海上风电:金风十年求索路

自2007年我国第一台海上风电试验样机(金风科技GW70/1500)在渤海湾矗立,至今已整10年。对于海上风电,新疆金风科技股份有限公司(下称“金风科技”)多年来虽甚少发声,但相关研究和实践却从未止步。

海上风电:金风十年求索路

自2007年我国第一台海上风电试验样机(金风科技GW70/1500)在渤海湾矗立,至今已整10年。对于海上风电,新疆金风科技股份有限公司(下称“金风科技”)多年来虽甚少发声,但相关研究和实践却从未止步。十年磨一剑。2017年,金风科技将携带全新的海上风电解决方案重装启幕,对推动我国海上风电开发,他们很有信心。

 

 

文/ 曹宏源

 

2007年我国第一台海上风电试验样机(金风科技GW701500)在渤海湾矗立.png

↑ 2007年我国第一台海上风电试验样机(金风科技GW70/1500)在渤海湾矗立

 

 

 

十年蛰伏求华变

 

“风电是一场长跑,能否笑到最后,静气与耐心极为重要。”这是在金风科技耳熟能详的一句话,也是他们的经营理念。

 

作为国内风电行业的龙头企业,金风科技素来以发展稳健著称。对于海上风电的开发,金风科技有着自己的态度:积极但谨慎,跟进但不冒进。

 

金风科技董事长武钢对此的解释是,海上风电的开发有很多风险因素,整机厂进入海上风电领域需要有丰富的陆上风电设备研发、制造、运维经验的积累作为支撑。因为机组一旦出海,对设备的可靠性要求非常高,施工成本也比陆上高得多,一旦出现设备质量问题,维修成本可能使得整个项目回报打水漂。机组设备的高可靠性是需要成熟的研发和不断试验来实现的,冒进带来的损失是对社会资源的浪费。

 

2007年,金风科技1.5兆瓦试验样机在渤海湾矗立起来,这被业内认为是我国海上风电的开端,也是中国第一台在海洋环境中运行的直驱永磁风电机组。

 

现任金风科技研发中心副总经理兼江苏金风科技有限公司总经理的陈小海作为首任项目经理,参与了项目建设的全过程。“这个项目由于没有先例可供借鉴,我们采用GW70/1500风电机组,并用亚洲最大的‘蓝疆’号5000吨级起吊船安装建设,虽然前期并网比较顺利,但由于当时对海洋环境并不十分了解,大家都预计到机组试验运行可能会出现一些问题,比如潮湿盐雾、后期运维等。”陈小海坦言。

 

事实上,出现的问题远比想象的复杂。海洋环境对风电机组带来的考验与陆上相比完全不是一个量级,潮气、盐雾、恶劣的气候条件……每一项都给运维团队正常开展工作带来严峻的考验。

 

“风电机组第一次面对海洋环境虽然出现了诸多问题和挑战,但给我们带来的经验是十分宝贵的。我们的研发工程师逐一研究分析技术难点,并将研究成果全部用到了海上风电的技术方案改进中,成为金风科技新一代海上风电产品平台重要的实践积累和技术积淀。”金风科技执行副总裁吴凯接受《风能》杂志记者采访时如是说。

 

金风科技位于江苏如东的潮间带风电项目.png

↑ 金风科技位于江苏如东的潮间带风电项目

 

2012年开始,江苏如东成为了国内海上整装风电的试验场,共有国内外10个整机厂家的15种机型汇聚于此,金风科技再次参与其中。

 

“相对于2007年的试水,江苏如东100兆瓦潮间带项目,我们完成了很多技术迭代与优化,比如将电机由开式改成了闭式,对各金属器件进行了优化防腐处理,但下海后再次出现了意想不到的困难。在满功率运行状况下,塔内温度超过塔外,湿气进入塔内后冷凝对变压器正常运行影响极大。”陈小海介绍说。

 

对金风科技来讲,如东试验项目出现的问题必须逐一解决,否则就无法在海上风电开发领域内走得更远。为此,金风科技不仅投入近千万元研发资金用于技术攻关,同时把几乎全部一线研发人员投入到机组改进中,一年半后,这些问题被逐一攻克。

 

