中車株洲所將首款海上風電機組的研發代號命名為“長征”，寓意其已踏上新的遠征之路，過程雖艱辛，意義卻偉大，且一定會走向勝利。
2023年1月，當中車株洲電力機車研究所有限公司（下稱“中車株洲所”）總經理劉可安在中國中車首臺海上風電樣機——“海平面一號”現場調研時，一位業主的現場工作人員表示：“這臺機組運行情況良好，大大超出了我們的預期。”
樣機的運行數據證實了這一點。2023年1—3月，除進行機組測試工作所需的主動停機外，設備平均可利用率超過99%。
這臺單機容量為10MW的海上風電樣機的投運，對中車株洲所在風電領域的布局至關重要，意味著其實現了三項重大市場與技術突破：風電整機業務從陸上延伸至海上；整機技術路線從雙饋延伸至半直驅；樣機額定功率創下所在省份的新紀錄。
“‘唯實、尊重、創新、成事’是中車株洲所的企業文化，尤其是第四個詞，要求我們必須有一顆以‘成事’為目標的心。”中車株洲所風電事業部副總經理兼總工程師王靛對《風能》表示：“在樣機研發過程中，大家曾遇到過無數困難和壓力，但我們沒有打退堂鼓，一定要把這件事做成了才行。星光不負追夢人，通過研發團隊夜以繼日的奮斗，這款承載著中車株洲所‘新’能源夢想的產品如期面世。”
謀定后動，開啟海上長征
中車株洲所10MW海上風電樣機從立項到并網發電，歷時僅15個月，這還是受到了新冠肺炎疫情的影響。特別是，機組送電后15分鐘內完成并網，1個小時內實現全自動正常運行，令海上風電項目工程建設與開發經驗豐富的業主頗感驚訝。在王靛看來，機組研發與投運過程的順利進行，與前期中車株洲所對海上風電市場與產品的反復論證、供應鏈交流、技術儲備等工作的充分準備息息相關。
在中國中車各級領導的支持下，中車株洲所風電事業部的技術與市場團隊開展了充分討論，一致認為2021年是進入海上風電領域的最后窗口期。
一方面，2021年處于海上風電“搶裝”的關鍵時期，市場的注意力集中在第二代海上風電機組交付上，專攻海上風電平價市場的產品尚未在市場中出現，這給中車株洲所研發此類產品創造了機會。另一方面，中車株洲所在陸上風電的業績持續提升，使其有能力及動力涉足海上風電。海上風電機組代表著一家企業的綜合技術實力，在研發過程中能夠為技術團隊提供加深理解與提升風電技術水平的空間，進而可以反哺陸上風電產品研發能力。
“中國中車與中車株洲所的各級領導都在為我們鼓勁。”王靛回憶說：“同時，技術人員都是有情懷的，挑戰未知是他們的天性。海上風電市場容量巨大，競爭格局未定，市場板塊也在呼喚。如果不能在海上風電板塊推出產品，我們可能會抱憾終身。”
經過充分的市場調研與分析，在一次內部務虛會上，中車株洲所各級領導聽取了關于推動研發海上風電機組的報告，并給予了肯定。這份報告名為《株洲所的“新”能源》，寓意海上風電必將成為中車株洲所繼陸上風電等能源業務后的新生力量。王靛在報告中給出了一系列形象的比喻，將定槳距風電機組比作蒸汽機車，將陸上常規風電機組比作電力機車，將海上固定式風電機組比作高鐵，將漂浮式風電機組比作中國中車在研的磁懸浮高速列車。
隨后，海上風電機組研發被立項為中車株洲所最重要的課題之一，代號“長征”。“一是因為我們的海上風電產品屬于剛起步狀態，二是因為這個過程艱苦而偉大，三是它最終一定會走向勝利。”王靛解釋道。
“因此，做貼合實際市場需求的產品，對中車株洲所海上風電產品規劃非常重要，我們不會去做‘PPT機型’，而是推出能夠實現業主利益最大化的產品。”王靛坦言。
雙重優勢，再鑄高鐵品質
中車株洲所將科技引領的“小夢想”融入國家綠色發展的“大夢想”，將軌道交通的關鍵核心技術平移應用于風電領域。通過中車株洲所強大的關鍵核心技術創新能力，為海上風電的科技創新發展注入了動力，為碳達峰碳中和目標的實現貢獻著“中車智慧”。
