臨近七一，中國華能集團(tuán)盛東如東海上風(fēng)電工程現(xiàn)場異常忙碌。由中國華能、中國海裝聯(lián)合研制的國產(chǎn)化5兆瓦大容量海上風(fēng)電機(jī)組上正在緊鑼密鼓開展調(diào)試工作。
這臺海上“巨無霸”實現(xiàn)了機(jī)組一級部件國產(chǎn)化率100%、整機(jī)國產(chǎn)化率超過95%，代表了目前我國大容量海上風(fēng)電機(jī)組國產(chǎn)化最高水平，以海上風(fēng)電機(jī)組核心關(guān)鍵裝備國產(chǎn)化的重大突破，為建黨百年華誕獻(xiàn)禮。
01、搶抓創(chuàng)新發(fā)展新機(jī)遇
“海上風(fēng)電發(fā)展形勢喜人，十年快速發(fā)展，積累了豐富經(jīng)驗，也面臨著不少挑戰(zhàn)，現(xiàn)在要以問題為導(dǎo)向，抓住機(jī)遇，走出一條自主創(chuàng)新之路。”華能清潔能源技術(shù)研究院黨委書記、董事長李衛(wèi)東說。
我國海上風(fēng)電增長迅速，海上風(fēng)電累計裝機(jī)量2020年底已成為全球第二，預(yù)計今年底可達(dá)世界第一。對我國海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈上的運營單位、科研單位、生產(chǎn)廠家來說，這是難得一見的機(jī)遇，驅(qū)動著海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的所有參與者，包括業(yè)主、科研院所、主機(jī)廠商、部件廠商聯(lián)合起來，將每一項技術(shù)挖掘到極致。同時，對海上風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)的掌握越來越得到重視，關(guān)鍵部件國產(chǎn)化嘗試也逐漸成為關(guān)注的焦點。
02、取得技術(shù)攻關(guān)新突破
中國華能集團(tuán)作為中國最大的海上風(fēng)電開發(fā)商之一，持續(xù)開展大量工作，發(fā)揮產(chǎn)業(yè)鏈“鏈長”作用，組建創(chuàng)新聯(lián)合體，站在產(chǎn)業(yè)鏈整體角度思考中國海上風(fēng)電的未來發(fā)展。通過詳細(xì)的評估與論證，大型海上風(fēng)電機(jī)組國產(chǎn)化將是我國未來海上風(fēng)電發(fā)展的重要抓手之一，也是國家能源安全的重要保障。
為此，華能集團(tuán)設(shè)立了國產(chǎn)化海上風(fēng)電機(jī)組研制項目，集中行業(yè)內(nèi)優(yōu)勢技術(shù)力量，發(fā)揮組織功能，形成整體效應(yīng)，集中突破海上風(fēng)電機(jī)組國產(chǎn)化關(guān)鍵技術(shù)。依托華能清潔能源技術(shù)研究院（以下簡稱“華能清能院”），聯(lián)合中國海裝等多家技術(shù)單位共同開展國產(chǎn)化機(jī)組研制生產(chǎn)工作，并在華能江蘇盛東如東海上風(fēng)電場應(yīng)用示范。機(jī)組研制過程中得到了華能江蘇公司、西安熱工研究院的大力支持與華能浙江公司的協(xié)助。
國產(chǎn)化海上風(fēng)電機(jī)組正趕上2021年交付高峰期，從上游部件供應(yīng)商，再到下游的機(jī)組總裝、海上吊裝，每個環(huán)節(jié)無一不承受著巨大的壓力。“隨著交付高峰期的來臨，我國海上風(fēng)電機(jī)組的國產(chǎn)化已到了勢在必行的地步，必須借此風(fēng)口迎難而上，才能為海上風(fēng)電的持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展注入充沛動力。”項目技術(shù)攻關(guān)組組長、華能清能院黨委委員、副院長郭小江說。
項目組堅持“兩手抓，兩手硬”，一手抓質(zhì)量，一手抓進(jìn)度，確保技術(shù)不過關(guān)不放行，同時加班加點搶抓時間節(jié)點?！皬臋C(jī)組整體方案設(shè)計機(jī)組成功下線，項目組每周召開督導(dǎo)會，督導(dǎo)項目進(jìn)展，從未中斷?！比A能清能院副所長唐巍說。
項目組緊盯既定目標(biāo)，堅持問題導(dǎo)向，從基礎(chǔ)的技術(shù)細(xì)節(jié)抓起，為機(jī)組國產(chǎn)化方案細(xì)細(xì)把脈，排除每一個潛在的隱患。同時緊鑼密鼓地推進(jìn)研制進(jìn)度，每出現(xiàn)一個問題直接落實至相關(guān)技術(shù)負(fù)責(zé)人，迅速制定對策，集中力量解決，將時間成本壓至最低。各個參研單位工作人員，以強(qiáng)烈的責(zé)任使命擔(dān)當(dāng)，保證了研制進(jìn)展的順利推進(jìn)。