金风科技改进后的2.5兆瓦潮间带机组添加了环境控制系统,可以实现机组和塔架内温度及湿度双控制,并过滤掉空气中的盐分,保证塔内环境的纯净度,解决了变流器、控制柜等局部环境的优化问题。此外,针对螺栓、防雷模块等零件部分,都进行了防腐处理,有的模块还将陆上机组采用的铝制材料,改成了不锈钢材质,以提高防腐等级。

 

最终该机组凭借着优异表现,获得了项目业主——龙源电力方面的肯定。数据显示,在这批试验机组中,2014年利用小时数最高的是金风科技的2.5兆瓦机组,达到2867小时。

 

金风科技江苏响水近海三峡风电场项目.png

↑ 金风科技江苏响水近海三峡风电场项目

 

在此基础上,2015年,金风科技又携其3兆瓦机型,中标了三峡江苏响水近海风电项目。金风科技相关技术负责人表示,这款3兆瓦机型是基于2.5兆瓦平台开发的,这背后则有金风科技2万余台直驱机组平台的运行业绩和技术积累作为支撑,这些成功的经验是保障3兆瓦机型可靠性的基石。再加上金风科技充分了解了中国海上的环境特点,对3兆瓦机型进行了有针对性的海上适应性设计,该机型将能够很好地适应海上的运行环境。

 

 

 

可靠性与经济性的选择题

 

当下,虽然开发海上风电受到了行业内外的关注,但是对于风电整机企业来讲,如何跨越经济性与可靠性两大门槛,是摆在面前的最大挑战。

 

海上风电,不仅是风电项目,更是海洋工程.png

↑ 海上风电,不仅是风电项目,更是海洋工程

 

“可以讲海上风电和陆上风电完全不同,甚至可以说是两个行业。陆上风电就是机组+电网+ 一般性电力工程;海上风电则有两个特性,第一,它是风电项目,第二,它是海洋工程。”吴凯表达了他的看法。

 

的确,在目前海上风电开发成本普遍超过陆上风电两倍以上的情况下,风电整机企业还面临着如何克服海洋恶劣环境等方面的诸多技术挑战,企业又该如何选择?

 

“只有产品质量足够可靠,后期运行中才会充分体现其经济性。”国家“千人计划”专家、金风科技总工程师翟恩地认为,可靠性是海上风电的立足之本,风电机组设计之初不能只考虑质保期内出现的可能情况,还必须考虑机组全生命周期内的运维次数和大部件更换可能性,并可以此倒推项目建完后的盈利水平。因此,金风科技坚定不移地要把风电机组质量做好,并斥巨资在江苏大丰专门设立了机组试验中心,以此提高产品的可靠性。

 

金风科技位于江苏大丰的机组实验平台.png

↑ 金风科技位于江苏大丰的机组实验平台

 

自发展初期,金风科技就确定了永磁直驱的技术路线。近二十年的探索与坚持,让金风科技在陆上积累了两万余台机组运行的成熟经验。从海上风电的发展趋势来看,大容量、大风轮直径、永磁直驱技术路线已得到各厂商的普遍认同,“实践证明,永磁直驱技术这条路线是海上风电发展的正确方向。”翟恩地补充道。

 

相关测算显示,由于永磁直驱技术减少了传动链,特别适合海上的复杂环境,机组可靠性比其他技术路线提升20%以上,发电量可以提高3%~5%。

 

不仅如此,金风科技还率先提出了机组“免维护”的理念,即相关新机型可靠性将达到一年免维护的水平。“目前海上风电机组的关键部位,诸如叶片、电机、轴承等如果发生损坏,更换的成本一次就至少需要800万元,成本实在太高。”相关负责人介绍说。

 

为此,金风科技建立了专门的海上质量管控标准和体系,实现对关键工序和关键零部件的全过程质量管控,严把供货商产品质量关。记者了解到,此前,金风科技已经建立了较完备的零部件供应商体系和评价标准,并将供货商分为A、B、C 三级。针对海上风电产品,金风科技明确提出,零部件必须由A级,即产品质量控制最好的企业供货,产品一律采用优等品(不允许产品有一处缺陷),保证产品质量最优。

 

为了让供应商切实了解海上风电的复杂性和特殊性,金风科技多次组织零部件供应商召开专题研讨会,针对提升零部件质量进行深度交流探讨。并组织相关企业负责人和管理人员深入金风科技海上项目现场,亲自体验海上作业的艰辛。多数供应商均表示对提升机组零部件质量及可靠性有了更清晰的认识,将全力支持并高度重视金风科技的海上项目。

 

