今年10月，我國(guó)首批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、全球風(fēng)輪直徑最大的5MW海上風(fēng)電機(jī)組，在江蘇如東中船重工海裝風(fēng)電公司成功下線。 這一機(jī)組創(chuàng)造了哪些行業(yè)第一?對(duì)海上風(fēng)電行業(yè)有何推動(dòng)作用?研發(fā)過(guò)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(xiàng)目負(fù)責(zé)人張海亞接受記者采訪時(shí)，對(duì)此一一揭秘。
海上3類風(fēng)區(qū)亟需適宜風(fēng)機(jī)
海裝風(fēng)電H151-5MW機(jī)型是唯一一款適應(yīng)3類風(fēng)區(qū)的5MW級(jí)別海上風(fēng)電機(jī)組，3類風(fēng)區(qū)海上風(fēng)機(jī)的國(guó)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(jī)組年利用小時(shí)數(shù)高達(dá)3000多甚至4000小時(shí)。我國(guó)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(duì)于北歐海上風(fēng)電而言，風(fēng)功率密度總體偏低，特別是長(zhǎng)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(guó)外成熟風(fēng)電機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)只能達(dá)到2000小時(shí)多一點(diǎn)。收益的降低直接增加了項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，阻礙我國(guó)海上風(fēng)電的發(fā)展。
海裝風(fēng)電開(kāi)發(fā)的H151-5MW機(jī)型年利用小時(shí)數(shù)接近3000小時(shí)，是目前全球唯一一款適應(yīng)3類風(fēng)區(qū)的5MW級(jí)別海上風(fēng)電機(jī)組，能有效提高我國(guó)長(zhǎng)江口以北廣大3類風(fēng)場(chǎng)的收益。在《海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)建設(shè)方案(2014-2016)》中，長(zhǎng)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(duì)成熟，惡劣工況較少，目前已核準(zhǔn)或擬開(kāi)工的項(xiàng)目中，上述地區(qū)占到總數(shù)的3/4。
海裝風(fēng)電5MW海上機(jī)組都包括哪些機(jī)型，是否全部實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)?
張海亞：海裝風(fēng)電5MW目前有兩個(gè)平臺(tái)，一是151平臺(tái)，包括H128和H151兩款機(jī)型，二是171平臺(tái)，包括H171和H151兩款機(jī)型。同一平臺(tái)的兩種機(jī)型，除了葉片和齒輪箱第三級(jí)傳動(dòng)齒輪不一樣以外，其他所有零部件可以完全互換。
151平臺(tái)通過(guò)4年的試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)驗(yàn)證，2年半的風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)，率先完成了國(guó)內(nèi)第一個(gè)海上風(fēng)電低電壓穿越測(cè)試，獲得了國(guó)內(nèi)首個(gè)海上風(fēng)電機(jī)組型式認(rèn)證證書，樣機(jī)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(kuò)大海上風(fēng)電收益，降低項(xiàng)目開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，海裝風(fēng)電在151平臺(tái)上進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)，開(kāi)發(fā)了171平臺(tái)。新開(kāi)發(fā)的171平臺(tái)根據(jù)載荷情況，對(duì)輪轂、主機(jī)架、齒輪箱等結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了加強(qiáng)，電氣系統(tǒng)保持不變。目前171平臺(tái)已完成詳細(xì)設(shè)計(jì)，樣機(jī)計(jì)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
H151-5MW是同級(jí)別機(jī)組中單位千瓦掃風(fēng)面積最大的，研發(fā)過(guò)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(jià)比。從我國(guó)陸上風(fēng)電的發(fā)展進(jìn)程來(lái)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(jī)組開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，我國(guó)整機(jī)企業(yè)引領(lǐng)了世界的潮流。近年來(lái)，以GE和維斯塔斯為代表的國(guó)際巨頭也在聞風(fēng)跟隨國(guó)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(jī)組。
對(duì)于研制高單位千瓦掃風(fēng)面積的風(fēng)電機(jī)組而言，核心困難有兩點(diǎn)，一是技術(shù)，二是經(jīng)濟(jì)性。通常而言，對(duì)于同一功率等級(jí)的風(fēng)電機(jī)組，從開(kāi)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(lái)發(fā)電量增加的同時(shí)，無(wú)疑也導(dǎo)致了風(fēng)電機(jī)組自身受力的增加，這需要通過(guò)控制方法來(lái)降低機(jī)組受力或增加零部件強(qiáng)度來(lái)滿足要求。如何實(shí)現(xiàn)增效與增本之間的平衡，如何實(shí)現(xiàn)持續(xù)改進(jìn)優(yōu)化過(guò)程中的系統(tǒng)及關(guān)鍵零部件的兼容性、一致性、可靠性，對(duì)整機(jī)企業(yè)系統(tǒng)集成技術(shù)及綜合整合能力是很大考驗(yàn)。
海裝風(fēng)電5MW機(jī)組是我國(guó)第一個(gè)通過(guò)低電壓穿越測(cè)試的海上機(jī)組，陸上機(jī)組的低電壓穿越已經(jīng)比較普遍，海上機(jī)組是什么狀況?
