吴锦锦:老旧机组产品升级与深度改造

能见App 2023年10月19日 4474

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。

10月19日上午,远景能源有限公司后市场产品解决方案总监吴锦锦在风电机组优化升级专题论坛上发表题为《老旧机组产品升级与深度改造》的主题演讲。

以下为发言全文:

大家上午好,今天给大家分享的主题是老旧风电场产品升级和深度改造,主要讲三块内容,第一块是远景对行业现状的分析和产品的定位,第二块是解决方案的价值重塑,第三块实践的案例和方法沉淀。

说到后市场的产品升级,从某种意义上来讲,他就是老旧风电技术和新风电文明相遇的结果,也是共享行业政策和技术进步红利一个很好的业务方式。无论是老旧风电场的产品还是老旧风电场的客户,他们来时都是荒芜人烟,现在已经是万家灯火。他们都是为风电行业做出过特别贡献的风电前辈,所以说他们是需要共享行业的红利。远景现在作为保有量化新增装机量都比较巨大的整机开发商,也有责任和义务为风电后市场的稳定运行作出努力。

下面我们看一下行业现状和产品定位,远景后市场所有产品的开发,行业现状是关键来源之一。图片显示(PPT)的是近20年的中国风电的装机情况,黄色的是累计装机量,蓝色的是单年的装机量。从这张图上我解读出三个趋势跟后市场相关,第一个中国风电后市场第一次抢装期是在十一五期间,就是2005年的时候,单年装机595多台。到2006年的时候单年装机台数超过1392台,累计3200多台,累计容量2.5吉瓦。但是这个数字到十一五末期,也就是2010年的时候,一年的装机量已经到了1.3万台,累计台数在3.5万左右,累计容量已经到了45吉瓦。

也就是说短短5年时间,风电装机容量翻了将近20倍,首次抢装下暴露机组多个问题需要解决,这就决定了这一批风电机组在后续15年后市场的格局是基本确定,它是一个尝试,摸索,积累的沉默年代,整个知识,技术和意识都是波澜不惊的,在这么一个大的背景下,这一群机组可能还没有来得及共享行业技术进步红利的时候,就已经进入到逐步退役的阶段了。中国风电场一般15年是进入退役期,20年进入全面退役,25年进入完成退役阶段来看,这一片机组至少当下不是风电后市场产品升级的主力军,而是深度改造的主力军,这是第一个解读。

第二个解读,有了上一周期的技术沉淀及市场验证,第二个更加快速的风电高速增长期从十二五开始,十三五由于政策原因装机稳定有降,这10年时期累计装机从45G又增上到了290GW,且运行时间普遍在3-10年,依据产品生命周期可靠性规律的盆浴曲线看,部分产品已经开始进入批量损耗性失效期,这批机组就是当下后市场服务的主角,面对已经进入中后场的这么大的保有量机群和陆续出现的问题,对运检队伍提出较高要求,如何能做到快速建立、培养和提升运检队伍能力来深度匹配市场需求,是一个挑战。

后面进入十四五期间大兆瓦的新风电文明,后市场涉及不多。   

前市场随着技术的高速发展,风轮直径从不到70m发展到现在的200+,塔筒高度也在一次次的再创新高,新技术激荡起伏,经历了腥风血雨的市场考验后,风机整机供货商从10年的70+多家, 到截至22年,有新增订单的整机供货商到了13家,消失的60多家整机商的机组已经或即将成为孤儿机组,生命周期备件保障成为后市场的另外一个挑战4.在这样背景下,顺理成章的进入到了后市场崛起时代,各类风电服务商如雨后春笋般涌入后市场,从最初的10多家快速发展到现在的2000多家,分属在不同的细分领域,但在能力水平层次不齐、鱼龙混杂的背后面临更大风险:如何保障产品升级方案的安全性和可靠性,又是一个关键性挑战远景的产品升级方案,除了电量提升,也是要来解决这些挑战的。   

这三个关键的问题就是远景依据现状来做后续产品定位的三个关键因素。

第二远景整个后服务产品模块。智慧运维、备品备件和产品升级,产品升级包括深度改造和以大代小。我们要做的就是提升资产的风险识别能力。然后是提升风险识别之后的处置能力,提升透明度和标准化,做全产业链的技术。  

下一步重点聚焦在升级产品上。我们定义升级产品边界有四块,它的下限是原有的风电技术,上限是最新的风电技术文明,也就是他们之间的空间就是产品升级技术维度的生存空间。第二个维度横坐标,这块叫价值空间,最左边叫风险性,是一个它的下限,原来老旧机组的风险性或者是安全性决定了产品升级技改的自我空间。右边这条线叫性价比,根据现有方案给出去的性价比,可能小风机直接挖掉上8兆瓦的大风机肯定没问题,但是性价比是决定性的因素。所以说横坐标里面它们之间产生的区域就是产品升级生存的一个价值空间。这两个维度,一个技术空间、一个价值空间综合起来中间区域才是完整的产品升级的一个生存空间。

