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中車株洲電機李如海:平價市場下風力發電機可靠性關鍵技術研究

2023-10-21 來源:能見APP 瀏覽數:930

在10月18日上午舉辦的風電機組可靠性論壇上,中車株洲電機有限公司風電研發中心副經理李如海發表了題為《平價市場下風力發電機可靠性關鍵技術研究》的主題演講。

2023年10月16日-19日,2023北京國際風能大會暨展覽會(CWP2023)在北京如約召開。作為全球風電行業年度最大的盛會之一,這場由百余名演講嘉賓和數千名國內外參會代表共同參與的風能盛會,再次登陸北京,聚焦中國能源革命的未來。

本屆大會以“構筑全球穩定供應鏈 共建能源轉型新未來”為主題,將歷時四天,包括開幕式、主旨發言、高峰對話、創新劇場以及關于“全球風電產業布局及供應鏈安全”“雙碳時代下的風電技術發展前景”“國際風電市場發展動態及投資機會”“風電機組可靠性論壇”等不同主題的21個分論壇。能見APP全程直播本次大會。

在10月18日上午舉辦的風電機組可靠性論壇上,中車株洲電機有限公司風電研發中心副經理李如海發表了題為《平價市場下風力發電機可靠性關鍵技術研究》的主題演講。

以下為發言全文:

各位觀眾大家中午好,很榮幸能夠站在這個講臺上,然后向大家分享株洲電機公司在平價市場下,風力發電機可靠性研究技術。

我的講解主要分為以下4個部分,首先我簡要介紹一下株洲電器有限公司,是中車電機的一級子公司,為了支持中國風電建設,在風電領域中國電機有限公司主要包括九大基地,2個內部支撐單位,針對9個的基地我們分布主要是靠近大風場,靠近總裝廠,我們的理念是更好的服務客戶。針對客戶在生產過程,包括客戶在風場遇到問題能夠快速及時響應,目前我們已經做到了直驅電機,年產3200臺,半直驅電機年產1200臺,雙饋電機達到了年產2300臺的產量。

第二個風電發展趨勢,目前風電發展趨勢大家其實整個行業大家都非常明顯,從十二五、十三五到十四五期間,十二五實際上風電已經達到了培育規?;?,在十二五期間風電逐漸達到了規?;l展。到十三五之后,當風電達到規?;缶烷_始出現陸上平價,到十四五出現海上平價。說實話整個行業風電行業大家都過得非常舒服,但是十三五出現轉折,就是我們平價降本壓力急劇增加,包括后面十四五,在我們實現平價的時候,又有行業的整體內卷,目前陸上風電基本上成本已經低于了傳統的燃煤發電的成本,這個是2030年整體的度電成本的預測,基本上在2030年,路上度電成本大概是0.19元,海上度電成本大概是0.38元,基本上都低于目前化石能源發電成本。由此可以看出就是在相當長一段時間內可能降本,不斷的追求極致降本,依然可能是風電領域一段時間內的話題。

針對降本問題,目前我們總結出來風力發電機可能有“六化”趨勢和“四新”特征。

六化趨勢一個大型化功率、不斷大型化發展,尤其從我18年剛入行的時候,那時候還是2兆發電機,逐漸后面4兆瓦6兆,到今年陸上已經達到了10兆瓦以上的雙饋,海上已經20兆瓦,我們正在設計研制的22兆也會馬上出來;集成化主要也是從去年開始出現,今年已經全面推廣出來。非常明顯特征主要是半直驅主軸齒輪箱和發電機的全集成,目前在推廣到雙饋主軸和齒輪箱的集成;中高壓化也是逐漸出現的表象特征,目前一個是以運達的10.5千伏為表征,我們目前也正在開發35千伏高壓電機,高壓化最終的目的可能就是取消變壓器;中高速化也是針對半直驅和雙饋,最早我們公司作為全國第一批做半直驅發電機廠家,早期的半直驅主要是像明陽的200轉為主,但是現在為了降低成本,半直驅已經用三級傳動,采用三級傳動的一個最高傳動比,基本上都控制在600轉左右。雙饋以前在4兆瓦的時候,那時候是4級,早期5兆瓦的時候當時已經說有一個分水嶺,認為5兆瓦時候可能轉速應該控制在1200轉左右,也就是6級,但是目前也是為了降低成本。目前12兆瓦甚至更高等級的15兆瓦依然在采用高轉速,大概在1700轉1600轉左右;低成本化除了我們目前的單獨電機的低成本,更主要現在是整個整機系統匹配的低成本;智能化,主要是智能化制造設計和運維。