張海亞：按照要求，所有風(fēng)電機(jī)型并網(wǎng)前，都必須取得低電壓穿越測(cè)試合格證書?，F(xiàn)有政策法規(guī)并未對(duì)蹣跚起步的國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電網(wǎng)開(kāi)一面。在實(shí)際操作過(guò)程中，受海上風(fēng)電地形環(huán)境的影響，低電壓穿越測(cè)試設(shè)備無(wú)法在機(jī)組旁就近安裝測(cè)試，這直接導(dǎo)致在長(zhǎng)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(wú)法讓機(jī)組按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)完成測(cè)試工作。
2014年，在樣機(jī)各項(xiàng)測(cè)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(shí)實(shí)際測(cè)試時(shí)間，就完成了國(guó)內(nèi)第一例海上風(fēng)電低電壓穿越測(cè)試。
國(guó)內(nèi)海上機(jī)組在設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)其他整機(jī)商5MW以上的海上樣機(jī)，是否通過(guò)了上述認(rèn)證?
張海亞：H151-5MW機(jī)型在2013年8月取得設(shè)計(jì)認(rèn)證后，為了掌握設(shè)計(jì)理論值同實(shí)際產(chǎn)品之間的精度，獲得真實(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)，海裝風(fēng)電邀請(qǐng)權(quán)威測(cè)試機(jī)構(gòu)——德國(guó)風(fēng)能研究所DEWI對(duì)該機(jī)型進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容包括行為測(cè)試、功率曲線、電能品質(zhì)等多方面。為了真實(shí)的反映機(jī)組實(shí)際的運(yùn)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(jī)組東南310°夾角400米的位置上，投入200百余萬(wàn)元樹(shù)立了一座測(cè)風(fēng)范圍從0到100米高的臨時(shí)測(cè)風(fēng)塔。為了獲取足夠多的樣本數(shù)據(jù)，整個(gè)測(cè)試工作長(zhǎng)達(dá)兩年半。經(jīng)過(guò)測(cè)試值與理論值的比對(duì)，該機(jī)型各項(xiàng)性能指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)要求。
經(jīng)過(guò)4年運(yùn)行、2年半測(cè)試、率先通過(guò)低電壓穿越、可利用率等指標(biāo)長(zhǎng)期超過(guò)96%的海裝H151機(jī)型所獲得的國(guó)內(nèi)首個(gè)5MW海上風(fēng)電型式認(rèn)證證書，能夠真正證明該機(jī)型具備了批量投放市場(chǎng)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(xiàng)目帶動(dòng)國(guó)產(chǎn)化配套
據(jù)稱，海裝風(fēng)電5MW海上風(fēng)機(jī)是第一個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)并批量生產(chǎn)的海上風(fēng)電機(jī)組。其整機(jī)國(guó)產(chǎn)化率有多高?如何通過(guò)5MW海上風(fēng)機(jī)項(xiàng)目帶動(dòng)國(guó)產(chǎn)化配套?
張海亞：海裝風(fēng)電作為風(fēng)電整機(jī)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(duì)發(fā)電機(jī)、控制系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)等關(guān)鍵核心部件，一開(kāi)始就采用國(guó)內(nèi)供方引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的合作開(kāi)發(fā)模式。同時(shí)，以LM為代表的國(guó)際供應(yīng)商為海裝風(fēng)電定向研制的配套件也實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)生產(chǎn)制造。因此，現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)化已經(jīng)不是傳統(tǒng)狹隘的表述。
近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)水平的進(jìn)步，國(guó)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(jī)組的四大核心部件——齒輪箱、發(fā)電機(jī)、主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)的供方同海裝風(fēng)電2MW機(jī)組一樣，均為中船重工集團(tuán)內(nèi)企業(yè)提供，其余結(jié)構(gòu)件大多實(shí)現(xiàn)了集團(tuán)內(nèi)和社會(huì)化采購(gòu)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(jī)組的國(guó)產(chǎn)化率能夠達(dá)到90%。
目前，H151-5MW是小批量量產(chǎn)，從樣機(jī)到小批量量產(chǎn)需要經(jīng)過(guò)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(guò)哪些難關(guān)?
張海亞：樣機(jī)是以實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破為主，是以試驗(yàn)、測(cè)試、驗(yàn)證、改進(jìn)為主要目的。批量則更多的是按無(wú)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(jià)解決小問(wèn)題，這需要準(zhǔn)確識(shí)別并解決。
對(duì)于風(fēng)電機(jī)組特別是5MW海上風(fēng)電機(jī)組而言，5臺(tái)可算是一個(gè)小批量，20臺(tái)則是一個(gè)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(wèn)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(wèn)題。