工程机械行业增长动能将延续

在河北张家口市宣化区,河北雷萨重机工程有限公司工人正在起重机装配线上忙碌。

近一段时期,张家口市宣化区在做好疫情防控工作同时,大力扶持出口企业恢复产能,开足马力完成出口订单。目前,宣化区工程车辆、钻探机械、新能源装备等装备机械产品已销往60多个国家和地区。

当前,工程机械行业持续火热。业内人士认为,国内复工复产和基建、房地产共同带来的需求,是拉动工程机械销量在二季度实现大反弹的主要因素。预计随着四季度“两新一高”建设持续推进,一批重特大工程相继落地实施,工程机械行业仍将维持高景气,增长势头有望延续。

下半年以来,工程机械行业持续火热。据中国工程机械工业协会最新数据,2020年8月纳入统计的25家挖掘机制造企业共销售各类挖掘机20939台,同比增长51.3%。国内挖掘机销量连续5个月同比增速保持50%以上。今年前8个月销售总量已占到2019年全年销量的89.3%。

挖掘机是广泛应用于各类大小土石方工程的主要施工机械品种之一,也是对下游需求变化反应最为灵敏的机械品种之一。可以预计,今年对于工程机械行业来说,又是一个丰收年。

二季度以来逐月回升

上半年,受新冠肺炎疫情影响,全国基建开工率整体不足,整体工程机械存量开工率不高,对工程机械行业的上下游都带来了短期的不利影响。

据工程机械工业协会统计,行业内12种重点企业主要产品一季度销售情况远低于预期,二季度销售补偿了一季度销售与预期的落差。二季度总体情况好于一季度,上半年销售情况呈现前低后高的态势。4月份至6月份挖掘机、汽车起重机、随车起重机、叉车、压路机、升降作业平台、高空作业车销量创下历史同期最高水平。

工程机械销量的持续大涨,相关上市公司上半年的业绩也是十分亮眼。

半年报数据显示,主机厂龙头三一重工、中联重科归母净利润分别同比增长25.5%、56.0%,零部件龙头恒立液压、艾迪精密归母净利润分别同比增长47.0%、61.9%。

目前,行业内企业及分析机构均认为,国内复工复产和基建、房地产共同带来的需求,是拉动工程机械销量在二季度实现大反弹的主要因素。

万联证券表示,在货币政策宽松、“两新一重”持续推进、环保管控加码等背景下,工程机械行业景气度持续超预期。

中银证券指出,国内挖掘机销量持续高增长主要是疫情后逆周期调节力度加大,基建投资力度明显加强,房地产投资依旧保持较强韧性,机器换人、环保升级淘汰和自然更新需求延续等多因素驱动。

数字化智能化装备发力

在国内和国际市场上,工程机械用户对设备的需求正在不断多样化,未来工程机械走向智能化是必然选择。日本小松制作所去年宣布启动以人工智能实现自主运行的工程机械验证试验,并力争2021年实现商用化。

在国际工程机械强手们竞相开发数字技术的大潮中,中国企业也在不断崛起。比如5G远程驾驶,很多企业如三一、柳工、山推、中联重科等都展示了5G远程操控技术。一些具有辅助操作、无人驾驶、状态管理、机群管理、安全防护、特种作业、远程控制、故障诊断、生命周期管理等功能的智能化工程机械得到实际应用,很好地解决了施工中的一些难点问题。

与此同时,为满足经济建设对重大工程技术装备的需要,国内诞生了一批高端工程机械和重大技术装备。大型盾构机、大型全地面起重机、双轮铣槽机、特大型挖掘机、高性能全地形工程车、高速轮式挖掘机、超大型平头塔式起重机等重大技术装备参与了国内外重大工程建设,有效提升了我国工程机械的水平和地位。

中国工程机械工业协会常务副会长兼秘书长苏子孟在谈到产品技术发展时表示,截至目前,行业数字化、智能化工程装备在前期创新研发的基础上结出硕果。部分核心零部件由于不断提高设计、制造、试验检测能力与水平,在实现进口替代方面有了新进展。同时,他也表示,总体看,一些产品数字化、绿色化、成套化水平还有待提高,部分大型设备和核心零部件市场竞争力仍存在不足。

高景气度预期延续

工程机械行业的增长势头能否延续,是当前行业内最关心的问题。

从协会分析来看,行业有望平稳发展。协会预计,2020年全年国内工程机械市场需求会有平稳增长,基于环保政策和投资政策,协会对于未来五年内中国工程机械市场给出了积极的预期。根据中国工程机械行业的“十四五”规划,预计2021年至2025年,行业年均增长率将达到5%。