03、推進(jìn)關(guān)鍵部件國產(chǎn)化
攻關(guān)過程中，項目團(tuán)隊攻克了一個又一個的技術(shù)難關(guān)，突破了大型海上風(fēng)電機(jī)組葉片、主軸承、齒輪箱軸承、主控PLC、變流器IGBT等一系列核心關(guān)鍵部件國產(chǎn)化，應(yīng)用了華能自主研發(fā)的主控系統(tǒng)、機(jī)組-塔架-基礎(chǔ)整體化設(shè)計、數(shù)字智能感知檢測系統(tǒng)等技術(shù)，取得了機(jī)組關(guān)鍵核心部件全部國產(chǎn)化的驕人成績。
——葉片，是風(fēng)電機(jī)組的重要部件，如同風(fēng)電機(jī)組的心臟，是風(fēng)電機(jī)組發(fā)電的動力來源。葉片從非國產(chǎn)到國產(chǎn)，對主梁碳纖維進(jìn)行了完全國產(chǎn)化替代，實屬不易。適用于高交變載荷的葉片碳纖材料國產(chǎn)化技術(shù)缺乏借鑒和參考，經(jīng)歷從無到有的過程，已經(jīng)熟悉的技術(shù)路線發(fā)生重大變化，科技人員只能從頭做起。“國產(chǎn)化機(jī)組所配備的WB171葉片長達(dá)83.6米，在5兆瓦這個級別上是國內(nèi)最長，研制難度可想而知?！比A能集團(tuán)科技部專責(zé)葉昭良說。
“尤其是第一次采用國產(chǎn)的碳纖維織物材料，碳布的編織方式與國外不同，編織方式不僅影響碳布的性能，還可能影響真空灌注的效果，對我們現(xiàn)有的工藝路線是嚴(yán)峻的考驗?！甭尻栯p瑞風(fēng)電葉片公司副總經(jīng)理馮威說。
為此，項目組深入研究方案，全力革新已有的技術(shù)路線，大膽采取新型工藝。葉片制造中應(yīng)用了自動化鋪設(shè)技術(shù)，減少了碳布鋪設(shè)中的人為操作失誤影響，降低了鋪層褶皺和灌注缺陷的風(fēng)險。同時，精確控制編織工藝，針對國產(chǎn)碳纖維的特性，定制化開發(fā)工藝手段，降低了纖維磨損，使纖維排布更加均勻，更好的保證了材料性能。
——主軸承，如同風(fēng)電機(jī)組的關(guān)節(jié)，將葉片所產(chǎn)生的動力傳遞至發(fā)電機(jī)，對風(fēng)電機(jī)組的可靠發(fā)電至關(guān)重要。此前，大兆瓦風(fēng)電機(jī)組主軸承均為國外廠家所壟斷，制約了大兆瓦海上風(fēng)電機(jī)組的快速發(fā)展。
“這次制造的主軸承外徑達(dá)到3200毫米,為國產(chǎn)風(fēng)電主軸承之最，設(shè)計制造難度高?！敝袊Ｑb工程師肖長遠(yuǎn)說。“之前從來沒有生產(chǎn)過這么大型的風(fēng)電機(jī)組主軸承，這對我們的設(shè)計、加工、熱處理能力以及材料性能都是極大的考驗?！甭尻栃聫?qiáng)聯(lián)研發(fā)部長胡占圈說。為此，項目組聯(lián)合相關(guān)單位，共同推進(jìn)了現(xiàn)有軸承鋼材的改進(jìn)工作，查基礎(chǔ)資料、核化學(xué)成分、演合成模式，研發(fā)人員通過不知多少次的反復(fù)實驗，最終，軸承材料的淬透性及低溫性能有明顯提升，成為了風(fēng)電機(jī)組主軸承國產(chǎn)化的有力支撐。
——主控，如同風(fēng)電機(jī)組的大腦，直接關(guān)系著國產(chǎn)化風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電能力與運行情況。然而，風(fēng)電機(jī)組主控PLC硬件目前仍受制于國外廠家。本次風(fēng)電機(jī)組突破了國產(chǎn)化PLC技術(shù)，關(guān)鍵核心芯片完全采用國產(chǎn)產(chǎn)品，控制系統(tǒng)也由華能新銳公司自主研發(fā)。
“實現(xiàn)主控系統(tǒng)國產(chǎn)化說起來簡單，做起來難，國產(chǎn)PLC的開發(fā)需要從頭開展大量的開發(fā)和測試工作?！比A能新銳公司黨支部書記、總經(jīng)理褚孝國說?！帮L(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)國產(chǎn)化，是我國風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)?！敝袊Ｑb研究院副院長楊微說。項目團(tuán)隊聯(lián)合相關(guān)研制單位，以滿足首臺國產(chǎn)化海上風(fēng)電機(jī)組的應(yīng)用為目標(biāo)，全力推進(jìn)了主控系統(tǒng)的開發(fā)，提升了主控系統(tǒng)的信息安全。同時，項目開發(fā)團(tuán)隊設(shè)計了多種工程預(yù)案以保障達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。做好冗余保護(hù)邏輯設(shè)計，最大限度地保障安全。
