|
中车株洲所将首款海上风电机组的研发代号命名为“长征”，寓意其已踏上新的远征之路，过程虽艰辛，意义却伟大，且一定会走向胜利。
微信图片_20230426171740.png
2023年1月，当中车株洲电力机车研究所有限公司（下称“中车株洲所”）总经理刘可安在中国中车首台海上风电样机——“海平面一号”现场调研时，一位业主的现场工作人员表示：“这台机组运行情况良好，大大超出了我们的预期。”
样机的运行数据证实了这一点。2023年1—3月，除进行机组测试工作所需的主动停机外，设备平均可利用率超过99%。
这台单机容量为10MW的海上风电样机的投运，对中车株洲所在风电领域的布局至关重要，意味着其实现了三项重大市场与技术突破：风电整机业务从陆上延伸至海上；整机技术路线从双馈延伸至半直驱；样机额定功率创下所在省份的新纪录。
“‘唯实、尊重、创新、成事’是中车株洲所的企业文化，尤其是第四个词，要求我们必须有一颗以‘成事’为目标的心。”中车株洲所风电事业部副总经理兼总工程师王靛对《风能》表示：“在样机研发过程中，大家曾遇到过无数困难和压力，但我们没有打退堂鼓，一定要把这件事做成了才行。星光不负追梦人，通过研发团队夜以继日的奋斗，这款承载着中车株洲所‘新’能源梦想的产品如期面世。”
谋定后动，开启海上长征
中车株洲所10MW海上风电样机从立项到并网发电，历时仅15个月，这还是受到了新冠肺炎疫情的影响。特别是，机组送电后15分钟内完成并网，1个小时内实现全自动正常运行，令海上风电项目工程建设与开发经验丰富的业主颇感惊讶。在王靛看来，机组研发与投运过程的顺利进行，与前期中车株洲所对海上风电市场与产品的反复论证、供应链交流、技术储备等工作的充分准备息息相关。
在中国中车各级领导的支持下，中车株洲所风电事业部的技术与市场团队开展了充分讨论，一致认为2021年是进入海上风电领域的最后窗口期。
一方面，2021年处于海上风电“抢装”的关键时期，市场的注意力集中在第二代海上风电机组交付上，专攻海上风电平价市场的产品尚未在市场中出现，这给中车株洲所研发此类产品创造了机会。另一方面，中车株洲所在陆上风电的业绩持续提升，使其有能力及动力涉足海上风电。海上风电机组代表着一家企业的综合技术实力，在研发过程中能够为技术团队提供加深理解与提升风电技术水平的空间，进而可以反哺陆上风电产品研发能力。
“中国中车与中车株洲所的各级领导都在为我们鼓劲。”王靛回忆说：“同时，技术人员都是有情怀的，挑战未知是他们的天性。海上风电市场容量巨大，竞争格局未定，市场板块也在呼唤。如果不能在海上风电板块推出产品，我们可能会抱憾终身。”
经过充分的市场调研与分析，在一次内部务虚会上，中车株洲所各级领导听取了关于推动研发海上风电机组的报告，并给予了肯定。这份报告名为《株洲所的“新”能源》，寓意海上风电必将成为中车株洲所继陆上风电等能源业务后的新生力量。王靛在报告中给出了一系列形象的比喻，将定桨距风电机组比作蒸汽机车，将陆上常规风电机组比作电力机车，将海上固定式风电机组比作高铁，将漂浮式风电机组比作中国中车在研的磁悬浮高速列车。
随后，海上风电机组研发被立项为中车株洲所最重要的课题之一，代号“长征”。“一是因为我们的海上风电产品属于刚起步状态，二是因为这个过程艰苦而伟大，三是它最终一定会走向胜利。”王靛解释道。
“因此，做贴合实际市场需求的产品，对中车株洲所海上风电产品规划非常重要，我们不会去做‘PPT机型’，而是推出能够实现业主利益最大化的产品。”王靛坦言。
微信图片_20230426171746.png
双重优势，再铸高铁品质
中车株洲所将科技引领的“小梦想”融入国家绿色发展的“大梦想”，将轨道交通的关键核心技术平移应用于风电领域。通过中车株洲所强大的关键核心技术创新能力，为海上风电的科技创新发展注入了动力，为碳达峰碳中和目标的实现贡献着“中车智慧”。
