今年10月，我國首批具有自主知識產(chǎn)權(quán)、全球風(fēng)輪直徑最大的5MW海上風(fēng)電機組，在江蘇如東中船重工海裝風(fēng)電公司成功下線。
這一機組創(chuàng)造了哪些行業(yè)第一？對海上風(fēng)電行業(yè)有何推動作用？研發(fā)過程又遭遇了哪些難題？日前，中船重工海裝風(fēng)電5MW海上風(fēng)電項目負(fù)責(zé)人張海亞接受記者采訪時，對此一一揭秘。
海上3類風(fēng)區(qū)亟需適宜風(fēng)機
記者：海裝風(fēng)電H151-5MW機型是唯一一款適應(yīng)3類風(fēng)區(qū)的5MW級別海上風(fēng)電機組，3類風(fēng)區(qū)海上風(fēng)機的國內(nèi)應(yīng)用前景怎么樣？
張海亞：以北歐為代表的海上風(fēng)電平均風(fēng)速接近10m/s，風(fēng)電機組年利用小時數(shù)高達(dá)3000多甚至4000小時。我國海上風(fēng)電資源總體豐富，但受信風(fēng)帶和季風(fēng)帶的影響，相對于北歐海上風(fēng)電而言，風(fēng)功率密度總體偏低，特別是長江口以北的廣大3類風(fēng)區(qū)，年平均風(fēng)速只有7.5m/s左右。在這種環(huán)境下，引進(jìn)的國外成熟風(fēng)電機組年利用小時數(shù)只能達(dá)到2000小時多一點。收益的降低直接增加了項目開發(fā)的經(jīng)營風(fēng)險，阻礙我國海上風(fēng)電的發(fā)展。
海裝風(fēng)電開發(fā)的H151-5MW機型年利用小時數(shù)接近3000小時，是目前全球唯一一款適應(yīng)3類風(fēng)區(qū)的5MW級別海上風(fēng)電機組，能有效提高我國長江口以北廣大3類風(fēng)場的收益。在《海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)方案（2014-2016）》中，長江口以北資源占建設(shè)方案總量的52%。由于建設(shè)條件相對成熟，惡劣工況較少，目前已核準(zhǔn)或擬開工的項目中，上述地區(qū)占到總數(shù)的3/4。
記者：海裝風(fēng)電5MW海上機組都包括哪些機型，是否全部實現(xiàn)了量產(chǎn)？
張海亞：海裝風(fēng)電5MW目前有兩個平臺，一是151平臺，包括H128和H151兩款機型，二是171平臺，包括H171和H151兩款機型。同一平臺的兩種機型，除了葉片和齒輪箱第三級傳動齒輪不一樣以外，其他所有零部件可以完全互換。
151平臺通過4年的試驗風(fēng)場驗證，2年半的風(fēng)場實測，率先完成了國內(nèi)第一個海上風(fēng)電低電壓穿越測試，獲得了國內(nèi)首個海上風(fēng)電機組型式認(rèn)證證書，樣機可利用率等核心技術(shù)指標(biāo)高于行業(yè)平均水平，具備了商業(yè)化批量生產(chǎn)的能力。
為了獲得更多的風(fēng)能，擴大海上風(fēng)電收益，降低項目開發(fā)風(fēng)險，海裝風(fēng)電在151平臺上進(jìn)行了優(yōu)化升級，開發(fā)了171平臺。新開發(fā)的171平臺根據(jù)載荷情況，對輪轂、主機架、齒輪箱等結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了加強，電氣系統(tǒng)保持不變。目前171平臺已完成詳細(xì)設(shè)計，樣機計劃于2017年三季度完成安裝。
秉持科學(xué)精神 促行業(yè)理性發(fā)展
記者：H151-5MW是同級別機組中單位千瓦掃風(fēng)面積最大的，研發(fā)過程中需要克服哪些難題？
張海亞：風(fēng)輪直徑代表著發(fā)電量，額定功率代表著投資成本，單位千瓦掃風(fēng)面積意味著性價比。從我國陸上風(fēng)電的發(fā)展進(jìn)程來看，在以高單位千瓦掃風(fēng)面積為核心指標(biāo)的低風(fēng)速風(fēng)電機組開發(fā)領(lǐng)域，我國整機企業(yè)引領(lǐng)了世界的潮流。近年來，以GE和維斯塔斯為代表的國際巨頭也在聞風(fēng)跟隨國內(nèi)行業(yè)的步伐，研制并推出新的高單位千瓦掃風(fēng)面積風(fēng)電機組。
對于研制高單位千瓦掃風(fēng)面積的風(fēng)電機組而言，核心困難有兩點，一是技術(shù)，二是經(jīng)濟性。通常而言，對于同一功率等級的風(fēng)電機組，從開發(fā)、成本、可靠性等多方面角度綜合考慮，同一廠家一般采用在一款基礎(chǔ)產(chǎn)品上進(jìn)行局部改進(jìn)優(yōu)化。風(fēng)輪直徑增大在帶來發(fā)電量增加的同時，無疑也導(dǎo)致了風(fēng)電機組自身受力的增加，這需要通過控制方法來降低機組受力或增加零部件強度來滿足要求。如何實現(xiàn)增效與增本之間的平衡，如何實現(xiàn)持續(xù)改進(jìn)優(yōu)化過程中的系統(tǒng)及關(guān)鍵零部件的兼容性、一致性、可靠性，對整機企業(yè)系統(tǒng)集成技術(shù)及綜合整合能力是很大考驗。
記者：海裝風(fēng)電5MW機組是我國第一個通過低電壓穿越測試的海上機組，陸上機組的低電壓穿越已經(jīng)比較普遍，海上機組是什么狀況？
