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风电轴承行业深度报告:风机部件国产最后一环轴承企业百花齐放

发布时间:2022-10-06 05:46:06 来源:华体会平台官网下载 作者:华体会登录系统

  历史复盘:我国风电行业发展 20 余年,国内主机厂及相关配套产业快速崛起。“十一五” 期间属于我国风电产业的快速崛起期,但伴随而来突出的电网适配问题使得行业弃风率高企, 运营商投资经济性不高,叠加国家电价补贴的陆续退坡,“十二五”“十三五”期间我国风 电装机出现较动。“十二五”期间,随着风电建设规划趋于规范,以及电网调度能力加 强,弃风率从 2011 年的 16.2%下降至 2014 年的 8.0%,叠加 2015 年是电价退坡的最后一 年,2015 年迎来一轮抢装潮,实现 34.2GW 的高装机量。

  受抢装潮影响,“十三五”初期 再次迎来弃风率的攀升,随着《关于有序放开发用电计划的通知》与《关于建立健全可再生 能源电力消纳保障机制的通知》政策出台,风电消纳问题得到改善,弃风率快速下降,基本 维持在 5%以内;2020 年为陆风电价补贴的最后一年,当年迎来 69.32GW 的陆风新增装 机,创历史新高。

  相较于陆上风电,我国海上风电发展较晚,且增加了海缆、基础桩、海上工程等零部件及步 骤,施工难度较大,造价普遍较高,长期以来需要依靠电价补贴维持投资回报率。2020 年 1 月财政部、国家发改委、国家能源局联合发布《关于促进非水可再生能源发电健康发展的 若干意见》,提出新增海上风电不再纳入中央财政补贴范围,按规定完成核准(备案)并于 2021 年 12 月 31 日前全部机组完成并网的存量海上风力发电项目,按相应价格政策纳入中 央财政补贴范围。受此影响,2021 年末迎来海上风电的抢装行情,2021 全年海上风电新增 装机量 16.90GW,同比增长 452.29%,创历史新高;累计装机量达到 26.39GW。

  风电产业日趋成熟,大型化提升风机降本曲线斜率,行业迎来成长期。风电抢装潮后,行业 机组招标价格持续下降:以 3MW 风机为例,机组招标价格从 2019 年最高 4093 元/kW 下 降至 2021 年末 2798 元/kW,4MW 及以上机型逐步成为招标的主流机型,2021 年 12 月 4MW 风机招标价下探至 2359 元/kW。根据金风科技官网,2022 年 3 月风机公开投标均价 已跌至 1876 元/kW。伴随着风机造价的下降,风电运营商投资回报率向上突破,装机热情高企。2022 年起,随着海风技术与经验的成熟,风机、海缆、基础平台等造价成本的下降 有望提升运营的盈利性,“十四五”海上风电有望迎来快速成长期。

  风电招标持续高景气。从招标量来看,2021 年全年风电机组公开招标量达到 54GW,同比 增长 74%;其中,陆上新增招标容量 51.37GW,海上新增招标容量 2.79GW。根据风电之 音公众号统计,2022 年 1~6 月,风电项目招标规模达 53.46GW,已接近去年全年的招标 量。

  根据《海上风电机组机型发展的技术路线对比》,按照发电机的结构和工作原理,风电机组 可分为异步和同步风电机组,异步风机按其转子绕组结构可分为笼型异步风机和绕线式双馈 异步风机,同步风机按其转子励磁方式可分为永磁同步风机和电励磁同步风机,其中按照风 轮机和永磁发电机的传动方式,永磁同步风电机组可分为永磁直驱风电机组和永磁半直驱风 电机组。随着机组单机容量增大,风力发电机组从早期应用的恒速恒频鼠笼式异步风机发展 为变速恒频的高速传动双馈式异步风机,随后出现无齿轮增速箱的直驱式永磁同步风机和半 直驱式永磁同步风机。

  双馈异步风力发电机组:风轮机需通过增速齿轮箱连接至转速较高的双馈异步发电机转子, 转子的励磁绕组通过转子侧和网侧变换器连接至电网,定子绕组直接并网。双馈发电机系统 通过励磁变换器控制转子电流的频率、相位和幅值间接调节定子侧的输出功率,具有调速范 围较宽、有功和无功功率可独立调节、转子励磁变换器的容量较小(约 30%发电机额定容 量)等优点,在陆上和海上风电场中都有广泛应用。 永磁直驱风力发电机组:风轮机与永磁同步发电机直接相连,发电机的定子绕组通过定子侧 和网侧变换器连接至电网。

  永磁直驱式风电机组与双馈风电机组相比,转子为永磁体励磁, 无需外部提供励磁电源,消除励磁损耗。风轮与发电机转子之间省去了增速齿轮箱,转子转 速低,发电机的极对数很多,通常在 90 极以上,因而发电机体积较大。永磁直驱风机系统 具有效率较高、噪音低、低电压穿越能力较强等优点,已广泛应用于陆上和海上风电场。 永磁半直驱风力发电机组:风轮机通过低变速比(一般 k<40)齿轮箱与永磁同步发电机转 子连接,发电机的定子绕组仍通过全功率变换器连接至电网。

  永磁半直驱式风电机组风轮经 增速齿轮箱连接至发电机转子,转子转速比永磁直驱 式风电机组的高。因此,可以减少永 磁电机转子磁极数,有利于减小发电机的体积和质量,降低风机的吊装难度,同时保留了永 磁直驱风电机组容量大、低电压穿越能力较强等优点。国内外诸多风机厂家大容量海上风电 机组均采用永磁半直驱的技术路线,已有较多成功商业运行的案例。

  根据《海上风电机组大型化技术路线分析》,发电机、齿轮箱、变流器三大部件是双馈、直 驱、半直驱技术路线的主要区别。 发电机:直驱型永磁机组可靠性最高,但发电机体积较大、造价较高且维修难度较大,在一 定程度上对风电机组的进一步大型化造成制约;半直驱型中速永磁机组齿轮箱传动比低、可 靠性较高,且发电机体积有效减小,有利于风电机组进一步大型化的推进方向;双馈型机组 技术成熟、成本低、重量轻,但存在碳刷、滑环系统,可靠性较低、维护工作量大。

