MW级海上风电机组技术中国海装韩花丽

CSIC中国海装10MW风电机组技术国家海上风力发电工程技术研究中心中国船舶重工某著名企业韩花丽二○一九年七月十九日CSIC中国海装行业背景10MW难点及关键技术10MW研制情况科技部项目申报情况一、行业背景中国海装1.1国家和地方关于发展大功率海上风电机组的政策规(1)《风电发展“十三五”规划》--促进技术自主创新促进产业技术自主创新。加强大数据、3D打印等智能制造技术的应用，全面提升风电机组性能和智能化水平。突破10兆瓦级大容量风电机组及关键部件的设计制造技术。掌握风电机组的降载优化、智能诊断、故障自恢复技术，掌握基于物联网、云计算和大数据分析的风电场智能化运维技术，掌握风电场多机组、风电场群的协同控制技术。突破近海风电场设计和建设成套关键技术，掌握海上风电机组基础一体化设计技术并开展应用示范。鼓励企业利用新技术，降低运行管理成本，提高存量资产运行效率某省市场竞争力。(3)某省市“十三五”战略性新兴产业发展规划》--重点发展产业--绿色产业高效发展风能。重点发展陆上3兆瓦以上、海上10兆瓦以上大型发电机组，加快研发先进高效、应用广泛的低风速风力发电机组，提升大厂度叶片、轴承、齿轮箱、控制系统、变桨系统、偏航系统等关键部件的自主化水平。发展风电机组在线监测与故障诊断、风电场功率预测、远程监控、能量管理、区域集控系统，提升风能监测应用水平。到2020年，风力发电装机容量达到1400万千瓦时某省市总装机容量的比重达到8.6%。(2)《能源技术创新“十三五规划”》--重点任务2)示范试验类S19)8-10MW等级及以上的超大型海上风电机组示范工程研究目标：研制出具有自主的8-10MW等级及以上的海上风电机组及关键部件，并进行工程示范。研究内容：研发8-10MW等级及以上海上风电机组的整机优化设计与制造技术、超大型海上风电机组关键部件设计制造技术，以及超大型海上风电机组基础、塔筒设计及运输、吊装和某著名企业接入等关键技术；开发超大型海上风电机组先进测试技术与测试平台。起止时间:2016-2025年(4)科技部“可再生能源与氢能技术”重点专项，“面向深远海的大功率海上风电机组及关键部件设计研发”，机组的额定功率不小于10MW。一、行业背景中国海装1某省市场表现《风电发展“十三五”规划》专栏42020年全国海上风电开发布局专栏42020年全国海上风电开发布局序号序号地区地区11某省市某省市22某省市某省市33某省市某省市44某省市某省市55某省市某省市66某省市某省市77某省市某省市88某省市某省市99某省市某省市合计合计规划指导意义强，10MW级海上风电机组将成为未来海上风电的主力机型。CSIC中国海装行业背景10MW难点及关键技术10MW研制情况科技部项目申报情况二、10MW难点及关键技术2.1海装在海上风电方面的基础项目立项背景10MW机组研制关键技升级术研究换代样机2017年11月研制研究内容H171-5MW

