鉴衡认证中心宗川翔:贯通设计、制造及项目管理全环节,控制风机质量安全风险

能见App 2023年10月20日 5890

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,北京鉴衡认证中心资深技术经理宗川翔,发表了题为《中国风电机组产品质量及安全提升》的主题演讲。

以下为发言全文:

各位行业专家同仁,大家上午好,我是北京鉴衡认证中心的宗川翔,今天我演讲的主题是中国风电机组产品质量及安全提升。中国风电已经发展了30年,快速发展了10余年,已经实现了量的提升,到了实现质的突破的关键阶段。我们一直认为产品的质量是整个行业持续发展,健康发展的基石。下面我将从现状统计、原因分析,还有提出解决方案三个方面进行详细的介绍。

先来看一组数据,截止到去年年底为止,中国风电已经连续14年实现了年装机量的全球第一,去年年底累计的装机总量已经达到了3.96亿千瓦,但是随着装机量的提升,我们也可以发现近年来,事故发生的数量也是逐年提升的,但是事故发生数量的增加趋势和整体的装机量趋势是一致的,没有实现一个突变。

这个主要有三方面原因,第一个方面它的装机的体量上去了,基数大了发生的事故数量就会增加。第二个原因是随着新媒体和分散式的塔架,分散式的机组的发展,更多风电的事故或者是失效的情况,被咱们普通百姓或者是咱们整个行业内的人更多关注,更容易关注到了。

第三个随着机组大型化的发展,单机容量越来越大,咱们现在面临的情况与之前也不太一样了,早期的时候中国风电是在跟着别人的脚步去前进,有国外的经验和标准可以借鉴,但是现在由于咱们机组的研发迭代速度越来越快,已经达到了全球领先水平,遇到了很多新的问题,新的风险,这些新的问题,新的风险是没有国外的成熟的经验可以借鉴的,所以这些也是需要我们自己去解决去突破的。风电机组是一个复杂产品的集成,分系统分部件有数10种,涉及到的专业也非常多,所以它的失效类型也是非常多种多样的。

根据我们鉴衡独立进行的500多起失效分析的案例进行统计,可以分为三大类,首先最主要的部件失效,占比超过了将近70%,其次是倒塔类的,着火类的事故也时有发生,其他类型的失效类型中有像异响、震动频发、椭圆度异常等等,其中部件失效占比超过百分接近70%,也是由于风电机组的部件种类比较多,这个原因导致的,把这个部件的失效类型再细分的话,又可以分为叶片的失效,齿轮箱的失效、塔架的失效等等。

其中以叶片为例,因为它是机组的主要载荷的承载的部件,而且制造的环节人工的参与度比较高,随着机组大型化以后,叶片越来越长,会伴随着一些新的问题等等这些问题综合到一起,使得叶片的失效,发生的数量是最多的。你们可以看到之前上一页的PPT是对叶片的对失效的类型进行分类,对失效原因进行统计和分类,可以看出来是风电机组的事故和失效,它往往不是单一原因造成的,往往是多多个原因叠加的。

下面这两个图表的统计是以失效或者事故的根本原因作为单一的原因进行统计的。我们可以看出风电机组的安全性问题,它涉及到多个环节、多个阶段,最主要的就是在运营生产前的数量占比最多的,并且不管是部件失效还是倒塔类的问题,生产制造的问题,它的质量问题是最主要的一个失效原因。

从15年开始,海上机组的事故和失效也是逐渐开始产生的,也是与海上风电的快速发展有关。但是不同于陆上机组,海上风电的失效原因,它主要源集中在运行环境这个方面,这与海上的特殊环境像台风、雷击等等是有密切相关的。

同时海上风电设计问题导致的失效,也是重要因素之一,这也与海上机组目前都是一些大型化的机组,它的实验验证和测试没有及时跟上是强相关的。以上是一些统计数据对风电机组质量问题的类型,还有它原因的一些分类和统计,下面我们就从引起质量问题的各个阶段进行逐一的去分析。

