中车永济副总工程师段志强:“由陆向海、由浅到深、由固定基础向漂浮式平台”成为未来海上风电发展的必然趋势

能见App 2021年10月19日 2602

2021年10月17日-20日,2021北京国际风能大会暨展览会(CWP 2021)在北京新国展隆重召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一,这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会,再次登陆北京。

本届大会以“碳中和——风电发展的新机遇”为主题,历时四天,包括开幕式、主旨发言、高峰对话、创新剧场以及关于“国际成熟风电市场发展动态及投资机会”“国际新兴风电市场发展动态及投资机会”“风电设备智能运维论坛”“碳达峰碳中和加速能源转型”等不同主题的15个分论坛。能见App全程直播本次大会。

其中,10月19日海上风电发展论坛隆重召开。中车永济电机有限公司副总工程师段志强参加了该论坛并演讲。

以下为发言全文:

段志强:

各位嘉宾,各位专家,大家下午好!接下来我分享面向深远海的智能化漂浮式风力发电机技术研究。近海资源越来越少,包括国内主机厂包括海外都在做漂浮式一些整机的研究。我们中车永济有幸参与中间发电机的研究,所以今天把我们中间做漂浮式应用的发电机技术和最近做的一些成果给大家做一个汇报。

我今天大概讲三个部分:永济公司风电业务介绍、面向深远海的智能化漂浮式风力发电机技术、漂浮式风电发展趋势。

简单介绍一下我们公司,中车永济电机有限公司,1969年成立,隶属于中国中车股份有限公司,旗下核心子公司,占地面积117.6万平方米 ,建筑面积73.4万平方米,可年产交通和能源装备领域电机共计22000台。专业从事风力发电机研发、生产、制造和服务,具备全系列风力发电机产品配套能力,风电产品年产能5000台。1998年,公司已经开始中国首台600kW笼型风力发电机的研制;公司产品涵盖笼型、双馈、直驱和半直驱等四大技术平台,功率覆盖600kW到18MW。

截至2020年12月,永济电机累计为风电市场提供各类风力发电机40000余台(75GW),产品分布国内外1600多个风场。全面覆盖国内风电装机区域,占到中国在运行风力发电机总量的30%,市场占有率国内第一。

这是全国的一个布局,永济公司作为风力发电机龙头企业,已经在海上大功率半直驱永磁、直驱永磁和笼型发电机的关键技术方面作出了诸多突破,为迎接海上风电快速发展做好技术储备。自2018年6月至今,永济公司先后成功研制多款国内及全球最大功率等级海上风力发电机,技术达到国际领先水平,产品实现批量生产,为公司带来一定的经济效益。我们的成绩有:

2018年6月,亚洲最大功率7.6MW海上半直驱永磁发电机

2020年4月,首台大功率6MW海上直驱永磁发电机

2020年6月,亚洲最大功率10MW海上半直驱永磁发电机

2020年11月,国内最大功率6.XMW海上笼型发电机

2021年5月,全球最大功率7.XMW双馈发电机

2021年6月,全球最大13.X MW紧凑型半直驱永磁发电机

2021年10月,发布全球最大18MW海上漂浮式风力发电机

目前整个客户也是国内整机厂都有在合作,这是简单的介绍。

下面介绍整个面向深远海漂浮式电机,研究表明,世界上 80% 的海上风资源位于水深超过 60米的海域,因此深远海发展潜力巨大。想要充分开发利用海上风资源,漂浮式海上风电将成为未来重点开发方向。

优势:风力更稳定、更强劲,可建设更大规模的风场;施工中无需打桩,克服了影响施工的海床地质条件问题;风机在港口组装后,拖动到海上,易于安装,成本更低;减少对渔业区和旅游区的影响,对环境更友好。

难点:漂浮式基础的稳定性较弱,运行过程中容易发生倾斜、位移,对发电机可靠性要求更高;发电机处于最高处,运动速度及加速度在机组中处于最大状态;维护成本高。

在这个中间怎么解决漂浮式对整个电机的难点呢?我们主要从七个关键技术方面来解决整个电机的技术,下面逐一说一下。

(一)抗振动抗疲劳技术

针对漂浮式基础的稳定性较弱,并且发电机处于最高处,运动速度及加速度在机组中处于最大状态。漂浮式发电机抗振动抗疲劳技术的关键在于以下4个方面:针对漂浮式机组的特定环境,采用创新的轴系系统,满足漂浮式发电机承受高于固定式风机10倍以上的倾斜振动载荷;轴承润滑系统采用特殊的迷宫结构与压环预紧结构,解决油润滑轴承的漏油难题及轴承运行可靠性,并通过轴承密封系统1:1实体模型验证试验。