張海亞：按照要求，所有風(fēng)電機型并網(wǎng)前，都必須取得低電壓穿越測試合格證書。現(xiàn)有政策法規(guī)并未對蹣跚起步的國內(nèi)海上風(fēng)電網(wǎng)開一面。在實際操作過程中，受海上風(fēng)電地形環(huán)境的影響，低電壓穿越測試設(shè)備無法在機組旁就近安裝測試，這直接導(dǎo)致在長距離帶纜的情況下，常規(guī)陸上風(fēng)電低電壓穿越技術(shù)，無法讓機組按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)完成測試工作。
2014年，在樣機各項測試基本告一段落的情況下，海裝風(fēng)電同電科院緊密合作，僅用44小時實際測試時間，就完成了國內(nèi)第一例海上風(fēng)電低電壓穿越測試。
記者：國內(nèi)海上機組在設(shè)計認(rèn)證和型式認(rèn)證方面現(xiàn)狀如何？除了海裝風(fēng)電外，國內(nèi)其他整機商5MW以上的海上樣機，是否通過了上述認(rèn)證？
張海亞：H151-5MW機型在2013年8月取得設(shè)計認(rèn)證后，為了掌握設(shè)計理論值同實際產(chǎn)品之間的精度，獲得真實的測試數(shù)據(jù)，海裝風(fēng)電邀請權(quán)威測試機構(gòu)——德國風(fēng)能研究所DEWI對該機型進(jìn)行了測試，測試內(nèi)容包括行為測試、功率曲線、電能品質(zhì)等多方面。
為了真實的反映機組實際的運行狀況，盡可能排除人為干擾因素，海裝風(fēng)電按照DEWI的要求，在風(fēng)電機組東南310°夾角400米的位置上，投入200百余萬元樹立了一座測風(fēng)范圍從0到100米高的臨時測風(fēng)塔。為了獲取足夠多的樣本數(shù)據(jù)，整個測試工作長達(dá)兩年半。經(jīng)過測試值與理論值的比對，該機型各項性能指標(biāo)完全滿足設(shè)計要求。
經(jīng)過4年運行、2年半測試、率先通過低電壓穿越、可利用率等指標(biāo)長期超過96%的海裝H151機型所獲得的國內(nèi)首個5MW海上風(fēng)電型式認(rèn)證證書，能夠真正證明該機型具備了批量投放市場的條件，也從客觀上引領(lǐng)了行業(yè)的健康發(fā)展，促進(jìn)了行業(yè)更趨于理性。
以項目帶動國產(chǎn)化配套
記者：據(jù)稱，海裝風(fēng)電5MW海上風(fēng)機是第一個具有自主知識產(chǎn)權(quán)并批量生產(chǎn)的海上風(fēng)電機組。其整機國產(chǎn)化率有多高？如何通過5MW海上風(fēng)機項目帶動國產(chǎn)化配套？
張海亞：海裝風(fēng)電作為風(fēng)電整機系統(tǒng)集成單位，整合了包括SKF/FAG、LM、KK等世界一流供方共同參與產(chǎn)品研制。而且對發(fā)電機、控制系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)等關(guān)鍵核心部件，一開始就采用國內(nèi)供方引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)的合作開發(fā)模式。同時，以LM為代表的國際供應(yīng)商為海裝風(fēng)電定向研制的配套件也實現(xiàn)了國內(nèi)生產(chǎn)制造。因此，現(xiàn)有國產(chǎn)化已經(jīng)不是傳統(tǒng)狹隘的表述。
近年來，隨著國內(nèi)工業(yè)水平的進(jìn)步，國內(nèi)零部件技術(shù)和質(zhì)量水平也在大幅提升。立足掌握核心科技以及持續(xù)為客戶提供終身保障的理念，5MW海上風(fēng)電機組的四大核心部件——齒輪箱、發(fā)電機、主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)的供方同海裝風(fēng)電2MW機組一樣，均為中船重工集團內(nèi)企業(yè)提供，其余結(jié)構(gòu)件大多實現(xiàn)了集團內(nèi)和社會化采購并行的方式。目前，除了主軸承、彈性支承等零部件采用進(jìn)口件以外，5MW海上風(fēng)電機組的國產(chǎn)化率能夠達(dá)到90%。
記者：目前，H151-5MW是小批量量產(chǎn)，從樣機到小批量量產(chǎn)需要經(jīng)過哪些難關(guān)？從小批量量產(chǎn)再到大批量量產(chǎn)又要經(jīng)過哪些難關(guān)？
張海亞：樣機是以實現(xiàn)技術(shù)突破為主，是以試驗、測試、驗證、改進(jìn)為主要目的。批量則更多的是按無缺陷原則，按照批量的組織模式和質(zhì)量保障方式，花更多的代價解決小問題，這需要準(zhǔn)確識別并解決。
對于風(fēng)電機組特別是5MW海上風(fēng)電機組而言，5臺可算是一個小批量，20臺則是一個較大的批量。小批量更多需要解決從技術(shù)到生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變問題，大批量則更多需要解決標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)等質(zhì)量體系保障問題。
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