头开启数据中心扩张周期，数据中心迎来数量、容量齐升局面。麦肯锡中心假设下，预计2023-2030年数据中心容量需求以每年22%的速度增长，但电力可能成为制约数据中心扩张的短板。数据中心集群现象导致电网不堪重负，燃机或成最佳解决方案：美国气电项目并网快，燃机具备易于部署、节能环保、维护方便的优点，同时美国气电成本相对较低，仅高于建设周期在5-6年的核电，或成为数据中心的最佳选择。行业需求拉升初见端倪：燃机龙头GE Vernova 2024年燃气轮机订单合计功率为20.2GW，同比2023年的9.5GW增长112.6%。 我们预计到2028年，美国数据中心催化的装机需求占行业需求的14%。 投资建议：海外AIDC扩张需求带动燃机市场快速扩容，我们看好国内零部件厂商为外资龙头配套的景气机遇，核心关注未来订单增长情况和份额扩张情况。推荐应流股份、联德股份、豪迈科技。 风险提示：AIDC建设不及预期的风险；供应链价格波动的风险：国产商份额拓展不及预期的风险。 1燃气轮机：“皇冠上的明珠” 1.1制造业“皇冠上的明珠” 燃气轮机是一种通过燃料与空气混合燃烧来推动叶轮高速运转的动力机械，是继蒸汽机和内燃机发展之后的新一代动力装置，陆用燃气轮机起源于改型后的航空涡轮发动机，具有清洁高效、节能减碳、可靠稳定等优势,广泛应用于电力、供暖、冶金、交通、石化以及军事等领域。燃气轮机材料、加工工艺以及机电一体化等技术的突破程度，代表着国家、企业工业发展水平的高低。 燃气轮机主要结构有压气机、燃烧室和涡轮机(透平)，辅助设备包括进气排气系统、控制系统、启动系统和燃料器等。燃气轮机可利用的燃料包括天然气、氢气、煤气化合成气、汽油、轻质柴油、液化石油气以及生物质合成气等。外部空气被压气机吸入并被压缩,以高压气体形式进入燃烧室，与从燃料室进口处喷入的燃料混合发生燃烧放热反应；反应产生的高压高温膨胀气体，经过导流过程，推动透平叶片带动转子进行机械旋转。燃气轮机工作能量转换形式依次为化学能、热能以及机械能。 图1.压气机、燃烧室和涡轮机是燃气轮机的三大核心部件 压气机需要外界动力启动，之后会摆脱外界动力。在简单循环中，透平发出的机械功有1/2到2/3左右用来带动压气机，其余的1/3左右的机械功用来驱动发电机。在燃气轮机起动的时候，首先需要外界动力，一般是起动机带动压气机，直到燃气透平发出的机械功大于压气机消耗的机械功时，外界起动机脱扣，燃气轮机才能自身独立工作。 按照功率大小，燃气轮机分为微型、小型、中型和大型燃气轮机。其中微、小和中型燃气轮机归属于轻型燃气轮机。大型燃气轮机归属于重型燃气轮机。重型燃气轮机主要应用场景是以固定发电机组为代表的城市电网;轻型燃气轮机的主要应用场景为工业发电、船舶动力、油气输送、分布式发电以及军事等领域。 表1.按功率燃气轮机可分为微型、小型、中型、大型 随着燃气轮机中压气机和透平进口温度技术的不断提升,重型燃气轮机技术日益大功率化，按透平进口温度，可对重型燃气轮机进行分类。 表2.重型燃气轮机根据透平进口温度可分为D、E、F、G、H、J级 1.2产业链中游价值量占比最高，2023年全球燃气轮机市场规模为101.9亿美元 燃气轮机上游主要聚焦在原材料研发生产，包括高温合金、特钢、普钢、铝合金、钛合金、复合材料、热障涂层材料等；燃气轮机中游零部件主要包括叶片、盘、轴承等。叶片分为压气机叶片、涡轮叶片；下游主要涉及整机制造、维护保养、维修及升级，整机制造企业对各零部件进行筛选和设计，将零部件整合成高效、可靠、能够安全运行的燃气轮机。