针对漂浮式基础的稳定性较弱,并且发电机处于最高处,运动速度及加速度在机组中处于最大状态。漂浮式发电机抗振动抗疲劳技术的关键在于以下4个方面:2、关键结构件疲劳计算,关键结构件(传动法兰、转子支架、磁极螺栓)的疲劳分析计算时,模拟运行工况,实现精准设计;3、悬臂零部件抗振性能优化设计,悬臂零部件(发电机冷却系统、散热电机)处于最恶劣运行环境,针对悬臂结构重点优化支撑结构、散热电机选型及整体结构强度校核;4、关键部件材料选取,关键零部件(机座、轴承座、空心轴)采用耐低温材料和抗振材料,提高了发电机的抗振性能。

(二)高可靠性电磁设计及仿真分析技术

基于高效率、高抗失磁能力、高功率密度的电机电磁设计技术、针对漂浮式电机维护成本高,采用模块化设计思想,结合有限元分析工具,实现产品性能、质量、成本、可靠性最优化。

(三)多场耦合仿真分析技术

电机转矩脉动、电机损耗分布,优化电机电磁结构、电流谐波含量。多目标仿真优化算法,实现电磁参数最优设计;多物理场迭代设计,实现电磁场、结构场、流体场、温度场、声场优化设计。

(四)发电机高效冷却技术

针对深远海电机特殊的运行坏境,对通风散热结构进行创新设计,通过流体场、温度场仿真分析,形成了发电机高效冷却技术,并获得发明专利。

电机采用定子水冷和转子空水冷的双路循环的冷却方式,提高电机散热效率;水套内部水路采用优化的特殊结构,较传统结构散热面积增加约10%,温度分布梯度优化40%,有效避免绕组局部过热;采用独立的密封冷却风路,通过设计低风阻导风部件,转子空水冷却器冷却后的凉风直接输入发电机内部最热部位。

(五)绝缘技术

绝缘等级采用H级耐电晕绝缘结构设计,可适应变流器较高的电压变化率和尖峰电压;绝缘系统在永济公司超过40000台可靠运行的风力发电机绝缘结构基础上,针对深远海工况进行加强,通过盐雾、湿热、霉菌、高低温等试验,满足海上工况运行要求。

(六)海上“三防”技术

结构件采用C5-M级防腐设计,经过海上工况的运行考核,满足海上运行环境的苛刻要求。磁极结构采用全密封结构,永磁体采用特殊防腐结构,通过了湿热、盐雾、霉菌、高低温冲击试验,提高恶劣工况的运行可靠性。模块化磁极结构,提升制造及装配效率。

(七)智能化技术

 中车永济公司提出“风电智能故障辨识系统WIND1.0”,以风场运营效益最大化为目标,采用物联网、大数据、人工智能、边缘计算等新技术,实现风力发电机健康诊断及预测性维护、提供多平台电机数据可视化及交互式系统。

实现电机运行状态全息感知,监测电机轴承、定转子绝缘等关键部件,部署振动、温度、电压电流传感器,节约传感器安装、维护的时间及成本,部署无线振动传感器,功耗低、体积小、安装简便。

基于“深度学习+特征分析”技术对电机运行数据实时处理及分析,实现电机轴承、绝缘等关键部件故障预警,为用户提供预防性维护和保养建议,提高设备可用率,减少突变故障造成停机,提升发电量。

系统实时监测轴承振动、声音、温度数据,在线准确辨识电机故障类型及故障部位,包括轴承内圈或外圈剥离、电蚀等故障、轴承过温故障。

人工智能深度学习算法:不同转速下原始数据,基于人工智能深度学习神经网络,电机轴承故障识别率高达95%以上误报率低于1%。故障诊断算法优势:鲁棒性强、可拓展性强。

通过匝间接入不同阻值电阻进行不同绝缘故障程度的模拟试验,获取三相电流瞬间和稳态数据:针对电机电流信号依次进行滤波降噪、直流分量去除、重点提取非量纲时频域统计特征,实现绝缘故障在线监测与系统保护功能;基于机理与数据驱动融合的数据分析方式,实现绝缘早期故障预测与健康管理。