  齿轮箱:双馈型、半直驱型机组均通过齿轮箱来将风轮转速实现增速传动,以提高发电机转 速,但长期处于高速运转的齿轮箱易存在磨损、胶合、断齿、漏油等风险;直驱型机组无齿 轮箱,风轮直接驱动发电机转子旋转,不存在齿轮箱故障,可靠性高。

  变流器:双馈型机组采用 1/3 全功率的变频器,容量小、价格低;直驱型、半直驱型机组采 用全功率变频器,容量大、价格较高。但随着电力电子元器件的高速发展,目前变流器技术 更加成熟,价格逐步降低,其造价在机组整体价格中的比重已不大;同时,变流器也正朝着 中压方向发展,中压变流器可进一步减小体积,降低损耗,能更好地满足大型化的发展需求。

  齿轮箱、发电机和变流器是造价成本的主要变量。从传动系统成本对比来看,以 3MW 风机 为例,三类技术路线的造价成本排序为直驱型(43 万欧元)>

  半直驱型(33 万欧元)>

  双馈 型(32 万欧元);据《双馈风电机组与永磁直驱机组对比分析》,典型的 2MW 双馈机组较 永磁直驱机组成本低 20 万元左右,即 100 元/kW。

  直驱型机组造价成本偏高的原因有以下两个方面:1)双馈机组因转速高、转矩小,发电机 尺寸较小、重量较轻;永磁直驱机组体积和重量大,随着单机容量的增加,直驱机组重量增 加特别明显,随之带来机组制造、运输吊装成本增加;2)从发电机和齿轮箱材料来看,直 驱机型对于铜、永磁材料的使用量较大,根据《Wind Turbine – Materials and Manufacturing Fact Sheet》,与 2001~2005 年相比,2006~2010 年风机机舱内永磁材料的使用量大幅增 加,其主要原因是使用了具有更大发电机的直驱和半直驱机型,双馈机型的使用比例在逐步 减小。近几年铜、稀土原材料的价格快速上涨使得直驱型电机的造价成本大幅提升,根据金 力永磁投资者关系活动记录表,半直驱永磁风力发电机单位磁材用量大约是直驱永磁风力发 电机的 1/4~1/3,于是部分大兆瓦机型选择了半直驱这类折中的方案。

  发电效率方面,根据《海上风电机组机型发展的技术路线对比》,永磁直驱、电励磁直驱风 机的年发电量最高,其次是永磁半直驱、双馈异步风机。维护保障方面,从维护和故障维修 方面看,双馈机组有齿轮箱和发电机滑环、碳刷,增加了故障点和更换易耗件的成本。直驱 机组由于没有齿轮箱和发电机滑环、碳刷,会减少相对应的故障率。若考虑不同技术路线风 机的初始造价、运行维护成本以及发电效率,半直驱机组的度电成本最低,其次是双馈异步、永磁直驱机组。

  国内厂商选择的技术路线 年第一台直驱永磁风电机组安装在中海油位 于渤海的钻井平台上,2021 年对现有直驱永磁平台及产品进行了优化和升级,并发布了 15 款中速永磁平台旗舰机型;明阳智能则相对坚定地走半直驱路线 年曾经引进和应用 双馈技术,但是基于对现有和未来市场的分析,明阳智能董事长毅然决然地转向半直驱技术 路线;电气风电此前主要为双馈机型,2021 年完成了半直驱传动链技术开发及产品应用; 东方电气此前 2.5MW 机型(含)的技术路线MW 以上(不含)机型都采用 了直驱机型,2021 年也开发了 4MW 双馈机型;中车风电机组类型包括 1.5~3.0MW 双馈系 列机组、2.0~6.0 中速永磁系列机组;其他主机厂(远景能源、运达股份、三一重能、联合 动力)则主要采用双馈路线。

  我国基本完成风机的国产化,2019~2021 年风电装机前十名均为国产主机厂,集中度较高, 2021 年 CR3 为 47.4%、CR5 为 69.4%,CR10 为 95.1%。从陆上、海上分布来看,陆上 风电新增装机排名前五为:金风科技(直驱)、远景能源(双馈)、运达股份(双馈)、中 车风电(双馈、半直驱)、三一重能(双馈),双馈机型具备更低的制造成本而被广泛使用 于陆上风电;海上风电新增装机排名前五为:电气风电(双馈、半直驱)、明阳智能(半直驱)、金风科技(直驱)、中国海装(半直驱)、东方电气(双馈、直驱),海上风电技术 的选择则不尽相同。

  从中国风能协会统计的数据来看,双馈异步型仍然占据陆上风电新增装机较大的份额。从 2020 年情况来看,双馈异步型新增装机占陆上风电新增装机的 60.9%,相比 2019 年提升 9.4pct;直驱型风机占比 30.5%,相比 2019 年下降 6.3pct;半直驱风机占比 8.4%,相比 2019 年下降 3.1pct。

  2011~2021 年,陆上、海上单机功率实现翻倍增长,陆上新增风机平均容量从 1.5MW 增加 至 3.1MW,海上新增风机平均容量从 2.7MW 增加至 5.6MW。根据 CWEA 统计的数据, 2021 年新增装机主力机型已从 2020 年的 2.0~3.9MW 提升至 3.0~4.9MW,2021 年海风新 增装机较多,海风主力机型分布在 5.0~6.9MW。参考 2022 年以来项目风机机组招标信息来 看,陆风招标机型已扩大至 5~6MW,海风招标机型已扩大至 8~9MW,个别项目将采用 10~11MW 机型。

  二、风电轴承是运动部分枢纽,技术路线、风电轴承为运动枢纽,包括传动系统轴承及偏航变桨轴承

  风电轴承是风机所有运动部位的枢纽,作为风机的核心部件,风力发电机的受力和振动情况 复杂,必须能够承受巨大的冲击负荷,在腐蚀、风沙、潮湿和低温环境下工作,同时要满足 20 年使用寿命和高可靠性的要求。轴承行业在“十二五”规划中占有重要地位,在 2010 年 国家工信部发布的《机械基础零部件产业振兴实施方案》中,风力发电机轴承被列为七大类 需要重点突破的关键零部件之首。 根据《风力发电机用轴承简述》,风电机组轴承包括:

  1)传动系统轴承:风力发电机主轴承、齿轮箱轴承和发电机轴承。风力发电机组的主轴又 称低速轴或叶轮轴,起到连接叶轮与齿轮箱或发电机、以及传递扭矩的作用。主轴由主 轴轴承支承,因而主轴上的作用力以及变形都影响到主轴轴承,其受的力主要包括风叶 及轮毂的重量、主轴自重、主轴轴承的支承力、推力轴承的止推力、风通过风叶及轮毂 作用在主轴的力,因而主轴轴承主要承受径向力,也受部分由于风力而产生的轴向力。 齿轮箱起到将旋转叶片传递的较低转速提高到发电机的额定转速;此外,风力发电机完 成机械能到电能的转化,内部结构同样用到轴承。

  2)偏航、变桨系统及其轴承:偏航轴承是偏航系统中的重要部件,其位于机舱的底部,承 载着风力发电机主传动系统的全部质量,并传递气动推力到塔架,用于准确适时地调整 风力发电机的迎风角度。变桨距系统用于调整叶片的迎风方向;变桨轴承安装于叶片和 轮毂之间,内、外圈通过螺栓分别与叶片和轮毂联结,使叶片可以相对其轴线旋转以达 到变桨的目的。

  据《风电机组主轴承选型与设计分析》,按照支承点的个数分类,风电机组主轴承的布置选 型可分为三点支承、两点支承和单轴承。

  1)三点支承即“主轴轴承+齿轮箱中的轴承”,是双馈机组的常用布置形式。三点支承的 轴承结构一般为在风轮侧设计为独立轴承室,轴承室内安装1个调心滚子轴承,主轴与齿轮 箱采用胀紧套连接,2个圆柱滚子轴承安装在齿轮箱内,而齿轮箱采用扭力臂进行支承。该 布置形式轴承室通常使用调心滚子轴承。 2)两点支承:主轴被 2 个轴承支承,齿轮箱和主轴之 2 间的连接采用胀紧套或螺栓联接, 齿轮箱内无需支承。常见形式包括:双列圆锥滚子轴承+圆柱滚子轴承、两个单列圆锥滚子轴承。 3)单轴承:主轴被1个大直径的双列圆锥滚子轴承支承,主轴一般为直径大且比较短的结 构,齿轮箱和主轴之间的连接采用胀紧套或螺栓联接。近年来在全球风电主轴承中的比例呈 上升趋势。

  目前常见的主轴承分为三种:调心滚子轴承(SRB)、圆锥滚子轴承(TRB)、三排圆柱滚 子轴承(CRB)。调心滚子轴承多用于双馈、5MW 以下机型,其优点在于抗挠动性比较强。 直驱和半直驱机型多采用圆锥滚子轴承和三排圆柱滚子轴承,适用于更大单机容量的机组。 目前,圆锥滚子轴承是国内企业研发的重点。

  根据《风力发电机用轴承简述》,偏航轴承是偏航系统中的重要部件,其位于机舱的底部, 承载着风力发电机主传动系统的全部质量,并传递气动推力到塔架,用于准确适时地调整风 力发电机的迎风角度,因而偏航轴承是风力发电机及时追踪风向变化的保证。根据偏航轴承 的受力特点(同时承受轴向载荷、径向载荷和倾覆力矩),偏航轴承通常采用单排四点接触 球或双排四点接触球转盘轴承,也有采用交叉圆柱滚子转盘轴承的。

  变桨距系统由变桨轴承、驱动机构、原动机及其他附件组成。根据变桨轴承的工作特点,要 求变桨轴承应具有高可靠性、运转灵活并且寿命超过 20 年。此外,变桨轴承的齿轮也有较 高的要求,同时还要求变桨轴承应具有良好的密封性能。另外,考虑到变桨轴承在风力发电 机上的安装位置,一般还要求对其进行表面防腐处理。变桨轴承通常采用单排四点接触球转 盘轴承、双排四点接触球转盘轴承、交叉圆柱滚子转盘轴承或三排滚子转盘轴承。其性能比 偏航轴承的要求更加严格。

  对于变桨系统而言,变桨控制意味着叶片可以在 0°到 90°之间转动。在风速低于额定速度 (通常为 12m/s)时,风轮叶片会转动到完全朝向风向,即桨距为 0°。当风速增大时,可以 控制叶片桨距,将风机的输出功率调整到其额定值。当风速达到预定极限时(通常为 28m/s), 风机将叶片转动到 90°,停止发电。集中变桨控制会将所有叶片的桨距同时调整到相同角度。 相反,独立变桨控制(IPC)可以动态而独立地调整每个叶片的桨距。这种桨距调整可以根 据不同叶片的负载实时进行。

  IPC 通过分别动态调节三个叶片的变桨角度,使每个叶片能够获取不同的目标位置,降低动 平衡载荷,并对不对称转子载荷补偿,从而调节风机速度进而控制风机的输出功率。独立变桨系统也能够作为刹车使用,通过转动叶片来使桨叶停止运作。此外,变桨控制,特别是独 立变桨控制系统,还能够降低风机构件上的疲劳负载。IPC 模式的主要优势是能够降低叶片、 轮毂、主体框架和塔架的疲劳负载。为了平衡这些负载,尤其是不均匀风场引起的不对称负 载,必须独立调整每个叶片的桨距,最终实现更轻量化的设计并延长风机使用寿命。

  齿轮箱轴承主要有调心滚子轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承和交叉滚子轴承,其中多采 用调心滚子轴承。齿轮箱工况恶劣,对轴承的要求是运行平稳、振动噪声小、可靠性高和寿 命长达 20 年。 发电机轴承既要承受主轴自重的径向载荷,又要承受主轴自重在倾角方向引起的轴向载荷, 通常选用深沟球轴承和圆柱滚子轴承组配方式作为发电机支承轴承。

  根据《三一重能招股说明书》,2017~2019 年回转支承(即偏航变桨轴承)占风机原材料成 本的 4.81%、4.81%、5.02%;根据电气风电 2020 年数据,仅偏航变桨轴承就占据风机原 材料成本的 4.15%。根据《三一重能问询函回复公告》,以 3.0MW 风机为例,2018~2020 年三一回转支承向洛 轴的采购价格分别为 47.78、42.24、44.72 万元,按照一台风机需要 1 个偏航轴承、3 个变 桨轴承计算,对应单个轴承单价为 11.95、10.56、11.18 万元;2020 年 4MW 洛轴回转支承 价格为 55.99 万元,单个轴承单价为 14.00 万元。主轴承方面,以 3MW 风机为例,2020 年 向洛轴采购主轴承的价格为 11.59 万元,4MW 采购价格为 19.91 万元。