此外，为了确保燃气轮机的稳定性并且延长其使用寿命，下游环节还包括了定期的维护、修理及可能的升级。 图2.燃气轮机产业链中游价值量占比最高 下游应用以发电为主，2023年全球市场规模为101.9亿美元。根据观研报告，目前发电为燃气轮机主要应用领域，占比达32%；其次是油气领域，占比为29%，舰船等其他领域占比39%。Grand View Research预计2023年全球燃气轮机市场规模为101.9亿美元，预计到2030年市场规模将达到139.80亿元，CAGR为4.62%。 图3.Grand View Research预计2030年全球燃气轮机市场将达到139.80亿美元 分地区来看，亚太地区在2023年以37.21%的最高收入份额引领市场，Grand View Research预计2030年亚太市场规模将达到51.93亿美元，7年CAGR为5.29%。 亚太地区的增长主要由印度尼西亚、中国、泰国、日本和印度等经济体推动。电力需求受到快速城市化和迅速崛起的中产阶级人口的推动。印度和中国等发展中经济体的存在，以及低成本原材料和劳动力的可获得性，鼓励跨国企业扩大其在该地区的业务。 Grand View Research预计2030年北美市场规模为34.72亿美元，7年CAGR为5.33%。北美地区对燃气轮机的需求主要由页岩气储量和开采技术的进步推动，这些技术持续降低了天然气开采的运营成本。此外，北美地区大规模建设了天然气发电项目。由于水平井多级分段压裂完井技术和水平井钻井技术的突破，石油和天然气公司已经能够实现页岩气的商业化开采。 2海外龙头垄断整机，国内企业积极参与零部件环节 2.1海外龙头垄断整机市场，国产化替代仍在路上 2023年三菱重工、西门子能源、GE三家龙头占据全球约76.3%的市场份额，按兆瓦计算，三菱重工订单量为15431 MW，西门子能源订单量为10689 MW；通用电气订单量为7015 MW，且燃气轮机行业在过去几年里没有新的进入者。在此期间，整机龙头企业与多个国家的客户和供应商建立了合资企业，这不仅有助于扩大整机龙头的市场份额、降低成本，还为他们进入新市场提供了机会。 图4.2023年三菱重工、西门子能源、GE合计占据全球76.3%的市场份额 燃气轮机国产化替代仍在路上。与全球市场相比，我国燃气轮机行业起步较晚，曾长期处于被“卡脖子”的状态，燃气轮机核心技术、装备等严重依赖进口。但在国家政策大力推动下，燃气轮机国产化进程不断推进。目前，我国已具备微型、轻型燃气轮机自主化设计与制造能力，国内整机厂商包括上海电气、东方电气、哈尔滨电气。但在重型燃气轮机领域，与美国、德国等国家相比还有较大差距，市场竞争格局主要由通用电气、三菱重工、西门子等外资企业占据，国产替代空间较大。 表3.我国发布多项政策支持燃气轮机行业发展 2.2零部件环节国内企业参与度不断提高 国内燃气轮机产业链发展迅速。从2012年开始，国家有关部门开始讨论航空发动机和燃气轮机两机科技重大专项；2014年两会期间，航空发动机和燃气轮机两机专项列为国家第20个重大技术专项；2015年两会期间，两机专项首次写入政府工作报告；2016年，两机专项全面启动实施，燃气轮机产业链逐渐兴起。航空产业网统计了燃气轮机产业链主要企业自2012年后的采购事件的数量变化，由下图可见，我国燃气轮机产业链相关采购事件数量正在逐年稳定上升，自2018年后，采购订单数量进入快速增长阶段，意味着燃气轮机产业链供应链的快速发展。 图5.2018年后燃气轮机产业链采购订单数快速增长 截至2024年4月，据航空产业网统计，中国燃气轮机全产业链企业总数量已超300家。