产品升级的起源,如上我讲了很多风电行业的背景,一个行业所有的信息收入会喂养一个行业的认知,行业认知会映射一个业务言行,业务言行最终决定产品品质。所以远景产品升级方案的起源就是右手边的四个维度,第一个就是历史技术的发展历程,第二个未来新技术的发展趋势,第三个是收集到的市场上的当下的需求和未来的需求,第四个产品失效的运检曲线,四个信息量糅合起来最后会全部加到远景解决方案里面去。

下面我主要挑典型的案例讲产品开发的思路和定位和价值,产品升级里面又含了四大类别,第一个是发电量的提升,发电量提升的核心点我们聚焦的是安全性,第二个是稳定性,我们聚焦的是稳定性方案有效性,第三个是市场上的安全性所有产品的提升,安全性里面聚焦的是可靠。第四个是定制化的,针对客户的需求聚焦的是它的匹配性。第五个是我们做了一个产品升级的流程,围绕着可控、可靠、可行和可遇性四个维度对所有的有产品升级需求的项目基本流程,第一个是现场的现状分析,第二个风资源分析,第三个载荷的力度量化,这个是最关键的一项,这就是所有项目主要的一个定制流程。

所有项目我们都是要做综合性的评估。兵马未动粮草先行,这五大内容里面会有不同的根据市场需求和客户的要求,会有各种的组合在里面。

下面重点讲发电量提升的安全性之痛。我们接触的市场上好多客户因为风资源禀赋优异资源和老旧风机配置之间的矛盾,往往客户测试需要提升发电性能来缓解的,提升发电性能里面一个关键项,哪些风机能提升,哪些不能提升,哪些能提升多少,那些不能超过多少,最关键的就是载荷力度。再往下走发电量提升里面比较直接有效的就是叶片延长,因为性能的本质是气动,气动的本质是异形,叶片延长不管是小翼加延长,还是单纯的延长,这个方案在市场上需求量比较大,因为它的效果比较明显。但是有个问题,近几年行业里面尤其是大叶片不断出现叶片断裂事故,甚至连带着倒塔事故层出不穷。第二个由于载荷裕度评估不准确,导致的技改方案,带来的安全隐患是非常大的。所以说发电量提升里面的安全性是我们要考虑的一个重中之重。

以叶片延长为例,远景是怎么做的。针对这种案例,载荷安全裕度的案例分成四个模块,第一个现场工况的分析,第二个载荷裕度的量化,第三个延长方案的设计,第四数字孪生的管理。

现场工况的分析,远景使用现场工况的分析,行业里面大部分还是RANS模型、流体仿真,也叫稳态流场,远景三年前从RANS仿真已经上升到DNS仿真,就是瞬态流场的仿真,它可以完全模拟出来风场任何一个机位下的真实的风况的流动情况,以前RANS流体仿真是风场区域内两个定点的位置,比如A点和B点相对位置之间的关系是不变的,最后得出来的剪切、湍流、数据是不变的,。比如说平原风场里面纵向的剪切是有的,但横向的剪切,比如同高度A点风是5米风,B点哪怕相距10米,B点的风还是一定的,所以它之间是定量关系,但是DNS就不一样,它是可以捕捉到经精细的流场流动结构,揭示更加复杂的流场流动现象,所以我们把每个机位上的风况全部摸清楚。

第二个机位风况摸清楚之后,最重要就是载荷裕度的量化。有两个方案,第一个远景伽利略系统,在四五年前所有的风机上全部部署了。伽利略系统针对几万台风机所有的工况和载荷力度是直接可以量化出来的,就是分分秒秒在机端、站端、云端做运算,这些数据是可以拿来用的。第二个我们根据整机载荷边界,根据风场实际工况做一次载荷力度的计算,两个载荷力度有了之后,它们之间会去做校验、对比。对比完之后载荷力度有了之后,用这个载荷力度作为下一步方案延长的收入,这时候我们才会由远景的气动专家做叶片,你到底延长多少米,倾角是多少,小叶是多少。

