2021年10月17日-20日,2021北京國(guó)際風(fēng)能大會(huì)暨展覽會(huì)(CWP 2021)在北京新國(guó)展隆重召開。作為全球風(fēng)電行業(yè)年度最大的盛會(huì)之一,這場(chǎng)由百余名演講嘉賓和數(shù)千名國(guó)內(nèi)外參會(huì)代表共同參與的風(fēng)能盛會(huì),再次登陸北京。
本屆大會(huì)以“碳中和——風(fēng)電發(fā)展的新機(jī)遇”為主題,歷時(shí)四天,包括開幕式、主旨發(fā)言、高峰對(duì)話、創(chuàng)新劇場(chǎng)以及關(guān)于“國(guó)際成熟風(fēng)電市場(chǎng)發(fā)展動(dòng)態(tài)及投資機(jī)會(huì)”“國(guó)際新興風(fēng)電市場(chǎng)發(fā)展動(dòng)態(tài)及投資機(jī)會(huì)”“風(fēng)電設(shè)備智能運(yùn)維論壇”“碳達(dá)峰碳中和加速能源轉(zhuǎn)型”等不同主題的15個(gè)分論壇。能見App全程直播本次大會(huì)。
其中,10月19日海上風(fēng)電發(fā)展論壇隆重召開。中車永濟(jì)電機(jī)有限公司副總工程師段志強(qiáng)參加了該論壇并演講。
以下為發(fā)言全文:
段志強(qiáng):
各位嘉賓,各位專家,大家下午好!接下來我分享面向深遠(yuǎn)海的智能化漂浮式風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)研究。近海資源越來越少,包括國(guó)內(nèi)主機(jī)廠包括海外都在做漂浮式一些整機(jī)的研究。我們中車永濟(jì)有幸參與中間發(fā)電機(jī)的研究,所以今天把我們中間做漂浮式應(yīng)用的發(fā)電機(jī)技術(shù)和最近做的一些成果給大家做一個(gè)匯報(bào)。
我今天大概講三個(gè)部分:永濟(jì)公司風(fēng)電業(yè)務(wù)介紹、面向深遠(yuǎn)海的智能化漂浮式風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)、漂浮式風(fēng)電發(fā)展趨勢(shì)。
簡(jiǎn)單介紹一下我們公司,中車永濟(jì)電機(jī)有限公司,1969年成立,隸屬于中國(guó)中車股份有限公司,旗下核心子公司,占地面積117.6萬平方米 ,建筑面積73.4萬平方米,可年產(chǎn)交通和能源裝備領(lǐng)域電機(jī)共計(jì)22000臺(tái)。專業(yè)從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)研發(fā)、生產(chǎn)、制造和服務(wù),具備全系列風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)品配套能力,風(fēng)電產(chǎn)品年產(chǎn)能5000臺(tái)。1998年,公司已經(jīng)開始中國(guó)首臺(tái)600kW籠型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制;公司產(chǎn)品涵蓋籠型、雙饋、直驅(qū)和半直驅(qū)等四大技術(shù)平臺(tái),功率覆蓋600kW到18MW。
截至2020年12月,永濟(jì)電機(jī)累計(jì)為風(fēng)電市場(chǎng)提供各類風(fēng)力發(fā)電機(jī)40000余臺(tái)(75GW),產(chǎn)品分布國(guó)內(nèi)外1600多個(gè)風(fēng)場(chǎng)。全面覆蓋國(guó)內(nèi)風(fēng)電裝機(jī)區(qū)域,占到中國(guó)在運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)總量的30%,市場(chǎng)占有率國(guó)內(nèi)第一。
這是全國(guó)的一個(gè)布局,永濟(jì)公司作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)龍頭企業(yè),已經(jīng)在海上大功率半直驅(qū)永磁、直驅(qū)永磁和籠型發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)方面作出了諸多突破,為迎接海上風(fēng)電快速發(fā)展做好技術(shù)儲(chǔ)備。自2018年6月至今,永濟(jì)公司先后成功研制多款國(guó)內(nèi)及全球最大功率等級(jí)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī),技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平,產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn),為公司帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。我們的成績(jī)有:
