中車株洲所將首款海上風(fēng)電機組的研發(fā)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(jīng)理劉可安在中國中車首臺海上風(fēng)電樣機——“海平面一號”現(xiàn)場調(diào)研時，一位業(yè)主的現(xiàn)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(yù)期?！?/p>
樣機的運行數(shù)據(jù)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(shè)備平均可利用率超過99%。
這臺單機容量為10MW的海上風(fēng)電樣機的投運，對中車株洲所在風(fēng)電領(lǐng)域的布局至關(guān)重要，意味著其實現(xiàn)了三項重大市場與技術(shù)突破：風(fēng)電整機業(yè)務(wù)從陸上延伸至海上；整機技術(shù)路線從雙饋延伸至半直驅(qū)；樣機額定功率創(chuàng)下所在省份的新紀錄。
“‘唯實、尊重、創(chuàng)新、成事’是中車株洲所的企業(yè)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(fēng)電事業(yè)部副總經(jīng)理兼總工程師王靛對《風(fēng)能》表示：“在樣機研發(fā)過程中，大家曾遇到過無數(shù)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(fā)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(chǎn)品如期面世。”
謀定后動，開啟海上長征
中車株洲所10MW海上風(fēng)電樣機從立項到并網(wǎng)發(fā)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(nèi)完成并網(wǎng)，1個小時內(nèi)實現(xiàn)全自動正常運行，令海上風(fēng)電項目工程建設(shè)與開發(fā)經(jīng)驗豐富的業(yè)主頗感驚訝。在王靛看來，機組研發(fā)與投運過程的順利進行，與前期中車株洲所對海上風(fēng)電市場與產(chǎn)品的反復(fù)論證、供應(yīng)鏈交流、技術(shù)儲備等工作的充分準備息息相關(guān)。
在中國中車各級領(lǐng)導(dǎo)的支持下，中車株洲所風(fēng)電事業(yè)部的技術(shù)與市場團隊開展了充分討論，一致認為2021年是進入海上風(fēng)電領(lǐng)域的最后窗口期。
一方面，2021年處于海上風(fēng)電“搶裝”的關(guān)鍵時期，市場的注意力集中在第二代海上風(fēng)電機組交付上，專攻海上風(fēng)電平價市場的產(chǎn)品尚未在市場中出現(xiàn)，這給中車株洲所研發(fā)此類產(chǎn)品創(chuàng)造了機會。另一方面，中車株洲所在陸上風(fēng)電的業(yè)績持續(xù)提升，使其有能力及動力涉足海上風(fēng)電。海上風(fēng)電機組代表著一家企業(yè)的綜合技術(shù)實力，在研發(fā)過程中能夠為技術(shù)團隊提供加深理解與提升風(fēng)電技術(shù)水平的空間，進而可以反哺陸上風(fēng)電產(chǎn)品研發(fā)能力。
“中國中車與中車株洲所的各級領(lǐng)導(dǎo)都在為我們鼓勁?！蓖醯寤貞浾f：“同時，技術(shù)人員都是有情懷的，挑戰(zhàn)未知是他們的天性。海上風(fēng)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(fēng)電板塊推出產(chǎn)品，我們可能會抱憾終身?！?/p>
經(jīng)過充分的市場調(diào)研與分析，在一次內(nèi)部務(wù)虛會上，中車株洲所各級領(lǐng)導(dǎo)聽取了關(guān)于推動研發(fā)海上風(fēng)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(fēng)電必將成為中車株洲所繼陸上風(fēng)電等能源業(yè)務(wù)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(fēng)電機組比作蒸汽機車，將陸上常規(guī)風(fēng)電機組比作電力機車，將海上固定式風(fēng)電機組比作高鐵，將漂浮式風(fēng)電機組比作中國中車在研的磁懸浮高速列車。
隨后，海上風(fēng)電機組研發(fā)被立項為中車株洲所最重要的課題之一，代號“長征”?！耙皇且驗槲覀兊暮Ｉ巷L(fēng)電產(chǎn)品屬于剛起步狀態(tài)，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?！蓖醯褰忉尩馈?/p>
“因此，做貼合實際市場需求的產(chǎn)品，對中車株洲所海上風(fēng)電產(chǎn)品規(guī)劃非常重要，我們不會去做‘PPT機型’，而是推出能夠?qū)崿F(xiàn)業(yè)主利益最大化的產(chǎn)品?！蓖醯逄寡?。
雙重優(yōu)勢，再鑄高鐵品質(zhì)
中車株洲所將科技引領(lǐng)的“小夢想”融入國家綠色發(fā)展的“大夢想”，將軌道交通的關(guān)鍵核心技術(shù)平移應(yīng)用于風(fēng)電領(lǐng)域。通過中車株洲所強大的關(guān)鍵核心技術(shù)創(chuàng)新能力，為海上風(fēng)電的科技創(chuàng)新發(fā)展注入了動力，為碳達峰碳中和目標的實現(xiàn)貢獻著“中車智慧”。