样机示范演变H152-6.2MW2017年9月H171-6.2MWH171-5MW

立项开发某著名企业4TV高中文国际2015年12月5MW样机示范5MW机组研制国家海上风电工程技术研究中心成立2012年9月中国研制的全球风轮直径最大的5兆瓦海上风电机组即将批量生产黑2010年2月2009年二、10MW难点及关键技术CSIC中国海装2.1海装在海上风电方面的基础海上5MW样机：6年运行经验；海上5MW小批量(20台)：2年运行经验，也是国内率先批量化5MW级别的海上风电机组。时间风机可利用率%发电量MWh等效满发小时数h时间风机可利用率发电量MWh等效满发小时数h%01月01月02月02月活动03月03月04月2018年04月05月05月2018年06月平均可利用率98.80%06月可利用率98.57%07月07月满发小时3235h08月08月满发小时3957h09月09月10月10月11月11月12月12月总计总计H151-5MW运行数据H171-5MW运行数据二、10MW难点及关键技术2.1海装在海上风电方面的基础低风速造诣：H151-5MW机组创造了2013年的全球最大风轮记录H171-5MW机组创造了2017年的全球最大风轮记录，使长江口以北的低风速海域具备了开发价值，被评为2018年度最佳机型，也被鉴定为海上低风速全球领先。在使用和协同设计碳纤维、大叶片上积累丰富经验。中国海装中国风能2018年度最佳机型中国船舶重工某著名企业H171-5MW创造三类海上风区3800小时世界纪录二、10MW难点及关键技术CSIC中国海装2.1海装在海上风电方面的基础$θ♀€EXA低平均高温腐蚀可达性差施工窗投资成本高高极端口期短✔✔✔✔✔✔二、10MW难点及关键技术2.2定位难点CSIC中国海装主要矛盾：功率大、风轮大、度电成本低Vs零部件设计制造技术成熟度不够、成本高根据windmonitor研究趋势判断7MW机组需要180m+风轮直径(高风速机型所需的风轮直径略小，低风速机型所需的风轮直径略大)。根据DTU推断,90m长度下:碳纤叶片预计重量为40t

