熱電廠的超級(jí)“大風(fēng)車”

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　　圖①：全球首臺(tái)商業(yè)化應(yīng)用18兆瓦風(fēng)電機(jī)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(jí)“大風(fēng)車”風(fēng)輪局部。

　　圖③：工作人員檢查電機(jī)運(yùn)行情況。

　　圖④：工作人員查看風(fēng)向和風(fēng)機(jī)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(fēng)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(guó)華能集團(tuán)有限公司供圖

　　遼寧省營(yíng)口仙人島經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)三面環(huán)海，風(fēng)景優(yōu)美，擁有“余暉灑金”“兔島怒潮”等著名景觀。由于得天獨(dú)厚的風(fēng)能資源，當(dāng)?shù)亟陙?lái)新增又一景觀——“風(fēng)車林立”。

　　日前，全球已投運(yùn)單機(jī)容量最大的風(fēng)電機(jī)組，也是全球首臺(tái)商業(yè)化應(yīng)用的18兆瓦風(fēng)電機(jī)組在這里落戶。

　　這臺(tái)坐落在華能東北分公司仙人島熱電廠的超級(jí)“大風(fēng)車”創(chuàng)造了風(fēng)輪直徑260米、單機(jī)功率18兆瓦“兩個(gè)全球第一”的紀(jì)錄。目前這臺(tái)風(fēng)電機(jī)組已發(fā)電投運(yùn)，在滿發(fā)風(fēng)速下，一年可發(fā)電7400萬(wàn)度，滿足4萬(wàn)戶家庭年用電需求。

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

　　1、每個(gè)葉片長(zhǎng)達(dá)126米，風(fēng)輪直徑達(dá)260米，掃風(fēng)面積相當(dāng)于7.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)

　　隨著全球?qū)稍偕茉葱枨蟮脑鲩L(zhǎng)，風(fēng)電市場(chǎng)持續(xù)擴(kuò)大，為行業(yè)發(fā)展提供了廣闊空間。風(fēng)電產(chǎn)業(yè)要降低成本、規(guī)?；l(fā)展，對(duì)風(fēng)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率僅為55千瓦，直到1999年全球風(fēng)電機(jī)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(shì)還沒(méi)有放緩跡象。

　　那么，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率是如何不斷增長(zhǎng)的？一個(gè)關(guān)鍵的答案就藏在不斷變長(zhǎng)的葉片中。

　　記者了解到，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率與葉片旋轉(zhuǎn)掃過(guò)的圓盤(pán)面積直接相關(guān)，更大的葉片意味著旋轉(zhuǎn)時(shí)更大的掃風(fēng)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(yuǎn)遠(yuǎn)便會(huì)看到蔚藍(lán)的天幕下那臺(tái)超級(jí)“大風(fēng)車”。近距離仰望，它挺拔的軀干直插蒼穹，超長(zhǎng)的葉片劃破長(zhǎng)空，巨大的風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)著，傳來(lái)陣陣呼嘯。

　　與仙人島其它“風(fēng)車”相比，它真的是個(gè)大塊頭。

　　華能東北分公司仙人島熱電廠有關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，它的主機(jī)底部周長(zhǎng)超過(guò)28米，大約需要十幾個(gè)成年人手拉手才能合圍；頂部輪轂中心高度超過(guò)145米，加上驅(qū)動(dòng)時(shí)葉片所能達(dá)到的高度，整體高達(dá)270米，大概90層樓那么高。

　　它的每個(gè)葉片長(zhǎng)度都為126米，由三個(gè)葉片組成的風(fēng)輪直徑達(dá)260米，掃風(fēng)面積可達(dá)5.3萬(wàn)平方米，相當(dāng)于7.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)大小。

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

　　研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、材料等多學(xué)科深度交叉融合，突破葉片氣動(dòng)效率低、國(guó)產(chǎn)原材料性能不穩(wěn)定、成型工藝復(fù)雜等關(guān)鍵技術(shù)，解決了大風(fēng)輪直徑風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)高效匹配與零部件載荷解耦的難題，在提高葉片強(qiáng)度和剛度的同時(shí)，降低了葉片的重量和成本，推動(dòng)風(fēng)能利用率和發(fā)電效率大幅提高。

　　除了更長(zhǎng)的葉片，它還具有更大的發(fā)電機(jī)功率等。

　　它裝配的是中車永濟(jì)電機(jī)有限公司的20兆瓦海上半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)。研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用輕量化、模塊化、集成化設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)高性能電磁材料進(jìn)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(guò)程中的二氧化碳排放量。而發(fā)電機(jī)與變流器、齒輪箱三者協(xié)同設(shè)計(jì)，使參數(shù)高度匹配，振動(dòng)更小、噪聲更低，對(duì)環(huán)境更“友好”。

　　高功率密度的設(shè)計(jì)，讓這臺(tái)超級(jí)“大風(fēng)車”的發(fā)電效率比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式明顯提高。風(fēng)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(lái)，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)煤約2.5萬(wàn)噸，減少二氧化碳排放約6.1萬(wàn)噸。

　　2、突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，核心部件國(guó)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(yùn)行的8兆瓦風(fēng)機(jī)機(jī)型，這臺(tái)超級(jí)“大風(fēng)車”每小時(shí)可發(fā)出18000度清潔電能，發(fā)電量提升125%。

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

　　這臺(tái)風(fēng)電機(jī)組國(guó)產(chǎn)化率高達(dá)99%，除主軸承等極少零部件采用國(guó)外產(chǎn)品之外，其葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等核心部件均由中國(guó)企業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)。