边缘计算:故障诊断时效性强:实时将诊断结果推送给客户;可靠性强:减少网络信号欠佳导致数据丢失;安全性强:数据传输及访问安全。

针对风力发电机,电机智能监控系统提供风机专用传输系统,支持多种形式数据传输:4G 无线传输、风场自有网络传输、无信号覆盖风场自组网传输。自定义报文数据传输,考虑后续节点数量增加,采用发布-订阅消息系统:高并发、高吞吐量、低延迟;可扩展性、持久性、可靠性;物联网协议MQTT、安全性。

基于工业互联网平台,提供直观、智能、交互式多系统平台,支持Web、移动终端App访问;实现电机运行状态实时监控、故障诊断、故障预测、运维决策信息实时更新,提供历史数据下载、故障日志生成等功能。远程软件功能推送,不定期对风力发电机智能监控系统进行系统升级,根据客户需求带来新的功能。运维服务人员通过后台系统检测到电机状态进行合理维修,大大简化服务流程,提升用户体验。

提升发电量:减少故障停机时间、风机控制优化、风场控制优化。提高运维效率:部件级PHM系统、优化的备件策略、智能运维系统。降低安全风险:人身安全、设备安全、信息安全。减少值守人员:场控无人值守,区域集控少人值守。提供高质量、差异化维保服务和持续优化运营服务,提升风场运营效率,为客户创造价值!

第三个方面是漂浮式风电发展趋势

(一) 海上风电全球现状及发展趋势

随着近岸资源的开发趋于饱和,海上风电产业逐步走向深远海,将风机安装在漂浮式平台的漂浮式机组是最佳选择。“由陆向海、由浅到深、由固定基础向漂浮式平台”成为未来海上风电的必然趋势。深远海风资源,由于没有障碍,它可以达到更高、更恒定的速度。其在社会经济和环境层面的巨大潜力和战略附加值,使其成为在实现碳中和过程中发挥关键作用的可再生能源之一。

根据全球风能理事会(GWEC)的统计,截止2020年底,全球海上风电累计总装机量为35.3GW,其中中国占比28%,排名第二,全球装机容量持续保持增长趋势。2020年全球海上风电新增装机容量 6.068 GW,中国的海上风电新增装机容量达到创纪录的逾3 GW,占全球新增容量50.4%,连续三年成为全球最大的海上风电市场。

(二)漂浮式风力发电机发展趋势

在30·60碳达峰和碳中和背景下,海上风电必将迎来广阔的发展空间。预计到2025年,全球海上风电新增装机容量将从2020年的6.1GW增长至23.9GW,在全年装机容量的占比将从2020年的7%增长至21%。

趋势一是大容量,8-10MW机组逐步成熟;10-18MW样机陆续诞生;大容量机组在降低风场总投资上具有一定优势,可充分利用风资源,因此漂浮式海上超大功率风电机组将成为发展趋势。

趋势二是轻量化, 随着海上漂浮式风电机组容量的持续增大,关键部件的重量将成为影响机组成本的重要因素,发电机作为机组重要部件之一,实现轻量化至关重要。发电机设计采用多目标优化算法,将电机重量及电性能两个指标作为优化目标,通过蒸发冷却、超导电机、集成型电机、碳纤维材料等技术创新,动态优化迭代电机结构,在保证电机安全性和可靠性的前提下,将发电机重量降至最轻,从而降低机组载荷。

趋势三是低成本,海上风电产业即将进入平价时代,随着对漂浮式技术逐步深入的研究,可有效降低发电机的设计冗余,同时通过对新材料、新工艺、新技术的研究,推出低成本、高可靠性的漂浮式电机。

趋势四是智能化,提出“WIND1.0”风电智能守护者系统,以风力发电机为载体,利用人工智能+物联网(AI+IOT)的方法,打造国际领先的电机故障辨识系统,实现电机数据采集、处理、传输、存储、分析、决策支持全环节应用。

趋势五是高效率,进一步探索电磁优化设计技术,以“高效率、高抗失磁能力、高功率密度”为出发点,结合“高效冷却技术”全面提升发电机性能,力争将发电机发电效率提升至98.5%,达到国际领先水平。

趋势六是免维护,基于数字化、智能化技术,为产品”免维护“赋能,通过“技术驱动产品”,推动智能运维系统、优化备件策略、搭建PHM系统,实现发电机故障“自诊断、自恢复”。

技术创新 为“碳达峰 碳中和”国家战略贡献风电智慧和力量,这就是我今天的分享,谢谢大家!

 

(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)