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风电齿轮箱的制造|中国风电的破茧时刻

2021-12-04 20:54:07浏览:209 来源:中国吊装网   
核心摘要:一直到今年10月19日,中海油才终于迎来自己首个海上风电项目——江苏海上风电场——的全容量投产运行。项目的规划装机总容量30万千瓦

一直到今年10月19日,中海油才终于迎来自己首个海上风电项目——江苏海上风电场——的全容量投产运行。项目的规划装机总容量30万千瓦,包括67台风力发电机组、1座220千伏海上升压站、1座陆上集控中心、两回路220千伏电缆。

无论对中海油还是中国的风电行业来说,这都是一桩大事。

中海油的风电探索历程也成为中国风电行业的一个缩影:从襁褓中慢慢走出,蹒跚学步并逐渐成长。

这些年风电走过的路正是中国在低碳能源上不断探索、又克服重重困难的真实写照。

艰难起步:引进丹麦技术

虽然风电如今在新能源世界中,所扮演的角色和被重视程度并不能和光伏媲美,但事实上人类对风能的利用早于太阳能。

中国风电出现的时间也并不晚。

1986年,在山东半岛最东端的荣成市,我国第一座风电场——马兰风力发电厂正式并网发电。

当时的中国并不具备建设一座风电场的技术能力,机组是相关部门是从丹麦引进的。共3台55千瓦机组,总装机容量为165千瓦,这些机组的平均年发电量达到了26万千瓦时以上,最高年发电量达33万千瓦时。

为什么机组要从丹麦引进?因为欧洲才是现代风电的发源地,在后来中国厂商金风科技称霸全球之前,风力发电机的全球霸主,一直是丹麦的厂商——维斯塔斯。

时间倒回19世纪,1891年时丹麦的物理学家、现代空气动力学鼻祖PoulLaCour和他的学生团队设计制造了一台现代意义上的风力发电机,用来照明以及电解学生做实验用的氢气。

可以说,从现代风电的设计雏形到风机的技术路线再到海上风电以及商业化,丹麦都走在了全世界的前列。

而国内没有自己的技术,因此在1986年建成风电场后的很长一段时间内,风电行业发展都步履维艰。

到“九五”和“十五”期间,政府组织实施了“乘风计划”、国家科技攻关计划,以及国债项目和风电特许权项目,支持建立了首批6家风电整机制造企业,进行风电技术的引进和消化吸收,其中部分企业掌握了600kW和750kW单机容量定桨距风电机组的总装技术和关键部件设计制造技术,初步掌握了定桨距机组总体设计技术,实现了规模化生产,迈出了产业化发展的第一步。

金风科技的建立与发展正映射了这一段艰难的起步历程。

1986年,新疆风能成立,研究所筹资从丹麦Wicon公司引进了两台风电机组到新疆大阪城的柴窝堡风电试验场。1988年,根据丹麦政府的赠款项目要求,风能研究所成立了新疆风能公司,并在1989年10月接受了丹麦政府的320万美元无偿设备赠款,再加上中方配套投入的670万元人民币,又从丹麦的Bonus公司引进了13台150千瓦的风机,建成了当时亚洲最大的风力电厂。

1997年,风能公司与德国JACOBS签订了600KW风机生产许可转让合同,并在1998年以注册资金300万元成立新疆新风科工贸有限公司——就是金风科技的前身。

科工贸与风能公司、研究所共同承担了600KW风机的研发项目,并于1999年顺利完成,成功通过了科技部的验收鉴定。

这是在中国风电产业中具有划时代意义的第一台国产风机。

风电齿轮箱的制造

在实现国产化后,新风科工贸在2001年完成了增资及改制,整体变更为新疆金风科技股份有限公司,当年底,金风科技的600KW风机在河北红松洼风电场并网发电。

从此,金风也从新疆达阪城彻底走了出来,开始在全国风电市场开疆拓土。

虽然金风科技开始走上了快速发展之路,不过在20世纪初,占据国内风机市场半壁江山的仍然是GE、维斯塔斯及西门子歌美飒三大国际巨头,直到2006年,国内风电整机企业的市场占有率仍不足50%。