四新特征就是新路線、新技術、新結構、新材料。四新就是在以前傳統風力發電機設計周期比較長,新技術迭代比較慢,但是從近兩年發展路線來看,就是新路線、新技術、新結構、新材料,短時間內只要有樣機上塔,只要有廠家使用,后續會迅速的推廣開來,在這個過程中,很多新技術和新材料沒有得到充分驗證。

整體來看就是六化和四大趨勢,對風力發電機設計,尤其是可靠性和質量帶來了很大的風險,于是就帶來一個問題,就是在高可靠性和超低成本面前如何做一個最優的均衡。目前從業主來看,業主對我們發電機整機廠家要求主要是高可利用率、高可靠性、高環境適應能力,核心部件的長壽命和平價上網。反映到我們發電機領域,主要是高可靠性設計、長壽命,然后低成本以及智能化。

從這方面我們分解出來6個技術特點,一個是超高集成設計,將冗余設計以及新材料新技術和新結構的應用,這三塊主要是針對低成本,高可靠性主要是還原適應性研究,可靠性研究和多物理場耦合仿真的研究。目前動力場耦合早期,在發動機設計的時候,往往是電磁結構流體屬于分開計算,但是隨著現在降冗余設計,很多冗余越來越低,這時候就可能在某些變形,某些微小變形可能對這個電機整體性能帶來明顯的影響,所以目前在電器設計過程中,主要采用電磁場結構上和流體場的多物理場耦合仿真,一個是電磁場的電磁和損耗,會直接影響到損耗,會直接影響溫升分布,它不只是損耗數量,還包括損耗在尺部、鐵芯,甚至整個的分布對冷卻的性能也有明顯的影響。

另外一點就是溫度場仿制出來,溫升對結構出現熱變形,對結構強度以及形變也有明顯影響,最早最明顯的是直驅電機,后面隨著深入逐漸降低,對雙饋半直驅也逐漸明顯,隨著結構變形也進一步會影響到氣息,進而影響到電磁方案,所以我們現在在進行方案設計過程中,主要會針對電磁流體和結構進行多輪的耦合,雖然現在目前仿真軟件他們也會推,也會在不斷宣揚自己多物理場耦合能力,但實際應用過程中,因為每一個仿真每一次計算都會帶來誤差,都需要不斷的修正,真正在應用的時候,我們還是類似于做一個弱耦合的多次迭代,進一步提高設計精度,降低設計冗余,提高發電機安全可靠性。

第二點就是多功率單元設計,目前也是海上14兆瓦風力發電機組普遍采用的設計技術,一個是采用4套繞組,這樣尤其針對海上漂浮式風力發電機組,一旦繞組出現故障,漂浮式由于離岸遠,維護時間要受到影響,另外就是涉及時間成本,發電量損失影響,所以4套繞組可以實現一套繞組故障,兩套繞組故障,三套繞組故障,分別進行一個三套繞組發電,兩套繞組發電和單套繞組發電,盡可能的提高設計冗余,降低繞組故障過程中,業主產生發電量的損失。

磁鋼的高可靠性設計,并不是通過單一的增加成本提高可靠性,而是在平價時代保證成本不增加情況下,如何增加磁鋼可靠性,一個是溫度冗余大,并不是提高磁鋼的耐溫性能,而是通過提高優化轉子的冷卻封路,增加風吹磁鋼的風量,降低整體磁鋼的溫度,通過這種方式來提高抗失磁性,目前通過優化,在最新技術上可以磁鋼溫度可以降低5~10k的樣子。

另外一個是抗去磁能力,抗去磁能力這個也是通過優化,一個是機槽配合降低,另外還有通過優化磁極和的拓撲結構,在針對短路去磁情況下,對這個進行疏導,然后盡量減少直接作用在磁鋼上面,通過這種優化,可以在磁鋼表面的能夠削弱5%~10%。

