中车株洲电机李如海:平价市场下风力发电机可靠性关键技术研究

能见App 2023年10月20日 5640

2023年10月16日-19日,2023北京国际风能大会暨展览会(CWP2023)在北京如约召开。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,聚焦中国能源革命的未来。

本届大会以“构筑全球稳定供应链 共建能源转型新未来”为主题,将历时四天,包括开幕式、主旨发言、高峰对话、创新剧场以及关于“全球风电产业布局及供应链安全”“双碳时代下的风电技术发展前景”“国际风电市场发展动态及投资机会”“风电机组可靠性论坛”等不同主题的21个分论坛。能见APP全程直播本次大会。

在10月18日上午举办的风电机组可靠性论坛上,中车株洲电机有限公司风电研发中心副经理李如海发表了题为《平价市场下风力发电机可靠性关键技术研究》的主题演讲。

以下为发言全文:

各位观众大家中午好,很荣幸能够站在这个讲台上,然后向大家分享株洲电机公司在平价市场下,风力发电机可靠性研究技术。

我的讲解主要分为以下4个部分,首先我简要介绍一下株洲电器有限公司,是中车电机的一级子公司,为了支持中国风电建设,在风电领域中国电机有限公司主要包括九大基地,2个内部支撑单位,针对9个的基地我们分布主要是靠近大风场,靠近总装厂,我们的理念是更好的服务客户。针对客户在生产过程,包括客户在风场遇到问题能够快速及时响应,目前我们已经做到了直驱电机,年产3200台,半直驱电机年产1200台,双馈电机达到了年产2300台的产量。

第二个风电发展趋势,目前风电发展趋势大家其实整个行业大家都非常明显,从十二五、十三五到十四五期间,十二五实际上风电已经达到了培育规模化,在十二五期间风电逐渐达到了规模化发展。到十三五之后,当风电达到规模化之后就开始出现陆上平价,到十四五出现海上平价。说实话整个行业风电行业大家都过得非常舒服,但是十三五出现转折,就是我们平价降本压力急剧增加,包括后面十四五,在我们实现平价的时候,又有行业的整体内卷,目前陆上风电基本上成本已经低于了传统的燃煤发电的成本,这个是2030年整体的度电成本的预测,基本上在2030年,路上度电成本大概是0.19元,海上度电成本大概是0.38元,基本上都低于目前化石能源发电成本。由此可以看出就是在相当长一段时间内可能降本,不断的追求极致降本,依然可能是风电领域一段时间内的话题。

针对降本问题,目前我们总结出来风力发电机可能有“六化”趋势和“四新”特征。

六化趋势一个大型化功率、不断大型化发展,尤其从我18年刚入行的时候,那时候还是2兆发电机,逐渐后面4兆瓦6兆,到今年陆上已经达到了10兆瓦以上的双馈,海上已经20兆瓦,我们正在设计研制的22兆也会马上出来;集成化主要也是从去年开始出现,今年已经全面推广出来。非常明显特征主要是半直驱主轴齿轮箱和发电机的全集成,目前在推广到双馈主轴和齿轮箱的集成;中高压化也是逐渐出现的表象特征,目前一个是以运达的10.5千伏为表征,我们目前也正在开发35千伏高压电机,高压化最终的目的可能就是取消变压器;中高速化也是针对半直驱和双馈,最早我们公司作为全国第一批做半直驱发电机厂家,早期的半直驱主要是像明阳的200转为主,但是现在为了降低成本,半直驱已经用三级传动,采用三级传动的一个最高传动比,基本上都控制在600转左右。双馈以前在4兆瓦的时候,那时候是4级,早期5兆瓦的时候当时已经说有一个分水岭,认为5兆瓦时候可能转速应该控制在1200转左右,也就是6级,但是目前也是为了降低成本。目前12兆瓦甚至更高等级的15兆瓦依然在采用高转速,大概在1700转1600转左右;低成本化除了我们目前的单独电机的低成本,更主要现在是整个整机系统匹配的低成本;智能化,主要是智能化制造设计和运维。

