金风科技周杰:以全寿命周期智能安全解决方案,应对风电机组大型化时代的安全挑战

能见App 2023年10月20日 3711

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,金风科技股份有限公司研发中心控制专家周杰发表了题为《风电机组全生命周期安全控制解决方案》的主题演讲。

以下为发言全文:

各位专家同仁,大家上午好,我是来自金风科技的周杰,我分享的主题是应对风电机组大型化时代的安全挑战——金风科技全寿命周期智能安全解决方案。我将从行业的安全挑战、解决方案以及应用案例等三个维度展开。

近年来,风力发电机组大型化趋势明显,单机容量、叶轮直径持续增加。2022年陆上机组最大的直径超过了200米,海上机组最大的叶轮直径已经高达250米。国内新增的装机种陆上机组已经突破了10兆瓦,海上16兆瓦机组已经成功的投运,风力发电行业已经由小风机时代快速进入了大风机的时代。但各位风电人都清楚的认识到,行业里的安全事故都会带来巨大的经济损失以及恶劣的社会影响,风电行业面临着机组大型化时代的安全挑战。

接下来我们讨论一下为什么会有这样的安全挑战?机组的大型化意味着塔架更高、叶片更长、部件更多,系统的复杂性也更高。同时,随着风电发展版图的扩张,风电场所在区域的气候环境愈发多样,那么风机面临的运行环境也更加复杂。系统的复杂性叠加了环境的复杂性,大型化机组运行的风险可能会成倍增加。

作为整机厂家,我们也一直在思考如何能够做得更多更好。比方,极端天气或台风过境的时候机组如何更加安全的运行?大机组未报故障一定是健康的吗?部件状态监测如何更加有效?还有,风机交付之后,作为整机厂家,还能做更多的哪方面的工作?我们用实践给出了这些问题的答案,金风机组具有更高的环境适应性去应种极端的天气,具有更准确的风险辨识和自我保护的能力。风机交付之后,我们还会通过云端的隐患排查,持续进行安全升级,这些都是今天的主题智能安全技术的核心特征。

说到智能化,金风科技智能化的演进一直是以满足客户要求,解决客户问题为导向。早在2018年金风推出了初代的智能风机,当时是用先进的传感技术实现有效的整机载荷控制,开启了风机智能化的先河。在2020年的风能展上,金风推出了智能风机2.0,当时是以参数自校正、场级协同等创新技术,来满足客户对发电量的极致追求。当下,金风充分应用了云计算、大数据、人工智能、边缘计算等新技术,实现了信息融合的安全决策,金风也是通过风机的安全智能帮助客户实现大机组的安全和发电的双赢。

接下来重点介绍金风全寿命周期智能安全解决方案。整个解决方案以金风倾力打造的数字孪生引擎为底层驱动,在风机的边缘侧,通过复杂系统安全保护、复杂环境安全决策实现了风机全方位的实时自我保护。加以云端的安全隐患排查方案,实现了风机从交付期到20年甚至30年的运行期的安全可靠运行。

数字孪生引擎有三个核心要素。首先,金风4万台机组源源不断产生了数据资源,金风研发工程师利用了20多年的风机运行经验进行数据挖掘,建立了50多类非标准定义的工况库,这使得我们能够更加精确得定义了机组的运行边界。其次,金风建立的5级实验验证体系实现了全场景全流程测试验证,可以获得精准的整机及大部件诊断预测依据。更重要的是,前两年金风突破的整机多学科自主仿真GTSim打开了整机设计黑匣子。目前GTSim的仿真精度超过了95%,这样,我们能够更加精确的定义整机及大部件的载荷指标,同时也能够精准得构建关键部件寿命与安全孪生模型。数字孪生引擎的不断迭代驱动了金风智能安全技术的成熟应用。

前面提到了大型化风机的复杂性,但金风数字孪生引擎能够帮助金风不论是数字世界还是物理世界,都能够非常清楚得知道大型风机这样的复杂系统的内在是如何运行的。金风在风机边缘侧双核控制系统里面建立了从交付期到运行期的安全保护功能,实现了全寿命周期实时在线安全保护。