另外一個是防腐性能,防腐性能主要是針對目前,陸上半直驅采用制冷方式,發電機防護等級明顯降低,它外部的濕冷空氣可能會直接作用在發電機磁極盒上,對磁鋼造成了一個非常大的風險。目前我們是在磁器盒表面,除了磁鋼原有的鎳銅環氧防防護,我們還做了一個防護板,兩層的防護板結構。

第三個就是軸承長壽命設計,目前軸承長壽命設計主要是用在我們直驅和雙匯發電機上面,全目前現在我們追發長壽命設計也主要是通過優化我們軸承布局,然后提優化我們軸承布局,然后優化軸承載荷。發電機作為軸承的應用廠商,通過核算之后也會交給軸承廠家計算,但是在實際運營過程中,因為前期我們軸承主要還是受國外軸承壟斷,然后在我們軸承在實際運行過程中出現了問題,比如說是異常震動,然后出現異響,但是國外廠家在配合上,目前還是始終缺少一個就是支持度相對來說比較低,然后現在我們在開發國內軸承,也是除了降溫,同時也是國內對我們整體軸承出現故障或者異?;?,然后對我們支持度以及反應是遠遠要高于國外軸承。

第二點是絕緣結構,絕緣結構目前我們是雖然是目前電機還屬于低壓電機,但是我們在聚源結構設計過程中也引入一些中壓和電中壓電機和高壓電機的一些設計結構,然后同時我們也考慮了針對變頻器全功率電流,然后包括永磁電機發電機轉子,我們也考慮了變頻器對我絕緣的影響,然后優化我均線結構。同時在一定程度上我們在不改在不減小我發現機槽內槽滿率的情況下,然后增加我匝間和最低絕緣厚度,然后提高我安全設備冗余,然后同時運用依托我們注入電機專業的絕緣研發絕緣研發團隊,然后我們對絕緣的發電機絕緣施救機理,以及環境適應性以及熱壽命進行了一個長期的研究。

這個是我們這個絕緣結構對我們在發電機設計工程做的一些耐久性實驗,包括一個是環境適應性,還有一個是老化實驗,主要是針對冷熱沖擊,然后震動沖擊,然后恒溫恒濕,長期進水長期延誤,然后綜合評估我們發電機在我們風電運行過程中的一個實際壽命。傳統像國家規定的像f級是180攝氏度的一個標準,但是因為我們是脫胎于脫胎于中車系統,然后中車系統對絕緣有更高的考核標準,我們一般在實踐過程中有時候會采用高鐵200級的一個嚴更為嚴苛的驗證考核,同時在環境在實踐方面,我們也根據目前風力發電機實際上出現了一些新的問題,然后也在不斷的增加,包括現在采用高集成設計的時候,目前出現齒輪箱,然后漏油,然后進入發動機內部,而且還很難排出,這樣對我長期會出現一個情況。

我的發電機定子然后長期浸泡在潤滑油上面,然后我們也做了一個長期的在電子絕緣在潤滑油上面進長期浸泡的一個耐久性實驗,然后最終證明我們絕緣能夠完全耐受潤滑油的長期侵蝕,絕緣不會絕緣性能不會降低。

然后另外一個是軸承的高考性實驗,軸承高考性設計,這主要是針對我們的軸承系統,一個是軸承配置,然后包括我們軸承潤滑系統,包括后面包括我們針對軸承電腐蝕的一些研究,除了我們研究了絕緣軸承,然后這個是基于我們牽引電機采用了一個絕緣軸承技術,然后在風電做了一個延伸,但實際運營過程中就是目前絕緣軸承就是一個是成本比較高,然后先針對大軸承化均線軸承采用的磁性噴涂材料可靠性可能還是影響比較大,然后針對目前我們軸承墊付時,我們主要一個是通過碳刷營地然后疏導,然后另外一個通過增加聚氨端蓋然后進行防護。