　　在這臺(tái)風(fēng)電機(jī)組研制過(guò)程中，研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)集成和散熱平衡、基于數(shù)字孿生的大型海上風(fēng)電機(jī)組全生命周期智能運(yùn)維技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并在大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)整機(jī)和部件關(guān)鍵技術(shù)方面取得了多個(gè)新突破。整臺(tái)風(fēng)電機(jī)組在智能性、安全性、可靠性等方面都具有顯著優(yōu)勢(shì)。

　　隨著風(fēng)電機(jī)組容量不斷增大，發(fā)電機(jī)研發(fā)也面臨越來(lái)越多挑戰(zhàn)。

　　將發(fā)電機(jī)功率提升至超大級(jí)后，如何確保發(fā)電機(jī)不會(huì)因?yàn)殡娏鬟^(guò)大而無(wú)法安全傳輸？研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用了多套繞組設(shè)計(jì)。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，可最大程度降低電機(jī)故障帶來(lái)的發(fā)電量損失。

　　發(fā)電機(jī)功率提升后，隨之而來(lái)的溫升問(wèn)題怎么解決？研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種集成型雙路循環(huán)高效冷卻結(jié)構(gòu)，通過(guò)“水冷+空冷”的方式達(dá)到“溫升低”的效果。

　　在電力傳輸過(guò)程中，諧波嚴(yán)重影響發(fā)電質(zhì)量該怎么辦？為減少風(fēng)電機(jī)組的諧波含量，研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用特殊槽型設(shè)計(jì)，通過(guò)優(yōu)化轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)尺寸，來(lái)減少大功率電容、電感造成的振蕩。

　　“我們?cè)O(shè)計(jì)風(fēng)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(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)師李楊說(shuō)。

　　為此，該風(fēng)電機(jī)組通過(guò)新型軸電流抑制方案和先進(jìn)的絕緣技術(shù)來(lái)適應(yīng)較高的電壓變化率和尖峰電壓，并采用高強(qiáng)度的模塊化磁極盒結(jié)構(gòu)與沒(méi)有縫隙的自粘沖片相結(jié)合來(lái)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(fēng)電機(jī)組利用激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)、塔頂位移、葉根載荷監(jiān)測(cè)、凈空監(jiān)測(cè)等多種智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，精準(zhǔn)感知風(fēng)電機(jī)組及風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)況、載荷、運(yùn)行狀態(tài)變化。同時(shí)，搭建具備人工智能控制算法的場(chǎng)級(jí)控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)高精度實(shí)時(shí)感知與預(yù)測(cè)，提升發(fā)電效率。

　　為最大程度減少突發(fā)故障及停機(jī)頻次，該風(fēng)電機(jī)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(wú)線傳感網(wǎng)應(yīng)用等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控、故障預(yù)測(cè)和“健康”管理。

　　未來(lái)，這臺(tái)風(fēng)電機(jī)組還將接入華能新能源智慧運(yùn)維系統(tǒng)。該系統(tǒng)由中國(guó)華能自主開(kāi)發(fā)建設(shè)，涵蓋陸上風(fēng)電、海上風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能等不同類型項(xiàng)目，為新能源全生命周期的過(guò)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(jìn)一步改善地區(qū)能源結(jié)構(gòu)，促進(jìn)綠色低碳發(fā)展

　　在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造、裝配等過(guò)程中，一個(gè)個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的重大突破，一個(gè)個(gè)難題的解決，帶動(dòng)了風(fēng)電葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變流器等零部件的研發(fā)制造邁上新臺(tái)階，進(jìn)而推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈迭代升級(jí)。

　　以仙人島這臺(tái)超級(jí)“大風(fēng)車”為例。從風(fēng)機(jī)主軸承到葉片再到發(fā)電機(jī)，它由上萬(wàn)個(gè)零部件組成，其順利“誕生”離不開(kāi)集群化的技術(shù)創(chuàng)新。僅發(fā)電機(jī)這一項(xiàng)，就有中國(guó)中車、中國(guó)華能等多家企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)參與研制。

　　而且，它雖身處陸地，卻是為海上風(fēng)電設(shè)計(jì)的。在其研發(fā)過(guò)程中，研發(fā)團(tuán)隊(duì)成功解決了我國(guó)大功率海上風(fēng)電機(jī)組安全高效運(yùn)行的共性技術(shù)難題。

　　與它相關(guān)的新平臺(tái)、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(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)研發(fā)和生產(chǎn)測(cè)試技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)科技進(jìn)步、行業(yè)創(chuàng)新和資源節(jié)約，推動(dòng)我國(guó)風(fēng)電整體裝備制造水平提高，引領(lǐng)風(fēng)電行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，帶來(lái)巨大社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益，產(chǎn)業(yè)化前景廣闊。

　　這臺(tái)超級(jí)“大風(fēng)車”，既然是為海上風(fēng)電設(shè)計(jì)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(xiàng)目方選擇將其建在海邊的遼寧營(yíng)口，就是看中這里兼具海上風(fēng)電和陸上風(fēng)電的實(shí)驗(yàn)條件。將海上風(fēng)電與陸上風(fēng)電二者結(jié)合起來(lái)，可為未來(lái)我國(guó)在海陸結(jié)合地帶建設(shè)超大風(fēng)電機(jī)組作出有益探索。

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

　　當(dāng)前，我國(guó)海上風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，單機(jī)容量世界領(lǐng)先。隨著我國(guó)海上風(fēng)電建設(shè)向深水遠(yuǎn)岸布局，將面臨建設(shè)條件更復(fù)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(fēng)電機(jī)組的大型化將有利于降低單位造價(jià)，是深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電發(fā)展的重要趨勢(shì)。（喬子軒 通訊員 楊東生 張茜）