中車株洲所將首款海上風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)代號(hào)命名為“長(zhǎng)征”,寓意其已踏上新的遠(yuǎn)征之路,過(guò)程雖艱辛,意義卻偉大,且一定會(huì)走向勝利。
2023年1月,當(dāng)中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司(下稱“中車株洲所”)總經(jīng)理劉可安在中國(guó)中車首臺(tái)海上風(fēng)電樣機(jī)——“海平面一號(hào)”現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研時(shí),一位業(yè)主的現(xiàn)場(chǎng)工作人員表示:“這臺(tái)機(jī)組運(yùn)行情況良好,大大超出了我們的預(yù)期?!?/p>
樣機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)證實(shí)了這一點(diǎn)。2023年1—3月,除進(jìn)行機(jī)組測(cè)試工作所需的主動(dòng)停機(jī)外,設(shè)備平均可利用率超過(guò)99%。
這臺(tái)單機(jī)容量為10MW的海上風(fēng)電樣機(jī)的投運(yùn),對(duì)中車株洲所在風(fēng)電領(lǐng)域的布局至關(guān)重要,意味著其實(shí)現(xiàn)了三項(xiàng)重大市場(chǎng)與技術(shù)突破:風(fēng)電整機(jī)業(yè)務(wù)從陸上延伸至海上;整機(jī)技術(shù)路線從雙饋延伸至半直驅(qū);樣機(jī)額定功率創(chuàng)下所在省份的新紀(jì)錄。
“‘唯實(shí)、尊重、創(chuàng)新、成事’是中車株洲所的企業(yè)文化,尤其是第四個(gè)詞,要求我們必須有一顆以‘成事’為目標(biāo)的心?!敝熊囍曛匏L(fēng)電事業(yè)部副總經(jīng)理兼總工程師王靛對(duì)《風(fēng)能》表示:“在樣機(jī)研發(fā)過(guò)程中,大家曾遇到過(guò)無(wú)數(shù)困難和壓力,但我們沒(méi)有打退堂鼓,一定要把這件事做成了才行。星光不負(fù)追夢(mèng)人,通過(guò)研發(fā)團(tuán)隊(duì)夜以繼日的奮斗,這款承載著中車株洲所‘新’能源夢(mèng)想的產(chǎn)品如期面世?!?/p>
謀定后動(dòng),開啟海上長(zhǎng)征
中車株洲所10MW海上風(fēng)電樣機(jī)從立項(xiàng)到并網(wǎng)發(fā)電,歷時(shí)僅15個(gè)月,這還是受到了新冠肺炎疫情的影響。特別是,機(jī)組送電后15分鐘內(nèi)完成并網(wǎng),1個(gè)小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)正常運(yùn)行,令海上風(fēng)電項(xiàng)目工程建設(shè)與開發(fā)經(jīng)驗(yàn)豐富的業(yè)主頗感驚訝。在王靛看來(lái),機(jī)組研發(fā)與投運(yùn)過(guò)程的順利進(jìn)行,與前期中車株洲所對(duì)海上風(fēng)電市場(chǎng)與產(chǎn)品的反復(fù)論證、供應(yīng)鏈交流、技術(shù)儲(chǔ)備等工作的充分準(zhǔn)備息息相關(guān)。
在中國(guó)中車各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的支持下,中車株洲所風(fēng)電事業(yè)部的技術(shù)與市場(chǎng)團(tuán)隊(duì)開展了充分討論,一致認(rèn)為2021年是進(jìn)入海上風(fēng)電領(lǐng)域的最后窗口期。
一方面,2021年處于海上風(fēng)電“搶裝”的關(guān)鍵時(shí)期,市場(chǎng)的注意力集中在第二代海上風(fēng)電機(jī)組交付上,專攻海上風(fēng)電平價(jià)市場(chǎng)的產(chǎn)品尚未在市場(chǎng)中出現(xiàn),這給中車株洲所研發(fā)此類產(chǎn)品創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。另一方面,中車株洲所在陸上風(fēng)電的業(yè)績(jī)持續(xù)提升,使其有能力及動(dòng)力涉足海上風(fēng)電。海上風(fēng)電機(jī)組代表著一家企業(yè)的綜合技術(shù)實(shí)力,在研發(fā)過(guò)程中能夠?yàn)榧夹g(shù)團(tuán)隊(duì)提供加深理解與提升風(fēng)電技術(shù)水平的空間,進(jìn)而可以反哺陸上風(fēng)電產(chǎn)品研發(fā)能力。