不仅如此,产品设计伊始,金风科技的研发团队还着重进行了冗余设计,保证产品的一个部件发生损坏,不会影响设备正常运转。“目前金风科技围绕新产品设计了两套电机绕组,确保一套出了问题,另一套可以替代工作,功率模块也备份了两组,并可以实现远距离检测和遥控动作。”相关产品设计师透露,下一步,“免维护”将能够实现机组故障的自诊断、自修复,并配备工业机器人进行相关操作。

 

金风科技位于北京的全球监控中心.png

↑ 金风科技位于北京的全球监控中心

 

近年来,金风科技积极推动大数据、物联网等信息技术的应用,并打造了国内领先的风电数据库系统及大数据分析处理平台,正为金风科技全球超过近2.7万台机组、近千座风电场提供技术支持,而未来的海上风电机组也将全面应用这些技术。

 

通过这些新技术的应用,每台机组像人一样有了“神经系统”,而作为“中枢神经”的中心控制系统可以随时了解每台机组的“喜怒哀乐”,最终目的是提高发电效率和降低成本,给客户带来价值和高收益回报。

 

“ 当前,互联网对整个行业的影响非常大,有人说互联网注重客户体验,质量不是最重要的,我不太认同这个观点,我认为质量永远都是能给客户带来最好体验的关键要素。一方面,我们要苦练内功,把产品质量做好。另一方面要充分利用互联网带来的变化,提高可再生能源的使用效率。”武钢此前在接受媒体采访时明确表达了他的看法。

 

 

探寻市场化开发新路径

 

我国拥有近18000公里的海岸线,可利用海域面积300多万平方公里,海上风能资源十分丰富。国家能源主管部门明确提出,加快海上风电项目建设,对促进沿海地区治理大气雾霾、调整能源结构和转变经济发展方式具有重要意义,先后出台了《全国海上风电开发建设方案(2014-2016)》《海上风电开发建设管理办法》等文件,支持开发海上风电。

 

根据“ 十三五” 规划的相关要求, 到2020年,全国海上风电开工建设规模将达到1000 万千瓦,力争累计并网容量达到500万千瓦以上。

 

国家能源局相关负责人曾公开表示,“十二五”规划提出的500万千瓦海上风电发展目标没有实现,已经说明海上风电的实施难度。“十三五”海上风电发展的政策思路是积极稳妥推进,绝不催熟。这也需要企业明确思路,找到症结,推动海上风电进入快速发展轨道,形成健康完善的产业体系,为未来发展打下基础。

 

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↑ 金风科技近海风电项目

 

“‘十二五’期间,金风科技等企业通过相关项目的开展,增进了对海上风能资源特性和情况的了解,技术也有了长足的进步。”中国可再生能源学会风能专业委员会秘书长秦海岩认为,未来随着企业对研发投入的加大,机组研制、施工技术将逐步成熟,技术路线也将逐步统一,500万千瓦规划的实施将带动海上风电市场的发展,同时将开发成本降下来,从而保证“十四五”期间能够大规模发展海上风电。

 

对于全行业来讲,探索出一条适合我国海上风电开发的市场化机制,减少因项目驱动产生的开发风险是当前的一道新课题。

 

记者了解到,金风科技近年来在参与海外市场开发的过程中,也接触到了很多国外的新理念和做法。比如,国外项目竞标时,机组发电量都是由独立的第三方机构进行评估,而不同评估机构的标准和判断都有所区别,这就对企业产品提出了更高要求。此外,国外业主为减少项目开发的风险,会力推保险评估、银行融资等机构的介入,实现协同优化,加之相关完善的法律法规体系。“这都是目前国内风电开发所欠缺的。”吴凯强调说。

 

“ 我们希望并力推行业能够建立起相关的市场化机制,以减少项目开发的风险性,推动产业快速健康发展。”吴凯表示,“金风科技是行业内为数不多的长期预备质量拨备的企业,可以承担任何由产品本身或不可抗力带来的风险。”

 

价格将是决定海上风电能否市场化发展的关键性因素,国家为扶持其发展,对近海风电项目确定了0.85元/千瓦时的上网电价,但早日实现平价上网则是行业企业的追求目标。

 

2015年,江苏大丰港,金风科技首台6MW海上样机成功吊装。2016年7月实现满发后,始终保持良好的运行状况.png

↑ 2015年,江苏大丰港,金风科技首台6MW海上样机成功吊装。2016年7月实现满发后,始终保持良好的运行状况

 