常规玻纤叶片预计重量为52t

几乎是现有5MW叶片重量的1.5倍叶片长度、重量、载荷、发电量、整机成本多条件相互制约。二、10MW难点及关键技术CSIC中国海装2.2定位难点RootMxyNMyz2018.21.616.1.914.1.81.512、1.71.410、1.68、1.51.36、1.44、1.31.22、1.21.10、3001.1250112001501011.11.21.311.11.21.3,8。风轮直径m10056风轮直径(标准化)风轮直径(标准化)h年均风速m/s某风区下最优度电成本分析评估功率等级与叶片长度长终世风轮直径-10MW8MW发电量数据载荷数据库零部件成本与载荷模型度电成本计算二、10MW难点及关键技术中国海装2.3技术难点-降载技术螺栓监测传动链监测叶片监测海装风里螺栓监测塔筒&基础监测二、10MW难点及关键技术中国海装2.4技术难点————叶片H171已攻克技术超长型轻量化叶片设计技术；大型海上风电叶片载荷优化技术；大厚度碳纤维主灌注成型技术；大厚度碳纤维无损检测技术研究；碳纤维叶片防雷技术及避雷铜网修复技术；海上风电叶片前缘防护新技术；⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯国防科学技术成果鉴定证书解释鉴字[2017]第060号项目名称：5MW-83.6m海上风电叶片技术研究及产业化主要完成单某著名企业第七二五研究所某著名企业鉴定形式：会议鉴定组织鉴定单位：某著名企业(盖章)鉴定日期:2017.11.23二、10MW难点及关键技术2.4技术难点———叶片100m叶片面临的新挑战气动和气弹非线性更加严重；新材料、新工艺、新结构形式，有效控制叶片重量，充分发挥材料和结构性能；大尺寸叶片铺层定位、铺放及平整度控制将需要自动化设备运输和安装需要新的运输和吊装设备；大叶片的造价急剧增加，急待开展成本控制技术研究；中国海装二、10MW难点及关键技术2.4技术难点———变桨系统液压主要以VESTAS、SG为代表。变桨国内应用案例较少，技术实力尚待提升。电动国内拥有较强技术实力，设计及运行维护经验成熟。变桨中国海装面临问题：如何选择一条安全又经济的路线。二、10MW难点及关键技术通过对液压变桨和电动变桨在设计方案、开发成本、可维护性、产品成熟度、技术延续性等多方面的对比分析，在单驱动变桨技术的基础上，中国海装选择了开发双驱变桨系统技术路线。可实现单体功率较低的情况下，驱动控制较大负载及平衡承载的功能。同时，开发模拟变桨系统实际运行工况的双驱/多驱变桨测试平台，充分确保设计开发、测试验证的闭环。转速平稳性、负荷平衡性。开展多失效模式下的安全性论证，及闭环逻辑设计等二、10MW难点及关键技术2.4技术难点————传动链结构紧凑结构较紧凑传动链长电机巨大、重心靠前、弯矩大风轮、传动链布局合理，利于平衡风轮、传动链布局合理，利于平衡制造难度大零部件加工精度高制造难度相对降低可维性差，维护成本高吊装、维护较易吊装、维护较易零部件少，理论可靠性高成本较低成本较低二、10MW难点及关键技术2.4技术难点-传动链发电机轴承润滑齿轮箱轴承电腐蚀主轴承的游隙控制……考虑可维护性，保证装配精度等……中国海装二、10MW难点及关键技术中国海装2.4技术难点————发电系统中速中压发电系统的稳定控制发电系统采用中速永磁发电机+中压全功率变流器，需解决变流器低载波特性导致的发电机转矩脉动大和网侧电流谐波大等问题。二、10MW难点及关键技术中国海装2.5瓶颈车间：常规厂房很难满足生产需求，行车高度及吨位、平车吨位、厂门尺寸等。道路：零部件及整机的长宽高和重量，不再是简单的运输道路受限，而将突破道路运输极限。风场：海上吊装设备的起吊高度及重量难以满足要求，或设备数量有限。CSIC中国海装行业背景10MW难点及关键技术10MW研制情况科技部项目申报情况三、10MW研制情况3.1调研分析大功率整机及技术路线变桨系统、发电机、变流器、变压器轴承、齿轮箱、铸造件、锻造件制造、运输、吊装中国海装三、10MW研制情况CSIC中国海装3.2技术路线10MW级海上风电机组10MW级海上风电机组CSIC中国海装文件名称变流器和变压器上下置可行性分析报告CSIC中国海装文件名称主要功能和性能要求中国船舶重工集团文件代号HZ10000-LZFX-06中国船舶重工集团文件代号HZ10000-LZFX-02某著名企业版本号V1.0密级★商密某著名企业版本号V1.0密级★商者总页数共12页页码第1页总页数共12页页码第1页变桨系统10MW级海上风电机组ESIC中国海装文件名称6-10MW级海上风某省市场目标、风轮直径、功率等级10MW级海上风电机组文件代号HZ10000-LZFX-01CSIC中国海装文件名称变桨系统技术路线选择可行性分析报告中国船舶重工集团HZ10000-LZFX-05版本号V1.0密缓南田中国船舶重工集团文件代号某著名企业总页数共22男+码第1页版本号V1.0密级★商密主轴承系统某著名企业总页数共17页页码第1页传动链系统10MV级海上风电机组10MW级海上风电机组CSIC中国海装文件名称传动链技术路线可行性分析报告CSIC中国海装文件名称发电系统技术路线可行性分析报告中国船舶重工集团文件代号HZ10000-LZFX-03中国船舶重工集团文件代号版本号V1.0密级★商密HZ10000-LZFX-04发电系统某著名企业总页数共22页页码第1页某著名企业版本号密级★商密总页数共18页页码第1页……10MW级海上风电机组10MW级海上风电机组传动链技术路线可行性分析报告发电系统技术路线可行性分析报告2018年09月2018年09月三、10MW研制情况3.3叶片初步设计及系统仿真长度区间、功率区间的整机载荷计算迭代分析整机及零部件载荷确定叶片长度、功率等级等控制降载三、10MW研制情况CSIC中国海装3.4关重零部件设计三大轴承三大齿轮箱变桨变桨齿轴承轮箱Q/HZJQ/HZJ轴承Q/HZJ齿轮箱Q/HZJ中国海装企业技术标准中国海装企业技术标准Q/HZJ010104-2019QHZJ010108-2019偏航主轴承主齿轮箱偏航齿轮箱轴承10MW风力发电机组10MW风力发电机组变桨齿轮箱技术条件变桨轴承技术条件2019-01-16发布2019-01-16实施2019-04-16发布2019-04-20实施合中国海发布21分海装发布三、10MW研制情况中国海装3.5结构件设计及机舱布局结构件机舱布局可维护、；完成轮毂、主轴、轴承座、机架设计及有限元计算；人机工程学应