熱電廠的超級“大風車”

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　　圖①：全球首臺商業(yè)化應(yīng)用18兆瓦風電機組坐落于華能東北分公司仙人島熱電廠廠區(qū)內(nèi)。

　　圖②：超級“大風車”風輪局部。

　　圖③：工作人員檢查電機運行情況。

　　圖④：工作人員查看風向和風機轉(zhuǎn)向匹配情況。

　　圖⑤：華能東北分公司仙人島熱電廠將新能源和傳統(tǒng)能源相結(jié)合，形成風電、光伏發(fā)電、火電等一體化格局。圖為廠區(qū)房頂上排列著光伏板。

　　中國華能集團有限公司供圖

　　遼寧省營口仙人島經(jīng)濟開發(fā)區(qū)三面環(huán)海，風景優(yōu)美，擁有“余暉灑金”“兔島怒潮”等著名景觀。由于得天獨厚的風能資源，當?shù)亟陙硇略鲇忠痪坝^——“風車林立”。

　　日前，全球已投運單機容量最大的風電機組，也是全球首臺商業(yè)化應(yīng)用的18兆瓦風電機組在這里落戶。

　　這臺坐落在華能東北分公司仙人島熱電廠的超級“大風車”創(chuàng)造了風輪直徑260米、單機功率18兆瓦“兩個全球第一”的紀錄。目前這臺風電機組已發(fā)電投運，在滿發(fā)風速下，一年可發(fā)電7400萬度，滿足4萬戶家庭年用電需求。

　　它為何具有如此強大的發(fā)電能力？為什么它被建在熱電廠，而不是風電場？讓我們一同探訪。

　　1、每個葉片長達126米，風輪直徑達260米，掃風面積相當于7.5個標準足球場

　　隨著全球?qū)稍偕茉葱枨蟮脑鲩L，風電市場持續(xù)擴大，為行業(yè)發(fā)展提供了廣闊空間。風電產(chǎn)業(yè)要降低成本、規(guī)模化發(fā)展，對風電機組大型化、輕量化、高可靠性提出了更高要求。

　　1981年，全球最大功率風力發(fā)電機的功率僅為55千瓦，直到1999年全球風電機組的額定發(fā)電功率才突破2兆瓦。之后，便一路攀升，從5兆瓦、8兆瓦，到10兆瓦、15兆瓦。目前，這種大型化發(fā)展趨勢還沒有放緩跡象。

　　那么，大型風力發(fā)電機的功率是如何不斷增長的？一個關(guān)鍵的答案就藏在不斷變長的葉片中。

　　記者了解到，風力發(fā)電機的發(fā)電功率與葉片旋轉(zhuǎn)掃過的圓盤面積直接相關(guān)，更大的葉片意味著旋轉(zhuǎn)時更大的掃風面積，從而能產(chǎn)生更多電力。

　　還未靠近華能東北分公司仙人島熱電廠，遠遠便會看到蔚藍的天幕下那臺超級“大風車”。近距離仰望，它挺拔的軀干直插蒼穹，超長的葉片劃破長空，巨大的風輪旋轉(zhuǎn)著，傳來陣陣呼嘯。

　　與仙人島其它“風車”相比，它真的是個大塊頭。

　　華能東北分公司仙人島熱電廠有關(guān)負責人介紹，它的主機底部周長超過28米，大約需要十幾個成年人手拉手才能合圍；頂部輪轂中心高度超過145米，加上驅(qū)動時葉片所能達到的高度，整體高達270米，大概90層樓那么高。

　　它的每個葉片長度都為126米，由三個葉片組成的風輪直徑達260米，掃風面積可達5.3萬平方米，相當于7.5個標準足球場大小。

　　在復雜海洋環(huán)境下，如何滿足126米超長柔性葉片高效氣動與載荷優(yōu)化控制需求，怎樣解決原材料難題？

　　研發(fā)團隊通過氣動、結(jié)構(gòu)、材料等多學科深度交叉融合，突破葉片氣動效率低、國產(chǎn)原材料性能不穩(wěn)定、成型工藝復雜等關(guān)鍵技術(shù)，解決了大風輪直徑風電機組系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)高效匹配與零部件載荷解耦的難題，在提高葉片強度和剛度的同時，降低了葉片的重量和成本，推動風能利用率和發(fā)電效率大幅提高。