四新特征就是新路线、新技术、新结构、新材料。四新就是在以前传统风力发电机设计周期比较长,新技术迭代比较慢,但是从近两年发展路线来看,就是新路线、新技术、新结构、新材料,短时间内只要有样机上塔,只要有厂家使用,后续会迅速的推广开来,在这个过程中,很多新技术和新材料没有得到充分验证。

整体来看就是六化和四大趋势,对风力发电机设计,尤其是可靠性和质量带来了很大的风险,于是就带来一个问题,就是在高可靠性和超低成本面前如何做一个最优的均衡。目前从业主来看,业主对我们发电机整机厂家要求主要是高可利用率、高可靠性、高环境适应能力,核心部件的长寿命和平价上网。反映到我们发电机领域,主要是高可靠性设计、长寿命,然后低成本以及智能化。

从这方面我们分解出来6个技术特点,一个是超高集成设计,将冗余设计以及新材料新技术和新结构的应用,这三块主要是针对低成本,高可靠性主要是还原适应性研究,可靠性研究和多物理场耦合仿真的研究。目前动力场耦合早期,在发动机设计的时候,往往是电磁结构流体属于分开计算,但是随着现在降冗余设计,很多冗余越来越低,这时候就可能在某些变形,某些微小变形可能对这个电机整体性能带来明显的影响,所以目前在电器设计过程中,主要采用电磁场结构上和流体场的多物理场耦合仿真,一个是电磁场的电磁和损耗,会直接影响到损耗,会直接影响温升分布,它不只是损耗数量,还包括损耗在尺部、铁芯,甚至整个的分布对冷却的性能也有明显的影响。

另外一点就是温度场仿制出来,温升对结构出现热变形,对结构强度以及形变也有明显影响,最早最明显的是直驱电机,后面随着深入逐渐降低,对双馈半直驱也逐渐明显,随着结构变形也进一步会影响到气息,进而影响到电磁方案,所以我们现在在进行方案设计过程中,主要会针对电磁流体和结构进行多轮的耦合,虽然现在目前仿真软件他们也会推,也会在不断宣扬自己多物理场耦合能力,但实际应用过程中,因为每一个仿真每一次计算都会带来误差,都需要不断的修正,真正在应用的时候,我们还是类似于做一个弱耦合的多次迭代,进一步提高设计精度,降低设计冗余,提高发电机安全可靠性。

第二点就是多功率单元设计,目前也是海上14兆瓦风力发电机组普遍采用的设计技术,一个是采用4套绕组,这样尤其针对海上漂浮式风力发电机组,一旦绕组出现故障,漂浮式由于离岸远,维护时间要受到影响,另外就是涉及时间成本,发电量损失影响,所以4套绕组可以实现一套绕组故障,两套绕组故障,三套绕组故障,分别进行一个三套绕组发电,两套绕组发电和单套绕组发电,尽可能的提高设计冗余,降低绕组故障过程中,业主产生发电量的损失。

磁钢的高可靠性设计,并不是通过单一的增加成本提高可靠性,而是在平价时代保证成本不增加情况下,如何增加磁钢可靠性,一个是温度冗余大,并不是提高磁钢的耐温性能,而是通过提高优化转子的冷却封路,增加风吹磁钢的风量,降低整体磁钢的温度,通过这种方式来提高抗失磁性,目前通过优化,在最新技术上可以磁钢温度可以降低5~10k的样子。

另外一个是抗去磁能力,抗去磁能力这个也是通过优化,一个是机槽配合降低,另外还有通过优化磁极和的拓扑结构,在针对短路去磁情况下,对这个进行疏导,然后尽量减少直接作用在磁钢上面,通过这种优化,可以在磁钢表面的能够削弱5%~10%。

