風(fēng)電機(jī)組葉輪放大有邊界嗎？

2018-05-04 22:01:48 文德能源視點(diǎn) 　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

　　最近GE推出了其HALIADE-X 12MW研發(fā)計(jì)劃，風(fēng)輪直徑達(dá)到220m，葉片長(zhǎng)度107m，計(jì)劃2019年完成樣機(jī)生產(chǎn)。而去年國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電也挺熱，海裝

　　最近GE推出了其HALIADE-X 12MW研發(fā)計(jì)劃，風(fēng)輪直徑達(dá)到220m，葉片長(zhǎng)度107m，計(jì)劃2019年完成樣機(jī)生產(chǎn)。而去年國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電也挺熱，海裝安裝了5MW171海上風(fēng)電機(jī)組，金風(fēng)的6.X-171也被提出，這也算是國(guó)內(nèi)迄今為止最大的葉輪直徑，而在運(yùn)的全球最大葉輪直徑的要數(shù)Adwen（現(xiàn)屬于Siemens-Gemesa）的8MW180風(fēng)機(jī)，其樣機(jī)在德國(guó)不萊梅港運(yùn)行。而陸上的大葉輪機(jī)組更是不斷推新，遠(yuǎn)景、金風(fēng)2.X-131機(jī)組及聯(lián)合動(dòng)力2MW-129的推出刷新了2MW級(jí)別的單位千瓦掃風(fēng)面積，而更大掃風(fēng)面積的2MW級(jí)的機(jī)組也在很多整機(jī)企業(yè)的研發(fā)計(jì)劃中。有很多朋友問(wèn)過(guò)我，同等功率的葉輪放大有邊界嗎？這個(gè)問(wèn)題如果加上時(shí)間尺度，就很難回答了，因?yàn)檎l(shuí)也不清楚明天會(huì)不會(huì)有更新的技術(shù)與成本突破。

　　去年德國(guó)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)公司Aerodyn推出了款15MW的海上風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)采用2個(gè)相對(duì)成熟的7.5MW的風(fēng)電機(jī)組，據(jù)報(bào)道其縮比樣機(jī)也在測(cè)試計(jì)劃中。之所以沒(méi)有沿用單一風(fēng)輪的設(shè)計(jì)思路，我想主要考慮到了技術(shù)與經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面的考慮。如果沿用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)路線，參考相似理論，當(dāng)功率提升1倍時(shí)，機(jī)組的重量是原來(lái)的2.83倍，這將會(huì)導(dǎo)致15MW的機(jī)組重量和體積比2倍的7.5MW機(jī)組要大很多，成本上看是不經(jīng)濟(jì)的，同時(shí)無(wú)論是鑄造還是軸承等部件都給目前的工業(yè)生產(chǎn)造成挑戰(zhàn)，技術(shù)上實(shí)現(xiàn)也具有困難。這樣看來(lái)，采用雙葉輪設(shè)計(jì)的15MW機(jī)組或許目前是個(gè)不錯(cuò)的選擇。這也說(shuō)明，大型海上風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)受制于技術(shù)實(shí)現(xiàn)與成本控制的雙重約束。

　　對(duì)于陸上機(jī)組，國(guó)內(nèi)目前以2MW為主，放大葉輪似乎沒(méi)有太多技術(shù)的障礙，也就是說(shuō)你想做更大似乎不難。比如3MW-135的機(jī)組如果限功率到2MW，或者配個(gè)2MW的發(fā)電機(jī)，那都不用設(shè)計(jì)直接就出來(lái)了個(gè)2MW-135，而且可以用在3類(lèi)以上的風(fēng)區(qū)，是不是挺有競(jìng)爭(zhēng)力呢？然而這樣的設(shè)計(jì)顯然是不經(jīng)濟(jì)的，整機(jī)企業(yè)可能連成本都收不回來(lái)。這也說(shuō)明陸上2MW級(jí)的機(jī)組葉輪放大到多少更多的依賴(lài)于經(jīng)濟(jì)性。

