6月29日,在江蘇省如東縣海岸線約30公里的海面上,隨著最后一臺風機葉輪與機艙輪轂精準對接,華能盛東如東H3海上風電項目(以下簡稱盛東如東項目)80臺5兆瓦風電機組全部安裝完成。華能江蘇清潔能源分公司(以下簡稱華能江蘇清能分公司)如東海上項目經理馬強介紹,這標志著華能如東海上風電場全部完成建設,總裝機容量達70萬千瓦,規模為目前國內最大。
華能盛東如東H3海上風電項目全面完成建設。
預計7月底全部發電并網
預計年發電量為17.5億千瓦時,每年可減少二氧化碳排放超146萬噸。其中一臺5兆瓦風電機組,實現一級部件100%國產,所有元器件級零件國產化率超過95%。
據悉,華能如東海上風電是目前國內集中連片開發,規模最大、國產化程度最高的海上風電場,首期工程已經于2017年9月建設完成。
此次完成建設的盛東如東項目,是華能如東海上風電項目的二期工程,于2019年3月開工建設,安裝80臺發電機組,總裝機容量為40萬千瓦。
“目前已經有46臺發電機組并網發電,計劃今年7月底全容量并網。”馬強說,盛東如東項目建成投運后,年上網電量為10.28億千瓦時,可滿足約50萬戶家庭年用電量,與同等規模燃煤電廠相比,每年節約標煤約28萬噸、節約淡水約111萬立方米、減排二氧化碳約77萬噸,節能減排效益顯著。
華能江蘇清能分公司負責科技的相關人士介紹,此次建成的盛東如東項目是國內第一個批量化、規模化應用5兆瓦級國產機組的海上風電場,也是目前國內國產化程度最高的海上風電場,其安裝的HZ-171-5兆瓦機組實現一級部件100%國產,所有元器件級零件國產化率超過95%。“它的建成投運對于助力碳中和、碳達峰目標實現,打破國外的技術壟斷和封鎖,實現海上風電全產業鏈國產化和海上風電平價化具有重要意義。”
華能盛東如東H3海上風電項目全面完成建設
葉片、主軸承等核心關鍵部件國產化
據介紹,在盛東如東項目中,華能集團依托華能清潔能源技術研究院(以下簡稱“華能清能院”),聯合中國海裝等多家技術單位共同開展國產化機組研制生產工作,并在一臺5兆瓦大容量海上風電機組上,實現了大型海上風電機組葉片、主軸承、齒輪箱軸承、主控PLC、變流器IGBT等一系列核心關鍵部件國產化。
葉片,是風電機組的重要部件,如同風電機組的心臟,是風電機組發電的動力來源。在HZ-171-5兆瓦機組中,葉片的主梁碳纖維進行了國產化替代。
“國產化機組所配備的WB171葉片長達83.6米,在5兆瓦這個級別上是國內最長,研制難度可想而知。”華能集團科技部專責葉昭良說。
“項目組第一次采用國產的碳纖維織物材料,碳布的編織方式與國外不同,編織方式不僅影響碳布的性能,還可能影響真空灌注的效果,對我們現有的工藝路線是嚴峻的考驗。”洛陽雙瑞風電葉片公司副總經理馮威說,項目組深入研究方案,葉片制造中應用了自動化鋪設技術,減少了碳布鋪設中的人為操作失誤影響,降低了鋪層褶皺和灌注缺陷的風險。同時,精確控制編織工藝,針對國產碳纖維的特性,定制化開發工藝手段,降低了纖維磨損,使纖維排布更加均勻,更好地保證了材料性能。
主軸承,國產化風電機組的另一個核心部件,它如同風電機組的關節,將葉片所產生的動力傳遞至發電機,對風電機組的可靠發電至關重要。此前,大兆瓦風電機組主軸承均為國外廠家所壟斷,制約了大兆瓦海上風電機組的快速發展。
“這次制造的主軸承外徑達到3200毫米,數國產風電主軸承之最,設計制造難度高。”中國海裝工程師肖長遠說。
“之前從來沒有生產過這么大型的風電機組主軸承,這對我們的設計、加工、熱處理能力以及材料性能都是極大的考驗。”洛陽新強聯研發部長胡占圈說,項目組聯合相關單位,共同推進現有軸承鋼材的改進,最終,軸承材料的淬透性及低溫性能有明顯提升,成為風電機組主軸承國產化的有力支撐。
50米以上水深的深遠海是海上風電產業的“藍海”
自2006年實施《中華人民共和國可再生能源法》以來,我國風電產業發展迅猛,而碳達峰碳中和目標的提出,將加速海上風電產業的發展。
國家能源局數據顯示,我國海上風電建設成效顯著。截至2021年4月底,我國海上風電并網容量達到1042萬千瓦。今年1-4月份,我國海上風電發電量為99.4億千瓦時,占全國發電量的0.39%。據行業統計,我國海上風電年平均利用小時數約2500小時,比陸上風電年平均利用小時數高出約500小時。
“未來海上風電將是我國發展風電的主力,特別是50米以上水深的深遠海海上風電有廣闊空間。”東南大學能源與環境學院教授、博導、火電機組振動國家工程研究中心主任鄧艾東認為,相較于陸上風電和煤電,海上風電建設有幾大優勢。
“一是海上風資源穩定,風量充足。二是大海廣闊無垠,海上風場的建設不占用陸地資源,建設規模可以做得比較大。三是海上風電在生產電能過程中不產生廢物廢氣和二氧化碳,是清潔能源,既不影響空氣質量也能可持續發展。四是我國沿海地區經濟發達,用電需求量大,海上風場距離海岸線一般在20公里以內,便于及時將電輸送到岸上的用電負荷中心就地消納,不需要長距離電能輸送,且沿海地區電力傳輸基礎設施較好,傳輸成本較低。”鄧艾東說。
近年來,鄧艾東團隊也與中國海裝和中國華能集團進行產學研合作,攻克大型海上風電機組傳動系統安全穩定運行問題。他介紹,目前,江蘇的海上風電場已經實現規模化發展,一方面得益于江蘇的工業發達,電力需求大;二是江蘇沿海的水深較淺,基礎施工難度及成本相對較小。
“目前,我國行業龍頭企業、科研院所,紛紛就風電機組的核心技術聯合攻關,有的部件例如風電機組傳動系統的齒輪箱全球領先,市場占有率40%。但也要看到,葉片的設計和風電機組的控制系統等軟硬件的研發能力,還需要提高。”鄧艾東直言不諱。
他介紹,葉片是決定風電機組性能好壞的最重要的部件,目前世界上葉片設計能力最強的公司多在歐美,進入10兆瓦級的風電機組建設規模后,風輪直徑將超過200米,我國的風電機組葉片設計能力還亟待提高。
“同時,風電機組的控制系統作為機組安全、高效運行的指揮中樞,涉及復雜的控制策略和復雜工況的應變能力,目前也亟需攻關。”此外,他表示,海上風電多采用大直徑軸承,主軸承相當于風電機組的關節,特別是對于5兆瓦以上功率的風電機組來說,主軸承的載荷很大,在長時間的工作后,主軸承的穩定性、抗疲勞性和故障率是機組穩定工作的重要因素之一,目前國內幾大軸承供應商也在攻關風電機組的主軸承,未來可期。(華能江蘇清能分公司供圖)