  此外,根据《新强联向特定对象发行股票募集说明书(修订稿)》,根据新强联项目规划, 3MW~4MW 主轴承销售单价(不含税)约为 50 万元,4MW~6MW 主轴承销售单价(不含 税)约 60 万元,与上述三一重能采购价出现差异,我们判断主要原因为新强联与洛轴的轴 承品种存在差异。新强联完成了 2-5MW 风力发电机三排圆柱滚子主轴轴承、3-6.25MW 风 力发电机无软带双列圆锥滚子主轴轴承的研发设计并实现了量产,已完成了 3-7MW 风力发 电机单列圆锥滚子轴承的研发设计并实现了小批量生产,可见其主供的主轴承为三排圆柱滚 子轴承及单轴承结构中使用的双列圆锥滚子轴承;而洛轴的技术路线则以调心滚子轴承为主, 两者在制作工艺、生产难度上具备较大的差异。 偏航变桨轴承方面,3~4MW、4~5MW、5~6MW 偏航变桨轴承单价分别为 12.95、17.98、 25.88 万元,与三一重能的采购价保持一致。

  综上,我们认为:1)机组大型化带来主轴承、偏航变桨轴承直径、尺寸增大,单个轴承的 价值量将随着机组兆瓦数的提升而增加;2)不同技术路线、不同兆瓦数的风机使用主轴承 的技术路线不同,同等风机大小下,双列圆锥滚子轴承的价值量比调心滚子轴承更高,需要 着重考虑陆风、海风机型的主轴承选型。 我们对 2022~2025 年国内陆风、海风新增装机量进行预测,随着单机功率的逐步增大,机 组数量减少,对应偏航变桨轴承、主轴轴承使用数量减少,但相应的单套轴承的价格将有所 提升,并且海上机组所处环境更加恶劣,对于轴承使用钢材、制作精度要求更高,单价将有 所提升。据此测算:2022~2025 年我国偏航变桨轴承市场规模从 81.35 亿元增长至 116.89 亿元,年均复合增速 12.84%;我国主轴轴承市场规模从 58.85 亿元增长至 102.15 亿元, 年均复合增速 20.18%。

  轴承行业壁垒包括技术与生产经验壁垒、客户认证壁垒、产业链壁垒、资金及规模壁垒。回转支承的工艺流程从锻件进厂开始,中间需经过粗车、钻孔、精加工、淬火回火、车磨等 关键步骤;前期的锻件工艺包括下料、锻造、粗车、正火和热处理等。回转支承可承受较大 的轴向载荷、径向载荷和倾覆力矩,其套圈滚道表面经中频淬火后,具有很高的硬度和良好 的机械性能,使滚道具有良好的耐磨性和承载能力。

  但是,目前由于回转支承套圈的中频淬火技术存在软带区域,限制了回转支承的应用领域, 降低了回转支承的使用寿命,使回转支承只能用在低速、重载的场合,且软带区域会出现早 期疲劳剥落,造成回转支承过早失效。而无软带回转支承,由于中频淬火后没有软带区域, 回转支承滚道不存在薄弱环节,可提高回转支承的承载能力和可靠性,提高回转支承的使用 寿命,满足高速重载的使用场合。由于中频淬火成本较低,热处理过程稳定,如替代原来渗 碳淬火轴承的加工技术,推广应用到钢厂的轧机轴承、铁路轴承等领域,可大大降低轴承的 生产成本,增加产品的可靠性。

  中国轴承产业起步于 1938 年,当时日本 NTN 轴承制造株式会社在瓦房店建立了“满洲轴 承制造株式会社”,即瓦轴集团的前身。随后瓦轴集团又先后建立了如今的哈轴集团和洛轴 集团,这是我国最早的一批轴承企业,为中国轴承工业奠定了基础。 我国国产化风电轴承发展分为三个阶段:1)风电产业发展初期,配套轴承大部分依赖进口, 国产化率基本为 0,价格昂贵且交货周期长。国产化风电轴承替代高潮起于 2006 年,国家 发改委出台“风电设备国产化率 70%”政策规定,使得国内风电轴承行业借助政策的扶持快 速发展,轴承企业快速崛起,最终实现了变桨轴承、偏航轴承的国产化。

  2)随着 2010 年发改委取消“国产化率 70%”的规定,国外轴承企业纷纷涌入中国风电市场,SKF、FAG、铁 姆肯、舍弗勒、NTN 等国际轴承龙头企业相继在中国设立风电轴承厂,凭借着轴承领域积 累的技术和经验优势,迅速霸占国内市场。3)此后的 10 年内,轴承产业主管部门国家发改 委、工信部以及中国轴承工业协会通过制定、完善相关行业政策及规划,从而驱动我国轴承 产业技术进步。 目前来看,我国风电偏航、变桨轴承国产化率较高,但主轴承的工作环境差、制造难度大, 我国风电主轴承国产化率仍然较低。近几年,风电抢装、进口轴承供应受阻、外资轴承企业 产能受限,据 Wood Mackenzie 数据,2020 年公共卫生事件对全球风电轴承供应链产生较 大影响,这为风电轴承的国产化带来巨大契机。

  根据中轴协轴承工业公众号,2020 年全国风电机组装机 20401 台,共需配套轴承 479424 套;据不完全统计,天马、洛轴、新强联、瓦轴、大冶轴、京冶轴承、洛轴所等国内轴承企 业共产销风电轴承 77948 套,占比 16.3%。按照应用部位来说,1)偏航轴承:国产轴承产 销 12918 套,合 12918 台份,占总需求量的 63.3%;2)变桨轴承:国产轴承产销 52974 套,合 17658 台份,占总需求量的 86.6%;3)主轴承:国产轴承产销 10090 套,合 6727 台份,占总需求量的 33.0%;4)增速器轴承:国产轴承产销 1902 套,合 119 台份,占总 需求量的 0.58%;5)发电机轴承:国产轴承产销 91 套,合 45 台份,占总需求量的 0.2%。

  据洛轴 LYC 轴承有限公司总经理于海波介绍:“国内主轴轴承从设计到生产制造,和国外 产品的差距在缩小。以洛轴为代表的国内主要轴承制造企业,主流机型所用的 3-6.25MW 主 轴轴承已大批量装机使用,10MW 以下的海上风电机组主轴轴承也进入研发、样机试用阶 段。预计 2022 年,主轴轴承(陆上)国产化率可提高到 40%。随着主机招标价格大幅走低, 整机商对轴承等各零部件的成本关注度都在提升,主轴轴承国产化已是大势所趋。”