2018年6月,亞洲最大功率7.6MW海上半直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)
2020年4月,首臺(tái)大功率6MW海上直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)
2020年6月,亞洲最大功率10MW海上半直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)
2020年11月,國(guó)內(nèi)最大功率6.XMW海上籠型發(fā)電機(jī)
2021年5月,全球最大功率7.XMW雙饋發(fā)電機(jī)
2021年6月,全球最大13.X MW緊湊型半直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)
2021年10月,發(fā)布全球最大18MW海上漂浮式風(fēng)力發(fā)電機(jī)
目前整個(gè)客戶也是國(guó)內(nèi)整機(jī)廠都有在合作,這是簡(jiǎn)單的介紹。
下面介紹整個(gè)面向深遠(yuǎn)海漂浮式電機(jī),研究表明,世界上 80% 的海上風(fēng)資源位于水深超過 60米的海域,因此深遠(yuǎn)海發(fā)展?jié)摿薮?。想要充分開發(fā)利用海上風(fēng)資源,漂浮式海上風(fēng)電將成為未來重點(diǎn)開發(fā)方向。
優(yōu)勢(shì):風(fēng)力更穩(wěn)定、更強(qiáng)勁,可建設(shè)更大規(guī)模的風(fēng)場(chǎng);施工中無需打樁,克服了影響施工的海床地質(zhì)條件問題;風(fēng)機(jī)在港口組裝后,拖動(dòng)到海上,易于安裝,成本更低;減少對(duì)漁業(yè)區(qū)和旅游區(qū)的影響,對(duì)環(huán)境更友好。
難點(diǎn):漂浮式基礎(chǔ)的穩(wěn)定性較弱,運(yùn)行過程中容易發(fā)生傾斜、位移,對(duì)發(fā)電機(jī)可靠性要求更高;發(fā)電機(jī)處于最高處,運(yùn)動(dòng)速度及加速度在機(jī)組中處于最大狀態(tài);維護(hù)成本高。
在這個(gè)中間怎么解決漂浮式對(duì)整個(gè)電機(jī)的難點(diǎn)呢?我們主要從七個(gè)關(guān)鍵技術(shù)方面來解決整個(gè)電機(jī)的技術(shù),下面逐一說一下。
(一)抗振動(dòng)抗疲勞技術(shù)
針對(duì)漂浮式基礎(chǔ)的穩(wěn)定性較弱,并且發(fā)電機(jī)處于最高處,運(yùn)動(dòng)速度及加速度在機(jī)組中處于最大狀態(tài)。漂浮式發(fā)電機(jī)抗振動(dòng)抗疲勞技術(shù)的關(guān)鍵在于以下4個(gè)方面:針對(duì)漂浮式機(jī)組的特定環(huán)境,采用創(chuàng)新的軸系系統(tǒng),滿足漂浮式發(fā)電機(jī)承受高于固定式風(fēng)機(jī)10倍以上的傾斜振動(dòng)載荷;軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)采用特殊的迷宮結(jié)構(gòu)與壓環(huán)預(yù)緊結(jié)構(gòu),解決油潤(rùn)滑軸承的漏油難題及軸承運(yùn)行可靠性,并通過軸承密封系統(tǒng)1:1實(shí)體模型驗(yàn)證試驗(yàn)。
針對(duì)漂浮式基礎(chǔ)的穩(wěn)定性較弱,并且發(fā)電機(jī)處于最高處,運(yùn)動(dòng)速度及加速度在機(jī)組中處于最大狀態(tài)。漂浮式發(fā)電機(jī)抗振動(dòng)抗疲勞技術(shù)的關(guān)鍵在于以下4個(gè)方面:2、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件疲勞計(jì)算,關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件(傳動(dòng)法蘭、轉(zhuǎn)子支架、磁極螺栓)的疲勞分析計(jì)算時(shí),模擬運(yùn)行工況,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)設(shè)計(jì);3、懸臂零部件抗振性能優(yōu)化設(shè)計(jì),懸臂零部件(發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)、散熱電機(jī))處于最惡劣運(yùn)行環(huán)境,針對(duì)懸臂結(jié)構(gòu)重點(diǎn)優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)、散熱電機(jī)選型及整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核;4、關(guān)鍵部件材料選取,關(guān)鍵零部件(機(jī)座、軸承座、空心軸)采用耐低溫材料和抗振材料,提高了發(fā)電機(jī)的抗振性能。