比方说在交付期,针对长柔叶片停机涡激颤振的风险抑制。到了风机运行期,对大部件运行失稳的风险进行了精确辨识,必要时进行及时的风险规避。进一步,通过高精度传感器和成熟算法实现了大部件的精准预警。更进一步的,如果整机安全状态出现了异常,机组能执行主动的干预。在极端的情况下,即便出现类似叶片等大部件损坏,机组也能够执行实时的底线保护。

金风实时在线安全保护功能GTGuard在2022年已经获得了全球首张DNV安全保护功能部件认证证书,其中主要的功能的准确度已经超过了99%。

在识别系统复杂性并进行保护的基础上,金风风电场混合感知技术进一步破解了环境复杂的难题。不管是寒潮天气,台风过境,还是复杂地形,沙漠戈壁等情况,金风复杂环境安全控制系统都具备全面的环境感知和预测能力。通过差异化的安全决策使得复杂环境导致的运行风险降低了90%,既保障客户风机的安全,也能够保证其发电量。

前面说在不同的风险情况下,金风风力发电机组都能够在风机的边缘侧实现实时在线的自我保护。但安全不止于此,风机交付之后金风还能做得更多。远程智能诊断“云大脑”持续对在役机组实施安全隐患排查并进行安全升级。“云大脑”数据平台搭载了上百个高阶诊断模型,能够同时对2万多台机组进行安全排查,能够实现提前30~60天的去识别潜在的隐患,降低故障频次超过30%。

我前面说了这么多,下面来分享几个典型案例。像这个是云南的某一个山地的风电场,在特定的机位点出现了异常振动,金风的安全保护功能准确诊断了风机失稳状态,并且执行了主动的干预,保持机组稳定运行。同时,在云端也通过诊断模型持续开展风机运行风险评估,评估结论是异常振动得到了消除,大部件疲劳寿命消耗处于良好的状态。金风就是这样,不会放过长期来看可能会存在风险的隐患,在异常振动开始出现的时候,就从源头上完成了风险的管控,确保了机组寿命始终处于最优的状态,兑现了全寿命周期安全可靠运行的承诺。

下一个案例是2022年11月份大规模高强度的寒潮,寒潮从西北长驱直入扫过了大片区域。位于不同区域的金风机组都有优秀的表现。像新疆阿勒泰现场遭遇了历史上最大降雪量,部分机组出现了叶片覆冰,金风安全保护功能可以从多维度判断出叶片的载荷水平,通过带冰运行、秒级响应深度失速状态等策略有效应对了叶片覆冰带来的风险。内蒙风场出现了5~25米每秒的阵风,金风机组能够提前感知阵风并主动切换到复杂风况运行模式,全场风机保持稳定运行。山西风场个别机位点复杂山地地形和寒潮叠加存在低净空风险,金风机组通过复杂风况识别及主动净空控制,实现了整个寒潮期间无一扫塔、零故障持续运行。

这里还有一个大家比较关心的案例台风过境。智能安全解决方案帮助金风海上机组能够从容面对台风过境。有三个例子,像“杜苏芮”台风过境期间,福建平潭8兆瓦已吊装未并网机组通过金风自主研发的远程通信以及抗台策略实现了台风过境期间风险规避。对已投运机组,像广东沙扒、徐闻项目,在“泰利”台风过境期间,全场108台机组持续稳定运行,辅以“暴风增发”模式共计增发了300多万度电,风机发电量超出区域均值60%以上。接下来是在央视新闻屡屡亮相的“大国重器”16兆瓦机组,已经成功地应对了“杜苏芮”、“海葵”等多个台风的考验,实现了台风过境期间24小时持续满发安全运行,当时也创下了全球单机单日电量的新纪录。

风险可知、安全可控,金风科技全生命周期智能安全解决方案将以新安全的理念帮助客户从容应对风电大型化时代的新挑战。

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