工业4.0下 全面崛起的海上风电智能制造

来源: 世纪风电网

根据最新数据显示,风能发电仅次于水力发电占到全球可再生资源发电量的16%。在全球高度关注发展低碳经济的语境下,海上风电有成为改变游戏规则的可再生能源电力的潜质。在人口密集的沿海地区,可以快速地建立起吉瓦级的海上风电场,这也使得海上风电可以成为通过经济有效的方式来减少能源生产环节碳排放的重要技术之一。海上风电虽然起步较晚,但是凭借海风资源的稳定性和大发电功率的特点,海上风电近年来正在世界各地飞速发展。在陆上风电已经在成本上能够与传统电源技术展开竞争的情况下,目前海上风电也正在引发广泛关注,它具有高度依赖技术驱动的特质,已经具备了作为核心电源来推动未来全球低碳经济发展的条件。


工业4.0下 全面崛起的海上风电智能制造


近年来,政策加码、投资回暖以及日益成熟的产业链供应,海上风电快速发展。在以智能化为基准的工业4.0浪潮下,风电制造被赋予了更深层次的意义。风电是是全球可再生能源最具发展空间的市场之一,也是推动我国能源转型的重要力量。2017年,全球海上风电累计装机18.8GW,未来十年全球新增海上风电并网容量将超过100GW。彭博新能源财经最新数据显示,2018年中国以约114亿美元的投资在全球海上风电行业总投资(257亿美元)中占据绝对引领地位。


依托庞大的产业根基,我国的海上风电制造业正在形成对接国际标准的智能制造体系。基于日益增长的机组智能化、功率大型化市场需求,智能制造成为我国海上风电产业突围的必由之路,也是中国乃至世界风电发展的必经阶段。


崛起的海上风电智能制造


随着开发技术和产业链实力的进步,我国海上风电快速增长。2018年,我国海上风电新增装机116万千瓦,累计达363万千瓦。市场的快速增长刺激沿海省份加快风电产业的谋篇布局,据不完全统计,截至2018年底,我国沿海大省的海上风电核准总容量已逼近5000万千瓦。


在海上群雄角逐的江苏、福建、浙江、广东,一场由中国风电制造商引领的风电制造4.0革命正在上演。根植于生产线不同环节的高、精、尖制造工艺,以及更加成熟的机组研发体系,见证着中国风电制造业迈向国际化的步伐。


莆田,这个福建省2017年生产总值排名仅第7的沿海城市,以海上风资源蕴藏量之大而闻名业内。2018年,集研发、生产于一体的上海电气大功率海上风电机组智能制造基地正式在此地崛起。


“上海电气莆田制造基地总投资15亿元,占地面积98000平方米。工厂对标欧洲智能制造标准,在工艺水平、产品技术、制造研发方面加大投入,致力于打造成亚洲地区最先进的风电制造基地。” 上海电气莆田风电设备有限公司总经理陈辉介绍说。


据了解,当前莆田基地建设有6~7MW系列海上风电机组生产线,并形成了年产150套的装配、试验能力。工厂于2018年3月投产部分生产线,同年7月即下线首台6MW海上风电机组;10月,首台7MW机组下线;12月,D6X海上低风速机组下线……如此快速的生产能力与不断增长的功率曲线,使得莆田基地“亚洲最先进”的称号实至名归。


据陈辉总经理介绍,当前已成功下线的三款海上风电产品均已市场化应用——6MW机组在兴化湾实验风场成功安装并网;D6X已经接到商业化订单;7MW机组预计一季度即可并网发电。而对于当前市场热捧的8MW机组,上海电气也也已在2018年初引进,并联合莆田、汕头两个基地合作生产,争取于2019年完成样机的安装与调试并网工作。


可以说,上海电气莆田风电制造基地在短短一年的时间内,用“厂区规模全球最大、装机功率国内最大、建设速度全球最快”这三个最,惊艳了行业。


对标先进的国际制造工艺,视线回转至2018年7月,被誉为“海上风电竞技场”的福建兴化湾海上风电项目,14台来自不同厂家的风机全部投运。其中上海电气6MW样机在并网后克服了盐雾、台风、高温等恶劣天气的考验,至2018年末发电总量超过1600万千瓦时,平均可利用小时数超过2600h。


