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《风能》封面故事 | 远景海上破冰

2021-10-22 09:24:07 《风能》杂志   作者: 薛辰  

远景Model Y 平台首发的EN-200/7.0MW、EN-190/8.0MW两款机型,能否成为2022 年、2023年海上风电符合平价预期的里程碑?

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2021 年的海上风电,一边是锁定政策电价情境下的“抢装”,一边是去补贴焦虑伴生的平价预期,执着于海上风电的人们,渴望更深、更快的度电成本下降幅度。

大咖们预测,我国海上风电有望于2025年实现平价。笼统地说,是基于欧洲海上风电降本的幅度和我国陆上风电的降本逻辑,指望更大功率的海上风电机组,更期待时间带来技术进步。

然而,对于那些只争朝夕的“海上风电人”而言,2025年的平价是解不了近渴的“远水”,即便2022年的海上风电失去了“国补”,他们也要自主推进竞争态势下的项目开发进度,但难度超乎想象和认知。“面朝大海,2022年的海上风电不是春暖花开,而是冰霜到来。”一位海上风电开发企业的高管告诉《风能》,“我做梦都想海上风电平价破冰,梦做多了,我开始怀疑自己是不是得了强迫症。”

不过,如果这位高管看见整机企业的努力,就会相信2022年、2023年定会有海上风电平价破冰的机组矗立在某个海域,正如2010年横空出世的EN-87/1.5MW低风速智能风机一样,忽然就改变了中国风电的开发格局。

海上机组去哪儿

针对山东、广西等低风速近海浅水海域,及江苏等中低风速浅海海域,高电量是实现平价的关键因素。EN-200/7.0MW相比当前抢装的5.XMW级别机组,单位千瓦扫风面积提升了15%,同时机组带来风轮升高与尾流降低,可以综合提升电量15%。7m/s低风速场址整场满发平均可达3100小时,7.8m/s中低风速场址整场满发平均可达3700小时,度电成本根据行业整体走势乐观预期可降20%-30%。

一个40万千瓦近浅海低风速项目的开发团队研判EN-200/7.0MW机型及其应用场景后,认为近海范围平价可行性比较高,较大扫风面积的机型更有利于平价预期的达成。背后的逻辑也不难理解:更低风速下,更大的单位千瓦扫风面积是电量收益的基础保证,但是过大的风轮直径又会呈指数推高塔筒、基础重量和吊装等配套工程的造价,在当前技术水平下,论证的结果显示EN-200/7.0MW刚好在高电量与适当造价平衡点,是这个场景下收益相对突出的机型方案。

这种场景下的工程造价较低,但低造价绝不是低质量,工程价值链上的所有参与方是“命运共同体”,项目能做成大家才有得做,让利成就项目几乎是不二的选择。据上述团队运用工程模型推演,以广西海域平价线预测,除了塔筒、基础造价因为机型的选择显著下降之外,海缆、升压站、施工等维度都承担不同程度的成本降幅,平价的可实现性才有保障。

EN-200/7.0MW机型去广西、山东、江苏等海域,而EN-190/8.0MW机型最适用的则是广东和浙江的海域了。

由于受地质、水深及台风的影响,广东、浙江海域的塔基造价非常高,大功率机组是有效降低工程造价的直接手段。问题在于,海工设备的限制和台风机型工况载荷的不确定性导致大功率机组的风轮究竟大到何种尺寸能恰到好处,成为一个合情合理的科学问题。综合来看,在这两个省份的海域建设风电场,年平均风速低、离岸距离远的海域,短期内实现平价的难度还是比较大的。因此,这两个省份相对较高的风速或者离岸相对较近的海域成为平价首先可能实现的项目开发区域。

一台机组抗台风不是靠钢铁的强壮来死扛,而是需要更优、更主动的抗台风策略。道理很清楚,但怎么优化抗台策略,却是一连串的技术升级、载荷优化、材料优化、结构优化的诉求,每个环节的背后代表着相当的投入和相应的收获。远景Model Y 平台的EN-190/8.0MW机型,在优化抗台风策略后,可以做到安全且更经济。

针对广东、浙江等中风速、中等水深造价的海域,EN-190/8.0MW相比当前抢装的5.XMW级别机组,在接近的电量水平下,单机容量提升54%,40万容量场址可以减少机位数量23台,结合远景先进载荷优化最优塔基造价,综合BOP预期可同比降低40%,度电成本根据行业整体走势乐观预期可降30%-40%。这组数据背后的道理其实不难理解,大直径风轮在高极限风下载荷增加显著,因此,如果更大的风轮不能获取足够的电量来补充高极限风给其带来的基础塔筒造价的增加,那么就失去了追求更大风轮直径的意义。同时值得注意的是,更大的风轮必须要用更高的塔筒来配套,而更高的塔筒由高极限风所导致的造价增加是更加难以承受的。开发团队反复论证的结果显示,EN-190/8.0MW是这个场景下最优的机型方案。

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Model Y背后的产品逻辑

一样的Model,不一样的Model Y。特斯拉Model Y是电动汽车,一个在道路上行走的交通工具。远景Model Y平台上的机组,则是一个在空中捕获风能发送绿色电力的大机器。

从潮间带到近海,再到远海,单机功率从1.5MW到4MW,再到5.XMW,历经10年海上风电度电成本持续突破的实践,最高规划搭载12MW功率等级的远景Model Y平台低调地成为海上风电平价之路的标志牌,“战略定力下的坚持和持续”是其最牢固的内核。