从行业机构的分析来看,基本呈全面看好局面。太平洋证券指出,今年二季度工程机械淡季不淡,8月挖掘机销售继续高增长,各地项目储备丰富。资金方面,8月7日,证监会发布《公开募集基础设施证券投资基金指引(试行)》,将为拓宽基础设施项目的融资渠道、降低融资成本提供支持。因此,判断下半年工程机械行业销售有望继续超预期。

国盛证券分析师姚健同样判断,融资环境好转,基建投资增速攀高,将使得工程机械高景气度预期延续。在政策端,去年下半年以来,针对基建项目的“宽信用”政策密集出台,融资环境好转将是基建投资增速攀高的扎实基础。

从工程机械制造商来看,行业内头部企业对下半年亦保持乐观情绪。中联重科相关高管在近日的业绩说明会上表示,受新冠肺炎疫情影响,今年工程机械行业施工旺季延后2至3个月,预计三季度仍然维持高位增长;同时,随着下半年“两新一高”建设持续推进,一批重特大工程相继落地实施,行业仍将维持高景气。

三一重工总裁向文波对工程机械的长远发展抱有极大的信心。他表示,庞大的国内市场,给中国工程机械行业的发展提供了很好的基础。“中国的工程机械行业肯定要领导全球,这种趋势不可逆转。”向文波说。

 

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2019年10月23日~10月26日,“PTC ASIA 2019高新技术展区国际技术交流报告会”成功在上海新国际博览中心举办。本届报告会得到行业知名专家曾广商、王玉明二位中国工程院院士,国际同业组织VDMA金斯利先生和来自于中国、德国、日本、英国、美国的国际知名企业专家,国内知名院校和科研院所的大力支持。在此,我们深表荣幸并衷心感谢!报告会现场观众认真聆听、积极互动,良好的效果让我们倍感欣慰,这一切都激励着我们继续努力,为流体传动与控制技术进步添砖加瓦,为世界流体动力产业发展贡献新的力量!

为了让更多的同仁了解本届技术报告会实况,我们应行业需求对专家的精彩报告进行编辑整理,陆续发表在2020年《液压气动与密封》杂志和微信平台上(公众号:chpsa-yqm),供学习分享。敬请关注!





PTC ASIA 2019 高新技术展区现场技术报告(之十七)

液压型风力发电机组基础理论与关键技术研究

——据燕山大学专家孔祥东报告录音整理

研究背景和思路

发展风电意义与潜力。风能作为一种清洁的可再生能源,是我国能源转型的重要支撑。肩负着支撑经济社会可持续发展的历史使命(十九大报告)。我国风能储量丰富(10%),发展潜力巨大。我国风电占比较低(5.2%),存在很多问题(见图1),技术进步潜力巨大。

图1  风电行业的问题

液压型技术优势。传统发电机型是双馈型和直驱型,传统机型存在传动冲击大,电能质量低,电网负担重等问题。液压型风电机组的特点是使用静液流体传动系统(无齿轮箱),使用励磁同步发电机,这样就可以舍弃整流逆变装置。从而带来液压型的技术优势:无级调速,控制灵活;柔性传动,电能优质;功率调控,电网友好。

液压型风力发电机组研究思路。针对风力发电的要求以及传统风电机型存在的以下问题:风能负荷随机波动、发电机并网要求高、传动链可控变量少、多源宽频激励谐振、电网高质电能要求等,提出了五项面临的挑战:发电机转速的高精度控制、功率追踪及平滑高精度控制、故障穿越高响应高精度控制、多源宽频激励机组谐振抑制、调控传输能量具有调频能力。

研究进展

目前,国外有查普驱动公司、阿托斯公司、亚琛工业大学以及美国的明尼苏达大学在这个方面做了一些基础的研究工作。在国内,实际燕山大学从2009年就开始做这方面的工作,浙江大学、兰州理工大学、上海交通大学等一些学校也在做相关工作。

在研究方面,燕山大学主要有5项研究内容。

第一个研究内容是液压型风电机组并网转速高精度控制。研究了流量间接反馈控制方法,解决了发电机准同期并网转速高精度控制难题,实现了发电机柔性并网。流量间接反馈的控制方法(见图2)是利用了闭式泵控的基本原理,同时又解决了它效率低的问题。这样控制的效果,能够实现输出的转速稳定在1500±6r/min,也就是能够满足电网50±0.2Hz的要求;发电机并网冲击转矩能够控制在5%左右,冲击电流控制在9%左右。