(二)高可靠性電磁設(shè)計(jì)及仿真分析技術(shù)
基于高效率、高抗失磁能力、高功率密度的電機(jī)電磁設(shè)計(jì)技術(shù)、針對(duì)漂浮式電機(jī)維護(hù)成本高,采用模塊化設(shè)計(jì)思想,結(jié)合有限元分析工具,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能、質(zhì)量、成本、可靠性最優(yōu)化。
?。ㄈ┒鄨?chǎng)耦合仿真分析技術(shù)
電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、電機(jī)損耗分布,優(yōu)化電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)、電流諧波含量。多目標(biāo)仿真優(yōu)化算法,實(shí)現(xiàn)電磁參數(shù)最優(yōu)設(shè)計(jì);多物理場(chǎng)迭代設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)電磁場(chǎng)、結(jié)構(gòu)場(chǎng)、流體場(chǎng)、溫度場(chǎng)、聲場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
?。ㄋ模┌l(fā)電機(jī)高效冷卻技術(shù)
針對(duì)深遠(yuǎn)海電機(jī)特殊的運(yùn)行壞境,對(duì)通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì),通過流體場(chǎng)、溫度場(chǎng)仿真分析,形成了發(fā)電機(jī)高效冷卻技術(shù),并獲得發(fā)明專利。
電機(jī)采用定子水冷和轉(zhuǎn)子空水冷的雙路循環(huán)的冷卻方式,提高電機(jī)散熱效率;水套內(nèi)部水路采用優(yōu)化的特殊結(jié)構(gòu),較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)散熱面積增加約10%,溫度分布梯度優(yōu)化40%,有效避免繞組局部過熱;采用獨(dú)立的密封冷卻風(fēng)路,通過設(shè)計(jì)低風(fēng)阻導(dǎo)風(fēng)部件,轉(zhuǎn)子空水冷卻器冷卻后的涼風(fēng)直接輸入發(fā)電機(jī)內(nèi)部最熱部位。
(五)絕緣技術(shù)
絕緣等級(jí)采用H級(jí)耐電暈絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可適應(yīng)變流器較高的電壓變化率和尖峰電壓;絕緣系統(tǒng)在永濟(jì)公司超過40000臺(tái)可靠運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,針對(duì)深遠(yuǎn)海工況進(jìn)行加強(qiáng),通過鹽霧、濕熱、霉菌、高低溫等試驗(yàn),滿足海上工況運(yùn)行要求。
?。┖I?ldquo;三防”技術(shù)
結(jié)構(gòu)件采用C5-M級(jí)防腐設(shè)計(jì),經(jīng)過海上工況的運(yùn)行考核,滿足海上運(yùn)行環(huán)境的苛刻要求。磁極結(jié)構(gòu)采用全密封結(jié)構(gòu),永磁體采用特殊防腐結(jié)構(gòu),通過了濕熱、鹽霧、霉菌、高低溫沖擊試驗(yàn),提高惡劣工況的運(yùn)行可靠性。模塊化磁極結(jié)構(gòu),提升制造及裝配效率。
?。ㄆ撸┲悄芑夹g(shù)
中車永濟(jì)公司提出“風(fēng)電智能故障辨識(shí)系統(tǒng)WIND1.0”,以風(fēng)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)效益最大化為目標(biāo),采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、邊緣計(jì)算等新技術(shù),實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)健康診斷及預(yù)測(cè)性維護(hù)、提供多平臺(tái)電機(jī)數(shù)據(jù)可視化及交互式系統(tǒng)。
實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)全息感知,監(jiān)測(cè)電機(jī)軸承、定轉(zhuǎn)子絕緣等關(guān)鍵部件,部署振動(dòng)、溫度、電壓電流傳感器,節(jié)約傳感器安裝、維護(hù)的時(shí)間及成本,部署無線振動(dòng)傳感器,功耗低、體積小、安裝簡(jiǎn)便。
