孟繁擘:风电机组全系统综合优化提升的技术应用

能见App 2023年10月19日 4841

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,锐源风能技术有限公司技术中心主任孟繁擘在风电机组优化升级专题论坛上发表题为《风电机组全系统综合优化提升的技术应用》的主题演讲。

以下为发言全文:

各位领导来宾大家好,非常荣幸作为本次大会的压轴发言,通过前两天各行各业专家领导的介绍,关于智慧化的风场、智慧化的运营、运维方面、数据化方面的,很多内容各位专家已经介绍过了,我这边就是挑一些大家没说的要点来说一下,大家已经说过的我就快速过了。我是来自锐源风能,锐源风能是华锐风电后市场子公司,我们公司前两天陆续有各位专家对整体集团的部署都做过介绍,我在这里主要针对后市场实际技改点位的情况给大家做个汇报。

首先快速过一下行业背景,新增装机容量这个图我只到2021年,目前为止对2022年各方面的统计口径还是有一个差异,但是总体上跟2020年和2021年持平,就是风电装机容量在2020年开始三年是稳步增长,累计到2023年这个数值已经突破4个亿。但是具体值是多少,我目前查了三个口径的数据都不一样,这么大的装机容量怎么分布,我们以海上风机为例,这个是截止到2022年底海上风机各机组容量的占比,大家可以看到新增机组基本上是6兆瓦以上的,前期是以6兆瓦以下,4兆瓦左右为主的。海上风电存在一个现象,我的单台机组的容量是越来越大的,越来越大对后市场造成的影响就是风机是停不起的,这个是海上机组。

陆上机组是什么情况?由于5年前、10年前,陆上机组已经把风资源比较好的区域占没了,所以导致了目前陆上机组它的情况是,超过10年的老旧机组基本上占整个后市场比例的50%以上,而且主要以3兆瓦以下的机组为主。

这样综合海上和陆上两个市场的总体行情,对后市场来讲,对于海上的新机组单机容量很大,它停不起,这样就造成了必须要加大后市场和后运维的投入力度,增强它的智能化的运行。对于旧机组大家说运维很方便,尤其是老旧机组单机容量下,停一停无所谓,一台机组停一天损失不了多少发电量。很严重的问题是老旧机组停得起、修得快,成本也低,但是修的太频繁了,这就导致它的总体的运维成本并不低。因为它一直在修,成本就压不下来。

锐源公司针对整个后市场做了一个整体的运维体系。简单介绍一下我们锐源公司,锐源公司是华锐风电全资子公司,目前是高新技术产业,我们从风力发电机核心能力,产品涵盖整体的服务体系、专业研发团队和比较庞大的后市场运维,形成了比较全套,可以涵盖风电场全生命周期后市场运维体系。技改种类上我简单说一下,相信具体的细节点各位同行公司已经阐述比较多了。

首先是分为三大块,第一个就是监测,监测是指机组目前现有能力监测不到的问题,通过增加这些传感器、智能应用的监控给它补充监测上,包括无人的巡检、无人飞机、无人机器人,机舱内部的内窥镜、视频的巡检。再就是温度各个部件、发电机、轴承、齿轮箱、油温,叶片主要是叶片、塔筒,倾角是塔筒的倾角监测,振动是整个传动链各个部位,包括主轴、齿轮箱、振动,超声检测主要应用于叶片,尤其是通过对叶片声纹超声波分析,可以精确发现这个叶片是不是有覆冰、破损。最近比较常见的螺栓监测,包括净空监测,技改锐源公司形成了一整套全方位的技改体系,机组每个部件的点位我们也都有相应的技改进行覆盖,最后是增效,通过控制增效、降载增效、叶片和塔筒、以大代小。

现在面向后技改的公司,大家技改的点是非常多的。基本每个故障都有一个技改点位与之对应,而且技改手段是比较成熟的。这个市场也是比较成熟的,但是现在出现一个新的问题,怎么诊断故障所在的这个点,风机报故障报的是故障,什么原因导致这个故障发生,目前这个可能是整个行业所面临的一个急需解决的问题。所以锐源公司提出要建立有效的综合监测系统,它能够对整体的机组进行综合的监测,并对问题进行深入的分析和挖掘,能够对症下药。这个就是我们目前监测系统所面临的几个难题,也是各个厂家和业主单位比较头疼的。