“中國(guó)中車與中車株洲所的各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)都在為我們鼓勁?!蓖醯寤貞浾f(shuō):“同時(shí),技術(shù)人員都是有情懷的,挑戰(zhàn)未知是他們的天性。海上風(fēng)電市場(chǎng)容量巨大,競(jìng)爭(zhēng)格局未定,市場(chǎng)板塊也在呼喚。如果不能在海上風(fēng)電板塊推出產(chǎn)品,我們可能會(huì)抱憾終身?!?/p>
經(jīng)過(guò)充分的市場(chǎng)調(diào)研與分析,在一次內(nèi)部務(wù)虛會(huì)上,中車株洲所各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)聽取了關(guān)于推動(dòng)研發(fā)海上風(fēng)電機(jī)組的報(bào)告,并給予了肯定。這份報(bào)告名為《株洲所的“新”能源》,寓意海上風(fēng)電必將成為中車株洲所繼陸上風(fēng)電等能源業(yè)務(wù)后的新生力量。王靛在報(bào)告中給出了一系列形象的比喻,將定槳距風(fēng)電機(jī)組比作蒸汽機(jī)車,將陸上常規(guī)風(fēng)電機(jī)組比作電力機(jī)車,將海上固定式風(fēng)電機(jī)組比作高鐵,將漂浮式風(fēng)電機(jī)組比作中國(guó)中車在研的磁懸浮高速列車。
隨后,海上風(fēng)電機(jī)組研發(fā)被立項(xiàng)為中車株洲所最重要的課題之一,代號(hào)“長(zhǎng)征”。“一是因?yàn)槲覀兊暮I巷L(fēng)電產(chǎn)品屬于剛起步狀態(tài),二是因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程艱苦而偉大,三是它最終一定會(huì)走向勝利?!蓖醯褰忉尩?。
“因此,做貼合實(shí)際市場(chǎng)需求的產(chǎn)品,對(duì)中車株洲所海上風(fēng)電產(chǎn)品規(guī)劃非常重要,我們不會(huì)去做‘PPT機(jī)型’,而是推出能夠?qū)崿F(xiàn)業(yè)主利益最大化的產(chǎn)品?!蓖醯逄寡浴?/p>
雙重優(yōu)勢(shì),再鑄高鐵品質(zhì)
中車株洲所將科技引領(lǐng)的“小夢(mèng)想”融入國(guó)家綠色發(fā)展的“大夢(mèng)想”,將軌道交通的關(guān)鍵核心技術(shù)平移應(yīng)用于風(fēng)電領(lǐng)域。通過(guò)中車株洲所強(qiáng)大的關(guān)鍵核心技術(shù)創(chuàng)新能力,為海上風(fēng)電的科技創(chuàng)新發(fā)展注入了動(dòng)力,為碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)貢獻(xiàn)著“中車智慧”。
自2006年進(jìn)入風(fēng)電裝備整機(jī)制造領(lǐng)域以來(lái),中車株洲所風(fēng)電產(chǎn)業(yè)已形成從芯片、器件、部件到整機(jī),從制造到運(yùn)維的完整產(chǎn)業(yè)鏈。在海上風(fēng)電領(lǐng)域,中車株洲所與海上風(fēng)電供應(yīng)鏈的業(yè)務(wù)已開展數(shù)十年,積累了極為豐富的經(jīng)驗(yàn),并構(gòu)成了強(qiáng)大的供應(yīng)鏈支撐體系,為其海上風(fēng)電整機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的支持。
“中國(guó)中車風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈齊全度是全球最強(qiáng)的,沒(méi)有之一。在整機(jī)之外,葉片、發(fā)電機(jī)、變流器、齒輪箱、變槳系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、彈性支撐、各類控制柜與塔筒,中國(guó)中車內(nèi)部都有相應(yīng)的企業(yè)與業(yè)務(wù)在開展,而且在關(guān)鍵零部件方面都走在前列。”王靛認(rèn)為:“在器件層面,2022年我國(guó)陸上風(fēng)電變流器中,有三分之一使用了中車株洲所供應(yīng)的IGBT。”