其中零部件制造与研发企业数量最多，为28家；其次为原材料研发与制造企业，企业数量为26家；整机研发与制造及产业链周边企业数量共同位居第三，分别有22家主要企业。 图6.国内燃气轮机产业链各环节主要企业 3数据中心东风拉动燃气轮机需求上升 3.1美国数据中心扩张迅速，增加对电力需求 AI巨头开启数据中心扩张周期。伴随着云计算、人工智能和大数据的广泛应用，美国当前对超大规模数据中心的需求正在上升。特朗普政府宣布成立“星际之门”项目，投资5000亿美元建设AI基础设施。美国数据中心建设成为各大科技企业争相投资的热点。谷歌在俄勒冈州已经投资了数十亿美元用于数据中心扩建，还在爱荷华州投资6亿美元建设；微软在南弗吉尼亚的Boydton数据中心进行了多次扩建，也正在得克萨斯州圣安东尼奥扩展其数据中心；Meta则是计划在内布拉斯加和得克萨斯州扩建其数据中心，也已投入数十亿美元。 普通数据中心容量增加，超大规模数据中心需求上升。以往数据中心的容量通常为20兆瓦，而现在单个站点的容量可高达1000兆瓦。超大规模数据中心是比企业数据中心具有更大云计算能力的大型远程设施。云服务提供商亚马逊网络服务、微软、谷歌云平台、IBM、阿里巴巴和甲骨文正在全球投资数十亿美元建设数据中心。ABI Research预计这将使超大规模数据中心的数量从2024年的567个增加到2030年的738个。 图7.2024年全球数据中心支出创新高 图8.2030年超大规模数据中心预计增加到738个 麦肯锡中性假设下，预计未来数据中心容量的需求可能以每年22%的速度增长。 根据麦肯锡对当前趋势的分析，中兴假设下，2023年到2030年，全球对数据中心容量的需求可能以每年22%的速度增长，达到每年219GW的需求量。乐观预计，需求可能以27%的速度增长，达到298 GW。这与当前60 GW的需求形成鲜明对比，突显了潜在的供应短缺风险。 图9.麦肯锡中性假设下预计未来数据中心容量的需求可能以每年22%的速度增长 数据中心对电力需求攀升，电力将成为数据中心扩张的关键，当前，新数据中心排队并网等待时间约为2-3年，大容量电网扩展需要等待5-10年。据国际能源署（IEA）估算，由于需要大量电力的生成式AI越来越普及，2026年全球数据中心耗电量最多将达到2022年的2.3倍。巴克莱的数据显示，2023年，谷歌和微软的数据中心能源需求分别增长20%和26%。随着运算量的增加，服务器耗电量也在增加。传统数据中心机架的功率在10-14千瓦，而用于AI的机架则是40-60千瓦。 生成式AI回答一次问题所需电力，是谷歌一次搜索所需电力的10倍。以ChatGPT为例，其一天需要回答2亿次提问，消耗约50万千瓦时的电力，而一个普通美国家庭一天所需电力仅为29万千瓦时。Gartner估计，到2027年，40%的现有数据中心的运营将受到电力供应的限制。根据Lawrence Berkley National Laboratory测算，2018-2023年，美国数据中心能耗从76 TWh增长到176TWh，占美国总电力消耗比例从1.9%增长到4.4%。 3.2燃气轮机高度适配AI数据中心用电要求 数据中心集群现象导致电网不堪重负，燃气轮机或成为备用能源的最佳方案。随着越来越多的数据中心建成及其所需电力量的增长，电力供应正在成为传统上吸引数据中心集群的市场的关键问题，例如美国的北弗吉尼亚和圣克拉拉。许多公用事业公司发现，他们无法足够快地建设输电基础设施，并且担心在某些阶段可能无法提供足够的电力。