——設(shè)計方法，風(fēng)機(jī)-塔架-基礎(chǔ)一體化設(shè)計技術(shù)，動態(tài)反映了海上風(fēng)電機(jī)組在受到風(fēng)-浪-流-土動態(tài)耦合作用時的整體支撐結(jié)構(gòu)受力規(guī)律。然而，由于缺少對該技術(shù)應(yīng)用驗證，缺乏對廠家和設(shè)計院的總體技術(shù)規(guī)劃和協(xié)調(diào)，一直未能充分發(fā)揮其作用。
“由業(yè)主制定一體化設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，主機(jī)廠和設(shè)計院協(xié)同設(shè)計的模式在行業(yè)內(nèi)還未真正實施過。此次一體化設(shè)計方法采用了華能清潔能源技術(shù)研究院自主研發(fā)的核心技術(shù)，經(jīng)過主機(jī)廠和設(shè)計院多輪迭代設(shè)計，成功的應(yīng)用在5兆瓦國產(chǎn)化風(fēng)電機(jī)組上，也將在未來的海上風(fēng)電項目中進(jìn)一步推廣?！比A能清能院海上風(fēng)電部副總工張波說。
——監(jiān)測方法，數(shù)字智能感知監(jiān)測技術(shù)，為提高海上風(fēng)電機(jī)組發(fā)電性能和故障診斷與預(yù)警能力提供堅實的支撐。風(fēng)電機(jī)組作為一個龐雜的機(jī)械電氣系統(tǒng)，特別是海上風(fēng)電機(jī)組還受到風(fēng)、浪、流等多重環(huán)境特征耦合的影響，其發(fā)電能力受到機(jī)組內(nèi)外部因素影響，其故障產(chǎn)生的機(jī)理復(fù)雜多樣，受限于當(dāng)前對復(fù)雜非線性信號處理能力的制約以及對故障預(yù)警與識別的準(zhǔn)確度較低。
“本次在國產(chǎn)化海上風(fēng)電機(jī)組本體葉片、變槳、輪轂、主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、塔筒和基礎(chǔ)以及機(jī)組所處的海上水下環(huán)境新增了超過180個測點，采用了激光雷達(dá)前饋、結(jié)構(gòu)安全檢測等超過10項智能監(jiān)控與運維系統(tǒng)?！比A能清能院業(yè)務(wù)經(jīng)理孫財新說。此技術(shù)加強(qiáng)了海上風(fēng)電機(jī)組對于本體和環(huán)境的主動感知，提升了海上風(fēng)電機(jī)組主動控制優(yōu)化的能力。
——吊裝，海上風(fēng)電機(jī)組吊裝工作需計劃周全，安排得當(dāng)，吊裝工序環(huán)環(huán)相扣。再加上今年5月份如東海域海況、氣象復(fù)雜，大風(fēng)、大霧說來就來，讓本來就因安裝高峰期而異常緊張的時間表更難控制。“國產(chǎn)化5兆瓦機(jī)組5月22號落駁后，現(xiàn)場起了大風(fēng)大浪，讓本來都已出港的船不得不回港避風(fēng)，6月4日才開始吊裝塔筒?！比A能江蘇盛東如東項目部經(jīng)理助理白亮說，“只差最后一只葉片時現(xiàn)場又起了大風(fēng)，進(jìn)度又被耽擱了?！?/p>
在現(xiàn)場條件如此惡劣的情況下，華能江蘇盛東如東項目部迎難而上，詳細(xì)制定了吊裝專項施工方案，克服了海上環(huán)境多變、作業(yè)條件艱苦、吊裝流程復(fù)雜等諸多困難，科學(xué)預(yù)測，大膽推進(jìn)，牢牢抓住部件吊裝的窗口期，經(jīng)過歷時7天的海上作業(yè)，圓滿完成此次吊裝任務(wù)，為國產(chǎn)化機(jī)組最終的并網(wǎng)發(fā)電打下了堅實基礎(chǔ)。
偉大事業(yè)都始于夢想、基于創(chuàng)新、成于實干。國產(chǎn)化5兆瓦海上風(fēng)電機(jī)組的成功象征著我國向能源領(lǐng)域自主創(chuàng)新高地沖鋒的又一次勝利，對海上風(fēng)電平價化發(fā)展意義重大?？梢灶A(yù)見，我國風(fēng)電技術(shù)必將走出一條自立自強(qiáng)的發(fā)展之路。同時，我國海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也將為碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)持續(xù)貢獻(xiàn)更大的智慧和力量。
