臨近七一，中國華能集團盛東如東海上風電工程現(xiàn)場異常忙碌。由中國華能、中國海裝聯(lián)合研制的國產(chǎn)化5兆瓦大容量海上風電機組上正在緊鑼密鼓開展調(diào)試工作。

這臺海上“巨無霸”實現(xiàn)了機組一級部件國產(chǎn)化率100%、整機國產(chǎn)化率超過95%，代表了目前我國大容量海上風電機組國產(chǎn)化最高水平，以海上風電機組核心關(guān)鍵裝備國產(chǎn)化的重大突破，為建黨百年華誕獻禮。

搶抓創(chuàng)新發(fā)展新機遇

“海上風電發(fā)展形勢喜人，十年快速發(fā)展，積累了豐富經(jīng)驗，也面臨著不少挑戰(zhàn)，現(xiàn)在要以問題為導向，抓住機遇，走出一條自主創(chuàng)新之路。”華能清潔能源技術(shù)研究院黨委書記、董事長李衛(wèi)東說。

我國海上風電增長迅速，海上風電累計裝機量2020年底已成為全球第二，預計今年底可達世界第一。對我國海上風電產(chǎn)業(yè)鏈上的運營單位、科研單位、生產(chǎn)廠家來說，這是難得一見的機遇，驅(qū)動著海上風電產(chǎn)業(yè)的所有參與者，包括業(yè)主、科研院所、主機廠商、部件廠商聯(lián)合起來，將每一項技術(shù)挖掘到極致。同時，對海上風電機組關(guān)鍵技術(shù)的掌握越來越得到重視，關(guān)鍵部件國產(chǎn)化嘗試也逐漸成為關(guān)注的焦點。

取得技術(shù)攻關(guān)新突破

中國華能集團作為中國最大的海上風電開發(fā)商之一，持續(xù)開展大量工作，發(fā)揮產(chǎn)業(yè)鏈“鏈長”作用，組建創(chuàng)新聯(lián)合體，站在產(chǎn)業(yè)鏈整體角度思考中國海上風電的未來發(fā)展。通過詳細的評估與論證，大型海上風電機組國產(chǎn)化將是我國未來海上風電發(fā)展的重要抓手之一，也是國家能源安全的重要保障。

對此，華能集團設(shè)立了國產(chǎn)化海上風電機組研制項目，集中行業(yè)內(nèi)技術(shù)優(yōu)勢力量，發(fā)揮組織功能，形成整體效應(yīng)，集中突破海上風電機組國產(chǎn)化關(guān)鍵技術(shù)。依托華能清潔能源技術(shù)研究院（以下簡稱“華能清能院”），聯(lián)合中國海裝等多家技術(shù)單位共同開展國產(chǎn)化機組研制生產(chǎn)工作，并在華能江蘇盛東如東海上風電場應(yīng)用示范。機組研制過程中得到了華能江蘇公司、西安熱工研究院的大力支持與華能浙江公司的協(xié)助。

國產(chǎn)化海上風電機組正趕上2021年交付高峰期，從上游部件供應(yīng)商、再到下游的機組總裝、海上吊裝，每個環(huán)節(jié)無一不承受著巨大的壓力。“隨著交付高峰期的來臨，我國海上風電機組的國產(chǎn)化已到了勢在必行的地步，必須借此風口迎難而上，才能為海上風電的持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展注入充沛動力。” 項目技術(shù)攻關(guān)組組長、華能清能院黨委委員、副院長郭小江說。

項目組堅持“兩手抓，兩手硬”，一手抓質(zhì)量，一手抓進度，確保技術(shù)不過關(guān)不放行，同時加班加點搶抓時間節(jié)點。“從機組整體方案設(shè)計機組成功下線，項目組每周召開督導會，督導項目進展，從未中斷。” 華能清能院副所長唐巍說。

項目組緊盯既定目標，堅持問題導向，從基礎(chǔ)的技術(shù)細節(jié)抓起，為機組國產(chǎn)化方案細細把脈，排除每一個潛在的隱患。同時緊鑼密鼓地推進研制進度，每出現(xiàn)一個問題直接落實至相關(guān)技術(shù)負責人，迅速制定對策，集中力量解決，將時間成本壓至最低。各個參研單位工作人員，以強烈的責任使命擔當，保證了研制進展的順利推進。