基于“深度學(xué)習(xí)+特征分析”技術(shù)對(duì)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理及分析,實(shí)現(xiàn)電機(jī)軸承、絕緣等關(guān)鍵部件故障預(yù)警,為用戶提供預(yù)防性維護(hù)和保養(yǎng)建議,提高設(shè)備可用率,減少突變故障造成停機(jī),提升發(fā)電量。
系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸承振動(dòng)、聲音、溫度數(shù)據(jù),在線準(zhǔn)確辨識(shí)電機(jī)故障類型及故障部位,包括軸承內(nèi)圈或外圈剝離、電蝕等故障、軸承過溫故障。
人工智能深度學(xué)習(xí)算法:不同轉(zhuǎn)速下原始數(shù)據(jù),基于人工智能深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),電機(jī)軸承故障識(shí)別率高達(dá)95%以上誤報(bào)率低于1%。故障診斷算法優(yōu)勢(shì):魯棒性強(qiáng)、可拓展性強(qiáng)。
通過匝間接入不同阻值電阻進(jìn)行不同絕緣故障程度的模擬試驗(yàn),獲取三相電流瞬間和穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù):針對(duì)電機(jī)電流信號(hào)依次進(jìn)行濾波降噪、直流分量去除、重點(diǎn)提取非量綱時(shí)頻域統(tǒng)計(jì)特征,實(shí)現(xiàn)絕緣故障在線監(jiān)測(cè)與系統(tǒng)保護(hù)功能;基于機(jī)理與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)融合的數(shù)據(jù)分析方式,實(shí)現(xiàn)絕緣早期故障預(yù)測(cè)與健康管理。
邊緣計(jì)算:故障診斷時(shí)效性強(qiáng):實(shí)時(shí)將診斷結(jié)果推送給客戶;可靠性強(qiáng):減少網(wǎng)絡(luò)信號(hào)欠佳導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失;安全性強(qiáng):數(shù)據(jù)傳輸及訪問安全。
針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī),電機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)提供風(fēng)機(jī)專用傳輸系統(tǒng),支持多種形式數(shù)據(jù)傳輸:4G 無線傳輸、風(fēng)場(chǎng)自有網(wǎng)絡(luò)傳輸、無信號(hào)覆蓋風(fēng)場(chǎng)自組網(wǎng)傳輸。自定義報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸,考慮后續(xù)節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加,采用發(fā)布-訂閱消息系統(tǒng):高并發(fā)、高吞吐量、低延遲;可擴(kuò)展性、持久性、可靠性;物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議MQTT、安全性。
基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),提供直觀、智能、交互式多系統(tǒng)平臺(tái),支持Web、移動(dòng)終端App訪問;實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障診斷、故障預(yù)測(cè)、運(yùn)維決策信息實(shí)時(shí)更新,提供歷史數(shù)據(jù)下載、故障日志生成等功能。遠(yuǎn)程軟件功能推送,不定期對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí),根據(jù)客戶需求帶來新的功能。運(yùn)維服務(wù)人員通過后臺(tái)系統(tǒng)檢測(cè)到電機(jī)狀態(tài)進(jìn)行合理維修,大大簡(jiǎn)化服務(wù)流程,提升用戶體驗(yàn)。
提升發(fā)電量:減少故障停機(jī)時(shí)間、風(fēng)機(jī)控制優(yōu)化、風(fēng)場(chǎng)控制優(yōu)化。提高運(yùn)維效率:部件級(jí)PHM系統(tǒng)、優(yōu)化的備件策略、智能運(yùn)維系統(tǒng)。降低安全風(fēng)險(xiǎn):人身安全、設(shè)備安全、信息安全。減少值守人員:場(chǎng)控?zé)o人值守,區(qū)域集控少人值守。提供高質(zhì)量、差異化維保服務(wù)和持續(xù)優(yōu)化運(yùn)營(yíng)服務(wù),提升風(fēng)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)效率,為客戶創(chuàng)造價(jià)值!