  我国轴承工业具有较为显著的区域化发展特色,主要形成了瓦房店、洛阳、长三角、浙东和 聊城五个轴承产业集群。1)瓦房店轴承产业基地是中国最大的轴承产业基地,基地依托中 国最大的轴承生产企业——瓦轴,始建于 1938 年,新中国第一套工业轴承在这里诞生。2) 河南洛阳轴承产业聚集区是我国技术积淀最深厚的轴承产业集聚区,集聚区内洛阳 LYC 轴 承有限公司是国家“一五”时期 156 项重点工程之一的洛阳轴承厂的延续和继承,是中国轴 承行业规模最大的综合性轴承制造企业之一。3)长三角是我国轴承生产主要地区,轴承生 产主要分布于苏州、常州、无锡、上海等地。4)浙东轴承产业基地以常山县、杭州、宁波、 绍兴为核心,北部与江苏轴承产业基地相邻。5)聊城轴承产业基地以山东聊城为中心,是 我国最大的轴承保持架生产基地和最大的轴承贸易基地。

  以洛轴、瓦轴、天马为主的国产轴承企业从事多领域的轴承研发及生产销售工作,销售规模 较大,2021 年三家企业分别实现营业收入 50.20、23.19 和 8.38 亿元,同比增长 19.07%、 24.74%和 16.07%。新强联则以风电轴承生产为主,2020 年因国内风电抢装获得份额的快 速提升,2021 年实现营业收入 24.77 亿元,同比增长 20.01%。利润方面,新强联具备更强 的成本控制能力,业绩保持持续增长,2021 年实现归母净利润 5.14 亿元,而洛轴、瓦轴、 天马的归母净利润波动较大。

  我们从洛轴、瓦轴、新强联、天马、恒润股份的固定资产和在建工程观测企业扩产情况,洛 轴维持 14~16 亿元的固定资产,近几年在建工程维持在 3 亿元左右;瓦轴的扩产相对较少, 在建工程处于 0.5 亿元以下;新强联上市后实现快速扩产,2021 年固定资产 7.88 亿元,在 建工程高达 3.69 亿元;恒润股份同样处于扩产期,2021 年在建工程达 1.68 亿元。

  滚动体是滚动轴承中的核心元件,由于它的存在,相对运动表面间才有滚动摩擦。滚动轴承 通常由外圈、内圈、滚动体和保持架组成。外圈和内圈统称为轴承套圈,是具有一个或几个 滚道的环形零件;其中,外圈是指滚道在内表面的轴承套圈,内圈是指滚道在外表面的轴承 套圈,滚动体就位于外圈和内圈之间。

  对应的滚动轴承分为球轴承和滚子轴承。其中球轴承产量占比超过七成,主要是由于钢球在 旋转速度、加工精度、噪音控制等方面具有比较优势,使得球轴承能更广泛的适用于装备制 造的各个领域。圆柱滚子轴承根据轴承滚动体的列数不同,可分为单列、双列和多列圆柱滚 子轴承。此类轴承刚性强,径向承载能力大,受载荷后变形小,根据套圈挡边的结构也可承 受一定的单向或双向轴向负荷。此类轴承大多应用于变速箱、空调压缩机、大中型电动机、 内燃机、轧钢机以及起重运输机械等。圆锥滚子轴承主要用于承受以径向载荷为主的径向与 轴向联合载荷。轴承承载能力取决于外圈的滚道角度,角度越大承载能力越大。该类轴承属 分离型轴承,根据轴承中滚动体的列数分为单列、双列和四列圆锥滚子轴承。圆锥滚子轴承 广泛用于汽车、轧机、矿山、冶金、塑料机械等行业。

  滚动体行业具有较高的技术壁垒。钢球方面,钢球的生产加工较为复杂,需要经历原材料镦 压、光球、热处理、磨球、强化、初研、外观检测、涡流探伤、精研等多个环节,且各个工 序中不同尺寸规格的钢球所需采用的工艺参数不同,如各尺寸钢球的磨削深度、热处理的淬 火回火时间以及钢球表面强化的时间与强化层深度等,具有较高的技术难度。随着国家对轴 承国产化率要求的提高,将拉动对高附加值精密钢球的市场需求,而精密钢球的生产和研发需要长期的技术积累,通过改进钢球镦压、热处理、强化、精研磨等工序的生产工艺来满足 高端精密钢球的性能要求,具有较高的技术壁垒。

  滚子方面,滚子属于非标准件定制加工,生产过程中所需加工的面较多,检测的项次较多, 对于生产装备、工艺技术、操作人员技术的要求较高。按照公差等级,滚子分为分为 0、Ⅰ、 Ⅱ、Ⅲ级四个等级,精度依次由高到低,主要反映滚子制造尺寸、公差、表面粗糙度等的综 合指标。国内主要以生产Ⅲ级滚子为主,具备生产Ⅱ级、Ⅰ级滚子的企业相对较少,相较于 国际先进的滚子生产加工技术,国内的滚子行业的整体技术工艺还有待提高。

  定制化的技术标准是高端精密轴承钢球和滚子的主要衡量标准。当前对于钢球的技术标准主 要有以下三类:一是通用行业标准,如国内的《GB/T308—2002 滚动轴承钢球》、日本的 《JISB1501 球轴承用钢球》等,为国际上钢球企业生产的基本技术标准;二是部分特殊指 标所适用的行业标准,如振动值、表面粗糙度等;三是下游知名轴承客户对钢球某些性能上 的内部质量标准。

  随着轴承客户对滚动体的加工精度、使用寿命、旋转噪音等性能要求的提 高,要求生产企业不断加大研发投入、提高产品品质和产出效率,提高技术专业化程度,具 有较高的技术难度,生产工艺与技术壁垒较高。而滚子在生产加工过程中所需加工的面较多, 检测的项次较多,且加工装备、工艺技术的复杂程度以及人员的技术要求略高于钢球,因此 相对于钢球来说,滚子加工的定制化程度更高,各轴承生产企业对滚子的规格要求存在差异。