推進關(guān)鍵部件國產(chǎn)化

項目攻關(guān)過程中，項目團隊攻克了一個又一個的技術(shù)難關(guān)，突破了大型海上風電機組葉片、主軸承、齒輪箱軸承、主控PLC、變流器IGBT等一系列核心關(guān)鍵部件國產(chǎn)化，應(yīng)用了華能自主研發(fā)的主控系統(tǒng)、機組-塔架-基礎(chǔ)整體化設(shè)計、數(shù)字智能感知檢測系統(tǒng)等技術(shù)，取得了機組關(guān)鍵核心部件全部國產(chǎn)化的驕人成績。


——葉片，是風電機組的重要部件，如同風電機組的心臟，是風電機組發(fā)電的動力來源。葉片從非國產(chǎn)到國產(chǎn)，對主梁碳纖維進行了完全國產(chǎn)化替代，實屬不易。適用于高交變載荷的葉片碳纖材料國產(chǎn)化技術(shù)缺乏借鑒和參考，經(jīng)歷從無到有的過程，已經(jīng)熟悉的技術(shù)路線發(fā)生重大變化，科技人員只能從頭做起。“國產(chǎn)化機組所配備的WB171葉片長達83.6米，在5兆瓦這個級別上是國內(nèi)最長，研制難度可想而知。”華能集團科技部專責葉昭良說。

“尤其是第一次采用國產(chǎn)的碳纖維織物材料，碳布的編織方式與國外不同，編織方式不僅影響碳布的性能，還可能影響真空灌注的效果，對我們現(xiàn)有的工藝路線是嚴峻的考驗。”洛陽雙瑞風電葉片公司副總經(jīng)理馮威說。

為此，項目組深入研究方案，全力革新已有的技術(shù)路線，大膽采取新型工藝。葉片制造中應(yīng)用了自動化鋪設(shè)技術(shù)，減少了碳布鋪設(shè)中的人為操作失誤影響，降低了鋪層褶皺和灌注缺陷的風險。同時，精確控制編織工藝，針對國產(chǎn)碳纖維的特性，定制化開發(fā)工藝手段，降低了纖維磨損，使纖維排布更加均勻，更好的保證了材料性能。

——主軸，承如同風電機組的關(guān)節(jié)，將葉片所產(chǎn)生的動力傳遞至發(fā)電機，對風電機組的可靠發(fā)電至關(guān)重要。此前，大兆瓦風電機組主軸承均為國外廠家所壟斷，制約了大兆瓦海上風電機組的快速發(fā)展。

“這次制造的主軸承外徑達到3200mm,為國產(chǎn)風電主軸承之最，設(shè)計制造難度高。”中國海裝工程師肖長遠說。“之前從來沒有生產(chǎn)過這么大型的風電機組主軸承，這對我們的設(shè)計、加工、熱處理能力以及材料性能都是極大的考驗。”洛陽新強聯(lián)研發(fā)部長胡占圈說。為此，項目組聯(lián)合相關(guān)單位，共同推進了現(xiàn)有軸承鋼材的改進工作，查基礎(chǔ)資料、核化學成分、演合成模式，研發(fā)人員通過不知多少次的反復實驗，最終，軸承材料的淬透性及低溫性能有明顯提升，成為了風電機組主軸承國產(chǎn)化的有力支撐。

——主控，如同風電機組的大腦，直接關(guān)系著國產(chǎn)化風電機組的發(fā)電能力與運行情況。然而，風電機組主控PLC硬件目前仍受制于國外廠家。本次風電機組突破了國產(chǎn)化PLC技術(shù)，關(guān)鍵核心芯片完全采用國產(chǎn)產(chǎn)品，控制系統(tǒng)也由華能新銳公司自主研發(fā)。

“實現(xiàn)主控系統(tǒng)國產(chǎn)化說起來簡單，做起來難，國產(chǎn)PLC的開發(fā)需要從頭開展大量的開發(fā)和測試工作。”華能新銳公司黨支部書記、總經(jīng)理褚孝國說。“風電機組主控系統(tǒng)國產(chǎn)化，是我國風電發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)。”中國海裝研究院副院長楊微說。項目團隊聯(lián)合相關(guān)研制單位，以滿足首臺國產(chǎn)化海上風電機組的應(yīng)用為目標，全力推進了主控系統(tǒng)的開發(fā)，提升了主控系統(tǒng)的信息安全。同時，項目開發(fā)團隊設(shè)計了多種工程預案以保障達到預定目標。做好冗余保護邏輯設(shè)計，最大限度地保障安全。