自2006年进入风电装备整机制造领域以来，中车株洲所风电产业已形成从芯片、器件、部件到整机，从制造到运维的完整产业链。在海上风电领域，中车株洲所与海上风电供应链的业务已开展数十年，积累了极为丰富的经验，并构成了强大的供应链支撑体系，为其海上风电整机的研发设计提供了强有力的支持。
“中国中车风电产业链齐全度是全球最强的，没有之一。在整机之外，叶片、发电机、变流器、齿轮箱、变桨系统、主控系统、弹性支撑、各类控制柜与塔筒，中国中车内部都有相应的企业与业务在开展，而且在关键零部件方面都走在前列。”王靛认为：“在器件层面，2022年我国陆上风电变流器中，有三分之一使用了中车株洲所供应的IGBT。”
即便拥有强大的内部供应商，为了通过良性竞争促进产品质量提升，中车株洲所在海上风电机组的供应链建设上，仍对外部零部件龙头企业持开放合作的态度。尤其是在变流器、齿轮箱、变桨系统等关键零部件上，引入了一系列战略合作伙伴，形成了内部与外部龙头企业相结合的供应链架构。
“基于质量体系的要求，中车株洲所的供应商门槛是很高的，但在成功引用合作后，会建立战略合作关系，保障长期合作，通过联合开发，一起想办法提高产品竞争力。”王靛表示。
全面强大的供应链在生产交付上给中车株洲所风电整机业务带来了有力支撑，更在新产品研发层面为整机业务赋予了竞争力。在王靛看来，“如果没有供应商伙伴们的帮助，首台海上风电样机迅速完成开发和并网便是痴人说梦。”
例如，在这台样机上，中车株洲所第一次采用了碳纤维叶片，其设计与制造过程是与时代新材反复沟通与迭代完成的，而后者拥有丰富的海上风电叶片开发与制造经验。这款样机还首次采用了半直驱技术路线，其传动链中发电机与齿轮箱的组合调试试验，则得到了南高齿的大力支持。在单桩基础与塔筒的一体化设计上，中车株洲所又与设计院联合完成，中车株洲所从伙伴身上学习到很多宝贵的经验。
强大的风电供应链体系给中车株洲所带来了海上风电的市场优势，源于轨道交通的高可靠性基因同样延续到了中车株洲所的海上风电产品中。“中车株洲所在现有质量与可靠性管理体系的基础上，根据风电特点进行了差异化调整。在材料、器件、算法、网络、控制等基础研发、试验验证方面，最大化借用了既有技术和试验验证平台，充分利用轨道交通关于海拔、温度、湿度、盐碱度、密封性等环境适应性及不同环境下的可靠性，通信、控制、电磁兼容等应用方面的研究技术及试验验证标准与技术。”中车株洲所风电事业部副总经理陈长春表示，“此外，技术质量专家定期会对风电装备技术、实物、管理体系提出改进建议，并将深海其他产业技术及应用经验平移过来。”
海上风电运维窗口期更短，成本比陆上风电更高，寿命周期多出5年，使海上风电机组供应链对设计余量与安全系数要求更高。然而，“国补”取消后，海上风电市场价格竞争逐渐加剧。
“为了兼顾产品竞争力及质量与可靠性，我们一是坚持推行质量与可靠性系统工程管理理念，通过‘一次把事情做对’，降低产品生命周期成本；二是大力推动行业间协同、仿真验证与失误验证协同、供应链协同等，减少重复投入；三是做实智能运维，做好计划与预测性维护，深度挖掘数据价值，优化前端产品和过程。”陈长春介绍说。
微信图片_20230426171751.png
匠心匠造，赢得客户青睐
为了提升首款海上风电机组的产品竞争力，中车株洲所通过在技术路线、产品平台、解决方案三个层面推动技术创新，将其打造成直面平价时代的第三代海上风电整机产品。
“技术路线的选择非常重要，必须慎重。陆上风电产品，我们坚持走高速双馈的技术路线。海上风电机组的单机容量增加后，我们经整体评估后认为，半直驱路线的系统可靠性与成本可控性更优，现阶段在海上风电产品上选择半直驱更合理。”王靛认为。
据了解，目前主要的半直驱技术路线有三类，包括带联轴器的半直驱机组、超紧凑机组、全集成机组。中车株洲所选择了全集成路线。