    首先第一个布局很分散,风能展我这两天看了,各个点位的监测系统可谓是五花八门,非常全面。但是有一个问题大家不太能够很容易的进行整合,比如说我监测叶片振动的一个厂家,螺栓的一个厂家,防雷的一个厂家,机组内部做CMS是一个厂家,做温度监测又是一个厂家,每一个厂家都能提供一个点位的监测。但是问题来了,风机很多问题不是一个点位造成的,是各个点位之间相互影响造成的共同的结果。而我们需要面临的一个问题就是,我们能够把这些布局分散、孤岛效应、阈值单一、范围受限这些整合起来,精准对问题进行一个定位。举个简单的例子,机组振动是一个故障,这是一个故障,但是它不是故障的原因,风机报出一个振动故障之后,业主只知道他报了振动故障,为了安全性我要停机,但是这个振动是由什么导致的,现在很多厂家没法进行分析。

我举个例子可能是由塔筒振动,如果我们进行了一个全方位的监测布局可以进行反推,比如什么可以造成机组振动,第一个就是轮毂的系统可以造成机组振动,第二个是传动链系统可以对机组造成振动。还有风资源对机组造成振动,通过全方位布局的监测,当机组发生振动故障的时候进行反向数据建模和分析,分析出这次振动原因是由于极端条件下的风湍流造成的机组塔筒的振动。这个时候这个振动我们就认为它的危害性比较低,因为这是大自然调整,你没有方法进行一个维修和改善。如果通过反向分析对这个振动进行数据的智能拆解,发现是轮毂系统带来的振动,轮毂系统带来的振动,说明叶片存在一个损伤或者是覆冰,导致了它的气动不平衡,产生了振动,这个振动我们就要及时的对它进行修复和解决。

如果通过数据分析算法反推出来这个振动是由于传动链造成的,就是主轴、齿轮箱系统它的缺陷,比如齿轮箱断齿,造成这个振动。这个振动故障就属于非常严重的机组故障,必须要进行大部件整体体检和更换。所以这个是目前行业所需要的一个发展方向,就是我们需要知道问题,并且对问题能够有一个快速的定位,这就需要我们搭建一个整体全套的监测系统。对于我们锐源公司来讲,我们就是对风机进行了一个总体的综合监测,这样不管哪个点位发生问题,都可以直接找到造成这个问题的信息源,从而对它进行一个对症下药和专项的治理。

在整体的布局上,我们分为四个层次,第一个层次是基础层,就是大基地层和网络层。然后就是监测部位,监测部位包括风资源、叶片和机组其他的大部件,做成一个整体的架构。在传感器上我们采用多种传感器耦合的方式能够提供监测精度和监测的准确度。最后是应用层,在应用层既可以进行后市场的智能运维应用,同时我也可以进行更深层次的数据挖掘和整体问题的深入分析。这是我们整体的一个智慧监测的系统。

通过整体的布局,锐源风能主要是建立了这个体系,首先是一个全方位的立体布局,然后是全角度的参量监测,最后是全系统的有效融合,通过三个层次的整体构建搭建出来完整的智慧监测体系。通过智慧监测体系,我们最终要做的是一个综合优化,什么是综合优化,因为单独的优化就不过多细述了,因为各个点位的专家已经对每个优化细节的介绍是很完善了,但是目前行业缺乏的是什么呢?是一个综合的优化,什么是综合的优化?目前我们很多技改方式处于是头痛医头、脚痛医脚的模式,我发现一个问题就去治理这一个问题,但是我不会去连带对它有影响的问题进行整体的分析,比如我头疼了就治头,但是这个可能不是头的原因造成头疼,因为你每次头疼治头的,最后你会一直头疼,因为你没治根。所以我们推出是综合优化的手段,通过数据分析有效的把现有的技改进行一个整合打包发送给业主,变成了对业主来讲是一个综合性总体的提效。

接下来是整体的一些解决方案,解决方案我就简单说,因为每个点位各个专家已经说的很全面了,首先是叶片技改方面,我们有全生命周期解决方案,更换长叶片、叶片延长、小翼。小翼我们有一个创新点是有一个双小翼,这个是单小翼,这个大家应该都见过,这个双小翼不知道大家见没见过,这是我们最新应用的一种小型的小翼技改方式,以前的小翼是弯一个叉,双小翼是弯两个叉,更好能减少气流扰动。气动上包括扰流条,系统模型的改善。