——設(shè)計方法，風機-塔架-基礎(chǔ)一體化設(shè)計技術(shù)，動態(tài)反映了海上風電機組在受到風-浪-流-土動態(tài)耦合作用時的整體支撐結(jié)構(gòu)受力規(guī)律。然而，由于缺少對該技術(shù)應(yīng)用驗證，缺乏對廠家和設(shè)計院的總體技術(shù)規(guī)劃和協(xié)調(diào)，一直未能充分發(fā)揮其作用。

“由業(yè)主制定一體化設(shè)計技術(shù)標準，主機廠和設(shè)計院協(xié)同設(shè)計的模式在行業(yè)內(nèi)還未真正實施過。此次一體化設(shè)計方法采用了華能清潔能源技術(shù)研究院自主研發(fā)的核心技術(shù)，經(jīng)過主機廠和設(shè)計院多輪迭代設(shè)計，成功的應(yīng)用在5兆瓦國產(chǎn)化風電機組上，也將在未來的海上風電項目中進一步推廣。”華能清能院海上風電部副總工張波說。

——監(jiān)測方法，數(shù)字智能感知監(jiān)測技術(shù)，為提高海上風電機組發(fā)電性能和故障診斷與預警能力提供堅實的支撐。風電機組作為一個龐雜的機械電氣系統(tǒng)，特別是海上風電機組還受到風、浪、流等多重環(huán)境特征耦合的影響，其發(fā)電能力受到機組內(nèi)外部因素影響，其故障產(chǎn)生的機理復雜多樣，受限于當前對復雜非線性信號處理能力的制約以及對故障預警與識別的準確度較低。

“本次在國產(chǎn)化海上風電機組本體葉片、變槳、輪轂、主軸、齒輪箱、發(fā)電機、塔筒和基礎(chǔ)以及機組所處的海上水下環(huán)境新增了超過180個測點，采用了激光雷達前饋、結(jié)構(gòu)安全檢測等超過10項智能監(jiān)控與運維系統(tǒng)。”華能清能院業(yè)務(wù)經(jīng)理孫財 新說。此技術(shù)加強了海上風電機組對于本體和環(huán)境的主動感知，提升了海上風電機組主動控制優(yōu)化的能力。

——吊裝，海上風電機組吊裝工作需計劃周全，安排得當，吊裝工序環(huán)環(huán)相扣。再加上今年5月份如東海域海況、氣象復雜，大風、大霧說來就來，讓本來就因安裝高峰期而異常緊張的時間表更難控制。“國產(chǎn)化5兆瓦機組5月22號落駁后，現(xiàn)場起了大風大浪，讓本來都已出港的船不得不回港避風，6月4日才開始吊裝塔筒。”華能江蘇盛東如東項目部經(jīng)理助理白亮說，“只差最后一只葉片時現(xiàn)場又起了大風，進度又被耽擱了兩天左右。”

在現(xiàn)場條件如此惡劣的情況下，華能江蘇盛東如東項目部迎難而上，詳細制定了吊裝專項施工方案，克服了海上環(huán)境多變、作業(yè)條件艱苦、吊裝流程復雜等諸多困難，科學預測，大膽推進，牢牢抓住部件吊裝的窗口期，經(jīng)過歷時7天的海上作業(yè)，圓滿完成此次吊裝任務(wù)。此次吊裝的成功，為國產(chǎn)化機組最終的并網(wǎng)發(fā)電打下了堅實基礎(chǔ)。

偉大事業(yè)都始于夢想、基于創(chuàng)新、成于實干。國產(chǎn)化5兆瓦海上風電機組的成功象征著我國向能源領(lǐng)域自主創(chuàng)新高地沖鋒的又一次勝利，對海上風電平價化發(fā)展意義重大。可以預見，我國風電技術(shù)必將走出一條自立自強的發(fā)展之路。同時，我國海上風電產(chǎn)業(yè)也將為碳達峰、碳中和目標持續(xù)貢獻更大的智慧和力量。