从跟随标准到定义标准——极限验证重塑大风机可靠性
《中国能源报》记者探访位于江阴的远景能源智慧风电测试验证中心。
目前，风电叶片长度普遍超过100米，超大容量示范机组叶片能达到140米以上，“大型化”将我国风电技术推到了“无人区”。在缺乏现成经验的情况下，传统的风电测试与认证标准能否适用？如何确保这些庞然大物在全生命周期内的安全可靠？
近日，《中国能源报》记者探访了位于江阴的远景能源智慧风电测试验证中心，深入了解从自研自制的底层逻辑，到每天400GB的海量数据反哺，再到“测到失效”的极限验证。远景能源正通过一套分层递进的“极限验证”体系，回应风电行业大型化带来的焦虑。
大型化重塑标准探索边界
“风电大型化之后，我们遇到的一个典型问题，就是原本的设计标准工况，是否还能够包络当前大型化产品的应用场景？”远景能源测试验证总工程师钟大伟开门见山地对《中国能源报》记者指出了当前行业的痛点。
过去，风电行业的设计标准大多源自国际组织，基于国外整机巨头的技术经验制定。不过，当风机迈入10MW、15MW甚至更高容量等级、叶片长度超过百米，旧有的经验法则开始失效。钟大伟举例：“例如标准里只说到‘覆盖可能造成叶片损伤的非运行/停机气动载荷’，却并未界定如何计算，如何验证。但叶片变长后，在停机工况下叶片发生涡激的概率大大增加，会给叶片带来损伤甚至导致失效。这些典型的大型化问题，行业标准并未完全覆盖。”
2015年，远景开始筹划江阴测试验证中心，用极限验证的思路去探索自研自制的边界。传统第三方认证更像是基线验证，通常给出的是一个“通过标准”。企业按照既定流程测试，拿到了合格证，产品就可以推向市场。而“极限验证”是为了解决标准之外那些尚未充分识别的工况与风险。
“极限验证最重要的第一项工作是压力的验证。”钟大伟解释，“风机大型化之后，现场真实经历的场景和运行工况是否还适用于老标准？如果不适用，新标准该如何定义？我们要解决的首要问题就是把过去关注不到或标准里没有明确定义的工况和风险识别和定义出来，形成新的设计输入。”
为实现从材料、部件、系统、整机到风场的全链条验证，远景能源投资超4亿元建设了江阴智慧风电测试验证中心。目前，远景能源已经构建了覆盖材料工艺、部件、系统、风机、风场五层验证体系，各层级围绕差异化验证目标，系统开展极限工况验证。
▲江阴远景智慧风电测试验证中心
远景能源极限验证的第二个核心目标是耐力边界测试——以失效模式为核心导向，以复现失效、实测至失效为验证目标，测试时长显著提升。“以齿轮箱为例，远景自研自制齿轮箱在常规测试和鲁棒性测试的基础上，会进行持续的加速疲劳寿命测试，以最终测到失效为目标，通常在超载工况下测试时长不低于1000小时，相比传统开发验证要求至少高出20倍。”钟大伟说。
在远景能源的工程师们看来，极限测试不是为了拿一张市场“通行证”，而是一次对风机边界的探索。传统的测试是在理想条件下进行的，留有余量。反观极限验证，其目标是测出产品的真实耐力边界。
在传统设计模式中，设计余量的取值缺乏清晰依据。远景能源的思路是，精准测清产品的真实耐力边界，识别其固有安全裕度，并据此更科学地预留设计余量。业内专家一致认为，这种对风机性能边界的极致探索，正在推动风电行业测试工作从被动满足合规要求，转向主动识别风险。
全产业链自研形成“数据闭环”
远景能源缘何要投入大量时间、精力做这些远超行业标准的测试？采访中，“自研自制”这个关键词被反复提及。
自研自制对风电行业发展的最大意义，是突破了国外的技术限制，形成了适合中国风机的知识产权体系。回忆起早些年跑欧洲供应商的经历，钟大伟感慨，“那时候想掌握风机核心部件设计的细节非常困难。”
自制自研的深层次意义在于打通数据。传统采购模式下，主机厂采购现成的部件，供应商不提供设计细节和材料参数，主机厂也不透露整机载荷。这种“数据隔阂”有时会导致部件与系统的不匹配。“就像汽车行业，即便使用相同的供应商和传动链，不同主机厂造出来的车性能也天差地别。核心在于系统集成。”钟大伟说，远景能源全产业链自研自制后，做部件的人懂整机载荷，做整机的人知道部件的失效模式。这种深度融合，大大增加了“一次性做对”的概率。
