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，葉片長度107m，計(jì)劃2019年完成樣機(jī)生產(chǎn)。而去年國內(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，葉片長度107m，計(jì)劃2019年完成樣機(jī)生產(chǎn)。而去年國內(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)合動力2MW-129的推出刷新了2MW級別的單位千瓦掃風(fēng)面積，而更大掃風(fēng)面積的2MW級的機(jī)組也在很多整機(jī)企業(yè)的研發(fā)計(jì)劃中。有很多朋友問過我，同等功率的葉輪放大有邊界嗎？這個問題如果加上時間尺度，就很難回答了，因?yàn)檎l也不清楚明天會不會有更新的技術(shù)與成本突破。

　　去年德國風(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個相對成熟的7.5MW的風(fēng)電機(jī)組，據(jù)報道其縮比樣機(jī)也在測試計(jì)劃中。之所以沒有沿用單一風(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，機(jī)組的重量是原來的2.83倍，這將會導(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，同時無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，采用雙葉輪設(shè)計(jì)的15MW機(jī)組或許目前是個不錯的選擇。這也說明，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。

　　對于陸上機(jī)組，國內(nèi)目前以2MW為主，放大葉輪似乎沒有太多技術(shù)的障礙，也就是說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2MW的發(fā)電機(jī)，那都不用設(shè)計(jì)直接就出來了個2MW-135，而且可以用在3類以上的風(fēng)區(qū)，是不是挺有競爭力呢？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。這也說明陸上2MW級的機(jī)組葉輪放大到多少更多的依賴于經(jīng)濟(jì)性。

　　通常來講，葉輪直徑增加后單個葉片的重量會增加、掃風(fēng)面積增大，造成機(jī)組疲勞、極限載荷增加；載荷增加就會對機(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)組平臺部件的設(shè)計(jì)余量范圍內(nèi)，從而在不改變原有平臺機(jī)械傳動系統(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)；如果平臺上的傳動系統(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)出來的風(fēng)機(jī)成本高，風(fēng)險也會更大。而由于葉輪及功率等級提高帶來的新問題更需要關(guān)注，比如葉片氣彈問題、軸承及結(jié)構(gòu)件的剛性問題、大葉輪大慣量適應(yīng)性設(shè)計(jì)問題、供應(yīng)鏈成熟度問題等等。

　　以目前陸上2MW的平臺為例，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，原來的設(shè)計(jì)平臺基本都不能滿足現(xiàn)有要求了，到130m直徑的葉輪多數(shù)需要調(diào)整平臺設(shè)計(jì)或者重新設(shè)計(jì)，同時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)就比誰能控制住載荷，誰能把載荷降的更低，不過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，特別是對于高湍流的山地風(fēng)區(qū)，需要細(xì)致考慮，規(guī)避風(fēng)險。在激烈競爭下，也說不準(zhǔn)會出現(xiàn)個別設(shè)計(jì)能力不佳或自以為是的企業(yè)，鋌而走險，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)險更大。在目前的技術(shù)條件和價格競爭的情況下，在風(fēng)火同價的預(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)電場整體解決方案中，也會體現(xiàn)出其競爭優(yōu)勢。

　　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，同時在技術(shù)驗(yàn)證方面做足工作；關(guān)注大葉輪所帶來的葉片氣彈穩(wěn)定性、子系統(tǒng)剛度變形分析、整機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動力學(xué)、新型控制技術(shù)等方面的問題。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。這些年我們在陸上機(jī)組不斷突破葉輪直徑的過程，也是在不斷吃掉原來設(shè)計(jì)的余量、挑戰(zhàn)設(shè)計(jì)邊界的過程，風(fēng)險也越來越高。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的“大”機(jī)組，顯然風(fēng)險不可控，還需要做更多工作。

　　總之，無論是海上還是陸上機(jī)組，技術(shù)、成本、市場、風(fēng)險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)險控制能力不斷提高，我們就能做出更多市場需要的更大葉輪的風(fēng)電機(jī)組，只是在這個過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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