走近大国工程丨热电厂的超级“大风车”
探访全球首台商业化应用18兆瓦风电机组
中央纪委国家监委网站 乔子轩 通讯员 杨东生 张茜
全球首台商业化应用18兆瓦风电机组坐落于华能东北分公司仙人岛热电厂厂区内。
超级“大风车”风轮局部。
工作人员检查电机运行情况。
工作人员查看风向和风机转向匹配情况。
华能东北分公司仙人岛热电厂将新能源和传统能源相结合，形成风电、光伏发电、火电等一体化格局。图为厂区房顶上排列着光伏板。（中国华能集团有限公司供图）
辽宁省营口仙人岛经济开发区三面环海，风景优美，拥有“余晖洒金”“兔岛怒潮”等著名景观。由于得天独厚的风能资源，当地近年来新增又一景观——“风车林立”。
日前，全球已投运单机容量最大的风电机组，也是全球首台商业化应用的18兆瓦风电机组在这里落户。
这台坐落在华能东北分公司仙人岛热电厂的超级“大风车”创造了风轮直径260米、单机功率18兆瓦“两个全球第一”的纪录。目前这台风电机组已发电投运，在满发风速下，一年可发电7400万度，满足4万户家庭年用电需求。
它为何具有如此强大的发电能力？为什么它被建在热电厂，而不是风电场？让我们一同探访。
每个叶片长达126米，风轮直径达260米，扫风面积相当于7.5个标准足球场
随着全球对可再生能源需求的增长，风电市场持续扩大，为行业发展提供了广阔空间。风电产业要降低成本、规模化发展，对风电机组大型化、轻量化、高可靠性提出了更高要求。
1981年，全球最大功率风力发电机的功率仅为55千瓦，直到1999年全球风电机组的额定发电功率才突破2兆瓦。之后，便一路攀升，从5兆瓦、8兆瓦，到10兆瓦、15兆瓦。目前，这种大型化发展趋势还没有放缓迹象。
那么，大型风力发电机的功率是如何不断增长的？一个关键的答案就藏在不断变长的叶片中。
记者了解到，风力发电机的发电功率与叶片旋转扫过的圆盘面积直接相关，更大的叶片意味着旋转时更大的扫风面积，从而能产生更多电力。
还未靠近华能东北分公司仙人岛热电厂，远远便会看到蔚蓝的天幕下那台超级“大风车”。近距离仰望，它挺拔的躯干直插苍穹，超长的叶片划破长空，巨大的风轮旋转着，传来阵阵呼啸。
与仙人岛其它“风车”相比，它真的是个大块头。
华能东北分公司仙人岛热电厂有关负责人介绍，它的主机底部周长超过28米，大约需要十几个成年人手拉手才能合围；顶部轮毂中心高度超过145米，加上驱动时叶片所能达到的高度，整体高达270米，大概90层楼那么高。
它的每个叶片长度都为126米，由三个叶片组成的风轮直径达260米，扫风面积可达5.3万平方米，相当于7.5个标准足球场大小。
在复杂海洋环境下，如何满足126米超长柔性叶片高效气动与载荷优化控制需求，怎样解决原材料难题？
研发团队通过气动、结构、材料等多学科深度交叉融合，突破叶片气动效率低、国产原材料性能不稳定、成型工艺复杂等关键技术，解决了大风轮直径风电机组系统设计参数高效匹配与零部件载荷解耦的难题，在提高叶片强度和刚度的同时，降低了叶片的重量和成本，推动风能利用率和发电效率大幅提高。
除了更长的叶片，它还具有更大的发电机功率等。
它装配的是中车永济电机有限公司的20兆瓦海上半直驱永磁风力发电机。研发团队采用轻量化、模块化、集成化设计，通过对高性能电磁材料进行仿真分析及优化，提高了材料利用率，降低了部件生产过程中的二氧化碳排放量。而发电机与变流器、齿轮箱三者协同设计，使参数高度匹配，振动更小、噪声更低，对环境更“友好”。
高功率密度的设计，让这台超级“大风车”的发电效率比传统设计模式明显提高。风轮旋转一圈可发电44度，足够一般家庭用电一周。一年下来，相当于节约标煤约2.5万吨，减少二氧化碳排放约6.1万吨。
突破多项关键技术，核心部件国产化率高于99%，具有高可靠性、高安全性、高智能性
相比目前辽宁省在运行的8兆瓦风机机型，这台超级“大风车”每小时可发出18000度清洁电能，发电量提升125%。
“如此强大的性能，离不开它的‘最强大脑’——风电主机。”华能东北分公司仙人岛热电厂副总经理蒋立军说。
这台风电机组国产化率高达99%，除主轴承等极少零部件采用国外产品之外，其叶片、齿轮箱、发电机等核心部件均由中国企业设计生产。