另一方面，自研自制也意味着失去了“挡箭牌”。风机出了问题，所有的质量成本必须自己承担。这倒逼远景能源建立了一套极为严苛的验证体系。“虽然‘极限认证’这个概念是近几年才提出来的，但从第一个自研自制部件开始，我们就在做这件事了。”钟大伟透露，除了前文提到的测试时长超过传统要求20倍的齿轮箱，叶片极限载荷和测试时长也大幅提升，所有核心部件都要进行Run-to-Failure极限测试，每款全新开发的平台同样如此，且失效模式必须与设计模型对比，不一致则修正模型与工艺。
▲远景能源测试验证总工程师钟大伟
在同样是远景自研的伽利略超感知系统的支撑下，测试不再是孤立的实验，而是形成模型-数据闭环。江阴智慧风电测试验证中心每天产生400GB的数据，这些都是远景能源最宝贵的财富。“2018年那一轮‘冬季攻势’的测试，远景花了5年时间来消化数据。”钟大伟说，“我们拉着公司内各个维度的专家，一遍遍地梳理。每一轮测试，都是在给伽利略系统里的几十个模型做标定。”
从第一代伽利略系统的孵化，到如今AI智能风机的验证，海量数据的反哺使得风机设计模型进化到低、中、高精度模型并存的复杂体系。目前，远景能源定义的标准工况已拓展到50个以上。相较之下，行业通用的设计标准仅涵30个工况。
风机交付前必须“测到失效”
近年来，风电行业不少事故令人困惑：设计上似乎没有问题，成品却突然失效了。究其根源，原因在于风机大型化后，部件对某些以前不敏感的因素变得敏感了，而这些因素在旧的设计标准中并未被考量。
为了解决这些深埋在“无人区”里的风险，远景能源的测试流程近乎“疯狂”。以齿轮箱为例，行业认证通常要求跑50小时即可，而远景能源在系统级测试中，至少要跑1000小时，甚至更久。在江阴远景能源三期测试中心，记者看到一台正在测试中的齿轮箱已经跑了800个小时，还在持续测试中。
▲远景齿轮箱弯扭耦合系统测试台
“我们不仅要跑130%的加速疲劳载荷，还要‘测到失效’。”钟大伟解释，这种极限严酷的测试，可以在样机阶段暴露大量问题。以远景早期的141和156平台为例，在恶劣风况的样机测试中不少问题接连暴露。“虽然问题挺多，但那款产品后来却成了远景能源最稳定的一款机型之一。”
极限测试的核心价值在于尽可能在样机阶段暴露全部潜在问题。从成本角度考量，测试验证的投入不菲，一套全新海上平台的极限测试成本约在1.5亿元—2亿元。但若压缩此项投资，后续产生的运维成本将是数十亿甚至百亿元。
如今，伴随着AI技术的应用落地，极限测试的内涵正在进一步拓展。针对 AI风机，除硬件可靠性验证外，还需完成感知层传感器信号的可靠性、评估算法层大模型输出的鲁棒性等多维度测试，更要验证系统协同控制的运行安全性。“多维度极限测试与智能驾驶类似，必须通过不断的训练、测试验证、闭环，一轮一轮地迭代。”钟大伟告诉记者。
通过高强度的实战演练让风机在“服役”之前先“渡劫”，这意味着风电行业正从“制造”跃升为“创造”。高可靠性和高性能必须拿出实打实的数据，极限验证不仅是一项验证技术手段，更是一种把风机可靠性转化为“确定”和“稳定”的行业责任，远景在这个领域，开了个好头。
记者手记
为中国风电高质量发展筑起防线
文丨苏南
走进江阴远景智慧测试三期中心，耳边是机器的轰鸣，眼前一个一个部件测试台微微颤动，旁边的电脑正在自动跑数据。足以容纳20兆瓦级机组测试的传动链实验台宛如风机的“炼丹炉”，外面看不出什么变化，但里面却在不断地探索风机“生命底线”。
在风电大型化背景下，不少企业选择拼速度、拼参数，而远景能源却选择了一条最难走的道路“结硬寨、打呆仗”：极限验证和破坏性测试。企业标准远远超过行业认证要求，验证环节一直到测出失效为止——这种“不把产品测坏不罢休”的劲头，通过极限载荷、恶劣工况的施加，才能摸清产品的耐力边界。
风电行业步入“技术无人区”，极限验证将未知转化为输入，填补了行业空白。相比而言，行业内许多主机厂受限于全产业链能力的缺失，想做深层测试面临数据壁垒与成本掣肘。例如，主机厂想对采购的齿轮箱做极限测试，供应商未必配合，数据也无法打通。而全产业链自研自制打通了整机与部件的数据隔阂。部件失效、整机载荷等这些验证均可在江阴远景智慧测试中心找到答案。
看着实验台上那些被刻意加载至极限载荷仍在运转的部件，笔者深刻感受到，极限验证除了对风机可靠性的极限挑战，更是我国风电从跟随标准走向定义标准的跨越。如今，风机测试不再是简单的过关，而是一场场直面失效的“压力测试”，这种对极限的探索，为我国风电高质量发展筑起一道坚实的防线。
