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风电机组叶轮放大有边界吗?

国际新能源网  来源:文德能源视点  作者:董礼  日期:2018-03-06
  最近GE推出了其HALIADE-X 12MW研发计划,风轮直径达到220m,叶片长度107m,计划2019年完成样机生产。而去年国内海上风电也挺热,海装安装了5MW171海上风电机组,金风的6.X-171也被提出,这也算是国内迄今为止最大的叶轮直径,而在运的全球最大叶轮直径的要数Adwen(现属于Siemens-Gemesa)的8MW180风机,其样机在德国不莱梅港运行。而陆上的大叶轮机组更是不断推新,远景、金风2.X-131机组及联合动力2MW-129的推出刷新了2MW级别的单位千瓦扫风面积,而更大扫风面积的2MW级的机组也在很多整机企业的研发计划中。有很多朋友问过我,同等功率的叶轮放大有边界吗?这个问题如果加上时间尺度,就很难回答了,因为谁也不清楚明天会不会有更新的技术与成本突破。
 
  去年德国风机设计公司Aerodyn推出了款15MW的海上风电机组的设计,其设计采用2个相对成熟的7.5MW的风电机组,据报道其缩比样机也在测试计划中。之所以没有沿用单一风轮的设计思路,我想主要考虑到了技术与经济两个方面的考虑。如果沿用传统设计技术路线,参考相似理论,当功率提升1倍时,机组的重量是原来的2.83倍,这将会导致15MW的机组重量和体积比2倍的7.5MW机组要大很多,成本上看是不经济的,同时无论是铸造还是轴承等部件都给目前的工业生产造成挑战,技术上实现也具有困难。这样看来,采用双叶轮设计的15MW机组或许目前是个不错的选择。这也说明,大型海上风电机组的设计受制于技术实现与成本控制的双重约束。
 
  对于陆上机组,国内目前以2MW为主,放大叶轮似乎没有太多技术的障碍,也就是说你想做更大似乎不难。比如3MW-135的机组如果限功率到2MW,或者配个2MW的发电机,那都不用设计直接就出来了个2MW-135,而且可以用在3类以上的风区,是不是挺有竞争力呢?然而这样的设计显然是不经济的,整机企业可能连成本都收不回来。这也说明陆上2MW级的机组叶轮放大到多少更多的依赖于经济性。
 
  通常来讲,叶轮直径增加后单个叶片的重量会增加、扫风面积增大,造成机组疲劳、极限载荷增加;载荷增加就会对机组承载部件提出更高的要求,从而增加机组成本;承载部件包括变桨、偏航及主轴承,轴承座,轮毂,主轴,机架,塔架等;多数整机企业通过降低适用的风区、优化的降载控制策略、优化设计方法、降低设计安全余量等手段使机组部件载荷控制在机组平台部件的设计余量范围内,从而在不改变原有平台机械传动系统及支撑结构的条件下实现更大叶轮更小成本的目的;或者需要较小的调整机械传动系统及支撑系统就可以实现大叶轮的设计;如果平台上的传动系统大部分需要重新设计,则通常成本增加较多,设计出来的风机成本高,风险也会更大。而由于叶轮及功率等级提高带来的新问题更需要关注,比如叶片气弹问题、轴承及结构件的刚性问题、大叶轮大惯量适应性设计问题、供应链成熟度问题等等。
 
  以目前陆上2MW的平台为例,叶轮直径从最初的70多米到目前大量装机的115m、121m、129m,尺寸变化很大,原来的设计平台基本都不能满足现有要求了,到130m直径的叶轮多数需要调整平台设计或者重新设计,同时配合更好的降载控制策略等手段,才能实现成本可控。所以各整机企业就比谁能控制住载荷,谁能把载荷降的更低,不过这些载荷都是仿真的。而实际与仿真还是存在很大差异的,特别是对于高湍流的山地风区,需要细致考虑,规避风险。在激烈竞争下,也说不准会出现个别设计能力不佳或自以为是的企业,铤而走险,人为降低设计中的安全余量、人为采用不实际的输入参数以改善计算载荷结果,这样设计出的风机风险更大。在目前的技术条件和价格竞争的情况下,在风火同价的预期下,成本压力大是陆上机组风轮增大的最大制约,而未来3MW大叶轮机组在克服运输等技术瓶颈后在风电场整体解决方案中,也会体现出其竞争优势。
 
  笔者认为,在当下的风电研发中,行业更应该多关注叶轮效率,同时在技术验证方面做足工作;关注大叶轮所带来的叶片气弹稳定性、子系统刚度变形分析、整机系统结构动力学、新型控制技术等方面的问题。进一步提升现有风轮直径下机组发电能力、降低整机失效风险。这些年我们在陆上机组不断突破叶轮直径的过程,也是在不断吃掉原来设计的余量、挑战设计边界的过程,风险也越来越高。而海上风电大兆瓦大叶轮机组的技术不确定性更多,成本压力则更大,需要更加系统和细致的研究、成熟的供应链体系、更多方面的验证,稳步推进。如果仅仅是组装起来的“大”机组,显然风险不可控,还需要做更多工作。
 
  总之,无论是海上还是陆上机组,技术、成本、市场、风险控制决定了我们能做多大的叶轮、我们需要做多大的叶轮。技术水平不断进步、成本与风险控制能力不断提高,我们就能做出更多市场需要的更大叶轮的风电机组,只是在这个过程中需要更多的耐心与细致。
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