另外一个是防腐性能,防腐性能主要是针对目前,陆上半直驱采用制冷方式,发电机防护等级明显降低,它外部的湿冷空气可能会直接作用在发电机磁极盒上,对磁钢造成了一个非常大的风险。目前我们是在磁器盒表面,除了磁钢原有的镍铜环氧防防护,我们还做了一个防护板,两层的防护板结构。

第三个就是轴承长寿命设计,目前轴承长寿命设计主要是用在我们直驱和双汇发电机上面,全目前现在我们追发长寿命设计也主要是通过优化我们轴承布局,然后提优化我们轴承布局,然后优化轴承载荷。发电机作为轴承的应用厂商,通过核算之后也会交给轴承厂家计算,但是在实际运营过程中,因为前期我们轴承主要还是受国外轴承垄断,然后在我们轴承在实际运行过程中出现了问题,比如说是异常震动,然后出现异响,但是国外厂家在配合上,目前还是始终缺少一个就是支持度相对来说比较低,然后现在我们在开发国内轴承,也是除了降温,同时也是国内对我们整体轴承出现故障或者异常化,然后对我们支持度以及反应是远远要高于国外轴承。

第二点是绝缘结构,绝缘结构目前我们是虽然是目前电机还属于低压电机,但是我们在聚源结构设计过程中也引入一些中压和电中压电机和高压电机的一些设计结构,然后同时我们也考虑了针对变频器全功率电流,然后包括永磁电机发电机转子,我们也考虑了变频器对我绝缘的影响,然后优化我均线结构。同时在一定程度上我们在不改在不减小我发现机槽内槽满率的情况下,然后增加我匝间和最低绝缘厚度,然后提高我安全设备冗余,然后同时运用依托我们注入电机专业的绝缘研发绝缘研发团队,然后我们对绝缘的发电机绝缘施救机理,以及环境适应性以及热寿命进行了一个长期的研究。

这个是我们这个绝缘结构对我们在发电机设计工程做的一些耐久性实验,包括一个是环境适应性,还有一个是老化实验,主要是针对冷热冲击,然后震动冲击,然后恒温恒湿,长期进水长期延误,然后综合评估我们发电机在我们风电运行过程中的一个实际寿命。传统像国家规定的像f级是180摄氏度的一个标准,但是因为我们是脱胎于脱胎于中车系统,然后中车系统对绝缘有更高的考核标准,我们一般在实践过程中有时候会采用高铁200级的一个严更为严苛的验证考核,同时在环境在实践方面,我们也根据目前风力发电机实际上出现了一些新的问题,然后也在不断的增加,包括现在采用高集成设计的时候,目前出现齿轮箱,然后漏油,然后进入发动机内部,而且还很难排出,这样对我长期会出现一个情况。

我的发电机定子然后长期浸泡在润滑油上面,然后我们也做了一个长期的在电子绝缘在润滑油上面进长期浸泡的一个耐久性实验,然后最终证明我们绝缘能够完全耐受润滑油的长期侵蚀,绝缘不会绝缘性能不会降低。

然后另外一个是轴承的高考性实验,轴承高考性设计,这主要是针对我们的轴承系统,一个是轴承配置,然后包括我们轴承润滑系统,包括后面包括我们针对轴承电腐蚀的一些研究,除了我们研究了绝缘轴承,然后这个是基于我们牵引电机采用了一个绝缘轴承技术,然后在风电做了一个延伸,但实际运营过程中就是目前绝缘轴承就是一个是成本比较高,然后先针对大轴承化均线轴承采用的磁性喷涂材料可靠性可能还是影响比较大,然后针对目前我们轴承垫付时,我们主要一个是通过碳刷营地然后疏导,然后另外一个通过增加聚氨端盖然后进行防护。

第四点就是我们低成本设计,目前因为风力发电机降本依然是主流。然后针对低成本设计,我们主要是有以下技术,一个是系统匹配,这个主要是跟主机厂家进行一个发电机电流器电气系统一体化匹配,然后实现电气系统的降本。然后另外一个发电机齿轮箱一体化设计,实现发电机齿轮箱一个从转速到维护检修接口的一个匹配设计。