第三個(gè)方面是漂浮式風(fēng)電發(fā)展趨勢(shì)
?。ㄒ唬?海上風(fēng)電全球現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
隨著近岸資源的開發(fā)趨于飽和,海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)逐步走向深遠(yuǎn)海,將風(fēng)機(jī)安裝在漂浮式平臺(tái)的漂浮式機(jī)組是最佳選擇。“由陸向海、由淺到深、由固定基礎(chǔ)向漂浮式平臺(tái)”成為未來海上風(fēng)電的必然趨勢(shì)。深遠(yuǎn)海風(fēng)資源,由于沒有障礙,它可以達(dá)到更高、更恒定的速度。其在社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境層面的巨大潛力和戰(zhàn)略附加值,使其成為在實(shí)現(xiàn)碳中和過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用的可再生能源之一。
根據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)(GWEC)的統(tǒng)計(jì),截止2020年底,全球海上風(fēng)電累計(jì)總裝機(jī)量為35.3GW,其中中國(guó)占比28%,排名第二,全球裝機(jī)容量持續(xù)保持增長(zhǎng)趨勢(shì)。2020年全球海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量 6.068 GW,中國(guó)的海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的逾3 GW,占全球新增容量50.4%,連續(xù)三年成為全球最大的海上風(fēng)電市場(chǎng)。
?。ǘ┢∈斤L(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)
在30·60碳達(dá)峰和碳中和背景下,海上風(fēng)電必將迎來廣闊的發(fā)展空間。預(yù)計(jì)到2025年,全球海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量將從2020年的6.1GW增長(zhǎng)至23.9GW,在全年裝機(jī)容量的占比將從2020年的7%增長(zhǎng)至21%。
趨勢(shì)一是大容量,8-10MW機(jī)組逐步成熟;10-18MW樣機(jī)陸續(xù)誕生;大容量機(jī)組在降低風(fēng)場(chǎng)總投資上具有一定優(yōu)勢(shì),可充分利用風(fēng)資源,因此漂浮式海上超大功率風(fēng)電機(jī)組將成為發(fā)展趨勢(shì)。
趨勢(shì)二是輕量化, 隨著海上漂浮式風(fēng)電機(jī)組容量的持續(xù)增大,關(guān)鍵部件的重量將成為影響機(jī)組成本的重要因素,發(fā)電機(jī)作為機(jī)組重要部件之一,實(shí)現(xiàn)輕量化至關(guān)重要。發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)采用多目標(biāo)優(yōu)化算法,將電機(jī)重量及電性能兩個(gè)指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo),通過蒸發(fā)冷卻、超導(dǎo)電機(jī)、集成型電機(jī)、碳纖維材料等技術(shù)創(chuàng)新,動(dòng)態(tài)優(yōu)化迭代電機(jī)結(jié)構(gòu),在保證電機(jī)安全性和可靠性的前提下,將發(fā)電機(jī)重量降至最輕,從而降低機(jī)組載荷。
趨勢(shì)三是低成本,海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)即將進(jìn)入平價(jià)時(shí)代,隨著對(duì)漂浮式技術(shù)逐步深入的研究,可有效降低發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)冗余,同時(shí)通過對(duì)新材料、新工藝、新技術(shù)的研究,推出低成本、高可靠性的漂浮式電機(jī)。
趨勢(shì)四是智能化,提出“WIND1.0”風(fēng)電智能守護(hù)者系統(tǒng),以風(fēng)力發(fā)電機(jī)為載體,利用人工智能+物聯(lián)網(wǎng)(AI+IOT)的方法,打造國(guó)際領(lǐng)先的電機(jī)故障辨識(shí)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)電機(jī)數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸、存儲(chǔ)、分析、決策支持全環(huán)節(jié)應(yīng)用。
趨勢(shì)五是高效率,進(jìn)一步探索電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù),以“高效率、高抗失磁能力、高功率密度”為出發(fā)點(diǎn),結(jié)合“高效冷卻技術(shù)”全面提升發(fā)電機(jī)性能,力爭(zhēng)將發(fā)電機(jī)發(fā)電效率提升至98.5%,達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
趨勢(shì)六是免維護(hù),基于數(shù)字化、智能化技術(shù),為產(chǎn)品”免維護(hù)“賦能,通過“技術(shù)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品”,推動(dòng)智能運(yùn)維系統(tǒng)、優(yōu)化備件策略、搭建PHM系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)故障“自診斷、自恢復(fù)”。
技術(shù)創(chuàng)新 為“碳達(dá)峰 碳中和”國(guó)家戰(zhàn)略貢獻(xiàn)風(fēng)電智慧和力量,這就是我今天的分享,謝謝大家!
?。ǜ鶕?jù)演講速記整理,未經(jīng)演講人審核)