图2  流量间接反馈控制方法

在并网转速控制技术方面,我们还提出了双变量联合控制方法(见图3),实现了随机波动风速下,输出转速稳定在1500± 4r/min,也就是能够满足电网50±0.13Hz的要求。

图3  双变量联合控制方法第二个研究内容是液压型机组的功率追踪及平滑高精度控制。研究了复杂工况下多目标寻优的功率追踪控制策略,提高了风能利用效率,实现了功率高精度平滑控制。一定风速下,风轮的转速对应某一个转速下,它才能够吸收最大的风能,这是一个功率追踪的要求。再有就是发电的时候怎么能保证输出的电能最平稳,以克服风的波动,这也是一个要求。我们做了两项工作:一个是发电机组功率追踪优化控制技术,我们提出了功率追踪的控制方法(见图4),风能利用效率较传统机型提高了4%;另一个是提出了功率平滑的控制方法(见图5),功率平衡的因子较传统机型可以提高2~3倍。

图4  功率追踪控制方法

图5  功率平滑控制方法第三个研究内容是液压型风电机组低电压穿越控制。研究了低电压穿越分层控制方法,解决了电网故障工况下发电机脱网的难题,实现了机组故障穿越高响应高精度控制。一旦电网出现故障,电压跌落了以后,剩余的发电功率要能够要耗散或者存储,同时要求发电机不能脱网。所以我们提出了低电压穿越分层控制方法(见图6):有功功率响应时间较传统机型提升1倍;电流冲击抑制能力较传动机型提升1倍。

图6  分层控制方法第四个研究内容是落地式液压机型谐振机理及主动抑制。研究了机组谐振参数设计准则和系统模态主动调控策略,解决了多源宽频激励下机组谐振的难题,提高了机组运行可靠性。采用液压长管路,实现变量马达、发电机的落地安装,进一步降低了机舱重量,使设备便于安装维护,落地式液压机型构型(见图7)。但落地机型在随机风宽频激励下容易引起谐振。针对此问题,采用阻抗匹配理论,揭示了机组模态与可控参量之间的映射规律。提出宽频激励下机组谐振主动抑制方法(见图8),实现对系统模态的动态调整,避开即时激励频率。解决了宽频激励下,落地机型谐振抑制的难题。谐振峰值衰减50%以上。

图7  落地式新构型及谐振机理

图8  谐振主动抑制方法第五个研究内容是储能式液压型风电机组调频控制。研究了虚拟惯性补偿控制和自适应调频控制方法,解决了风电机组能量储放和调配难题,支撑电网稳定运行。三相电不能存储,电网频率稳定的本质是发电量和用电量的实时动态平衡。为了提高液压型风电机组的调频能力,在变量马达和发电机中间串联液压储能子系统,提高机组整体惯量。通过调整液压储能子系统能量的储放,使风电机组参与电网调频。提出了基于虚拟惯性补偿的调频控制方法(见图9),实现了风电机组调频控制。

图9  储能式新构型及调频控制方法基于这种构型,在功率闭环的基础上,增加储能子系统调频控制器。通过BP神经网络动态调整PID控制参数(见图10),实现了液压型风电机组调频能力优于国标要求。

图10  自适应调频控制方法

研究规划

经过十年的刻苦攻关,完成了上面一些基础研究工作。主要核心内容就是通过控制变量马达摆角,实现对系统流量的控制,进而实现对变量马达转速(发电机转速)的控制。完成这些基本工作以后,我们就要和电网去匹配,期望通过液压的方式,实现电网友好,为风电摘掉“垃圾电”的帽子。

下一步我们研究思路是向着智能风电迈进,期望风电机组满足智能电网的需求。智能电网是将先进的传感测量技术、信息技术、通信技术、计算机技术、自动控制技术和原有的输、配电基础设施高度集成而形成新型电网,来实现高供电的安全性和可靠性、减少电网的电能损耗、实现与用户间的互动、减小对环境的影响、为用户提供增值服务、高能源效率。我们的研究目标是将闭式液压传动系统、液压储能子系统引入风力发电装备,将人工智能控制技术和数字液压技术相结合,设计研发高电能质量、高寿命和高可靠性的风力发电装备,实现风力发电装备和机组集群的智能化。 研究内容为:①源网侧多源信息智能预测与感知;②液压型风电机组输出功率智能调控;③液压型风电机组负荷频率智能调控;④多发电机组之间集群多时间尺度协调控制。 