自2006年進入風(fēng)電裝備整機制造領(lǐng)域以來，中車株洲所風(fēng)電產(chǎn)業(yè)已形成從芯片、器件、部件到整機，從制造到運維的完整產(chǎn)業(yè)鏈。在海上風(fēng)電領(lǐng)域，中車株洲所與海上風(fēng)電供應(yīng)鏈的業(yè)務(wù)已開展數(shù)十年，積累了極為豐富的經(jīng)驗，并構(gòu)成了強大的供應(yīng)鏈支撐體系，為其海上風(fēng)電整機的研發(fā)設(shè)計提供了強有力的支持。
“中國中車風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈齊全度是全球最強的，沒有之一。在整機之外，葉片、發(fā)電機、變流器、齒輪箱、變槳系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、彈性支撐、各類控制柜與塔筒，中國中車內(nèi)部都有相應(yīng)的企業(yè)與業(yè)務(wù)在開展，而且在關(guān)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(fēng)電變流器中，有三分之一使用了中車株洲所供應(yīng)的IGBT?！?/p>
即便擁有強大的內(nèi)部供應(yīng)商，為了通過良性競爭促進產(chǎn)品質(zhì)量提升，中車株洲所在海上風(fēng)電機組的供應(yīng)鏈建設(shè)上，仍對外部零部件龍頭企業(yè)持開放合作的態(tài)度。尤其是在變流器、齒輪箱、變槳系統(tǒng)等關(guān)鍵零部件上，引入了一系列戰(zhàn)略合作伙伴，形成了內(nèi)部與外部龍頭企業(yè)相結(jié)合的供應(yīng)鏈架構(gòu)。
“基于質(zhì)量體系的要求，中車株洲所的供應(yīng)商門檻是很高的，但在成功引用合作后，會建立戰(zhàn)略合作關(guān)系，保障長期合作，通過聯(lián)合開發(fā)，一起想辦法提高產(chǎn)品競爭力?！蓖醯灞硎?。
全面強大的供應(yīng)鏈在生產(chǎn)交付上給中車株洲所風(fēng)電整機業(yè)務(wù)帶來了有力支撐，更在新產(chǎn)品研發(fā)層面為整機業(yè)務(wù)賦予了競爭力。在王靛看來，“如果沒有供應(yīng)商伙伴們的幫助，首臺海上風(fēng)電樣機迅速完成開發(fā)和并網(wǎng)便是癡人說夢?！?/p>
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(shè)計與制造過程是與時代新材反復(fù)溝通與迭代完成的，而后者擁有豐富的海上風(fēng)電葉片開發(fā)與制造經(jīng)驗。這款樣機還首次采用了半直驅(qū)技術(shù)路線，其傳動鏈中發(fā)電機與齒輪箱的組合調(diào)試試驗，則得到了南高齒的大力支持。在單樁基礎(chǔ)與塔筒的一體化設(shè)計上，中車株洲所又與設(shè)計院聯(lián)合完成，中車株洲所從伙伴身上學(xué)習(xí)到很多寶貴的經(jīng)驗。
強大的風(fēng)電供應(yīng)鏈體系給中車株洲所帶來了海上風(fēng)電的市場優(yōu)勢，源于軌道交通的高可靠性基因同樣延續(xù)到了中車株洲所的海上風(fēng)電產(chǎn)品中?！爸熊囍曛匏诂F(xiàn)有質(zhì)量與可靠性管理體系的基礎(chǔ)上，根據(jù)風(fēng)電特點進行了差異化調(diào)整。在材料、器件、算法、網(wǎng)絡(luò)、控制等基礎(chǔ)研發(fā)、試驗驗證方面，最大化借用了既有技術(shù)和試驗驗證平臺，充分利用軌道交通關(guān)于海拔、溫度、濕度、鹽堿度、密封性等環(huán)境適應(yīng)性及不同環(huán)境下的可靠性，通信、控制、電磁兼容等應(yīng)用方面的研究技術(shù)及試驗驗證標準與技術(shù)?！敝熊囍曛匏L(fēng)電事業(yè)部副總經(jīng)理陳長春表示，“此外，技術(shù)質(zhì)量專家定期會對風(fēng)電裝備技術(shù)、實物、管理體系提出改進建議，并將深海其他產(chǎn)業(yè)技術(shù)及應(yīng)用經(jīng)驗平移過來?！?/p>
海上風(fēng)電運維窗口期更短，成本比陸上風(fēng)電更高，壽命周期多出5年，使海上風(fēng)電機組供應(yīng)鏈對設(shè)計余量與安全系數(shù)要求更高。然而，“國補”取消后，海上風(fēng)電市場價格競爭逐漸加劇。
“為了兼顧產(chǎn)品競爭力及質(zhì)量與可靠性，我們一是堅持推行質(zhì)量與可靠性系統(tǒng)工程管理理念，通過‘一次把事情做對’，降低產(chǎn)品生命周期成本；二是大力推動行業(yè)間協(xié)同、仿真驗證與失誤驗證協(xié)同、供應(yīng)鏈協(xié)同等，減少重復(fù)投入；三是做實智能運維，做好計劃與預(yù)測性維護，深度挖掘數(shù)據(jù)價值，優(yōu)化前端產(chǎn)品和過程?！标愰L春介紹說。
匠心匠造，贏得客戶青睞
為了提升首款海上風(fēng)電機組的產(chǎn)品競爭力，中車株洲所通過在技術(shù)路線、產(chǎn)品平臺、解決方案三個層面推動技術(shù)創(chuàng)新，將其打造成直面平價時代的第三代海上風(fēng)電整機產(chǎn)品。
“技術(shù)路線的選擇非常重要，必須慎重。陸上風(fēng)電產(chǎn)品，我們堅持走高速雙饋的技術(shù)路線。海上風(fēng)電機組的單機容量增加后，我們經(jīng)整體評估后認為，半直驅(qū)路線的系統(tǒng)可靠性與成本可控性更優(yōu)，現(xiàn)階段在海上風(fēng)電產(chǎn)品上選擇半直驅(qū)更合理?！蓖醯逭J為。