首先就是风电机组设计方面的原因,因为我们知道风电机组的设计是最基础,也是最核心的风险管控的手段,这个设计不单单指的是仿真的设计,理论设计,停留在计算机和图纸上面的设计,这个设计是指的是在批量生产前,样机定型设计之后还要开展实际部件的测试,还有整机的型式测试,通过型式测试之后才具备商业化的条件,但是商业化也是分为小批量的商业化和大批量的商业化的两个阶段。

因为风电机组它是复杂系统的集成,并且工作环境也是各种各样,有不同的环境条件,对它的运行会产生比较大的影响。所以一般在完成定型设计以后,会进行小批量的生产运行,通过实际的测试数据,对前期定型设计的一些关键的数据,关键参数进行验证,来修订它之前的设计,发现一些新的风险之后,进行管控措施的优化,这样再进行大批量生产,才能更好的或者是更经济的去确保机组的质量,提高它的可靠性。

完成机组设计定型之后,在具体安装到风电场的时候,需要根据场址的环境条件,比如说它的风速、湍流、风切变等等环境条件进行复核,以及地质条件是否有地震,电网条件等等进行复核,来提高场址的适配性,来满足场址条件下机组的安全性。刚才介绍了关于风电机组设计的环节或者是流程,我们现在实际项目中机组设计方面是遇到哪些问题?

首先就是一些新形势带来的新风险,因为中国风电发展得非常的快,伴随机组大型化,轮毂中心越来越高,风轮直径越来越大,新形势应用会产生一些新的技术风险,比如说混塔的应用,因为现在高塔筒越来越多,柔塔、钢塔和混塔是两种台架形式,随着抢装潮过去之后,混塔的应用也是逐年提升,但是混塔现在以认证角度来说,混塔一般都只是做单独的设计评估,没有进行独立的型式测试,而且现在业主在采购混塔机组的时候,一般都是整机厂来提供整机机头的设计,混塔厂家来提供混塔的设计,很难去做一体化的评估和测试,这些都可能会带来后期是混塔应用中的风险。而且随着混塔的高度越来越高,也的确遇到了一些像做浆料密实度不均匀,导致在水平缝区域发生裂缝,还有塔架脱落导致的混塔强度降低的问题。

第二点设计方面的问题,就是机组大型化以后带来的风险,这些风险在于目前行业内缺少统一的认知,标准方面又存在缺失。所以对于大型化以后的,像长叶片的稳定性问题,大叶轮钢塔的涡激振动的问题,包括大容量机组的传动链的问题,这些都是近年来发生的失效事故,是有实际案例的。这些问题由于目前还处于研究阶段,缺少一些实际的测试数据,还没有提供比较成熟的或者是行业形成共识的解决办法。

对于这种长叶片的稳定性问题,目前行业内主要的应对措施就是在吊装阶段对长叶片进行加网兜,来防止出现不稳定性问题,还有对于长叶片在运行期进行叶片加组,来提高它的稳定性。除了以上这些新技术新形势带来的风险以外,还有场址适配性不完善的问题,也是主要体现在三个方面,一个就是说在抢装项目工期,还有低价竞争的压力下,实际应用的机组和设计经过认证的机组有很多存在不一致的情况。

比如说塔架的高度一致,但是重量存在差异,叶片的长度一样,叶形有不一样的,这些都会导致实际应用的机组是没有经过有效验证测试的。另外一方面,整个项目为了最大化的去提高它的收益,都是以合规为底线,最大限度去降低机组的安全密度,这样也是降低了机组安全的容错率。

第三方面主要是在项目开发阶段,由于项目的周期比较紧张,风资源的测试数据不充分,它测风的代表性不足,在复杂地形环境下,机组在定制化设计的时候,产生的不确定性就会比较大。当这些因素都叠加到一起的时候,就会产生场址适配性的问题。

