御风而行 化风为宝 走近海上超级大风机

16兆瓦海上风电机组的123米试验叶片正在装船发运至叶片试验台。李靖 摄

三峡集团兴化湾一期项目建设的全球首个国际化大功率样机试验风场。 (福建三峡海上风电国际产业园 供图)

祖国的东南沿海,台湾海峡海风劲掠。这让福建成为中国海上风电资源最丰富的地区之一。

全球单机容量最大、叶轮直径最大、单位兆瓦重量最轻……2022年11月23日下线时,这一海上超级大风机创造了新的世界纪录。前不久,它与国产大飞机C919、我国第三艘航空母舰福建舰等,一起当选“2022年度央企十大国之重器”。

这个海上超级大风机是如何诞生的,有何与众不同?记者带您走进兴化湾畔的福建三峡海上风电国际产业园一探究竟。

钢管桩、导管架等备料已完成,基础主体结构及塔筒正在制造厂内如火如荼地生产着……继2022年11月23日16兆瓦海上风电机组在福建三峡海上风电国际产业园下线后,其基础主体结构也迎来新的进展。

不久之后,这个海上超级大风机将在我国东南海域“安家”,御风而行、化风为宝。

据介绍,这个海上超级大风机名为“GWH252-16MW”,由中国长江三峡集团有限公司与新疆金风科技股份有限公司联合研制。“16MW”是指单机容量为16兆瓦,“252”则代表的是叶轮直径为252米。叶轮扫风面积约5万平方米,相当于7个标准足球场的面积。在满发风速下,每转动一圈可发34.2度电,单台机组每年可输出超过6600万度清洁电能,能满足3.6万户三口之家一年的正常用电,相当于减少燃煤消耗2.2万吨,减少二氧化碳排放5.4万吨。

“16兆瓦机组的成功下线,树立了全球海上风电装备发展的新标杆,标志着我国风电装备产业实现了从‘跟跑’到‘并跑’再到‘领跑’的历史性跨越。”三峡集团董事长、党组书记雷鸣山表示。

就在同一个产业园区,16兆瓦海上风电机组下线之时,距离上一个世界纪录——当时全球叶轮直径最大、亚太地区单机容量最大的13.6兆瓦风电机组诞生,仅过了一个月。

“经过层层仿真实验,分析实验结果,数据指标合格,机组才能成功下线兆瓦海上风电机组下线个月时间。”金风科技股份有限公司产品与解决方案中心海上产品线产品经理不禁感叹。

在福建三峡海上风电国际产业园,记者翻开产业园的产品日志,不禁心潮澎湃:2019年9月,我国自主研发的8兆瓦、10兆瓦机组相继下线,历史性地将我国海上风机容量提升至“两位数”时代;2022年2月,13兆瓦机组下线,创下当时亚洲地区单机容量最大、叶轮直径最大风电机组纪录;同年10月,13.6兆瓦机组下线,再次刷新这一纪录;一个月后,16兆瓦机组实现全球风电装备新突破……

这片热土持续刷新着我国海上风电发展新纪录。而7年前,这里还是一片荒芜的海滩。

记者了解到,福建沿海地区年平均风速超过9米/秒,海上风电可利用小时数达3500小时至4000小时。得天独厚的风能资源,带动海上风电装备制造业发展。2015年6月,三峡集团与福建省政府签署战略合作协议,大胆迈出“化风为宝”的探索步伐。

从千亩海滩到一座集技术研发、设备制造、检测认证、建设安装、运行维护为一体的世界级海上风电产业集群……福建三峡海上风电国际产业园为我国大容量海上风机创新提供了载体和平台。

“好的风资源就要用好的机组。”三峡集团福建能司执行董事、党委书记雷增卷表示,2017年前,国内主流海上风电机组单机容量还停留在5兆瓦以下。三峡集团在兴化湾一期项目建设了全球首个国际化大功率样机试验风场,选取国内外8家知名风机厂商生产的14台5兆瓦及以上的风电机组同台竞技,遴选出最先进的海上风电装备厂商落户产业园。

这一场竞技,让福建从此与大功率海上风电机组结缘。福清兴化湾,也因此被誉为海上风机的“奥林匹克”赛场。

如今,福清兴化湾蓝天碧海下,59台风机在海风呼啸中转动巨大叶片。其中,在福建研发生产的10兆瓦海上风电机组,已经在兴化湾、长乐等海上风电场批量投运达31台,成为我国唯一批量投入商业运行的10兆瓦级海上风电机组。

记者了解到,开发15兆瓦及以上海上风电机组整机设计集成技术、先进测试技术与测试平台,开展12~15兆瓦级超大型海上风电机组工程示范,被列入国家能源局、科学技术部联合印发的《“十四五”能源领域科技创新规划》。

业内人士表示,未来海上风电发展大型化是一个重要趋势,机组容量不断增大可以显著提升发电量,同等装机规模下可提高施工打桩、运输、吊装效率,减少海底电缆等材料的使用量,极大地降低成本,节约点位集约用海,使得我国海上风电也能做到更经济、更便宜,这对于海上风电平价上网,走向深远海域意义重大。

不过,风机的大型化,不是在以前的基础上简单地延伸和放大。“在技术跳变期要有积累的过程,比如说2至3年的时间,通过底层技术创新的积累,通过仿真能力、实验能力的积累,才能跨到下一个台阶。”金风科技总裁曹志刚认为,这个过程并不是简单的功率提升,风机结构及材料、叶轮直径、塔架高度以及度电成本等,都需要技术创新作支撑。

不仅如此,海上风电技术难度远高于陆上风电,单就发电机组而言,就面临功率容量从小到大、叶轮直径从短变长、离岸距离从近到远的蝶变升级挑战。在这个过程中,机组要能有效承受复杂海况下风载、浪载、盐雾等一系列考验,机组的定制化、大型化和智慧化制造显得尤为重要。

正因此,16兆瓦超大容量海上风机在研发时,不断攻克产品规划、概念设计、部件试制、仿真及台架测试、总装配等环节的诸多技术难题,最终实现超长柔性叶片、大型主轴轴承国产化、超大容量发电机小型化等一系列关键技术突破。

除了大,国产化率高也是这个海上超级大风机的特点之一。“该风电机组核心关键部件已全面实现国产化。”金风科技有关负责人说。

——突破“卡脖子”的关键零部件,采用高质量等级的电渣重熔钢来提高可靠性,针对大尺寸滚子轴承进行保持架动态仿真和强度校核,确保保持架设计合理性……风机主轴轴承实现国产化。

——开发具有自主知识产权的高升力、高升阻比及低粗糙敏感性的高性能翼型,采用流固耦合仿真方法开展气弹分析……实现叶片被动降载及高颤振稳定性设计,超长风电叶片国产化。

——1140V三电平功率拓扑结构,智能一体化冷却系统,实现更优电气传动效率,电机达到业界领先水平。创新的轴电压抑制技术等,更能适应海上风电高可靠性要求。

据介绍,该型号风电机组可广泛适用于我国东南沿海、海上丝绸之路沿线国家和地区,以及欧美国家等。

据介绍,这个海上超级大风机还十分“智能”。“整机遍布数百个传感器,机舱上还布有激光雷达,如同‘神经末梢’,可以实时感知风机及周围的温度、湿度、风速、震动情况等,从而实现机组运行状态的数字化呈现。”有关负责人介绍,这可以实现机组运行状态的实时跟踪与监测。

不仅如。

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