疯狂抢装:补贴下的泡沫

2005年,我国政府实施了《可再生能源法》,风电正式进入大规模开发应用的阶段。之后又于2007年8月颁布了《可再生能源中长期发展规划》,该规划提出到2010年全国风电总装机容量达到500万千瓦,并建成1—2个10万千瓦级海上风电试点项目;到2020年全国风电总装机容量达到3000万千瓦,并建成100万千瓦海上风电。

规划之下,便是长期高比例补贴。

在政策扶持之下,中国的风电装机量大幅增加,每年新增装机容量都保持30%以上的增长。中国成为全球风电装机容量最多的国家,从2005年开始,每年新增装机容量占全球装机容量的比例由4.42%上升到2010年最高的48.8%。在增速方面,中国从2005年开始几乎保持了5年100%以上的增长。

由于补贴会逐年退坡,因此厂商会赶在退坡的时间点前完成安装并网,这被称为“抢装”。

2005-2010年就可以被称为“抢装潮”下疯狂的五年、飞速的五年。

在抢装期间,作为风机产业老大哥的金风科技虽然也在快速增长,但如果要选一家最能代表这个疯狂时代的公司,那应该非华锐光电莫属了,这家公司经历过超速度的辉煌风电齿轮箱的制造,在2020年已经黯然退市。

一篇来自2011年的《IT经理世界》的文章显示,在2010年时,华锐风电已经排名全球风机制造商的第二名,这一年,老大哥金风科技排名全球第四。

华锐风电的创始人韩俊亮出身于大连重工,先是买下德国富兰德(Fuhrlander)FL1500系列风机的生产许可证。之后,便赶上国家大力支持新能源行业发展的“春风”。

这家2006年才成立的风机厂商,还被资本市场大佬阚治东和尉文渊押注。两人在看好中国风电前景的情况下,找不到更好的投资机会,毕竟彼时老大哥金风科技已经在冲刺上市,而且新疆风能一直是金风科技最重要的大股东,增资扩股也人满为患。

2007年,金风科技上市了;2008年,刚刚成立2年的华锐风电就已经完成了“龙头速成”——新增装机935台、新增风电装机容量1403兆瓦,超越了金风科技,排名中国第一、全球第七。2009年,华锐新增风电装机容量3510兆瓦,行业排名中国第一、全球第三。

2011年1月13日,华锐风电正式上市,此时距其成立5周年的纪念日仅一月之遥,若以发行价计算,这家成立不到五年的风电制造企业,市值近千亿。

不过,华锐风电的横空出世与短期速成固然与当时的政策有关,但同时,它超越当时的金风科技也有内在的因素。2005年,国家曾鼓励风电兆瓦级机型研发,但并未明确选择1.2MW还是1.5MW,在两种型号中,金风科技选择了前者,但事实证明后者才更对五大电力集团的胃口。华锐风电从一开始主推的就是1.5MW的机型,在这一选择上,金风科技就绕了三年的弯路。

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此外,更重要的一点或许还是——价格战。

在华锐引领的几场价格战的拉动下,1.5兆瓦风机的单价已经从2008年高点的6500元/千瓦下降到了2010年的4600元至4800元的水平,降幅之快为历年少见,当时已有企业出现亏损。

但另一方面,成长也带来了阵痛。

全国装机量大幅甚至是过度增长的同时,大量风场出现并网消纳(风力发出来的电接入电网输送出去并使用)的问题。

出现并网消纳问题的主要原因是,我国风能资源较好的主要是三北(西北、华北、东北)地区,但这些地区的经济发展比较落后,当地用电量不足,加上风电自身的不稳定性,国家电网接纳意愿不高,风电并网出现瓶颈。

从2009年开始,“弃风”(由于并网消纳问题导致的风机暂停)现象开始逐渐严重,并网率开始徘徊在不到75%的水平。

这样的行业阵痛,落在华锐风电的头上,本不至于造成特别严重的后果——例如曾经被华锐超越的金风就活下来了——但华锐还和供应商关系恶劣,同时管理层没有及时转换策略,在行业增长回落期间还让公司维持高库存和高应付账款——这可能真正造成了它最终的陨落。