自2006年進入風電裝備整機制造領域以來，中車株洲所風電產業已形成從芯片、器件、部件到整機，從制造到運維的完整產業鏈。在海上風電領域，中車株洲所與海上風電供應鏈的業務已開展數十年，積累了極為豐富的經驗，并構成了強大的供應鏈支撐體系，為其海上風電整機的研發設計提供了強有力的支持。
“中國中車風電產業鏈齊全度是全球最強的，沒有之一。在整機之外，葉片、發電機、變流器、齒輪箱、變槳系統、主控系統、彈性支撐、各類控制柜與塔筒，中國中車內部都有相應的企業與業務在開展，而且在關鍵零部件方面都走在前列。”王靛認為：“在器件層面，2022年我國陸上風電變流器中，有三分之一使用了中車株洲所供應的IGBT。”
即便擁有強大的內部供應商，為了通過良性競爭促進產品質量提升，中車株洲所在海上風電機組的供應鏈建設上，仍對外部零部件龍頭企業持開放合作的態度。尤其是在變流器、齒輪箱、變槳系統等關鍵零部件上，引入了一系列戰略合作伙伴，形成了內部與外部龍頭企業相結合的供應鏈架構。
“基于質量體系的要求，中車株洲所的供應商門檻是很高的，但在成功引用合作后，會建立戰略合作關系，保障長期合作，通過聯合開發，一起想辦法提高產品競爭力。”王靛表示。
全面強大的供應鏈在生產交付上給中車株洲所風電整機業務帶來了有力支撐，更在新產品研發層面為整機業務賦予了競爭力。在王靛看來，“如果沒有供應商伙伴們的幫助，首臺海上風電樣機迅速完成開發和并網便是癡人說夢。”
例如，在這臺樣機上，中車株洲所第一次采用了碳纖維葉片，其設計與制造過程是與時代新材反復溝通與迭代完成的，而后者擁有豐富的海上風電葉片開發與制造經驗。這款樣機還首次采用了半直驅技術路線，其傳動鏈中發電機與齒輪箱的組合調試試驗，則得到了南高齒的大力支持。在單樁基礎與塔筒的一體化設計上，中車株洲所又與設計院聯合完成，中車株洲所從伙伴身上學習到很多寶貴的經驗。
強大的風電供應鏈體系給中車株洲所帶來了海上風電的市場優勢，源于軌道交通的高可靠性基因同樣延續到了中車株洲所的海上風電產品中。“中車株洲所在現有質量與可靠性管理體系的基礎上，根據風電特點進行了差異化調整。在材料、器件、算法、網絡、控制等基礎研發、試驗驗證方面，最大化借用了既有技術和試驗驗證平臺，充分利用軌道交通關于海拔、溫度、濕度、鹽堿度、密封性等環境適應性及不同環境下的可靠性，通信、控制、電磁兼容等應用方面的研究技術及試驗驗證標準與技術。”中車株洲所風電事業部副總經理陳長春表示，“此外，技術質量專家定期會對風電裝備技術、實物、管理體系提出改進建議，并將深海其他產業技術及應用經驗平移過來。”
海上風電運維窗口期更短，成本比陸上風電更高，壽命周期多出5年，使海上風電機組供應鏈對設計余量與安全系數要求更高。然而，“國補”取消后，海上風電市場價格競爭逐漸加劇。
“為了兼顧產品競爭力及質量與可靠性，我們一是堅持推行質量與可靠性系統工程管理理念，通過‘一次把事情做對’，降低產品生命周期成本；二是大力推動行業間協同、仿真驗證與失誤驗證協同、供應鏈協同等，減少重復投入；三是做實智能運維，做好計劃與預測性維護，深度挖掘數據價值，優化前端產品和過程。”陳長春介紹說。
匠心匠造，贏得客戶青睞
為了提升首款海上風電機組的產品競爭力，中車株洲所通過在技術路線、產品平臺、解決方案三個層面推動技術創新，將其打造成直面平價時代的第三代海上風電整機產品。
“技術路線的選擇非常重要，必須慎重。陸上風電產品，我們堅持走高速雙饋的技術路線。海上風電機組的單機容量增加后，我們經整體評估后認為，半直驅路線的系統可靠性與成本可控性更優，現階段在海上風電產品上選擇半直驅更合理。”王靛認為。
據了解，目前主要的半直驅技術路線有三類，包括帶聯軸器的半直驅機組、超緊湊機組、全集成機組。中車株洲所選擇了全集成路線。