这就不难理解,远景通过Model Y平台的前瞻性规划,兼顾当前供应链和技术的成熟度,递进开发符合海域场景的风电机组产品,一款款机型一步步破冰前行,像根基一样支撑2022年、2023年海上风电可见的平价预期图景。

Model Y平台究竟有没有这般能耐?这是一个可以从“技术先进性、供应链可获得性和整体可靠性”三个方面来回答的问题,既是参考答案,也是看清海上风电机组产品的角度。

关于技术先进性,度电成本的领先度,是Model Y技术先进性的表征,而先进技术的核心则需要先进的架构思想和数字化工具来支撑,这两点远景都已经做到了。

比如大叶片,早在3年前,远景叶片团队的研究发现,在叶片处于最优叶尖速比时,自由涡方法可以避免传统的BEM理论预测失效问题,获得更准确的最优功率系数和最优叶尖速比。3年的持续自研叶片设计与制造,终于验证做实叶片效率的突破:叶片最佳捕获段的气动效率提升5%以上的同时,能确保整体承载边界提升10%。

自2011年变频器自研成功后,远景对核心部件的自主研发十年孜孜不倦,因为“梦想+”汇聚到Model Y平台的世界顶级专家,在我国不遗余力地解决掉海上大功率叶片、主轴承、发电机、齿轮箱等核心部件的设计和制造瓶颈,EN-200/7.0MW、EN-190/8.0MW下海水到渠成。

关于供应链可获得性,远景坦言,正是基于供应链可获得性的考虑,远景才审慎将EN 200/7.0MW、EN-190/8.0MW 两款海上机型在这个时间点投放市场,一款机型为一个海域而生,海上风电步步稳行。

强大的自研体系也支撑了EN-200/7.0MW、EN-190/8.0MW这对“伽利略兄弟”的整体可靠性。

对机组产品而言,可靠性不仅要看整机设计可靠性,更要看部件级、系统级台架测试,及整体运行测试结果。其中,系统级的台架测试最能体现一家整机企业对机组运行生态与能力边界的认知程度,这是技术硬实力的体现,也是远景投入巨资打造业内最先进的整机系统级测试标杆的初衷。

前来调研EN-200/7.0MW和EN-190/8.0MW机型的开发企业团队,特别研究了这两款机型的大部件在远景江阴测试中心的多层级立体性验证情况,设计安全边界和冗余都有充分的数据支撑。远景江阴测试中心是一个复合测试验证系统,也就是高保真测试验证平台、机组健康感知运行系统和深度测量机群三大支撑,逐步达成部件子系统、整机系统“数字模型与物理实体”的一致性,用测试验证持续外推海上机组运行机理认知边界,解决具体的质量和安全问题。

下海以后,每台伽利略风机都有数字孪生模型,实体机组运行被完全透明化,可靠性状况就摆在运行端,一切与可靠性相关的数据和行为皆在掌控中,运行可靠性成为真正看得见的可靠。

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自带安装和运维降本功能

与革新硅料工艺、硅片技术就可以大幅度降低度电成本的光伏产品相比,风电机组因其巨大旋转机械结构和动力系统的固有属性,涉及空气动力、结构动力、仿真、电力电子、电气传动、控制技术、人工智能、新材料等前沿和交叉学科,技术进步的难度要高得多。风电度电成本的下探“密码”潜伏于整条的价值链中,发现和发掘降本价值是所有参与者的责任,毕竟海上风电度电成本尽早达到与燃煤发电标杆上网电价平价是风能人共同的目标。

可以说,远景Model Y平台出产的机组都具备安装和运维降本功能。这源于Model Y极致模块化的特性,真正做到系统与系统之间、部件与部件之间接口分明且互不干扰,赋予机组产品超强的工程灵活性,实现主机的整体、半整体、局部组装等丰富的组合装配方式,加上各种先进工装吊具的应用,可以产生最优的发运、组装、出海、吊装工程路径和效率,直接节省安装工程项目成本。

这也彰显了远景海上风电机组高效交付和供应链资源整合能力。9月3日,江苏启东80万千瓦海上风电场在建项目,远景率先完成EN-161/5.2MW海上智能风机全部吊装。基于塔筒平台预组装模式和新型扁担梁吊具工艺技术,提升安装综合效率30%,为率先完成吊装任务提供可靠的技术支撑。

关注海上风电运维的开发企业会发现,Model Y平台EN-200/7.0MW和EN-190/8.0MW机型的工程灵活性及创新吊具,也为后期的风电场运维降本提供了技术支持。比如大部件运维,远景自主研制的海上风电机组大部件更换设备“悟空”,实现了不借助传统风电安装支腿船,仅使用自研吊装设备和普通平板拖船,即可在海上更换机舱内大部件,不但其单次作业综合成本较传统方案能降低35%以上,还大大提升了运维效率。

显然,海上风电场快速运维为风电场多发电赢得了时间。在多发电诉求上,EN-200/7.0MW和EN-190/8.0MW机型可以借助伽利略系统数字孪生和网络智能技术,在不改变机组物理状态的情况下,使其使用寿命突破目前的25 年时限,在更长运行生命周期内实现发电效率最优,持续推低度电成本;在确保机组使用寿命的基础上,基于其实时疲劳损伤和寿命估计模型,科学合理“消费和呵护”疲劳寿命,延长机组使用寿命,通过增值进而降低度电成本。

据模型预测,基于伽利略系统运行的EN-200/7.0MW和EN-190/8.0MW“伽利略兄弟”,在适用的海域场址,一座40万千瓦的风电场在其全寿命周期内可实现3%的发电量提升。




责任编辑: 李颖

标签: 海上风电 Model Y平台

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