  对于风电轴承滚子而言,由于风电装备常处于海上、高山,交通不便,工况恶劣,要求高可 靠性、长寿命,因此关键核心部件之一的风电轴承技术复杂度高,长期为国外垄断,尤其是 主轴轴承、增速器轴承、发电机轴承等,成为影响我国风电制造业发展的软肋。装配于大兆 瓦风电轴承中的滚子,要求使用寿命达到 20 年以上,目前的现状是滚子精度低,尺寸一致 性差,可靠性差,尤其是能批量生产高端滚子的企业较少。风电轴承滚动体的难点在于:

  1)材料方面:需根据滚子工况,制定个性化材料标准,控制材料合金元素与微量元素含量、 冶炼成分波动,保证材料的淬透性、性能一致性; 2)控形控性:大凸度,滚子对数曲线轮廓、对称性波动、圆锥滚子球基面散差控制,保证尺 寸一致性;表面、心部硬度实现柔性化梯度控制;热处理表面缺陷控制如表面脱贫碳、自由 铁素体、晶界氧化、屈氏体、残奥等关键技术指标; 3)实现全截面探伤,消除缺陷,提高滚子质量可靠性; 4)应力检测与控制:控制滚子表面磨削工艺,得到合理的压应力分布,提高滚子疲劳寿命。

  根据五洲新春投资者关系问答,滚子产品占整个风电轴承价值量的 10~15%;一般来说,钢 球的制作难度低于滚子,我们取中值 12.5%对风电轴承滚动体市场规模进行测算。我们测算 得到:2022~2025 年风电轴承滚动体市场规模从 17.49 亿元增长至 29.39 亿元,年均复合增 速 18.89%。

  滚动体行业中,以日本椿中岛、美国 NN 为主的外资品牌掌握全球最先进的生产技术,国内 企业中,以力星股份、五洲新春为代表的企业能够满足 I 级精度的要求,正在向更高端滚动 体突破,同时此类国产企业正在扩充产能,实现部分滚动体的国产化。此外,国内仍有一部 分中部规模(千万元以上、1 亿元以下)、以及以低技术含量产品为主的小规模滚动体企业。

  日本椿中岛(TSUBAKI NAKASHIMA)公司是一家专业生产精密滚珠和滚子以及滚珠丝杠和 其他机械零件的制造商,总部位于日本奈良。公司具有行业领先的产品系列,生产范围广泛 的高品质精密滚珠、滚子和滚珠丝杠,类型超过 20000 种,产品主要应用于工业机械、电动 注塑机、半导体制造设备、工业机器人、先进医疗设备等。

  公司还具有全球完善的生产网络,在日本、美国、波兰、中国等地共建有多家制造厂,增强 了管理生产和库存的能力,能够在短时间内满足客户对各种精密产品的交货要求,产品主要 供应斯凯孚(SKF)、恩梯恩株式会社(NTN)、捷太格特株式会社(JTEKT)等大型跨国 轴承制造商。2002 年 2 月,日本椿中岛公司在江苏设立椿中岛机械(太仓)有限公司,2006 年收购原重庆钢球有限公司,2017 年收购美国 NN 公司 PBC(Precision Ball Components) 事业部,实现滚动体行业两大知名品牌的合并。

  洛阳新强联回转支承股份有限公司(简称“新强联”)成立于 2005 年,主要从事大型回转 支承和工业锻件的研发、生产和销售,产品包括风电主轴轴承、偏航轴承、变桨轴承,盾构 机轴承及关键零部件,海工装备起重机回转支承和锻件等,产品主要应用于风力发电机组、 盾构机、海工装备和工程机械等领域。

  自成立起,新强联一直致力于大型回转支承和工业锻件的研发、生产和销售,属于国产轴承 当之无愧的龙头。2009 年以来,公司抓住风电行业的发展机遇,致力于研发生产风力发电 机的配套轴承,在主轴轴承、偏航轴承、变桨轴承等核心零部件方面取得了多项技术和工艺 突破。公司先后研制了 1.5、2、2.5、3、5.5MW 变桨和偏航轴承,成为国内变桨、偏航轴 承的主要供应商;攻克了 2、2.5 和 3MW 直驱式风力发电机三排滚子主轴轴承的关键技术, 以及无软带双列圆锥滚子主轴轴承制造技术,相应产品实现替代进口。其发展历程分为三个 阶段:

  第二阶段:2009~2012 年,是公司的发展阶段。此阶段公司初具规模,各项业务走向成熟, 公司完成了 2MW 永磁直驱式风力发电机主轴轴承、盾构机系列主轴承等高端轴承的研发攻 关,与明阳智慧、湘电风电、中铁装备等主要客户开始逐步建立起合作关系。同时,公司实 现了业务上游的整合,成立了子公司圣久锻件,为生产高品质、大尺寸重载回转支承奠定了 坚实的基础。

  伴随着风电轴承在下游客户的快速切入,2017~2021 年新强联营业收入从 3.71 亿元增长至 24.77 亿元,年均复合增速 60.75%;风电类回转支承是公司收入的主要来源,2018~2021 年新强联风电类回转支承收入从 1.67 亿元增长至 21.28 亿元,年均复合增速 133.36%; 2021 年风电类回转支承收入占总收入的比重达 86.70%,2022 年一季度风电类收入达到 5.27 亿元,占总收入的比重达 82.44%。 2017~2021 年新强联归母净利润从 0.41 亿元增长至 5.15 亿元,年均复合增速 88.26%;新 强联始终保持 30%的高毛利率。从各业务的情况来看,风电类回转支承毛利率呈缓慢提升 的趋势,2018~2021年毛利率从29.70%提升至31.56%,2022年一季度迅速提升至36.05%。

  风电回转支承方面,公司偏航变桨轴承规模较大,主轴承实现快速增长,具备更高的盈利能 力。2017~2019 年,公司偏航变桨轴承营收从 1.33 亿元增长至 2.58 亿元,年均复合增速 39.17%。主轴承快速放量,2017 年主轴承营收仅 2358 万元,2018 年受客户湘电风能装机 容量及经营业绩影响,主轴承收入有所收缩,2019 年又迅速恢复至 3665 万元;据《新强联 向特定对象发行股票问询函回复》,2020 年公司回转支承产品产能利用率高达 98.93%,当 年公司主轴轴承销售产品为 3~4MW,平均价格为 52.63 万元/个,销量约 930 个,据此推 测公司 2020 年主轴轴承收入高达 4.89 亿元。毛利率方面,2020 年公司销售的偏航变桨轴 承和主轴轴承的毛利率分别为 22.32%和 48.83%。