通过上述的研究,期望实现单一液压型风电机组智能化,进一步实现群网,以支撑智能电网建设。这里面核心内容是液压系统控制,那么如何把液压控制和智能电网充分地结合起来开发智能电源,也是我们要考虑的问题。


产业化推广

针对液压型风电机组的产业化推广,我们希望通过政府主导,与企业合作来推进液压型风电机组产业化。目前我们跟秦皇岛市的正时乐液压技术有限公司正在建设一个样机。目前已经把地基做完了,下面要进一步把装置做出来。依托燕山大学提供的技术支持和解决方案,利用液压型风能-液压能装置进行风力发电、海水淡化,以期达到创造良好的社会效益和经济效益,进而推进产业化,实现产品的推广。

通常海水淡化是通过电网为海水淡化装置提供电能,那如果不用电网而用风能来做呢?就是直接用风能去驱动海水泵等装置,有风就有能量,所以用风能做海水淡化就可以节约能源(见图11)。有助于绿色可再生能源的进一步开发和利用。

图11  风力发电和海水淡化框架



知识产权情况

我们在“液压型风力发电机组”这方面申请了十几项专利,授权9项,其中转化2项,发表了60余篇高水平论文,参与液压型风电机组相关研究的博士、硕士研究生共20余人。这里面我们也承担了很多企业的项目和国家自然科学基金、青年科学基金等。而且关于液压型风电机组的控制技术也得到了国家科学技术学术出版基金的资助,2019年底就可以由机械出版社出版,希望大家能够在阅读的过程当中,给我们提出宝贵的意见。



客观评价

在客观评价方面,浙江大学杨华勇院士、哈尔滨工业大学姜继海教授和南京理工大学李小宁教授都给出了很高的评价。一致认为“该成果代表了我国液压型风力发电领域的最新研究成果,达到了国际领先水平。对推动我国科学技术的进步具有重要作用,对打破国外技术垄断,形成自主知识产权意义重大”

应用和效益情况

针对液压型风电机组的应用效益方面,2010年与上海财宇投资有限公司开展了合作,然后在燕山大学实验室里面做了试验台,并跟正时乐液压设备有限公司进行产业化推广,我们也跟南京工程学院合作,所以,我们基础工作一直在往前走,希望能够有更好的转化成果展现给大家。这是经济效益(见图12)。

图12  经济效益

下面介绍一下这项技术的社会效益。第一、液压型的风电机组的环境适应性还是很强的,适用于海上、孤岛或偏远地区。我们现在在做样机,小的可以做到20kW、50kW,100kW、150kW,然后往大里做,大功率等级的液压型风电机组的优势是可以做模块化组合。当然这里关键的问题就是液压元件的效率和可靠性,在海洋、在高山,元件的寿命能否适应恶劣的环境。如果这些问题解决了,应该能够为当地的社会建设做贡献,改善人民的生活,尤其在偏远的农村、孤岛,可以就地取材,就地发电。第二、液压型风电机组的电网适应性好,电能质量高,有利于提高可再生能源的渗透率来保护生态环境。由于采用液压传动系统取代齿轮箱,不用整流的逆变装置,这就使得我们这个机舱重量大大减轻,实际机舱重量减轻以后使整个塔架的重量也减轻、地基的重量减轻、安装成本降低,尤其可以使电能质量提高,这是其他机型不可替代的。第三、液压型的风力发电机组易于推广和应用,我们想先在海水淡化方面做一些工作,可以有效降低能源消耗,降低成本,缓解水资源紧张。第四、促进上下游产业发展,在这个方面我们也在努力。开始我们实验室是选用了赫格隆的马达当泵使,后面选择了力士乐的变量泵当马达用,我们也希望国内企业能跟我们一起合作,完成关键元件的研制。当液压型风电机组真正变成产品的时候,一定要有我们国产元器件在这个系统当中,否则会受制于进口,所以在这个方面,我们希望能够跟有志于液压风力发电的高校、企业进行合作,来推进这项技术成果的应用。应该讲这项技术在促进行业进步和提高行业竞争力的作用和意义是很明显的,这项成果应该说解决了行业关键技术难题,达到了国际领先水平,支撑国家电网建设、国防建设、环境保护和经济建设,能够促进和引领行业产业与学科的发展。实际上我们有很多学科是可以相互渗透的,在这个方面我们希望再进一步地把这个工作做得更好。

该文刊登于我刊2020年第9期

本刊编辑  张婷婷整理

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