“目前,在海上风电项目的成本结构中,机组占整个项目成本的35%左右,塔架基础和安装成本分别占25%和10%左右,其他(含升压站、海缆、陆上集控中心、项目管理等)占30%左右。”翟恩地告诉《风能》杂志记者,未来要使海上风电有竞争力,产品的技术进步和规模化开发会推动成本的快速下降。机组研发和商业化正朝着大容量方向迈进,金风科技2015年已研制出6兆瓦海上风电样机,并在江苏大丰进行了近两年的测试,运行表现非常不错。我国也正在重点研究8MW~10MW陆/海上风电机组关键技术。未来随着大容量机组投入市场,在风电场总容量一定的情况下,所需安装的机组台数会减少,使得塔架基础和安装的造价都会降低,并且运维成本也会下降,进而推动整个风电场成本的下降。且随着开发日益走向深海,机组的利用效率可获得大幅提升,经济性优势将愈加明显。

 

中国可再生能源学会风能专业委员会的数据也显示,2016年我国海上风电规划和建设速度明显加速,全年海上风电新增装机(吊装量)154台,容量达59万千瓦,比上年增长64%,为历年之最;累计装机量达163万千瓦,已居全球第三位。

 

 

个性化解决方案的实践

 

我国漫长的海岸线使得各地区风能资源和海况各有特点,总体可分为三类:江苏以北地区90米高度处的平均风速7米/秒左右,被认为是Ⅲ类风资源区,机组冬季还将面临覆冰的挑战;浙江、广东等地为Ⅱ类风资源区,平均风速超过7米/秒,但在夏季,台风等自然灾害易发;福建地区的平均风速可达9米/秒,被认为是Ⅰ类风资源区,但海床多为岩石,基础施工难度较大。

 

“不同地区自然特征不同,这就要求整机企业必须提供个性化、定制化的解决方案。”翟恩地认为,综合已开展的项目经验,福建地区的机组年利用小时数可达3500~4000小时,但施工造价较北方地区略高。江苏地区的机组年利用小时数可达2500~2700小时,造价成本约为陆上机组的两倍左右。

 

据了解,金风科技将携带新一代GW6.X海上平台及整体解决方案亮相今年10月举行的2017 北京国际风能大会暨展览会,其中一款名为6.45-171的海上风电机组将被重点推出。“这款机组继承了金风科技产品的优良‘基因’,继续采用成熟的永磁直驱外转子技术,在一年多的试验周期内,上百位研发人员进行了200多项的实验验证,保障零部件、单系统、系统联合及整机等全方位最优。为了适应不同的海况,还配置了154米、164米不同规格的风轮直径,可以在不同风区状况下稳定运行。”陈小海介绍说。 “从研发初期我们就遵循着整机产品一体化设计、塔架基础一体化设计、运输安装一体化设计、运行维护一体化设计的四个一体化设计理念,提升产品的可靠性和稳定性,最大化降低全生命周期的投资成本。”陈小海告诉记者,比如6.X-171机型单桩基础一体化设计解决方案能够使得机型与单桩基础实现更好协调,缩短了安装时间,并使得风能可利用率更高,实现业主在江苏及其以北地区发电收益的最大化。

 

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↑ 金风科技海上风电项目吊装现场

 

据悉,在海上风电一体化运维解决方案中,金风科技一方面通过开发海上风电场专用运维设备,如:应急生存舱、机组部件维护工装、基础平台吊机、风电专用双体运维船舶等提高人员和物资的可达性,从而提升运维效率。另一方面通过开发海上运维调度管理软件系统,将故障维护、定检维护、预警维护等作业有机结合,根据水文气象预报、交通、人员、备件及工具、机组运行状态信息进行智能分析,自动生成并发送运维工单,同时对当天出海任务进行智能监控,从而实现海上风电场的故障维护向预警性维护、预防性维护过渡,有效降低运维成本,提高业主发电量,提升风电场发电收益。

 

对于金风科技来讲,海上风电开发带来的挑战,就好比马拉松跑到30公里,达到生理极限的时候,既是挑战自身综合素质和意志力的阶段,也是与竞争对手拉开距离,追赶前方的关键时刻。突破海上风电产品的关键技术,实现中国在风电高端制造行业的全球引领,这也是金风人的使命,他们将坚定不移地跑下去。

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