即便擁有強(qiáng)大的內(nèi)部供應(yīng)商,為了通過(guò)良性競(jìng)爭(zhēng)促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量提升,中車株洲所在海上風(fēng)電機(jī)組的供應(yīng)鏈建設(shè)上,仍對(duì)外部零部件龍頭企業(yè)持開放合作的態(tài)度。尤其是在變流器、齒輪箱、變槳系統(tǒng)等關(guān)鍵零部件上,引入了一系列戰(zhàn)略合作伙伴,形成了內(nèi)部與外部龍頭企業(yè)相結(jié)合的供應(yīng)鏈架構(gòu)。
“基于質(zhì)量體系的要求,中車株洲所的供應(yīng)商門檻是很高的,但在成功引用合作后,會(huì)建立戰(zhàn)略合作關(guān)系,保障長(zhǎng)期合作,通過(guò)聯(lián)合開發(fā),一起想辦法提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力?!蓖醯灞硎尽?/p>
全面強(qiáng)大的供應(yīng)鏈在生產(chǎn)交付上給中車株洲所風(fēng)電整機(jī)業(yè)務(wù)帶來(lái)了有力支撐,更在新產(chǎn)品研發(fā)層面為整機(jī)業(yè)務(wù)賦予了競(jìng)爭(zhēng)力。在王靛看來(lái),“如果沒(méi)有供應(yīng)商伙伴們的幫助,首臺(tái)海上風(fēng)電樣機(jī)迅速完成開發(fā)和并網(wǎng)便是癡人說(shuō)夢(mèng)。”
例如,在這臺(tái)樣機(jī)上,中車株洲所第一次采用了碳纖維葉片,其設(shè)計(jì)與制造過(guò)程是與時(shí)代新材反復(fù)溝通與迭代完成的,而后者擁有豐富的海上風(fēng)電葉片開發(fā)與制造經(jīng)驗(yàn)。這款樣機(jī)還首次采用了半直驅(qū)技術(shù)路線,其傳動(dòng)鏈中發(fā)電機(jī)與齒輪箱的組合調(diào)試試驗(yàn),則得到了南高齒的大力支持。在單樁基礎(chǔ)與塔筒的一體化設(shè)計(jì)上,中車株洲所又與設(shè)計(jì)院聯(lián)合完成,中車株洲所從伙伴身上學(xué)習(xí)到很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。
強(qiáng)大的風(fēng)電供應(yīng)鏈體系給中車株洲所帶來(lái)了海上風(fēng)電的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì),源于軌道交通的高可靠性基因同樣延續(xù)到了中車株洲所的海上風(fēng)電產(chǎn)品中。“中車株洲所在現(xiàn)有質(zhì)量與可靠性管理體系的基礎(chǔ)上,根據(jù)風(fēng)電特點(diǎn)進(jìn)行了差異化調(diào)整。在材料、器件、算法、網(wǎng)絡(luò)、控制等基礎(chǔ)研發(fā)、試驗(yàn)驗(yàn)證方面,最大化借用了既有技術(shù)和試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái),充分利用軌道交通關(guān)于海拔、溫度、濕度、鹽堿度、密封性等環(huán)境適應(yīng)性及不同環(huán)境下的可靠性,通信、控制、電磁兼容等應(yīng)用方面的研究技術(shù)及試驗(yàn)驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)?!敝熊囍曛匏L(fēng)電事業(yè)部副總經(jīng)理陳長(zhǎng)春表示,“此外,技術(shù)質(zhì)量專家定期會(huì)對(duì)風(fēng)電裝備技術(shù)、實(shí)物、管理體系提出改進(jìn)建議,并將深海其他產(chǎn)業(yè)技術(shù)及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)平移過(guò)來(lái)?!?/p>
海上風(fēng)電運(yùn)維窗口期更短,成本比陸上風(fēng)電更高,壽命周期多出5年,使海上風(fēng)電機(jī)組供應(yīng)鏈對(duì)設(shè)計(jì)余量與安全系數(shù)要求更高。然而,“國(guó)補(bǔ)”取消后,海上風(fēng)電市場(chǎng)價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)逐漸加劇。
