再論風(fēng)電軸承的技術(shù)和市場

范光輝，何加群

(1.中國石油技術(shù)開發(fā)公司，北京 100009；2.中國軸承工業(yè)協(xié)會(huì)，北京 100055)

在已有關(guān)于風(fēng)電軸承技術(shù)和市場發(fā)展的理論基礎(chǔ)上[1-3]，現(xiàn)根據(jù)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的最新發(fā)展趨勢，結(jié)合“十二五”期間風(fēng)電軸承的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)，再次對風(fēng)電軸承的技術(shù)和市場發(fā)展進(jìn)行綜述，以期對涉足風(fēng)電軸承的企業(yè)的正確決策有所裨益。

1 我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)由快速發(fā)展向健康發(fā)展轉(zhuǎn)型

我國風(fēng)能資源按最新綜合調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析，陸上技術(shù)可開發(fā)量約為(6～10)×105MW，海上技術(shù)可開發(fā)量約為(4～5)×105MW，總計(jì)可開發(fā)量為(10～15)×105MW，已開發(fā)量還不到技術(shù)可開發(fā)量的5%，因而，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?jié)摿€很大。

從2004年起，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)高歌猛進(jìn)，得到了快速發(fā)展，2006—2009年連續(xù)4年新增裝機(jī)比上一年均翻了一番，新增裝機(jī)容量和累計(jì)裝機(jī)容量全球排名從2006年的第6位躍升到2010年的第1位。2010年我國風(fēng)電裝機(jī)增速趨緩，結(jié)束了連續(xù)4年的翻番，步入了理性發(fā)展的階段。2010年全球新增裝機(jī)和累計(jì)裝機(jī)容量見表1、表2[4]。

表1 2010年全球新增裝機(jī)前十名國家

表2 2010年全球累計(jì)裝機(jī)前十名國家

“十二五”我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)將實(shí)現(xiàn)由快速發(fā)展向健康發(fā)展的轉(zhuǎn)型，全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也將保持適度的增速。預(yù)計(jì)2010—2015年全球風(fēng)電裝機(jī)平均年增速將保持在10%～15%，年新增裝機(jī)將從2010年的39 404 MW增加到2015年的81 000 MW；累計(jì)裝機(jī)將由2010年的199 500 MW增加到2015年的300 000 MW，平均每年新增裝機(jī)20 000～25 000 MW。預(yù)計(jì)2015年我國風(fēng)電裝機(jī)累計(jì)將達(dá)到130 000 MW以上，平均每年新增15 000～20 000 MW。

2 風(fēng)電軸承技術(shù)研發(fā)取得重要進(jìn)展

在我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)“井噴式”發(fā)展的形勢下，軸承行業(yè)的一些企業(yè)在沒有經(jīng)過充分研發(fā)的情況下倉促上陣，走了不少彎路。但整個(gè)行業(yè)已經(jīng)基本掌握了偏航、變槳軸承的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)。2 MW以下偏航、變槳軸承已國產(chǎn)化；5 MW偏航、變槳軸承已試制出樣品；主軸軸承已研發(fā)成功，開始批量生產(chǎn)；增速器軸承尚處于樣品或小批試制、裝機(jī)試驗(yàn)階段。

研發(fā)條件有了很大改善。以風(fēng)電軸承研發(fā)為重要任務(wù)的瓦軸國家大型軸承工程技術(shù)研究中心已于2009年11月獲得科技部批準(zhǔn)建設(shè)，瓦軸的風(fēng)電軸承系列試驗(yàn)臺(tái)項(xiàng)目列入國家“863計(jì)劃”重點(diǎn)項(xiàng)目，獲財(cái)政撥款支持，目前項(xiàng)目正在積極實(shí)施中。瓦軸的風(fēng)電主軸軸承研發(fā)項(xiàng)目獲世界銀行贈(zèng)款支持。最近，洛軸、軸研科技牽頭申報(bào)的風(fēng)電軸承國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目也獲批準(zhǔn)立項(xiàng)，研究對象包括風(fēng)電軸承的2011年國家“973計(jì)劃”項(xiàng)目——“高性能滾動(dòng)軸承基礎(chǔ)研究”，日前已經(jīng)啟動(dòng)。