第四點就是我們低成本設計,目前因為風力發電機降本依然是主流。然后針對低成本設計,我們主要是有以下技術,一個是系統匹配,這個主要是跟主機廠家進行一個發電機電流器電氣系統一體化匹配,然后實現電氣系統的降本。然后另外一個發電機齒輪箱一體化設計,實現發電機齒輪箱一個從轉速到維護檢修接口的一個匹配設計。

電磁優化設計主要是一個是優化我們電池結構,然后另外一個是采用定制化的磁鋼、硅鋼片以及新的槽線,通過我們定制化設計,然后盡可能的然后來符合我們每一款電機達到了一個最優成本。第三個就是通風冷卻,然后我們是不斷的優化我們的風路,然后提高我們的冷卻效率,然后來提高我們發電機的整體密度降低成本。

第四個就是絕緣結構,絕緣結構我們剛才也提到,雖然我們是增加了我們的厚度,但是我們通過優化了一個絕緣結構和系統,但實際上我們是降低了整體的絕緣后提高了,在一定程度上我們提高了槽滿率,然后同時也提高我們絕緣的導熱性能。

第五個就是我們標準化、模塊化、輕量化開發,這個主要是一個是降低我們的開發難度,然后規避單獨開發可能面臨的一些新的問題,提高我們那個開發效率。

第六個就是我們零部件國產化和定制化,主要是針對國產軸承編碼器和集中潤滑器采。采用國產化零部件,目前國產化零部件可靠性也在逐漸提升,不僅可以降低成本,然后國產化零部件往往也可以對我們有一個更好的服務,然后更好的支持。同時在定制化我們也在研究,目甚至是材料在風電領域的一個應用。

然后目前電磁線除了我們最早銅線、鋁線,我們也在研究這個銅包鋁以及我們中車現在正在開發的一款超級銅。同時我們中車也在打造智慧電機,除了智慧設計、智慧制造通過我們全參數化自動生成的一個智慧設計,不僅可以快速提升我這個設計速度,同時也能夠減少我這個設計過程中產生的干涉以及設計失誤。因為人為原因導致的設計失誤,這樣可以在我設計不再完全依賴于經驗豐富老員工,我新員工在基于一套成熟的模塊化設計方案,也能夠設計出來一個高質量的發電機。

另外一個就是模塊化,這個數字孿生主要是針對仿真,然后通過多場偶合與我風場試運行進行一個連接,然后可以將風場實際運行的一些情況,可能我實驗無法監測,就是我們在出廠實驗或者行駛實驗無法監測到一些故障,在風場試運行來支撐我們那個設計,然后提高我們那個設計質量,不僅能夠滿足行駛時驗要求,然后更多的是能夠保證我風力發電機在我風場能夠長時間風場運行工況下,然后長時間的穩定運行。

第三個就是我們從設計到工藝制造的數字化一體化穿透,也就是我們整個數字模型,通過我們研發工藝制造就是全部數字化貫通。然后另外一個就是我們的設計過程中,也在考慮我們那個智能化制造,就是我們很多設計結構要滿足我們工廠現在正在搭建的一個智能制造生產線,通過引進更多的智能制造設備,來減小我在生產制造過程中引進的一個人為質量問題。

智慧電機第二點,就是我們目前正在搭建的一個發電機智能在線監測系統。目前我們在線監測系統目前我們已經在客戶電機上進行了成功的裝塔運行。然后目前是1月、2月已經完成了在線監測系統的硬件升級,然后體積更小,重量更輕,成本更低。然同時也完成了在我們持續第二臺持續產品上的應用,在目前也應用到我們產品上面。同時我們目前智能監測系統,然后也正在進一步開發,在除了要更為全面的監測,下一步就是基于智能監測系統,我們要進一步開發我們那個再向故障診斷,能夠進行一個提前預警,更好的支撐我們整機廠家安全穩定運行,降低我們運維成本。最后我們株洲電機有限公司將繼續定位打造世界一流的電機企業,致力于實現高端動力先鋒戰略目標,聚焦高性能、高可效性、高可維護性、低成本的智慧風力發電機變壓器的技術,致力于實現發電機變壓器的高水平設計,高質量制造和高可靠性運行,謝謝大家。

 

(根據演講速記整理,未經演講人審核)


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