2013年华锐风电由于财务问题被立案调查,中国疯狂的风电抢装至此也告一段落。

大幅超越:自主崛起

但风电产业终究还是崛起了。

2021年8月27日,西门子歌美飒宣布退出中国陆上风电市场。西方巨头的败退,正式宣告了中国风电自主化的胜利。

事实上,在2010年及以后,中国风电新增装机量每年都位居世界第一。

而就在刚刚过去的2020年,以全产业链为视角来观察,中国在全球风电产业链中的占比已经接近50%,成为全球最大的风电产业基地。

同时,在装机量重又快速攀升的过程中,弃风率没有再攀升,而是已经下降到了较为稳定区间,维持在10%上下。

而从风机角度来观察,目前的市场份额显示:

虽然在全球市场中,金风科技暂时仍略低于通用电气,排名第二。但目光放到国内市场,金风已是当之无愧的行业第一,而西门子歌美飒则早已丧失先发优势——其新增装机规模仅有0.4GW,退出也有迹可循。

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2020年,三大国际巨头的市场份额仅占到4%,数据排名中已经归类到“其他”范畴。

风电发展壮大的过程中,伴随的一方面是特高压输电网络的建设使得并网消纳问题在很大程度上得以解决,另一方面则是度电成本的降低。

如果成本不够低,那上网(把可再生能源发的电接入电网,输送给用户)电价就会很高,如果发展前期没有补贴,那产业很容易由于企业缺钱而胎死腹中。

关于风电的补贴政策,在历史上也分为几个不同的阶段。

2006年,发改委发布了《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》,规定风力发电项目的上网电价实行政府指导价,电价标准由国务院价格主管部门按照招标形成的价格确定。具体到实行层面,风电上网电价在当地煤电上网电价以内的部分,由当地省级电网负担;高出部分的电价补贴,通过全国征收的可再生能源电价附加分摊解决。

2009年,发改委又颁布了《关于完善风力发电上网电价政策的通知》,这份通知将全国分为四类风能资源区,相应制定风电标杆上网电价,并相继在2014、2016和2018年对电价进行调整。

(注:“标杆电价”是指国家在经营期电价的基础上,对新建发电项目实行按区域或省平均成本统一定价的电价政策,可以被视作可再生能源补贴的“锚”。)

在标杆电价下,补贴仍然实行自2006年的可再生能源电价补贴模式,可再生能源发电项目上网电价在当地煤电标杆上网电价以内的部分,由当地省级电网负担;高出部分,通过电价附加补贴解决。

政府补贴的同时,厂商也在探索降低成本的方式。

在一个典型的陆上风电项目中,成本中大约有50%是风机设备,20%是建设安装费用,10%是塔筒费用,其他配套设备及费用共占比20%。

所以在一个陆上风电的降本路径中,风机设备的降本就成为重中之重,于是肉眼可见地,风机的容量和单个叶片都在变得越来越大。

风机的大型化对于降本来说是意义非凡的,它降低的不仅是建设成本,更有度电成本。

1、大型化使得单位零部件的用量下降,目前头部整机厂包括金风科技在内,在机型开发中越来越多采用平台化设计,仅在关键部分的输出功率或载荷上存在差异,因此能够摊薄单位零部件的用量和采购成本。

2、风机大型化可以摊薄非设备成本,例如100MW的项目以前是20个5MW风机,当它降到14台7MW风机时就已经减少了6个塔筒和6个塔桩的基建成本。

3、在同等风速条件下,叶片更长扫风面积就会越大,发电量也相应增大;塔筒越高、切变值越大,风能利用价值也就越大。由于对风能的利用能力增强,因此大型风机对最低风速的要求更低,能够提升发电小时数,降低度电成本。

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在叶片均值不断提升的过程中,风电的度电成本也不在不断下降,虽然还不能和光伏相比,但已经比较可观。

在应对大型化的进程中,风机厂商们的技术路线也出现了转变。在前文描述的金风科技在华锐风电面前败下阵来的疯狂抢装历程中,有一个关键的点留给了这里:

在2006-2010年期间,金风科技走向了精细化管理的道路,并将其风机产品从技术含量较低的齿轮箱跨越到了世界领先水平的直驱永磁。

直驱永磁技术抛弃了齿轮箱,能使风机的故障率减少20%,发电效率提高3%-5%,虽然初期的研发投入比较高,但按照风机20年的使用寿命计算,这笔前期研发成本也会低于齿轮箱的维护成本。

这当然给金风科技带来了一些问题——在抢占市场规模的过程里输给了当时的对手华锐风电——引进新技术相当于从0开始二手易胜博ysb88备用网址,还可能把已有的市场份额拱手让给别人。

但经过讨论和权衡,金风科技最终选择了这条更为长久的路风电齿轮箱的制造,短暂地输给了华锐风电,但也骄傲地看着华锐风电倒下,自己却逐步成长为全球风电的龙头。

不过在大型化和追求稳定性的风电后半程,永磁直驱虽然在稳定性、兼容性存在较大优势,但由于随着容量加大重量也会显著增大,因此并非厂商们的唯一选择。

如海外的维斯塔斯的6MW平台选择的是半直驱(中速永磁,一种折中)方案,而西门子歌美飒在陆上仍主打双馈齿轮,海上用永磁直驱。

国内的明阳智能是从双馈直接转型半直驱,金风科技也没有死磕直驱,在储备了直驱的深厚基础上,也另备了半直驱方案。

除了选择大型化降本之外,风电的发展路径中还有一个更加重要的趋势,那就是从陆地走向海上。

海洋机遇:海上风电从襁褓走向成熟

可能没有人会否认,如果说分布式是光伏的未来,那么海上风电就是风电的未来。

其实相比陆上风电,海上风电的成本并没有优势,因为相比陆上风电,海上风电要多出水下部分以及海缆成本,维护成本也更高。

根据国信证券分析师的统计,海上风电的度电成本在0.3-0.55元,几乎是陆上风电度电成本的两倍。

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但随着陆上风电的逐步开发,可开发的资源比之前少,且大部分风能丰富的陆地地区距离用电地区较远,所以转向海上成为必然的选择。

但海上风电不是勉强之选,它的优点也非常突出:

海上的风能资源丰富、发电利用小时数高;不占用土地、适宜大规模开发;靠近负荷中心、消纳便利等。

海上风电算是陆上风电的接班人,但起步时间并不晚,正如文章开篇所说,在中国风电发展之初的2008年,中海油就已经开动了。

当时除了中海油之外,还有另外一家公司也参与了早期的海上风电建设,就是上文提到的华锐光电。

当时它正风光无限,在海上风电领域的进展甚至比中海油更领先。

2008年国家发改委通过《可再生能源发展“十一五”规划》,除了把2010年风电总装机容量调整为1000万千瓦之外,还开始做起了近海风能的示范工程。

而且示范工程确实取得了成果,上海东海大桥海上风电场工程就是发改委做的示范工程之一。

这是中国第一个海上风力发电场,项目预计总投资为21.22亿元,总装机容量为10万千瓦。

这个项目,就属于华锐光电!

据部分网络资料,当时金风科技和上海电气都对这个项目摇了头,但最终,华锐接下了这个“不可能的项目”,请来了 Windtec帮助联合开发上海3兆瓦机,并在2010年6月8日实现并网发电。

据当时的专家说,海上风电的项目建设难度是非常大的。

因为海上风电的技术要求比陆上高很多,需要特殊装备、专业人员潜到海底勘探调查,要建塔基,还需要海上工程船,而且要考虑海水或海冰对塔架的破坏。

因此,在示范项目之后,海上风电停滞了很长一段时间,一直到2014年才迎来重磅政策。

政策首次明确了近海海上风电项目0.85元/千瓦时的上网电价二手易胜博ysb88备用网址,这个价格远高于当时全国燃煤机组平均上网电价的0.42元/千瓦时。

在此政策之下,中国的海上风电开始快速发展。

2016年年底,国家能源局又出台了《风电发展“十三五”规划》的通知,要求到2020年,全国海上风电开工建设规模达到10GW,争取累计并网容量达到5GW以上。

2014年后的海上风电迎来飞速发展,到2020年底,国内海上风电的累计吊装容量已经达到11.03GW,是2014年时的16.5倍。

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