我举一个比较典型的例子,就是某一个风电项目在前期开发的时候,由于周期比较短,所以它采用的是虚拟测风塔的方式去进行的前期的测风,厂家又根据测风的结果进行了机组场址的定制化设计,而且它留的余度也比较小,在实际的后面机组项目投运之后也是因为收并购的项目,我们介入进去,然后开展这个项目的安全性评估,用实际的测风塔去测,测算了它20年的安全性工作,发现其中33台机组有18台机组,它的安全性不能满足运行20年的要求,为了解决这个问题,也是后期采取了山区管理的策略,但是这样就使这个项目后期的发电量会有损失,损失量大概有20%左右。所以这些问题如果在前期没有很深入的去关注或者是解决,会造成后期的经济损失。

设计方面的问题之后,就是在风电机组制造环节,因为制造一直是产品质量和安全的最主要的问题,通过刚才统计分析,我们也能看见不管是部件失效还是倒塔类的,都是由于制造环节的问题导致了最后的失效的发生,但是近几年的产品迭代速度越来越快,而且供给不足也加剧了这一问题。

制造方面的问题主要是由于存在制造偏差,还有产品的质量稳定性不足方面导致的,这也是由于机型迭代比较快之后,制造工艺的设计没有跟上,使得制造过程中很多应该由自动化或者是工艺解决的问题,靠人员的成熟度或者是制造工人的熟练度去弥补,但是这样就会引入了人员失误的概率,所以导致了最终质量的问题的发生。

制造问题的两方面,一个就是人员操作的问题,它一直是制造环节最主要的问题。以叶片制造为例,它在合模早期的时候需要人工刮胶,但是工人在刮胶的时候可能会出现这种手抖手酸的情况停下来,使刮胶之后它气泡进去导致空腔、缺胶的情况。这个问题现在通过工艺的改善,已经使用自动刮胶机来刮胶,保证刮胶的过程是连贯均匀的来解决了。后面还有关于主梁褶皱的问题,也是在前期的时候通过人工进行铺层,由于疏忽就会导致铺层不均匀不平顺,使叶片的承载力下降,在这个位置后期在运行的时候就会发生叶片断裂,现在也是通过工艺的改善解决了铺层不均匀的问题。

还有关于制造工艺设计方面的问题,由于机型的迭代非常的快,很多新的部件、新的机型、新的翼型在设计出来之后没有相应的制造工艺予以匹配,还在用之前老的工艺,旧的工艺去生产制造,这样可能对新产品来说,就没法按照设计要求去满足它的制造强度,也是以叶片和塔架的制造为最主要的问题。除了制造的问题以外,在运输过程中也可能会发生一些由于运输方案设计不合理,或者是一些意外的交通事故,它的应对的措施不充分,导致了一些运输问题。

主要的问题也是近期来发现,叶片越来越长以后,它的运输过程中的工程夹具设计的不合理,导致多次的刮蹭,磕碰的问题。机组在吊装过程中也会发也是呈现了比较多的问题,由于项目的周期比较紧张,项目施工的赶工压力比较大,使人员疏忽误操作的概率也提高了。

另外一个就是由于新机型,新的技术,新的产品在吊装过程中会采用一些新的技术手段,这样它有一些新增的人员,吊装能力不足,吊装经验不充分,导致了吊装过程中事故的发生,对于突发环境条件导致的吊装上面的事故,多在海上的项目中遇到,主要是由于巨浪强风导致吊装过程中的事故。

下一个环节就是吊装完以后,风电机组进入生产运营阶段,这个阶段主要就是运维导致的一些失效,但是这个阶段的失效往往不会突然产生一些突发性失效或者事故的情况,它主要是发现问题之后没有进行及时的管控,没有及时的整改,长年累月的去堆积在那里,导致了进一步的严重事故发生,所以运维阶段发现的问题,如果能够及时发现及时处理,往往能够防止经济损失的扩大。

最后就是关于风电机组运行环境的问题,运行环境主要分两方面,一个是极端的环境条件和常规的环境条件导致的失效和事故的发生,极端的环境条件主要是在海上遇到的比较多,它主要是由于台风、雷击导致的失效。