　　除了更長的葉片，它還具有更大的發(fā)電機功率等。

　　它裝配的是中車永濟電機有限公司的20兆瓦海上半直驅(qū)永磁風力發(fā)電機。研發(fā)團隊采用輕量化、模塊化、集成化設(shè)計，通過對高性能電磁材料進行仿真分析及優(yōu)化，提高了材料利用率，降低了部件生產(chǎn)過程中的二氧化碳排放量。而發(fā)電機與變流器、齒輪箱三者協(xié)同設(shè)計，使參數(shù)高度匹配，振動更小、噪聲更低，對環(huán)境更“友好”。

　　高功率密度的設(shè)計，讓這臺超級“大風車”的發(fā)電效率比傳統(tǒng)設(shè)計模式明顯提高。風輪旋轉(zhuǎn)一圈可發(fā)電44度，足夠一般家庭用電一周。一年下來，相當于節(jié)約標煤約2.5萬噸，減少二氧化碳排放約6.1萬噸。

　　2、突破多項關(guān)鍵技術(shù)，核心部件國產(chǎn)化率高于99%，具有高可靠性、高安全性、高智能性

　　相比目前遼寧省在運行的8兆瓦風機機型，這臺超級“大風車”每小時可發(fā)出18000度清潔電能，發(fā)電量提升125%。

　　“如此強大的性能，離不開它的‘最強大腦’——風電主機。”華能東北分公司仙人島熱電廠副總經(jīng)理蔣立軍說。

　　這臺風電機組國產(chǎn)化率高達99%，除主軸承等極少零部件采用國外產(chǎn)品之外，其葉片、齒輪箱、發(fā)電機等核心部件均由中國企業(yè)設(shè)計生產(chǎn)。

　　在這臺風電機組研制過程中，研發(fā)團隊突破了高功率密度發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)高效協(xié)同控制技術(shù)、大功率風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)集成和散熱平衡、基于數(shù)字孿生的大型海上風電機組全生命周期智能運維技術(shù)等多項關(guān)鍵技術(shù)，并在大功率風力發(fā)電機整機和部件關(guān)鍵技術(shù)方面取得了多個新突破。整臺風電機組在智能性、安全性、可靠性等方面都具有顯著優(yōu)勢。

　　隨著風電機組容量不斷增大，發(fā)電機研發(fā)也面臨越來越多挑戰(zhàn)。

　　將發(fā)電機功率提升至超大級后，如何確保發(fā)電機不會因為電流過大而無法安全傳輸？研發(fā)團隊采用了多套繞組設(shè)計。通過這種設(shè)計，可最大程度降低電機故障帶來的發(fā)電量損失。

　　發(fā)電機功率提升后，隨之而來的溫升問題怎么解決？研發(fā)團隊開發(fā)出一種集成型雙路循環(huán)高效冷卻結(jié)構(gòu)，通過“水冷+空冷”的方式達到“溫升低”的效果。

　　在電力傳輸過程中，諧波嚴重影響發(fā)電質(zhì)量該怎么辦？為減少風電機組的諧波含量，研發(fā)團隊采用特殊槽型設(shè)計，通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)尺寸，來減少大功率電容、電感造成的振蕩。

　　“我們設(shè)計風電產(chǎn)品的原則是必須要有高可靠性、高安全性，至少保證25年的使用壽命。”中船海裝18兆瓦風電機組設(shè)計師李楊說。

　　為此，該風電機組通過新型軸電流抑制方案和先進的絕緣技術(shù)來適應(yīng)較高的電壓變化率和尖峰電壓，并采用高強度的模塊化磁極盒結(jié)構(gòu)與沒有縫隙的自粘沖片相結(jié)合來阻擋鹽霧空氣，這既提高了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的可靠性和防腐能力，又解決了轉(zhuǎn)子磁極裝配難題。