“為了兼顧產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力及質(zhì)量與可靠性,我們一是堅(jiān)持推行質(zhì)量與可靠性系統(tǒng)工程管理理念,通過(guò)‘一次把事情做對(duì)’,降低產(chǎn)品生命周期成本;二是大力推動(dòng)行業(yè)間協(xié)同、仿真驗(yàn)證與失誤驗(yàn)證協(xié)同、供應(yīng)鏈協(xié)同等,減少重復(fù)投入;三是做實(shí)智能運(yùn)維,做好計(jì)劃與預(yù)測(cè)性維護(hù),深度挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值,優(yōu)化前端產(chǎn)品和過(guò)程?!标愰L(zhǎng)春介紹說(shuō)。
匠心匠造,贏得客戶青睞
為了提升首款海上風(fēng)電機(jī)組的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力,中車株洲所通過(guò)在技術(shù)路線、產(chǎn)品平臺(tái)、解決方案三個(gè)層面推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新,將其打造成直面平價(jià)時(shí)代的第三代海上風(fēng)電整機(jī)產(chǎn)品。
“技術(shù)路線的選擇非常重要,必須慎重。陸上風(fēng)電產(chǎn)品,我們堅(jiān)持走高速雙饋的技術(shù)路線。海上風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量增加后,我們經(jīng)整體評(píng)估后認(rèn)為,半直驅(qū)路線的系統(tǒng)可靠性與成本可控性更優(yōu),現(xiàn)階段在海上風(fēng)電產(chǎn)品上選擇半直驅(qū)更合理?!蓖醯逭J(rèn)為。
據(jù)了解,目前主要的半直驅(qū)技術(shù)路線有三類,包括帶聯(lián)軸器的半直驅(qū)機(jī)組、超緊湊機(jī)組、全集成機(jī)組。中車株洲所選擇了全集成路線。
事實(shí)上,半直驅(qū)技術(shù)路線間的最大差異存在于傳動(dòng)鏈上,而傳動(dòng)鏈的優(yōu)化主要來(lái)自于軸承和低速軸聯(lián)軸器。中車株洲所采用的齒輪箱為三級(jí)行星結(jié)構(gòu)。其中,第一級(jí)行星架軸承與前面的主軸軸承合二為一,第三級(jí)行星架軸承與后面的發(fā)電機(jī)軸承合二為一。這樣做,不但縮短了傳動(dòng)鏈,還減少了前后機(jī)架的長(zhǎng)度,使10MW機(jī)組的機(jī)艙長(zhǎng)度與陸上3MW雙饋機(jī)組的機(jī)艙長(zhǎng)度相當(dāng)。此外,由于風(fēng)輪-主軸-齒輪箱-發(fā)電機(jī)之間形成了純剛性連接,在旋轉(zhuǎn)方向上是一條直線,傳動(dòng)鏈無(wú)需對(duì)中,運(yùn)行時(shí)傳動(dòng)鏈的左右振動(dòng)很小,不再需要傳動(dòng)鏈系統(tǒng)與前機(jī)架之間的彈性支撐。
當(dāng)然,這樣的全集成結(jié)構(gòu)會(huì)面臨一些新的技術(shù)挑戰(zhàn)。比如,發(fā)電機(jī)作為一個(gè)電氣部件,如果不加處理,從變流器而來(lái)的軸電流諧波會(huì)經(jīng)過(guò)齒輪箱機(jī)械部件的間隙,造成軸承的電腐蝕?!拔覀冡槍?duì)這個(gè)挑戰(zhàn)同時(shí)采用了‘堵’與‘疏’兩條策略:在齒輪箱與發(fā)電機(jī)的核心軸電流通道上加絕緣材料,堵住軸電流通路;在發(fā)電機(jī)尾部增加特殊復(fù)合材料制成的導(dǎo)電刷,將有害電流疏導(dǎo)出去。最終,很好地解決了這一挑戰(zhàn)?!敝熊囍曛匏L(fēng)電事業(yè)部技術(shù)中心副主任兼海上產(chǎn)品項(xiàng)目經(jīng)理王磊表示。