事实上，半直驱技术路线间的最大差异存在于传动链上，而传动链的优化主要来自于轴承和低速轴联轴器。中车株洲所采用的齿轮箱为三级行星结构。其中，第一级行星架轴承与前面的主轴轴承合二为一，第三级行星架轴承与后面的发电机轴承合二为一。这样做，不但缩短了传动链，还减少了前后机架的长度，使10MW机组的机舱长度与陆上3MW双馈机组的机舱长度相当。此外，由于风轮-主轴-齿轮箱-发电机之间形成了纯刚性连接，在旋转方向上是一条直线，传动链无需对中，运行时传动链的左右振动很小，不再需要传动链系统与前机架之间的弹性支撑。
当然，这样的全集成结构会面临一些新的技术挑战。比如，发电机作为一个电气部件，如果不加处理，从变流器而来的轴电流谐波会经过齿轮箱机械部件的间隙，造成轴承的电腐蚀。“我们针对这个挑战同时采用了‘堵’与‘疏’两条策略：在齿轮箱与发电机的核心轴电流通道上加绝缘材料，堵住轴电流通路；在发电机尾部增加特殊复合材料制成的导电刷，将有害电流疏导出去。最终，很好地解决了这一挑战。”中车株洲所风电事业部技术中心副主任兼海上产品项目经理王磊表示。
中车株洲所首台海上风电样机单机容量为10MW，其平台可覆盖8~12MW功率等级。一方面，平台化设计可以提升产品定制化效率，确保不同海域项目的收益率最高。例如，在山东、广西等风速较小的海域，可以采用8～8.5MW机型；在江苏、浙江等中等风速的海域，可以采用10～12MW机型。另一方面，平台化设计还能进一步优化产品研发与采购的成本。
据王磊介绍，这款平台化产品在关键接口上保持了一致性。针对发电机，可根据容量需求不同，利用线圈宽度方向上的预留空间，调整线圈宽度，实现功率的上下浮动；针对齿轮箱，可以对齿宽进行细微调整，实现齿轮箱功率的上下浮动，从而使该平台的发电机和齿轮箱保持通用。
除传动链外，叶片解决方案的选取对整机优化设计同样会起到关键作用。相较于陆上风电，海上风电项目的单位千瓦造价更高，而海上风电整机成本在总造价中的占比相对更低。这意味着，对于海上风电机组的设计，如果过于偏重机组自身的单位千瓦成本，与降低整个项目的度电成本很可能是背道而驰的。据介绍，中车株洲所8～12MW海上风电机型的叶片设计目标为追求高发电量，实现可控范围内的性能更优。叶片采用了大实度低尖速比方案，在保证叶片性能的前提下，尽量控制整机载荷与叶片成本，比如采用单边碳纤维大梁对叶片进行减重。
据了解，这款平台产品搭载了双柜变流器方案，即10MW风电机组的变流器由2个5MW的变流器组成。如果其中某个变流器发生故障，另一个仍能继续工作，风电机组可以自动限功率至5MW运行。需要提及的是，由于大功率电抗、模块的选材成本较高，综合机舱布局带来的附加成本变化，考虑系统成本后，双柜5MW变流器比单柜10MW变流器在成本上更有优势，尤其是在机组功率等级进一步提升后。
“此外，由于海上风电机组单机容量较大，箱变上移后可借助机舱的水冷散热系统散热，比在塔筒外面布置散热风扇效率高、成本低。”王磊谈道：“更重要的是，箱变上移后，从机舱去往塔底的电缆电压等级从1140V升到35kV，只需一根电缆就可以。相比非箱变上移机组的18~24根电缆而言，塔筒电缆的成本可以明显降低。”
上述几个维度的优化措施，使中车株洲所的这款平台化产品具备了较强的市场竞争力，并迅速得到市场的“青睐”。4月24日，国电投2023年度第六批集中招标山东海卫半岛南U场址45万千瓦海上风电项目公布了风电机组设备采购中标信息。其中，中车株洲所以“黑马”之姿成为第一标段中标候选人。
“通过‘海平面一号’，中车株洲所完成了海上风电从‘0’到‘1’的突破。随着批量交付订单的获取，我们将进一步实现从‘1’到‘N’的突破。”王靛坦言：“未来，海上风电市场的激烈竞争山雨欲来，我们必须做好充足准备，并加快步伐。”
|