  近年来,公司凭借多年的研发积累和技术优势,以及高质量和性能的产品,持续开发风电类 产品核心客户。核心客户从明阳智能、湘电风能,增加为明阳智能、远景能源、东方电气、 湘电风能、三一重能、中船海装、中车风电等,未来公司将持续开发如金风科技、上海电气、 运达风能等其他头部风电整机客户。公司的下游客户集中度较高,前 6 家客户占据风电产品 收入的 95%以上,其中明阳智能是公司第一大客户,2020、2021 年销售额分别达 9.27、 10.08 亿元;此外,公司向远景能源、三一重能、中国海装的销售额增速较快。

  公司于 2020 年完成公开发行上市,完成募资后投资 3.22 亿元于“2.0MW 及以上大功率风 力发电主机配套轴承建设项目”,该项目于 2020 年 6 月完成扩产,此后公司新增偏航变桨 轴承产能 3306 个、主轴轴承 662 个,集中于 3~4MW;2021 年完成向特定对象发行股票, 投资 9.35 亿元用于“3.0MW 及以上大功率风力发电主机配套轴承生产线建设项目”,预计 于 2022 年底达到预定可使用状态,新增偏航变桨产能 5400 个、主轴轴承 1500 个,分布 在 3~6MW 机型。

  设备配套方面,公司掌握无软带中频淬火技术,引进意大利先进中频淬火设备,设计高速、 高靠性的无软带回转支承和原来采用渗碳淬火的其它轴承,使无软带回转支承应用到风电主 轴轴承、盾构机主轴承、大型离心浇铸机轴承和钢厂的轧钢轴承。公司已完成 2~5MW 三排 圆柱滚子主轴轴承、3~6.25MW 无软带双列圆锥滚子主轴轴承的研发设计并实现了量产,已 完成 3~7MW 单列圆锥滚子主轴承的研发设计并实现了小批量生产。未来公司将朝海上 5.5~8MW 半直驱式双列圆锥滚子主轴轴承、8MW 以上直驱式双支承单列圆锥主轴轴承进 行研发。

  2021 年 4 月,公司以自有资金 3000 万元设立全资子公司洛阳新圣新能源有限公司,主要 从事光伏发电、风力发电项目的开发、咨询、投资、建设、运营维护,致力于为客户提供低 碳、分布式、数字化的光伏新能源解决方案。2021 年 12 月,公司收购洛阳豪智机械有限公 司 55%的股权,豪智机械主要的产品为风电锁紧盘,风电锁紧盘是风力发电机组的核心部 件之一,是风力发电机组主传动轴与高速齿轮箱之间传递大扭矩的连接部件。豪智机械具有 丰富的风电锁紧盘研发经验和能力,为多家风电整机企业和风电齿轮箱企业供货。

  江阴市恒润重工股份有限公司(简称“恒润股份”)成立于 2003 年,成立之初则主营锻件 及法兰的生产研发,并于 2017 年上市,主营产品以辗制环形锻件(主要为风电塔筒法兰)、 锻制法兰为主。2021 年公司主营业务中风电塔筒法兰业务收入 12.08 亿元,占比 52.67%。

  2003 年成立之初,公司开始从事风电法兰业务,产品主要出口德国、日本。随后公司不断 开拓全球风电市场,至 2012 年公司先后开发拓展了西门子风力、韩国重山、阿尔斯通、三 星重工等客户。2017 年,公司与西门子签署了截至 2018 年的 6MW 还是风电法兰长期批货 供货合同。2020 年后,公司已成为目前较少能制造 7.0MW 及以上海上风电塔筒法兰的企 业之一,同时已量产 9MW 海上风电塔筒法兰。 公司控股股东为济宁城投控股集团,实际控制人为济宁市人民政府国有资产监督管理委员会, 通过济宁城投间接持有公司 24.73%的股权。此外,承立新担任公司董事长、董事,并通过 直接持股的方式持有公司 22.66%的股权。

  2017~2021 年,恒润股份营业收入从 7.41 亿元增长至 22.93 亿元,年均复合增速 32.63%; 受国内海风装机波动的影响,2022 年一季度营业收入 3.72 亿元,同比下降 40.37%。公司 利润率波动较大,2020 年归母净利润 4.63 亿元,同比增长 458.52%,2021 年略有下降至 4.42 亿元;2022 年一季度归母净利润 0.13 亿元,同比下降 90.91%。 公司的业务包括风电塔筒法兰、机械行业配套、采购商、石化行业配套等,其中风电塔筒法 兰占比最大,营业收入从 2017 年的 3.92 亿元增长至 2021 年的 12.08 亿元,年均复合增速 32.49%;风电塔筒法兰毛利率稍有波动,2020 年毛利率为 37.35%,2021 年毛利率下降至 33.07%。

  公司在环锻件行业深耕多年,在 know-how、设备方面具备较强的壁垒:1)know-How:公 司在锻造行业积累多年经验,已形成成熟的热处理和成型控制技术。针对不同产品、不同机 械性能要求,公司可以对锻件各项参数实行精确控制,确保产品以最为经济的方式达到客户 的质量标准。2)设备:公司拥有大型油压机和数控辗环机等大型核心设备,引进了德国、 美国、意大利等世界一流的加工中心、车铣复合等高端精密设备和检测设备,掌握着成熟的 中大型环锻件的锻造、辗环、热处理技术,能够生产直径 8 米以下的各类环形锻件,覆盖 9MW 以下的海上风电法兰。

  2021 年 10 月,公司以非公开发行的方式,向公司大股东济宁城投发行 7413 万股,募资 14.74 亿元,投资年产 5 万吨 12MW 海上风电机组用大型精加工锻件扩能项目、年产 4000 套大型风电轴承生产线 万吨齿轮深加工项目,项目投资额分别为 5.38、11.58、 5.57 亿元,建设期全部为 1.5 年。根据公司项目盈利预测,第 2 年(即 2023 年)开始实现 风电轴承的小批量生产销售,到第 6 年实现满产。按照 47.79 万元/套的价格计算,预计满 产后公司的项目收入达 19.51 亿元(轴承配套 19.12 亿元、废钢销售 3972 万元),毛利率 21~23%,净利率 11~13%。