近些年由于厂家也是推出了很多抗台型的机型,抗台的模式也是得到了充分的验证,大大降低了台风下风电机组的风险,常规的环境条件主要是针对20年的使用情况的问题,比如说年平均风速还有湍流度有没有超过设计值,如果现场的年平均风速和湍流度超过设计值,没有经过有效的复核,风电机组在运行了多年以后,就可能会出现这种塔架开裂,螺栓断裂等等情况,所以应该在场址环境条件下,按照实际的环境条件对风电机组进行有效的复核。

以上就是总结了风电机组在各个环节主要的失效原因,我们也通过这些原因进行总结,来为中国风电未来的高质量的发展提出一些建议和解决方案。首先高质量的发展肯定是从设计中来的,因为风电机组的设计是它最基本,最核心管控风险的手段,但是风电机组的设计问题最关键的是验证,风电机组它要通过从样机设计到大批量生产,是比较漫长的验证的过程。

所以我们建议整机厂商要根据行业的发展节奏,适度的控制产品的更新节奏,提前做好产品的规划和销售预测,适当拉长产品的销售周期,从打造产品差异化入手,避免直接价格竞争,这样咱们生产出来的产品或者是成型产品,都是能够保证它的对于新风险新的技术形式,经过有效的测试验证的。对于开发商企业来说,建议不要一味追求机组大型化,而是针对自身场址的环境条件来进行选取已经批量运行的,就是有实际测试的或者实际运行数据支撑的这种机型,作为主流机型。

同时在新产品的开发阶段要严格按照这个部件测试,整机的型式测试,还有样机风电场的实际测试,这种全方位测试验证的流程来进行,这样能够及早发现新产品中的一些质量问题安全隐患,避免有问题的产品大批量的到天上,这样能够最大限度的减少产品验证的成本,在实际的项目中发生,而是让验证成本发生在产品的生命前期,通过小批量到大批量验证的流程,避免在实际项目中大量的去交学费,去进行改造,去修复。

同时要加强行业的合作,通过实际验证的手段和制定标准规范的方法来推进,来保证这个产品质量的提升,使产品的迭代的速度慢下来。同时开发商企业应该也是按严格按照获证的情况去确认现场机型的配置情况,它是否与认证经过实际测试的这些实际配置是一样的。同时在现场的环境条件下,对实际应用的机型开展场址适配性的复核。

在制造环节我们建议是加强生产工艺的设计和过程的管控,提升风电行业可制造性的水平,通过工艺设计的提升来匹配它的新的产品形式和新的风险。并且关注这个行业内,由于制造环节发生的一些事故来更新它的生产工艺,提高它安全管控的手段。

同时高质量的发展也是从项目管理中来的,应该对整个项目的全过程进行风险管控,依据行界的失效案例建立失效数据库,从设计、制造、运输、安装、运维等环节来识别新的风险,把新的风险的管控措施加到整个项目管理中去,同时针对不同的风险点,要给出相应的我们叫防火墙或者是管控措施,来避免一系列的风险点,最终导致比较恶性的事故故障来发生。

同时我们也是呼吁行业推进行业层面的事故及分析经验的分享,因为新的技术不断涌现,新的机型不断出现,而且生产周期不断缩短情况下,推进行业级别的事故及经验分享,能够避免同一个事故,同一个问题多次发生,这样能够使行业更加高效健康的发展。

所以我们也可以看出来安全生产的风险发生,往往不是某个环节发生问题导致的,而是由多个环节,整个链条上的一个贯通导致的最初风险源到最终意外事故的发生。而我们要是做好安全生产的风险管理,通过识别各个环节的风险点,把这个漏洞都堵上,就能够避免最后的失效和事故的发生,整体的提高风电产品的一个质量和可靠性。所以总结一下,建议主要从三方面,它从设计中来,它从制造中来,它从项目管理中来,通过这三方面提高整体的风电产品的质量,提高行业的健康发展。

(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)

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