福建省处于我国台风多发地带,2018年7月11日,15级超强台风‘玛利亚’登陆,在兴化湾一期项目外围最大瞬时风速达34m/s的情况下,上海电气6MW海上风机依靠卓越的性能和控制策略,实现无故障停机并保持满发。


据陈辉总经理介绍,机组在台风期间的优异表现,得益于海上风电机组的高风穿越技术配置。高风穿越技术是抗台风的先进技术,当风速超大强度时,可以使海上风机自动降载,实现自我保护的同时保证正常发电,最大程度提升发电量。


可以说,在机组同质化的市场背景下,针对细节的设计才是风机表现差异化的根源所在,这一点放到风机制造领域也同样适用。那么,是何种技术工艺成就了上海电气值得信赖的品控体系?在此次的莆田基地的参观中,北极星真实体会到了智能制造对塑造企业核心竞争力的重大意义。


莆田基地的硬件设备对标欧洲同类级工厂,引入了一系列高水平的工艺装备。一个典型的例子:引入发电机磁钢安全机器人系统、扭力机械手臂,实现了磁钢的检验、充磁、输送、贴装的全自动化,大大提高了生产效率。


而除了智能生产,基地达到世界级先进生产工艺的模块比比皆是:微动行车系统,最大幅度减轻摇摆,保证装备精度;莱卡微光跟踪仪,快递感知温差、尺寸等技术偏差;先进的直驱发电机测试研发中心,可满足大兆瓦容量的直驱发电机组的集成测试与研发,更是将原本需要2~3天的测试时间减少至6小时。


配备如此全面的数字化生产装备,以及本身长230米、宽120米、高30米的巨大厂房空间,工厂也面临巨大的耗能难题。


“基地根据自身用能情况,构建了智能微网综合能效管理系统,将能源管理与互联网通讯、云平台大数据分析相结合。” 陈辉总经理表示,这个系统相当于工厂的“大脑”,从云端实时分析、监控用能情况,保证工厂能耗降到最低的同时,达到恒温恒湿的生产环境控制,从而更好地把控产品质量。


值得一提的是,作为“智能制造”的基础,上海电气风电集团正在推进基于“风云系统”的整体数据平台建设,此前提到的兴化湾海上风场的上海电气6MW风机机组,其优异表现也得益于“风云系统”的远程监测与数据支持。


布局大功率海上风电机组


在福建省十三五规划中,近海海域的风电总规划为1330万千瓦,并将建设莆田、漳州、宁德所辖海域17个风电场。


结合福建省电力结构,不难发现福建省冲击全国高比例可再生能源发电排头兵的目标:2017年福建全省发电装机容量5349.2万千瓦,清洁能源总装机占比54.3%,总发电量占比达58.6%。相比于全国第二的核电装机来说,海上风电在福建还有相当大的发展潜力。这也正好为扎根于莆田的上海电气风电制造基地提供了不可多得的发展机会与空间。


岁末年初,福建省抛出海上风电“竞价文件”,“8MW机组加分项”被业内热议。陈辉总经理表示,福建沿海的海床结构特殊,施工难度大,由于季风等原因造成施工窗口期较短,综合来看大机组更具经济性。而此前行业咨询机构MAKE也披露数据:当前6.0-7.99MW兆瓦海上机型是全球范围内吊装容量最多的兆瓦等级。预计2023年后,10+MW平台将赢得更多市场份额。


面对海上风机大功率趋势,陈辉总经理表示,莆田基地在规划设计之初就有这方面的考虑,具备10+MW级风电机组的生产能力。


作为国内海上风电整机商龙头,上海电气的海上布局从投建莆田基地可见一斑。这座斥巨资打造的国际领先智能制造中心,一方面彰显着上海电气在海上风电领域自主研发、二次开发的信心和能力,另一方面也体现着其打造自身核心竞争力和海上引领地位的决心。