中車株洲所首臺(tái)海上風(fēng)電樣機(jī)單機(jī)容量為10MW,其平臺(tái)可覆蓋8~12MW功率等級(jí)。一方面,平臺(tái)化設(shè)計(jì)可以提升產(chǎn)品定制化效率,確保不同海域項(xiàng)目的收益率最高。例如,在山東、廣西等風(fēng)速較小的海域,可以采用8~8.5MW機(jī)型;在江蘇、浙江等中等風(fēng)速的海域,可以采用10~12MW機(jī)型。另一方面,平臺(tái)化設(shè)計(jì)還能進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品研發(fā)與采購(gòu)的成本。
據(jù)王磊介紹,這款平臺(tái)化產(chǎn)品在關(guān)鍵接口上保持了一致性。針對(duì)發(fā)電機(jī),可根據(jù)容量需求不同,利用線圈寬度方向上的預(yù)留空間,調(diào)整線圈寬度,實(shí)現(xiàn)功率的上下浮動(dòng);針對(duì)齒輪箱,可以對(duì)齒寬進(jìn)行細(xì)微調(diào)整,實(shí)現(xiàn)齒輪箱功率的上下浮動(dòng),從而使該平臺(tái)的發(fā)電機(jī)和齒輪箱保持通用。
除傳動(dòng)鏈外,葉片解決方案的選取對(duì)整機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)同樣會(huì)起到關(guān)鍵作用。相較于陸上風(fēng)電,海上風(fēng)電項(xiàng)目的單位千瓦造價(jià)更高,而海上風(fēng)電整機(jī)成本在總造價(jià)中的占比相對(duì)更低。這意味著,對(duì)于海上風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì),如果過(guò)于偏重機(jī)組自身的單位千瓦成本,與降低整個(gè)項(xiàng)目的度電成本很可能是背道而馳的。據(jù)介紹,中車株洲所8~12MW海上風(fēng)電機(jī)型的葉片設(shè)計(jì)目標(biāo)為追求高發(fā)電量,實(shí)現(xiàn)可控范圍內(nèi)的性能更優(yōu)。葉片采用了大實(shí)度低尖速比方案,在保證葉片性能的前提下,盡量控制整機(jī)載荷與葉片成本,比如采用單邊碳纖維大梁對(duì)葉片進(jìn)行減重。
據(jù)了解,這款平臺(tái)產(chǎn)品搭載了雙柜變流器方案,即10MW風(fēng)電機(jī)組的變流器由2個(gè)5MW的變流器組成。如果其中某個(gè)變流器發(fā)生故障,另一個(gè)仍能繼續(xù)工作,風(fēng)電機(jī)組可以自動(dòng)限功率至5MW運(yùn)行。需要提及的是,由于大功率電抗、模塊的選材成本較高,綜合機(jī)艙布局帶來(lái)的附加成本變化,考慮系統(tǒng)成本后,雙柜5MW變流器比單柜10MW變流器在成本上更有優(yōu)勢(shì),尤其是在機(jī)組功率等級(jí)進(jìn)一步提升后。
“此外,由于海上風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量較大,箱變上移后可借助機(jī)艙的水冷散熱系統(tǒng)散熱,比在塔筒外面布置散熱風(fēng)扇效率高、成本低?!蓖趵谡劦溃骸案匾氖牵渥兩弦坪?,從機(jī)艙去往塔底的電纜電壓等級(jí)從1140V升到35kV,只需一根電纜就可以。相比非箱變上移機(jī)組的18~24根電纜而言,塔筒電纜的成本可以明顯降低。”
上述幾個(gè)維度的優(yōu)化措施,使中車株洲所的這款平臺(tái)化產(chǎn)品具備了較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,并迅速得到市場(chǎng)的“青睞”。4月24日,國(guó)電投2023年度第六批集中招標(biāo)山東海衛(wèi)半島南U場(chǎng)址45萬(wàn)千瓦海上風(fēng)電項(xiàng)目公布了風(fēng)電機(jī)組設(shè)備采購(gòu)中標(biāo)信息。其中,中車株洲所以“黑馬”之姿成為第一標(biāo)段中標(biāo)候選人。
“通過(guò)‘海平面一號(hào)’,中車株洲所完成了海上風(fēng)電從‘0’到‘1’的突破。隨著批量交付訂單的獲取,我們將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)從‘1’到‘N’的突破?!蓖醯逄寡裕骸拔磥?lái),海上風(fēng)電市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)山雨欲來(lái),我們必須做好充足準(zhǔn)備,并加快步伐?!?/p>
評(píng)論