突破了若干設(shè)計(jì)制造技術(shù)的難點(diǎn)，如負(fù)游隙的控制、中頻感應(yīng)淬火工藝技術(shù)、以硬車代替磨削加工軸承工作面、長效防護(hù)技術(shù)等。設(shè)計(jì)制造技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)重要標(biāo)志是已制訂并發(fā)布了風(fēng)電軸承機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3 跟蹤主機(jī)技術(shù)和市場發(fā)展趨勢進(jìn)行研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化

“十二五”期間，我國軸承企業(yè)一定要在以下幾方面密切跟蹤風(fēng)電產(chǎn)業(yè)主機(jī)技術(shù)和市場發(fā)展的走向，找準(zhǔn)風(fēng)電軸承研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的方向。

3.1 優(yōu)勢主機(jī)企業(yè)

我國風(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)已達(dá)80家，產(chǎn)能過剩形成的激烈競爭必然會(huì)造成一輪又一輪的重新“洗牌”，優(yōu)勝劣汰。因此，一定要十分注意主機(jī)企業(yè)的發(fā)展情況，采取與國內(nèi)、外實(shí)力強(qiáng)、成長性好的主機(jī)企業(yè)結(jié)成戰(zhàn)略聯(lián)盟等決策，以更好的發(fā)展、壯大。

表3～表7為全球和我國風(fēng)電機(jī)組整機(jī)制造商情況[4]。

表3 2010年全球風(fēng)電機(jī)組整機(jī)制造商新增裝機(jī)容量排名

表4 2010年我國新增裝機(jī)前15名內(nèi)資機(jī)組制造商

表5 2010年我國累計(jì)裝機(jī)前15名內(nèi)資機(jī)組制造商

表6 2010年我國新增裝機(jī)前4名外資機(jī)組制造商

表7 2010年我國累計(jì)裝機(jī)前5名外資機(jī)組制造商

3.2 風(fēng)電機(jī)組機(jī)型

雙饋?zhàn)儤兯俸泐l風(fēng)電機(jī)組是國際風(fēng)電機(jī)組研制的主流技術(shù)，在我國已投產(chǎn)的風(fēng)電機(jī)組中占主導(dǎo)地位；近年來，我國直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組研制技術(shù)也發(fā)展較快，金風(fēng)、湘電風(fēng)能已批量投產(chǎn)；有的企業(yè)還研發(fā)了介于直驅(qū)式和雙饋式之間的半直驅(qū)傳動(dòng)技術(shù)。上述3種機(jī)型，代表了不同的技術(shù)發(fā)展方向。

兆瓦級垂直軸風(fēng)電機(jī)組國內(nèi)、外都已研制多年，但至今仍處于概念設(shè)計(jì)或樣機(jī)試制試運(yùn)行階段。風(fēng)電軸承的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的重點(diǎn)仍應(yīng)定位在雙饋式，因而增速器軸承的研發(fā)不能放松，但同時(shí)應(yīng)密切關(guān)注直驅(qū)式和半直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展，同步做好配套軸承的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化工作。

3.3 風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量

2008—2010年全球風(fēng)電機(jī)組功率分布如下[4]:小風(fēng)電機(jī)組(<750 kW)0.20%;1 MW風(fēng)電機(jī)組(750～1 499 kW)8.30%;主流的風(fēng)電機(jī)組83.1%;2.5 MW以上風(fēng)電機(jī)組8.4%。2010年全球風(fēng)電機(jī)組平均功率達(dá)到1 665 kW。2010年我國新增風(fēng)電裝機(jī)18 930 MW，共12 904臺(tái)，平均單機(jī)容量1 466.8 kW。其中：1.5 MW 9 793臺(tái)，占77.6%；2 MW 980臺(tái)，占10.4%；2.5 MW及以上33臺(tái)，占0.63%；1.5 MW及以下2 098臺(tái)，占 11.37%。

我國風(fēng)電機(jī)組研制技術(shù)的發(fā)展趨勢見表8[4]，由表可知，風(fēng)電機(jī)組功率向大型化發(fā)展。我國在大功率風(fēng)電機(jī)組研制方面似有趕超國際領(lǐng)先企業(yè)的態(tài)勢，但值得注意的是，在缺乏長期技術(shù)積累和市場檢驗(yàn)的情況下，如直接跨入多兆瓦級風(fēng)電機(jī)組研制行列，須認(rèn)真考慮投資風(fēng)險(xiǎn)及未來市場和用戶的認(rèn)可度。

