風電機組葉輪放大有邊界嗎？

2018-05-04 22:01:48 文德能源視點　點擊量：評論 (0)

　　最近GE推出了其HALIADE-X 12MW研發計劃，風輪直徑達到220m，葉片長度107m，計劃2019年完成樣機生產。而去年國內海上風電也挺熱，海裝

　　最近GE推出了其HALIADE-X 12MW研發計劃，風輪直徑達到220m，葉片長度107m，計劃2019年完成樣機生產。而去年國內海上風電也挺熱，海裝安裝了5MW171海上風電機組，金風的6.X-171也被提出，這也算是國內迄今為止最大的葉輪直徑，而在運的全球最大葉輪直徑的要數Adwen（現屬于Siemens-Gemesa）的8MW180風機，其樣機在德國不萊梅港運行。而陸上的大葉輪機組更是不斷推新，遠景、金風2.X-131機組及聯合動力2MW-129的推出刷新了2MW級別的單位千瓦掃風面積，而更大掃風面積的2MW級的機組也在很多整機企業的研發計劃中。有很多朋友問過我，同等功率的葉輪放大有邊界嗎？這個問題如果加上時間尺度，就很難回答了，因為誰也不清楚明天會不會有更新的技術與成本突破。

　　去年德國風機設計公司Aerodyn推出了款15MW的海上風電機組的設計，其設計采用2個相對成熟的7.5MW的風電機組，據報道其縮比樣機也在測試計劃中。之所以沒有沿用單一風輪的設計思路，我想主要考慮到了技術與經濟兩個方面的考慮。如果沿用傳統設計技術路線，參考相似理論，當功率提升1倍時，機組的重量是原來的2.83倍，這將會導致15MW的機組重量和體積比2倍的7.5MW機組要大很多，成本上看是不經濟的，同時無論是鑄造還是軸承等部件都給目前的工業生產造成挑戰，技術上實現也具有困難。這樣看來，采用雙葉輪設計的15MW機組或許目前是個不錯的選擇。這也說明，大型海上風電機組的設計受制于技術實現與成本控制的雙重約束。

　　對于陸上機組，國內目前以2MW為主，放大葉輪似乎沒有太多技術的障礙，也就是說你想做更大似乎不難。比如3MW-135的機組如果限功率到2MW，或者配個2MW的發電機，那都不用設計直接就出來了個2MW-135，而且可以用在3類以上的風區，是不是挺有競爭力呢？然而這樣的設計顯然是不經濟的，整機企業可能連成本都收不回來。這也說明陸上2MW級的機組葉輪放大到多少更多的依賴于經濟性。

　　通常來講，葉輪直徑增加后單個葉片的重量會增加、掃風面積增大，造成機組疲勞、極限載荷增加；載荷增加就會對機組承載部件提出更高的要求，從而增加機組成本；承載部件包括變槳、偏航及主軸承，軸承座，輪轂，主軸，機架，塔架等；多數整機企業通過降低適用的風區、優化的降載控制策略、優化設計方法、降低設計安全余量等手段使機組部件載荷控制在機組平臺部件的設計余量范圍內，從而在不改變原有平臺機械傳動系統及支撐結構的條件下實現更大葉輪更小成本的目的；或者需要較小的調整機械傳動系統及支撐系統就可以實現大葉輪的設計；如果平臺上的傳動系統大部分需要重新設計，則通常成本增加較多，設計出來的風機成本高，風險也會更大。而由于葉輪及功率等級提高帶來的新問題更需要關注，比如葉片氣彈問題、軸承及結構件的剛性問題、大葉輪大慣量適應性設計問題、供應鏈成熟度問題等等。

　　以目前陸上2MW的平臺為例，葉輪直徑從最初的70多米到目前大量裝機的115m、121m、129m，尺寸變化很大，原來的設計平臺基本都不能滿足現有要求了，到130m直徑的葉輪多數需要調整平臺設計或者重新設計，同時配合更好的降載控制策略等手段，才能實現成本可控。所以各整機企業就比誰能控制住載荷，誰能把載荷降的更低，不過這些載荷都是仿真的。而實際與仿真還是存在很大差異的，特別是對于高湍流的山地風區，需要細致考慮，規避風險。在激烈競爭下，也說不準會出現個別設計能力不佳或自以為是的企業，鋌而走險，人為降低設計中的安全余量、人為采用不實際的輸入參數以改善計算載荷結果，這樣設計出的風機風險更大。在目前的技術條件和價格競爭的情況下，在風火同價的預期下，成本壓力大是陸上機組風輪增大的最大制約，而未來3MW大葉輪機組在克服運輸等技術瓶頸后在風電場整體解決方案中，也會體現出其競爭優勢。

　　筆者認為，在當下的風電研發中，行業更應該多關注葉輪效率，同時在技術驗證方面做足工作；關注大葉輪所帶來的葉片氣彈穩定性、子系統剛度變形分析、整機系統結構動力學、新型控制技術等方面的問題。進一步提升現有風輪直徑下機組發電能力、降低整機失效風險。這些年我們在陸上機組不斷突破葉輪直徑的過程，也是在不斷吃掉原來設計的余量、挑戰設計邊界的過程，風險也越來越高。而海上風電大兆瓦大葉輪機組的技術不確定性更多，成本壓力則更大，需要更加系統和細致的研究、成熟的供應鏈體系、更多方面的驗證，穩步推進。如果僅僅是組裝起來的“大”機組，顯然風險不可控，還需要做更多工作。

　　總之，無論是海上還是陸上機組，技術、成本、市場、風險控制決定了我們能做多大的葉輪、我們需要做多大的葉輪。技術水平不斷進步、成本與風險控制能力不斷提高，我們就能做出更多市場需要的更大葉輪的風電機組，只是在這個過程中需要更多的耐心與細致。