據(jù)了解，目前主要的半直驅(qū)技術(shù)路線有三類，包括帶聯(lián)軸器的半直驅(qū)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(qū)技術(shù)路線間的最大差異存在于傳動鏈上，而傳動鏈的優(yōu)化主要來自于軸承和低速軸聯(lián)軸器。中車株洲所采用的齒輪箱為三級行星結(jié)構(gòu)。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(fā)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(fēng)輪-主軸-齒輪箱-發(fā)電機之間形成了純剛性連接，在旋轉(zhuǎn)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(tǒng)與前機架之間的彈性支撐。
當然，這樣的全集成結(jié)構(gòu)會面臨一些新的技術(shù)挑戰(zhàn)。比如，發(fā)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(jīng)過齒輪箱機械部件的間隙，造成軸承的電腐蝕?！拔覀冡槍@個挑戰(zhàn)同時采用了‘堵’與‘疏’兩條策略：在齒輪箱與發(fā)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(fā)電機尾部增加特殊復(fù)合材料制成的導(dǎo)電刷，將有害電流疏導(dǎo)出去。最終，很好地解決了這一挑戰(zhàn)。”中車株洲所風(fēng)電事業(yè)部技術(shù)中心副主任兼海上產(chǎn)品項目經(jīng)理王磊表示。
中車株洲所首臺海上風(fēng)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(shè)計可以提升產(chǎn)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(fēng)速較小的海域，可以采用8～8.5MW機型；在江蘇、浙江等中等風(fēng)速的海域，可以采用10～12MW機型。另一方面，平臺化設(shè)計還能進一步優(yōu)化產(chǎn)品研發(fā)與采購的成本。
據(jù)王磊介紹，這款平臺化產(chǎn)品在關(guān)鍵接口上保持了一致性。針對發(fā)電機，可根據(jù)容量需求不同，利用線圈寬度方向上的預(yù)留空間，調(diào)整線圈寬度，實現(xiàn)功率的上下浮動；針對齒輪箱，可以對齒寬進行細微調(diào)整，實現(xiàn)齒輪箱功率的上下浮動，從而使該平臺的發(fā)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(yōu)化設(shè)計同樣會起到關(guān)鍵作用。相較于陸上風(fēng)電，海上風(fēng)電項目的單位千瓦造價更高，而海上風(fēng)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(fēng)電機組的設(shè)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(jù)介紹，中車株洲所8～12MW海上風(fēng)電機型的葉片設(shè)計目標為追求高發(fā)電量，實現(xiàn)可控范圍內(nèi)的性能更優(yōu)。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(jù)了解，這款平臺產(chǎn)品搭載了雙柜變流器方案，即10MW風(fēng)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(fā)生故障，另一個仍能繼續(xù)工作，風(fēng)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(tǒng)成本后，雙柜5MW變流器比單柜10MW變流器在成本上更有優(yōu)勢，尤其是在機組功率等級進一步提升后。
“此外，由于海上風(fēng)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(tǒng)散熱，比在塔筒外面布置散熱風(fēng)扇效率高、成本低?！蓖趵谡劦溃骸案匾氖牵渥兩弦坪?，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?！?/p>
上述幾個維度的優(yōu)化措施，使中車株洲所的這款平臺化產(chǎn)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(wèi)半島南U場址45萬千瓦海上風(fēng)電項目公布了風(fēng)電機組設(shè)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(fēng)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(xiàn)從‘1’到‘N’的突破?！蓖醯逄寡裕骸拔磥?，海上風(fēng)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。”
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