电磁优化设计主要是一个是优化我们电池结构,然后另外一个是采用定制化的磁钢、硅钢片以及新的槽线,通过我们定制化设计,然后尽可能的然后来符合我们每一款电机达到了一个最优成本。第三个就是通风冷却,然后我们是不断的优化我们的风路,然后提高我们的冷却效率,然后来提高我们发电机的整体密度降低成本。

第四个就是绝缘结构,绝缘结构我们刚才也提到,虽然我们是增加了我们的厚度,但是我们通过优化了一个绝缘结构和系统,但实际上我们是降低了整体的绝缘后提高了,在一定程度上我们提高了槽满率,然后同时也提高我们绝缘的导热性能。

第五个就是我们标准化、模块化、轻量化开发,这个主要是一个是降低我们的开发难度,然后规避单独开发可能面临的一些新的问题,提高我们那个开发效率。

第六个就是我们零部件国产化和定制化,主要是针对国产轴承编码器和集中润滑器采。采用国产化零部件,目前国产化零部件可靠性也在逐渐提升,不仅可以降低成本,然后国产化零部件往往也可以对我们有一个更好的服务,然后更好的支持。同时在定制化我们也在研究,目甚至是材料在风电领域的一个应用。

然后目前电磁线除了我们最早铜线、铝线,我们也在研究这个铜包铝以及我们中车现在正在开发的一款超级铜。同时我们中车也在打造智慧电机,除了智慧设计、智慧制造通过我们全参数化自动生成的一个智慧设计,不仅可以快速提升我这个设计速度,同时也能够减少我这个设计过程中产生的干涉以及设计失误。因为人为原因导致的设计失误,这样可以在我设计不再完全依赖于经验丰富老员工,我新员工在基于一套成熟的模块化设计方案,也能够设计出来一个高质量的发电机。

另外一个就是模块化,这个数字孪生主要是针对仿真,然后通过多场偶合与我风场试运行进行一个连接,然后可以将风场实际运行的一些情况,可能我实验无法监测,就是我们在出厂实验或者行驶实验无法监测到一些故障,在风场试运行来支撑我们那个设计,然后提高我们那个设计质量,不仅能够满足行驶时验要求,然后更多的是能够保证我风力发电机在我风场能够长时间风场运行工况下,然后长时间的稳定运行。

第三个就是我们从设计到工艺制造的数字化一体化穿透,也就是我们整个数字模型,通过我们研发工艺制造就是全部数字化贯通。然后另外一个就是我们的设计过程中,也在考虑我们那个智能化制造,就是我们很多设计结构要满足我们工厂现在正在搭建的一个智能制造生产线,通过引进更多的智能制造设备,来减小我在生产制造过程中引进的一个人为质量问题。

智慧电机第二点,就是我们目前正在搭建的一个发电机智能在线监测系统。目前我们在线监测系统目前我们已经在客户电机上进行了成功的装塔运行。然后目前是1月、2月已经完成了在线监测系统的硬件升级,然后体积更小,重量更轻,成本更低。然同时也完成了在我们持续第二台持续产品上的应用,在目前也应用到我们产品上面。同时我们目前智能监测系统,然后也正在进一步开发,在除了要更为全面的监测,下一步就是基于智能监测系统,我们要进一步开发我们那个再向故障诊断,能够进行一个提前预警,更好的支撑我们整机厂家安全稳定运行,降低我们运维成本。最后我们株洲电机有限公司将继续定位打造世界一流的电机企业,致力于实现高端动力先锋战略目标,聚焦高性能、高可效性、高可维护性、低成本的智慧风力发电机变压器的技术,致力于实现发电机变压器的高水平设计,高质量制造和高可靠性运行,谢谢大家。

 

(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)

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