  浙江五洲新春集团股份有限公司(简称“五洲新春”)是一家集研发、制造、营销服务一体 化的综合型企业集团。其主营业务为轴承、精密机械零部件和汽车安全系统、热管理系统零 部件的研发、生产和销售,为相关主机客户提供行业领先的解决方案和高效保障。公司深耕 精密制造技术二十余年,为国内少数涵盖精密锻造、制管、冷成形、机加工、热处理、磨加 工、装配的轴承、精密零部件全产业链企业。

  公司成立于 1999 年,2001 年与美国兹尼亚合资成立森春机械,将轴承套圈加工作为主营 业务。2002 年五洲新春集团成立,先后收购富日泰轴承、富盛轴承、富力钢管等公司,逐 步完善轴承产业,逐步成为国内最大的轴承套圈生产和出口基地。2016 年 10 月公司在上海 证券交易所主板上市,不断开拓成品轴承领域。2021 年公司收购波兰 FLT 和恒进动力公司, 将进一步强化五洲新春在欧洲的销售渠道,强化公司在欧洲轴承市场的品牌影响力,进一步 提升公司成品轴承的行业地位和市场份额。

  公司股权较为集中,实际控制人为张峰、俞越蕾夫妇。董事长张峰通过浙江五洲新春控股有 限公司间接持有公司 27.61%的股权,董事俞越蕾直接及间接持有 7.97%的股权。王学勇、 浙江五洲新春集团控股有限公司与张峰和俞越蕾夫妇为一致行动人。实控人张锋即为公司董 事长、董事兼总经理,同时也为中国轴承工业协会常务理事及特聘企业管理专家、浙江省轴 承工业协会理事长、浙商全国理事会主席团主席,具有丰富的行业经验,能够为公司未来发 展做出专业的决断。实控人俞越蕾为公司董事。公司股权与经营权合一,有助于减少代理成 本,有利于公司长远发展。

  公司营业收入稳定增长,从 2017 年的 11.46 亿元增长至 2021 年的 24.23 亿元,年均复合 增速 20.58%;2021 年公司营收增速高达 38.15%,主要原因是轴承产品和管路件产品增长 较快,风电滚子、汽车零部件等新品量产,同时 11-12 月 FLT 收入并入公司合并报表。 2017~2019 年归母净利润维持在 1 亿元左右,受疫情影响 2020 年归母净利润下滑至 0.62 亿元,期间公司不断深化产品转型和客户结构升级,2021 年归母净利润迅速回升至 1.24 亿 元。

  公司风电滚子实现技术和市场突破,为蒂森克虏伯、德枫丹、斯凯孚的国内外工厂配套,并 成为远景能源认证的风电滚子战略供应商,为国内风电轴承企业新强联、烟台天成、大冶轴 等提供配套,最终使用的风电整机厂商为维斯塔斯、远景能源和金风科技等。公司研发的高 端风电轴承滚子解决了行业“卡脖子”难题,实现高端滚子进口替代;2021 年,公司风电滚 子实现营收 6003 万元,同比增长 140.12%,毛利率 36.75%。

  公司于 2020 年发行可转债募集 3.3 亿元,其中 2.2 亿元将投入智能装备及航天航空等高性 能轴承建设项目,包括了风电轴承滚动体 290 万件,全部达产后预计实现收入 5250 万元。 目前可转债募投项目顺利投运,产能瓶颈将逐步打开。此外,2022 年 5 月公司发布《非公 开发行 A 股预案》,拟募集资金用于建设年产 2200 万件 4 兆瓦以上风电机组精密轴承滚子 技改项目,从而提高 4 兆瓦以上风电机组精密轴承滚子的生产能力。据公告,该项目建设期 2 年,全部建成后预计实现年收入约 5.5 亿元。

  江苏力星通用钢球有限公司(简称“力星股份”)的主营业务为精密轴承滚动体的研发、生 产和销售,包括轴承钢球和轴承滚子,为国内精密轴承钢球领域的龙头企业。目前,公司主 要产品为公称直径 0.80mm-100.00mm,精度等级 G3-G60 的轴承钢球;以及公称直径 9.00mm-80.00mm,精度等级Ⅱ级、Ⅰ级的轴承滚子。轴承钢球广泛应用于机动车制造领域、 精密机床、轻工家电、风力发电、工程机械、航空设备以及其他通用机械设备制造领域中所 需的各类轴承中;滚子由于接触面广,极限转速低,主要应用于轨道交通、盾构机、风电主 轴、重卡等负荷能力要求较高的领域。

  近年来公司营业收入持续增长,2017~2021 年营业收入从 6.63 亿元增长至 9.74 亿元,年 均复合增速 10.09%。公司归母净利润波动较大,2017~2018 年归母净利润基本保持在 0.7~0.8 亿左右,2019 年下滑至 0.39 亿元,2021 年回升至 0.90 亿元。 公司的钢球业务贡献主要利润,2017~2021 年,钢球业务营收从 6.58 亿元增长至 9.12 亿 元,年均复合增速 45.07%;毛利润从 1.78 亿元增长至 2.07 亿元,年均复合增速 3.85%, 近几年钢球毛利率维持稳定,基本维持在 23%左右。滚子业务方面,公司滚子业务逐步扩大 规模,2021 年实现营收 5088 万元,同比增长 51.29%,毛利率从 2018 年的-25.40%提升 至 2021 年的 10.07%。

  产能方面,2015、2016 年公司通过首次公开发行股票、非公开发行 A 股的方式募集资金投 向新建年产 16000 吨精密圆锥滚子项目、智能化钢球制造技术改造项目、年产钢球 100 亿 粒项目扩建工程及收购奉化市金燕钢球有限公司 100%股权项目。2022 年,公司发布《向 特定对象发行 A 股股票募集说明书》,拟募资 3.5 亿元,投资于年产 6000 吨精密滚动体项 目、年产 800 万粒高端大型滚动体扩建项目及补充流动资金。1)年产 6000 吨精密滚动体 项目拟新增公称直径 0.80mm-9.525mm、精度等级 G3-G10 级的高精度钢球;项目基础建 设期预计为 2 年,投产期为 3 年,预计达产后年均销售收入为 2.91 亿元。2)年产 800 万 粒高端大型滚动体扩建项目建设期 2 年,达产期 3 年,预计达产后年均销售收入为 2.47 亿 元。