据了解,包括莆田基地在内,上海电气已建造了4个面向海上市场的生产基地,分布于江苏如东、上海临港、福建莆田、广东汕头,辐射了北到山东南至广东的广阔海域范围。


从风电设备制造商到全生命周期服务商,再到“打造良好的风电产业生态圈”,上海电气的发展理念随着时间的推进而表现出卓有远见的大局观。如今,上海电气也成立了自己的风资源开发公司,开始向产业链上下两端延伸。可以看到的是,面对全球可再生能源补贴退坡的趋势,不论国际或是国内风电制造企业,加大智能制造投资力度、推进海上风电机组性能更优、成本更低,将是未来全球海上风电的趋势和方向。


放眼全球,看全球海上风电的现状与发展趋势。


据全球风能理事会(GWEC)统计,2016年全球海上风电新增装机2,219MW,主要发生在七个市场。尽管装机量比去年同期下降了31%,但未来前景看好,全球14个市场的海上风电装机容量累计为14,384MW。英国是世界上最大的海上风电市场,装机容量占全球的近36%,其次是德国占29%。2016年,中国海上风电装机量占全球装机量的11%,取代了丹麦,跃居第三。其次,丹麦占8.8%,荷兰7.8%,比利时5%,瑞典1.4%。除此之外还包括芬兰、爱尔兰、西班牙、日本、韩国、美国和挪威等市场,共同促进了整个海上风电的发展。


1.   欧洲海上风电现状


欧洲风能协会(WindEurope)日前发布的《欧洲海上风电产业统计报告2016》中指出,2016年欧洲海上风电投资达到182亿欧元,创历史新高,同比增长39%。全年新增并网338台风力发电机,新增装机容量1558MW,较2015年减少了48%;累计共有3589台风力发电机并网,装机总量达12.6GW,分布在10个国家的81个风电场。2016年,比利时、德国、荷兰和英国还有11个风电项目正在建设当中,完成后将增加4.8GW装机,使得累计装机量可达17.4GW。


从地域分布来看,北海海域的装机量占欧洲海上风电装机量的72%,比前几年略微上升;爱尔兰海占16.4%的装机容量;其次是波罗的海,占11.5%。从国家来看,2016年欧洲新增并网海上风电分布在德国、荷兰和英国。德国装机量占到一半以上(155台,813 MW,占比52.1%),荷兰次之(177台,691MW,占比44.3%),第三大市场是英国(7台,56MW,占比3.6%)。


由于2016年首台8MW风机已在海上并网,欧洲海上风机平均容量从2015年的4.2MW提高到4.8MW,并网海上风电场平均规模为380MW,相比2015年增加了12.3%。2016年海上风电场的平均水深从2015年的27.2 m增加到29.2 m,平均离岸距离为43.5km,比2015年增加了0.2km。


就装机总量来看,截至2016年底,英国依然是欧洲最大的海上风电国家,其装机总量达5156MW,占全欧总装机容量的40.8%;紧随其后是德国(4108MW,32.5%),丹麦则以10.1%(1271 MW)跻身前三甲,荷兰(1118 MW,8.8%)取代比利时(712MW,5.6%)成为欧洲第四大海上风电大国。


就风机制造商市场占有率而言,西门子依旧雄踞榜首,市场占有率达67.8%;紧随其后的是三菱重工维斯塔斯(16.4%)和苏司兰(6.2%)。截至2016年底,欧洲海上风电场共计安装了4152个基座结构,其中单桩式(monopiles)基座依然为主流基座结构,数量达到3354个(占比80.8%);其次是重力式(gravity)基座结构(313个,7.5%);随后依次为导管式(jackets)结构(272个,6.6%)、三脚架结构(132个,3.2%)和三桩式(80个,1.9%)以及一个浮动式海上风机。


从开发商的角度来看,在新增装机中,Northland Power公司以23%的份额拔得头筹,排名前五的企业还包括DONG能源(20.4%)、全球基础设施合伙公司(10.5%)、西门子(7.7%)以及Vattenfall(7.6%)。这五家的市场份额合计69.2%。


虽然2016年并网容量相对2015年有所下滑,但是正在建设的大量项目意味着并网容量在未来两年内将明显增加。欧洲风能协会指出,还有24.2 GW的项目已获准建设,7GW的项目正在申请许可证,总计65.6 GW的项目正处于规划阶段。然而,由于欧盟成员国到2020年内要完成其“国家可再生能源行动计划”(NREAP),项目启动的数量将下降,容量增加将在2020年停止。到2020年,欧洲海上风电总容量将达24.6GW。



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