　　通常來(lái)講，葉輪直徑增加后單個(gè)葉片的重量會(huì)增加、掃風(fēng)面積增大，造成機(jī)組疲勞、極限載荷增加；載荷增加就會(huì)對(duì)機(jī)組承載部件提出更高的要求，從而增加機(jī)組成本；承載部件包括變槳、偏航及主軸承，軸承座，輪轂，主軸，機(jī)架，塔架等；多數(shù)整機(jī)企業(yè)通過(guò)降低適用的風(fēng)區(qū)、優(yōu)化的降載控制策略、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、降低設(shè)計(jì)安全余量等手段使機(jī)組部件載荷控制在機(jī)組平臺(tái)部件的設(shè)計(jì)余量范圍內(nèi)，從而在不改變?cè)衅脚_(tái)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)及支撐結(jié)構(gòu)的條件下實(shí)現(xiàn)更大葉輪更小成本的目的；或者需要較小的調(diào)整機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)及支撐系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)大葉輪的設(shè)計(jì)；如果平臺(tái)上的傳動(dòng)系統(tǒng)大部分需要重新設(shè)計(jì)，則通常成本增加較多，設(shè)計(jì)出來(lái)的風(fēng)機(jī)成本高，風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)更大。而由于葉輪及功率等級(jí)提高帶來(lái)的新問(wèn)題更需要關(guān)注，比如葉片氣彈問(wèn)題、軸承及結(jié)構(gòu)件的剛性問(wèn)題、大葉輪大慣量適應(yīng)性設(shè)計(jì)問(wèn)題、供應(yīng)鏈成熟度問(wèn)題等等。

　　以目前陸上2MW的平臺(tái)為例，葉輪直徑從最初的70多米到目前大量裝機(jī)的115m、121m、129m，尺寸變化很大，原來(lái)的設(shè)計(jì)平臺(tái)基本都不能滿足現(xiàn)有要求了，到130m直徑的葉輪多數(shù)需要調(diào)整平臺(tái)設(shè)計(jì)或者重新設(shè)計(jì)，同時(shí)配合更好的降載控制策略等手段，才能實(shí)現(xiàn)成本可控。所以各整機(jī)企業(yè)就比誰(shuí)能控制住載荷，誰(shuí)能把載荷降的更低，不過(guò)這些載荷都是仿真的。而實(shí)際與仿真還是存在很大差異的，特別是對(duì)于高湍流的山地風(fēng)區(qū)，需要細(xì)致考慮，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。在激烈競(jìng)爭(zhēng)下，也說(shuō)不準(zhǔn)會(huì)出現(xiàn)個(gè)別設(shè)計(jì)能力不佳或自以為是的企業(yè)，鋌而走險(xiǎn)，人為降低設(shè)計(jì)中的安全余量、人為采用不實(shí)際的輸入?yún)?shù)以改善計(jì)算載荷結(jié)果，這樣設(shè)計(jì)出的風(fēng)機(jī)風(fēng)險(xiǎn)更大。在目前的技術(shù)條件和價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)的情況下，在風(fēng)火同價(jià)的預(yù)期下，成本壓力大是陸上機(jī)組風(fēng)輪增大的最大制約，而未來(lái)3MW大葉輪機(jī)組在克服運(yùn)輸?shù)燃夹g(shù)瓶頸后在風(fēng)電場(chǎng)整體解決方案中，也會(huì)體現(xiàn)出其競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

　　筆者認(rèn)為，在當(dāng)下的風(fēng)電研發(fā)中，行業(yè)更應(yīng)該多關(guān)注葉輪效率，同時(shí)在技術(shù)驗(yàn)證方面做足工作；關(guān)注大葉輪所帶來(lái)的葉片氣彈穩(wěn)定性、子系統(tǒng)剛度變形分析、整機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、新型控制技術(shù)等方面的問(wèn)題。進(jìn)一步提升現(xiàn)有風(fēng)輪直徑下機(jī)組發(fā)電能力、降低整機(jī)失效風(fēng)險(xiǎn)。這些年我們?cè)陉懮蠙C(jī)組不斷突破葉輪直徑的過(guò)程，也是在不斷吃掉原來(lái)設(shè)計(jì)的余量、挑戰(zhàn)設(shè)計(jì)邊界的過(guò)程，風(fēng)險(xiǎn)也越來(lái)越高。而海上風(fēng)電大兆瓦大葉輪機(jī)組的技術(shù)不確定性更多，成本壓力則更大，需要更加系統(tǒng)和細(xì)致的研究、成熟的供應(yīng)鏈體系、更多方面的驗(yàn)證，穩(wěn)步推進(jìn)。如果僅僅是組裝起來(lái)的“大”機(jī)組，顯然風(fēng)險(xiǎn)不可控，還需要做更多工作。

　　總之，無(wú)論是海上還是陸上機(jī)組，技術(shù)、成本、市場(chǎng)、風(fēng)險(xiǎn)控制決定了我們能做多大的葉輪、我們需要做多大的葉輪。技術(shù)水平不斷進(jìn)步、成本與風(fēng)險(xiǎn)控制能力不斷提高，我們就能做出更多市場(chǎng)需要的更大葉輪的風(fēng)電機(jī)組，只是在這個(gè)過(guò)程中需要更多的耐心與細(xì)致。

責(zé)任編輯：電改觀察員

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