事實上，半直驅技術路線間的最大差異存在于傳動鏈上，而傳動鏈的優化主要來自于軸承和低速軸聯軸器。中車株洲所采用的齒輪箱為三級行星結構。其中，第一級行星架軸承與前面的主軸軸承合二為一，第三級行星架軸承與后面的發電機軸承合二為一。這樣做，不但縮短了傳動鏈，還減少了前后機架的長度，使10MW機組的機艙長度與陸上3MW雙饋機組的機艙長度相當。此外，由于風輪-主軸-齒輪箱-發電機之間形成了純剛性連接，在旋轉方向上是一條直線，傳動鏈無需對中，運行時傳動鏈的左右振動很小，不再需要傳動鏈系統與前機架之間的彈性支撐。
當然，這樣的全集成結構會面臨一些新的技術挑戰。比如，發電機作為一個電氣部件，如果不加處理，從變流器而來的軸電流諧波會經過齒輪箱機械部件的間隙，造成軸承的電腐蝕。“我們針對這個挑戰同時采用了‘堵’與‘疏’兩條策略：在齒輪箱與發電機的核心軸電流通道上加絕緣材料，堵住軸電流通路；在發電機尾部增加特殊復合材料制成的導電刷，將有害電流疏導出去。最終，很好地解決了這一挑戰。”中車株洲所風電事業部技術中心副主任兼海上產品項目經理王磊表示。
中車株洲所首臺海上風電樣機單機容量為10MW，其平臺可覆蓋8~12MW功率等級。一方面，平臺化設計可以提升產品定制化效率，確保不同海域項目的收益率最高。例如，在山東、廣西等風速較小的海域，可以采用8～8.5MW機型；在江蘇、浙江等中等風速的海域，可以采用10～12MW機型。另一方面，平臺化設計還能進一步優化產品研發與采購的成本。
據王磊介紹，這款平臺化產品在關鍵接口上保持了一致性。針對發電機，可根據容量需求不同，利用線圈寬度方向上的預留空間，調整線圈寬度，實現功率的上下浮動；針對齒輪箱，可以對齒寬進行細微調整，實現齒輪箱功率的上下浮動，從而使該平臺的發電機和齒輪箱保持通用。
除傳動鏈外，葉片解決方案的選取對整機優化設計同樣會起到關鍵作用。相較于陸上風電，海上風電項目的單位千瓦造價更高，而海上風電整機成本在總造價中的占比相對更低。這意味著，對于海上風電機組的設計，如果過于偏重機組自身的單位千瓦成本，與降低整個項目的度電成本很可能是背道而馳的。據介紹，中車株洲所8～12MW海上風電機型的葉片設計目標為追求高發電量，實現可控范圍內的性能更優。葉片采用了大實度低尖速比方案，在保證葉片性能的前提下，盡量控制整機載荷與葉片成本，比如采用單邊碳纖維大梁對葉片進行減重。
據了解，這款平臺產品搭載了雙柜變流器方案，即10MW風電機組的變流器由2個5MW的變流器組成。如果其中某個變流器發生故障，另一個仍能繼續工作，風電機組可以自動限功率至5MW運行。需要提及的是，由于大功率電抗、模塊的選材成本較高，綜合機艙布局帶來的附加成本變化，考慮系統成本后，雙柜5MW變流器比單柜10MW變流器在成本上更有優勢，尤其是在機組功率等級進一步提升后。
“此外，由于海上風電機組單機容量較大，箱變上移后可借助機艙的水冷散熱系統散熱，比在塔筒外面布置散熱風扇效率高、成本低。”王磊談道：“更重要的是，箱變上移后，從機艙去往塔底的電纜電壓等級從1140V升到35kV，只需一根電纜就可以。相比非箱變上移機組的18~24根電纜而言，塔筒電纜的成本可以明顯降低。”
上述幾個維度的優化措施，使中車株洲所的這款平臺化產品具備了較強的市場競爭力，并迅速得到市場的“青睞”。4月24日，國電投2023年度第六批集中招標山東海衛半島南U場址45萬千瓦海上風電項目公布了風電機組設備采購中標信息。其中，中車株洲所以“黑馬”之姿成為第一標段中標候選人。
“通過‘海平面一號’，中車株洲所完成了海上風電從‘0’到‘1’的突破。隨著批量交付訂單的獲取，我們將進一步實現從‘1’到‘N’的突破。”王靛坦言：“未來，海上風電市場的激烈競爭山雨欲來，我們必須做好充足準備，并加快步伐。”
作者：
評論