最后方案部署完之后要做数字孪生的监管模拟,这一块是重中之重,我提到很多远景的伽利略系统,伽利略系统是什么,几年前它的市场上已经全部推广了,它不同于其他检测软件,它是机理模型为主的,就是建立在多个数字孪生模型基础上的预测、预防、预警系统,以边缘计算和云边协同去对风机构建能够实时感知自身运行工况和趋势的新感知力,通过数字孪生和自适应控制,去风机的设计载荷和实际工况的载荷实时在对标,出现任何问题它自己会去预警、预测、预防,相当于为风机打开了慧眼,所以这个是兜底的东西,有了这个东西之后,你的设计质量会翻倍的提高,而且即便是有些设计有偏差的情况下,也是会有兜底的系统。

下面具体讲一个案例,像这个有一个风场复杂山地20台110机组,业主一刀切在市场上全部招标,20台要全部110风流延长到115风流。最后经过远景的伽利略的风况感知分析之后,分析下来只有5台风机是可以具备110延长到115风流结构的。大家看左下角这两张图,这个图是用的DES仿真,水平线上的风是不一样,这是行业里面95%机构在用的RANS的仿真,水平线上是没有差异,就是没有剪切的,所以说这个区别还是很大的。有了最后一层兜底之后,伽利略数字孪生实时在做监控,完全是安全、可靠、透明的,这是发电量提升安全性的一些设计的思路和方案。

关于产品的稳定性,我们考虑到两个维度,第一个是风电场运营的稳定性,第二个才是产品本身的稳定性,运营的稳定性里面。最近这几年需求量比较大的,像客户端运检之痛,比如像这两台变频器是市场里面的变频器,功率是完全一样的。但是内部结构、接口、内部的原理和软件都是不一样。也就是说我换一个变频器或者现场换一波人对这个变频器系统的熟悉是需要一个很长的过程。第二款变桨驱动器,完全接口外观逻辑也是不一样的。所以这种情况下就无一例外对风电场的运营成本增加,一个新人如果成长为一个老员工,正常做到现场的检修维护,这块门槛是非常高的。从故障手册、实战案例的积累,短时间要半年到一年,如果时间长的话会更长,这块运维成本非常高。

第二个痛点备件的供应,风机不同于像手机定字产品、快销品,像手机电子产品两到三年基本全部能换一遍,而且更换的速度是能跟得上技术迭代的速度。但风场风机是不一样的,正常一款风机国内20年,海上25年,像国外有好多风机是30年寿命。这个时间太长了,期间你产品更新的速度是远远要比风场备品备件升级优化改造的速度快的多得多。这时候就会产生一个重大的问题,供应链是跟不上的,15年前整机的供应链包括附加的一些备件制造商,在15年以后会有很多的变数。比如像这个案例里面,某机型1.5超过1万台,但是这个厂家已经很早就停产了,退市了,所以说现在面临的问题就是市场上虽然可能有一些备件,但价值不菲,而且产能匮乏、供应很不稳定、可靠性差,这种问题也是在产品升级的考虑因素里面。

针对这类问题我们的解决方案。根据刚才两种问题,一个是运检能力的问题,一个是备件供应问题。远景的解决方案第一个是运检同源,所有的核心部件,全部实现百分之百高度自研。不光是自研,我们做到了所有软件设计是同源的,机械接口是统一的,运行逻辑是一致的,而且故障诊断系统界面是清晰的,在这种情况下现场的人员不管是更换的频次还是部件更换的频次都不影响。以前要检修变频器它的软件是单独的,机械接口、数据线是单独的,数据下载的APP是单独的,甚至有密码权限,下载之后好多界面是不能分析的,就得发回到后台一些专家才有特权和能力去分析,所以说战线特别长,现在什么都不需要,都是一体化的同源设计,连上之后故障拆分到具体的点,而且完全能报出来,直接界面窗口弹出来,这就是产品升级里面改造的关键点。

第二块大到齿轮箱,小到一些振动传感器,全部是自研覆盖,比如说像最上面的振动传感器,我们在做到百分之百自研的同时,对它的性能稳定性进行了全面的升级,比如像振动传感器它的安装方式做了简化,现场调试方式现在是零调试,包括性能灵敏度、稳定性全部做了升级,自研IGBPT可以替代市场上主流变频器模块。下面是齿轮箱,齿轮箱代表了风场大部件,主轴和发电机都是一样的,第一个金额太大,采购周期太难,存储难,成本较高。面对这些问题,而且好多早期的风场不同品牌的齿轮箱和机型混排。会有这种情况出现,远景依靠强大的开发团队和工厂做了万能备机的设计,用这一款齿轮箱再加上一定量的配件,可以做到2兆瓦3兆瓦齿轮箱的是通用的,最关键的两个因素齿轮箱挡距安装是可以灵活调节的,第二个它的齿轮箱的配比、转速的配比可以推动调整高速级来灵活配置,一台万能备机外加附件,就能明显降低大部件储存成本提升更换效率。