表8 我國風(fēng)電裝機(jī)平均單機(jī)容量變化趨勢

風(fēng)電軸承的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)仍應(yīng)定位在1.5～2.5 MW的主流風(fēng)電機(jī)組上，但也應(yīng)積極進(jìn)行多兆瓦風(fēng)電機(jī)組配套軸承的研發(fā)，搞好技術(shù)儲(chǔ)備。

3.4 海上風(fēng)電機(jī)組

東海大橋海上風(fēng)電機(jī)組示范項(xiàng)目上馬，華銳研制的3 MW海上風(fēng)電機(jī)組于2009年開始裝機(jī)，并于2010年完成34臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)、并網(wǎng)發(fā)電。我國各主要風(fēng)電機(jī)組制造商已經(jīng)推出和將要推出的大型海上風(fēng)電機(jī)組有：華銳風(fēng)電的5 MW和6 MW雙饋風(fēng)電機(jī)組；金風(fēng)科技的3 MW，6 MW直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組；湖南湘電和重慶海裝的5 MW風(fēng)電機(jī)組；上海電氣的3.6 MW風(fēng)電機(jī)組；國電聯(lián)合動(dòng)力的3 MW，6 MW風(fēng)電機(jī)組；廣東明陽風(fēng)電和沈陽華創(chuàng)風(fēng)能的3 MW風(fēng)電機(jī)組。

2010年全球海上風(fēng)電裝機(jī)累計(jì)3 554 MW，占全球風(fēng)電總裝機(jī)量的1.78%。到目前為止，我國海上風(fēng)電裝機(jī)138 MW，到2015年預(yù)計(jì)將增加到5 000 MW，平均每年增加1 000 MW左右，需新增3 MW風(fēng)電機(jī)組333臺(tái)，相應(yīng)地需要主軸軸承333套，偏航變槳軸承1 332套。

海上風(fēng)力發(fā)電前景廣闊，我國和英國、美國都在大力發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電，軸承企業(yè)應(yīng)積極跟進(jìn)，但要注意海上風(fēng)電機(jī)組配套軸承的特殊要求，另外，海上風(fēng)力發(fā)電尚未進(jìn)入技術(shù)成熟期，技術(shù)和投資風(fēng)險(xiǎn)都比較大。今后相當(dāng)長一段時(shí)間，海上風(fēng)力發(fā)電的總體規(guī)模不會(huì)太大，對配套軸承的需求量有限。因此，對海上風(fēng)電軸承的投資要適度，以規(guī)避投資風(fēng)險(xiǎn)。

4 風(fēng)電軸承技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的路徑

4.1 整合現(xiàn)有資源，形成研發(fā)合力

現(xiàn)有的風(fēng)電軸承技術(shù)研發(fā)力量薄弱，原有的行業(yè)歸口科研院所已企業(yè)化，行業(yè)共性技術(shù)研發(fā)平臺(tái)缺失。雖然軸承行業(yè)上了一些風(fēng)電軸承研發(fā)的軟件、硬件，但都分散在各企業(yè)，各企業(yè)在風(fēng)電軸承研發(fā)上都是“單打獨(dú)斗”，難以進(jìn)行規(guī)模性研發(fā)。

建議采取以下兩個(gè)辦法來整合現(xiàn)有資源，形成研發(fā)合力：一是通過政策導(dǎo)向，制定約束性的驗(yàn)收、考核、后評價(jià)辦法，促使凡是國家科技計(jì)劃資助的各類研發(fā)平臺(tái)，如國家工程技術(shù)研究中心、國家工程研究中心、國家工程實(shí)驗(yàn)室、國家認(rèn)定的企業(yè)技術(shù)中心、博士后科研工作站等等，必須向全行業(yè)提供技術(shù)輻射和技術(shù)服務(wù)，真正體現(xiàn)國家科技計(jì)劃的作用，形成合力。二是由風(fēng)能專委會(huì)和軸承協(xié)會(huì)協(xié)調(diào)、組織、推動(dòng)，組建由涉及風(fēng)電領(lǐng)域的大型軸承企業(yè)牽頭，風(fēng)電設(shè)備企業(yè)、相關(guān)大學(xué)和科研院所參加的風(fēng)電軸承“產(chǎn)、學(xué)、研、用”技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，進(jìn)行風(fēng)電軸承共性技術(shù)的聯(lián)合研發(fā)攻關(guān)。