　　高可靠性、高安全性的背后，還有高智能化。

　　該風電機組利用激光雷達測風、塔頂位移、葉根載荷監(jiān)測、凈空監(jiān)測等多種智能監(jiān)測系統(tǒng)，精準感知風電機組及風電場的風況、載荷、運行狀態(tài)變化。同時，搭建具備人工智能控制算法的場級控制平臺，實現(xiàn)風電機組狀態(tài)高精度實時感知與預測，提升發(fā)電效率。

　　為最大程度減少突發(fā)故障及停機頻次，該風電機組應(yīng)用基于人工智能的PHM技術(shù)，采用多信息融合算法、典型故障特征提取方法、無線傳感網(wǎng)應(yīng)用等技術(shù)，實現(xiàn)在線監(jiān)控、故障預測和“健康”管理。

　　未來，這臺風電機組還將接入華能新能源智慧運維系統(tǒng)。該系統(tǒng)由中國華能自主開發(fā)建設(shè)，涵蓋陸上風電、海上風電、光伏、儲能等不同類型項目，為新能源全生命周期的過程管控提供數(shù)據(jù)支撐。

　　3、將新能源和傳統(tǒng)能源結(jié)合，進一步改善地區(qū)能源結(jié)構(gòu)，促進綠色低碳發(fā)展

　　在風電機組設(shè)計、研發(fā)、制造、裝配等過程中，一個個關(guān)鍵技術(shù)的重大突破，一個個難題的解決，帶動了風電葉片、齒輪箱、發(fā)電機、變流器等零部件的研發(fā)制造邁上新臺階，進而推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈迭代升級。

　　以仙人島這臺超級“大風車”為例。從風機主軸承到葉片再到發(fā)電機，它由上萬個零部件組成，其順利“誕生”離不開集群化的技術(shù)創(chuàng)新。僅發(fā)電機這一項，就有中國中車、中國華能等多家企業(yè)及研究機構(gòu)參與研制。

　　而且，它雖身處陸地，卻是為海上風電設(shè)計的。在其研發(fā)過程中，研發(fā)團隊成功解決了我國大功率海上風電機組安全高效運行的共性技術(shù)難題。

　　與它相關(guān)的新平臺、新裝備和新工藝等系列研究成果，經(jīng)應(yīng)用、反饋和完善后，可有力提升海上大功率風電機組的設(shè)計研發(fā)和生產(chǎn)測試技術(shù)水平，實現(xiàn)科技進步、行業(yè)創(chuàng)新和資源節(jié)約，推動我國風電整體裝備制造水平提高，引領(lǐng)風電行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級，帶來巨大社會效益、經(jīng)濟效益，產(chǎn)業(yè)化前景廣闊。

　　這臺超級“大風車”，既然是為海上風電設(shè)計的，為什么卻建在陸地上，并且選址在熱電廠？它的腳下，為何還有整整齊齊的光伏陣列？

　　記者了解到，項目方選擇將其建在海邊的遼寧營口，就是看中這里兼具海上風電和陸上風電的實驗條件。將海上風電與陸上風電二者結(jié)合起來，可為未來我國在海陸結(jié)合地帶建設(shè)超大風電機組作出有益探索。

　　“該風電機組安裝在華能東北分公司仙人島熱電廠，便于進一步測試驗證，為后續(xù)海上大功率風電機組批量化安裝應(yīng)用奠定堅實基礎(chǔ)，降低海上風電場建造成本。同時，還能將新能源和傳統(tǒng)能源相結(jié)合，形成風電、光伏發(fā)電、火電等一體化格局，從而進一步改善地區(qū)能源結(jié)構(gòu)，促進綠色低碳發(fā)展，提高能源利用效率等。”蔣立軍說。

　　當前，我國海上風電機組實現(xiàn)跨越式發(fā)展，單機容量世界領(lǐng)先。隨著我國海上風電建設(shè)向深水遠岸布局，將面臨建設(shè)條件更復雜、施工難度更大等挑戰(zhàn)，工程建設(shè)成本也將增加。而海上風電機組的大型化將有利于降低單位造價，是深遠海海上風電發(fā)展的重要趨勢。（喬子軒 通訊員 楊東生 張茜）