稳定性还有四大系统。四大系统全面改造,主控、变频、变桨、站端能量管理、后台监控系。在多年前都是自研化的,任何跟四大系统有关的,不管是各种场景组合产品的升级,远景是全面可以做,而且有很多技改案例。总结下来就两点,一个是全产业链技术核心的解密,第二个是伽利略测试平台的验证和保障。

在这里要重点说伽利略平台测试的验证功能的保障,远景用了四年时间,在2018年投产了全球最先进的,包含了材料、整机、部件到系统,再到批量集群的测试验证系统。它所有测试验证的结果能跟研发的产品设计是无缝对接,它要用来做产品设计、设计模型的校验,测试验证平台最终的目的是要校验数字孪生模型的准确性,确保材料,部件,系统,整机及集群的数字模型和物理模型一致,这样才能从设计源头上才能保证这个设计的安全性。

下面一个是有关客户需求里面的安全性的提升。比如说最近几年的倒塔、叶片的扫塔、飞车、着火,安全性里面最关键是可靠性之痛,所有的安全性提升的方案必须要可靠。这是两张行业里面的叶片断裂和倒塔的图,这一块我们具体是怎么做的,这块重点讲一下。行业里面流体仿真的四层境界,下面这一层是目前行业里面绝大部分的机构和企业在做的,叫RANS,所有点和点之间的关系定值是不变的。第二层叫风离涡模拟的DES技术也就是混合了RANS、LES仿真技术的混合产物,它是能捕捉更加精细的流场流动结构,揭示更加复杂的流场流动现象。像左上角这张图,一个复杂山地的山头,流场流动的情况全部是能完全的模拟出来,包括下面它跟RANS技术的对比是有明显区别的。这一块就导致无论是新风场建设还是后市场的升级产品,把所有的风场现象全部模拟清楚,模拟清楚之后它得到有效的风序列是要作为整机的工程仿真软件,要作为它的输入,最后完全决定了一款机型的仿真结果以及在风场适应性的结果。要让同种技术之间相互依存密切协同,让不同技术间要跨界创新破界化反,产生全新价值。

下面一个就是另外一个产品培训基地的建设,这块关于到所有教具,包括VR场站的服务。下一个就是备件的再制造,包括电力电子部件、电气传动链、机械传动链等都有自己的自研工厂和维修检测的工厂,这些服务都是有的,包括实训教具。

最后一个是以大代小,远景对这块的业务做了将近两年时间,我对它的理解以大代小这个业务不是一个产品,也不是一个产业,它是一个产业链。要整合从前到后所有的信息,而且它是产品升级的尽头。总结下来以大代小这个产品的特性,远景的产品特性有这五点,方案设计、新机型优势、绿色回收保障、工程组织设计、智慧资产运营。

最后一页就是我要讲的产品升级其他的一些案例,这些常规的信息量全都是有的,这块总结下来好多技改方案要做都可以,但是要做好都难。很多技改方案之所以未能达到理想效果就是因为没有从本质出发,在一个落后陈旧的模型中加即便输入再多信息,也都是在低水平重复,从如上的介绍里面大家看,无论是从产品定位、产品的开发、产品的价值和落地,远景本质就是格物致知、正本清源,它是从第一性原理打破去重新设计,带着问题和疑问,一层一层的剥开表象走到下面,找到答案之后再带着答案和本质一层层爬上来的过程,而且最关键的两点就是既要在原来传统技术上去做创新,又要摆脱传统技术路径依赖的结构性和局限性。在行中知,在知中行,我们要做的就是稳中求进、稳中求智、稳中求新,稳中求赢,这是远景产品技改最大的本质和特点。

下一步是伽利略系统的预警,现场检修里面对机械部件的诊断、判断、分析门槛特别高,小到CMS,大到齿轮箱的部件、轴承的诊断都需要后台专家去做。现在有了伽利略系统,它会把复杂留给自己,简单给到客户,只用一张体检报告一句话的提示给到现场,现场需要根据这种提示去检测,这种就是叶片螺栓的断裂预警和故障的时间点。我们永远是做多套方案,让客户来一块选择,这是针对方案经济性的对比。

下一个针对资产处置,我们把资产处置对整个项目经济性的影响量化出来,资产处置的价格和最后收益率比值的关系,量化出来展现给客户,让客户自己来选择。

这就是整个远景的产品升级的方案,基于与生俱来的自研基因,用本质颠覆传统,不断去创造全新的元素、全新技术、全新空间和全新体验,为客户提供更多、更安全、更可靠有效的全生命周期的资产服务。谢谢大家的聆听。

 

(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)

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