4.2 全面推進(jìn)，重點(diǎn)突破

風(fēng)電軸承的技術(shù)發(fā)展，要在研發(fā)能力、設(shè)計(jì)制造技術(shù)水平全面提升的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)突破。

首先要突破的是增速器軸承的關(guān)鍵技術(shù)：

(1)研發(fā)應(yīng)用在增速器這樣的污染潤滑條件下的軸承鋼，如日本NSK公司研發(fā)應(yīng)用的進(jìn)行碳氮共滲的STF和HTF鋼[5-6]；

(2)研發(fā)應(yīng)用能夠減小軸承摩擦、提高軸承耐磨性、減輕打滑造成的軸承工作表面損傷，以致形成抗表面起源性疲勞的軸承工作表面改性處理技術(shù)。

對于偏航、變槳軸承來說，應(yīng)圍繞提高壽命和可靠性解決：

(1)可靠地工作20年的長效密封技術(shù)和密封裝置；

(2)以激光熱處理取代中頻感應(yīng)熱處理；

(3)工作表面熱處理淬硬層深度、梯度無損檢測技術(shù)和裝置。

此外，在建立準(zhǔn)確載荷譜前提下的仿真試驗(yàn)技術(shù)和裝備、引進(jìn)的設(shè)計(jì)分析軟件的二次開發(fā)和應(yīng)用是風(fēng)電軸承技術(shù)的短板，需要著力解決。

偏航軸承、變槳軸承、主軸軸承、增速器軸承和發(fā)電機(jī)軸承的遠(yuǎn)程控制、在線狀態(tài)監(jiān)測和故障分析系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用，是當(dāng)今風(fēng)電軸承的前沿技術(shù)之一。美國Timken公司這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)已取得進(jìn)展，我國軸承企業(yè)應(yīng)組織力量，進(jìn)行該技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。

4.3 以標(biāo)準(zhǔn)帶動(dòng)創(chuàng)新能力的提高

2007年發(fā)布的機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10705—2007《滾動(dòng)軸承 風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承》，對于風(fēng)電軸承的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化起到了積極作用，但是，這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)是在對風(fēng)電軸承工況，長壽命、高可靠性要求還沒有深刻認(rèn)識(shí)的情況下制定的?，F(xiàn)在亟需組織風(fēng)電軸承主要生產(chǎn)企業(yè)、風(fēng)電設(shè)備企業(yè)的技術(shù)人員，再次進(jìn)行充分的調(diào)研，總結(jié)這幾年國產(chǎn)風(fēng)電軸承研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)，對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全面修訂。希望能夠以先進(jìn)、科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)，促使風(fēng)電軸承生產(chǎn)企業(yè)對標(biāo)、達(dá)標(biāo)，提高自主創(chuàng)新能力和設(shè)計(jì)制造水平，同時(shí)，提高風(fēng)電軸承領(lǐng)域的準(zhǔn)入門檻，形成風(fēng)電軸承領(lǐng)域的退出機(jī)制。

另外，現(xiàn)在用來制造偏航、變槳軸承的42CrMo是普通合金結(jié)構(gòu)鋼，不是軸承專用鋼。應(yīng)制訂中碳軸承鋼G42CrMo標(biāo)準(zhǔn)，按軸承的特殊要求，規(guī)定各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，用符合此標(biāo)準(zhǔn)的G42CrMo制造偏航、變槳軸承，有利于保證軸承的壽命和可靠性。

5 結(jié)束語

我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)正在實(shí)現(xiàn)由高速發(fā)展向健康發(fā)展的轉(zhuǎn)型，軸承行業(yè)也應(yīng)該使風(fēng)電軸承的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)步入理性的、健康的發(fā)展階段，并跟蹤風(fēng)電機(jī)組技術(shù)和市場的發(fā)展趨勢，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電軸承的科學(xué)發(fā)展。