我在这里给大家做一个总结,目前的叶片除冰方案总体有三种方式,第一种是涂料,这个成本是最低的,但是收效相当较少,这次展会有很多厂家提供涂料方案。然后是电加热,电加热主要是分两种加热,一种是外部加热,一种是内部加热。外部加热就是把这个除冰的东西放在外表面,内部加热是放在里面,内部气动的加热,通过加热空气在内部进行流通。目前这三种方式锐源公司也是在全国各地的现场做过很多次实际的应用,总体上来讲目前电加热用的比例还是稍微高一些的,涂料用的也比较多,但是涂料效果不是说特别明显,电加热外部加热风险比较高,因为容易引起引雷,内加热目前效果还是可以的。然后是气热,气热主要是加热气的设施比较庞大,也比较笨重,这个目前来讲它的成本还没有完全的压下来,这是叶片除冰。

在PLC国产化方面,刚才各位专家都说过了,锐源公司也有自己PLC国产化的体系,这是我们的国产PLC系统。变桨系统的解决方案,老旧变桨系统首先是国产化,另外还有一个辅助的控制系统,这也不多说了,我们产品还是非常多的。然后是各类的辅控系统,为什么是辅控系统,面向陆上很多老旧机组控制系统是不完善的,传感设备处于一种失灵或者是不稳定的状态,所以我们增加了很多辅助控制系统,给机组做成安全的备份和冗余。包括电缆的监测,我们知道电缆是三根,有几个问题,首先对于单根来讲,单根它的电流波动的影响比较大,另外一个三根之间的电流不平衡,这是这么一个监测系统。

在智能超速上,轮毂超速的解决方案里自动偏航、轮毂超速辅助的辅控保护系统,这是实际应用的一个案例,这是现场实际的控制柜,包括智能保护现场PLC的界面。还有备用电源在线监测的解决方案,因为我刚才介绍了我们公司现在做的是全系统综合的监测,所以我们在每个点位都有自己的解决方案,但是每个解决方案我就不详细的去跟大家介绍了,包括发电机定子监测。集电环碳粉的监测,这个都是针对每一个具体应用点位详细的介绍。包括电控柜的降温解决方案、并网接触器,很多点位都有自己的监测系统和解决方案,大家如果感兴趣可以和我们公司进行交流,每个检测技术都是比较成熟的,可以进行独立检测,也可以进行组网检测,组网检测出现问题的时候我们会快速定位,究竟是哪个部位发生了问题,最大程度帮助业主提供更好的解决方案,包括齿轮箱的解决方案。

所以做一个简单的总结,我们锐源公司目前来讲对于整个综合性监测系统的理解就是,未来的监测方向肯定不能是部件监测,我们现在做的很多监测都是部件级别的监测,叶片没有监测,叶片上一套,塔筒没有监测,塔筒上一套,齿轮箱上一套,这个东西无法构成协同有效一体化的综合监测系统,出了问题之后还是找不到问题在哪儿,所以这就是未来的监测方式,未来的复合型技改也是一样,未来的技改不应该是单项技改,刚才很多人提质增效,以大代小,要不换长叶片,换长叶片一定是最好的吗。

锐源公司前一段时间有非常实际的例子,业主有个风场,他的建场可研理论发电小时数是1800小时,实际只发到了1200多小时。业主找到我们做提升,直接换长叶片,我们经过分析之后发现,换长叶片只是在你机组现有的发电量上再提升30%或者是20%。根据长度理论推算,现在这1200小时,我给你提升30%你又能提升到多少呢,就1500小时。但是其实你通过一些低成本的,经过故障诊断,我把你的对应点位小故障进行修复,你就可以从1200小时直接变到1600或者1800小时,这个过程你是不需要花大价钱的,你在1800小时基础上再进行叶片更换,就是在1800小时的基础上提升30%,那你的风电场收益就会过2000个小时,这才是进行最优化的技改方案。

这是锐源所提倡的,未来的技改一定是复合型技改,绝对不是单点技改,单点技改相当于只能这个点位坏了修这个点,下个点位修下个点,没办法根治风机现有的问题,也没办法达到风电最好的运行状态,这个就是今天锐源公司汇报最核心的思想。

谢谢大家。

 

(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)

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