在这台风电机组研制过程中，研发团队突破了高功率密度发电并网系统高效协同控制技术、大功率风力发电机结构集成和散热平衡、基于数字孪生的大型海上风电机组全生命周期智能运维技术等多项关键技术，并在大功率风力发电机整机和部件关键技术方面取得了多个新突破。整台风电机组在智能性、安全性、可靠性等方面都具有显著优势。
随着风电机组容量不断增大，发电机研发也面临越来越多挑战。
将发电机功率提升至超大级后，如何确保发电机不会因为电流过大而无法安全传输？研发团队采用了多套绕组设计。通过这种设计，可最大程度降低电机故障带来的发电量损失。
发电机功率提升后，随之而来的温升问题怎么解决？研发团队开发出一种集成型双路循环高效冷却结构，通过“水冷+空冷”的方式达到“温升低”的效果。
在电力传输过程中，谐波严重影响发电质量该怎么办？为减少风电机组的谐波含量，研发团队采用特殊槽型设计，通过优化转子磁极结构尺寸，来减少大功率电容、电感造成的振荡。
“我们设计风电产品的原则是必须要有高可靠性、高安全性，至少保证25年的使用寿命。”中船海装18兆瓦风电机组设计师李杨说。
为此，该风电机组通过新型轴电流抑制方案和先进的绝缘技术来适应较高的电压变化率和尖峰电压，并采用高强度的模块化磁极盒结构与没有缝隙的自粘冲片相结合来阻挡盐雾空气，这既提高了转子结构的可靠性和防腐能力，又解决了转子磁极装配难题。
高可靠性、高安全性的背后，还有高智能化。
该风电机组利用激光雷达测风、塔顶位移、叶根载荷监测、净空监测等多种智能监测系统，精准感知风电机组及风电场的风况、载荷、运行状态变化。同时，搭建具备人工智能控制算法的场级控制平台，实现风电机组状态高精度实时感知与预测，提升发电效率。
为最大程度减少突发故障及停机频次，该风电机组应用基于人工智能的PHM技术，采用多信息融合算法、典型故障特征提取方法、无线传感网应用等技术，实现在线监控、故障预测和“健康”管理。
未来，这台风电机组还将接入华能新能源智慧运维系统。该系统由中国华能自主开发建设，涵盖陆上风电、海上风电、光伏、储能等不同类型项目，为新能源全生命周期的过程管控提供数据支撑。
将新能源和传统能源结合，进一步改善地区能源结构，促进绿色低碳发展
在风电机组设计、研发、制造、装配等过程中，一个个关键技术的重大突破，一个个难题的解决，带动了风电叶片、齿轮箱、发电机、变流器等零部件的研发制造迈上新台阶，进而推动相关产业链迭代升级。
以仙人岛这台超级“大风车”为例。从风机主轴承到叶片再到发电机，它由上万个零部件组成，其顺利“诞生”离不开集群化的技术创新。仅发电机这一项，就有中国中车、中国华能等多家企业及研究机构参与研制。
而且，它虽身处陆地，却是为海上风电设计的。在其研发过程中，研发团队成功解决了我国大功率海上风电机组安全高效运行的共性技术难题。
与它相关的新平台、新装备和新工艺等系列研究成果，经应用、反馈和完善后，可有力提升海上大功率风电机组的设计研发和生产测试技术水平，实现科技进步、行业创新和资源节约，推动我国风电整体装备制造水平提高，引领风电行业产业升级，带来巨大社会效益、经济效益，产业化前景广阔。
这台超级“大风车”，既然是为海上风电设计的，为什么却建在陆地上，并且选址在热电厂？它的脚下，为何还有整整齐齐的光伏阵列？
记者了解到，项目方选择将其建在海边的辽宁营口，就是看中这里兼具海上风电和陆上风电的实验条件。将海上风电与陆上风电二者结合起来，可为未来我国在海陆结合地带建设超大风电机组作出有益探索。
“该风电机组安装在华能东北分公司仙人岛热电厂，便于进一步测试验证，为后续海上大功率风电机组批量化安装应用奠定坚实基础，降低海上风电场建造成本。同时，还能将新能源和传统能源相结合，形成风电、光伏发电、火电等一体化格局，从而进一步改善地区能源结构，促进绿色低碳发展，提高能源利用效率等。”蒋立军说。
当前，我国海上风电机组实现跨越式发展，单机容量世界领先。随着我国海上风电建设向深水远岸布局，将面临建设条件更复杂、施工难度更大等挑战，工程建设成本也将增加。而海上风电机组的大型化将有利于降低单位造价，是深远海海上风电发展的重要趋势。
中国企业新闻网摘编：亓淦玉 |
