事實上，2016 年年底，遠景2.X MW 發(fā)電機就已在多個風(fēng)電場運行了。而且，其更高性能的發(fā)電機也正在測試中，有望于2018 年上半年在風(fēng)電場小批量投入運行。
回到已在風(fēng)電場運行的遠景2.X MW 發(fā)電機上，專業(yè)人士可從它現(xiàn)有的技術(shù)亮點上感知到它的客戶價值。“這款發(fā)電機適用于2.1MW至2.5MW 的風(fēng)電機組，設(shè)計理論壽命超出22年，絕緣設(shè)計理論工作壽命遠超30 年，短時過載能力1.1 倍，極限工況下超發(fā)能力大于國內(nèi)主流電機產(chǎn)品，且能滿足電網(wǎng)正負10% 及無功工作需求。” Kurt Andersen 先生透露，發(fā)電機總體損耗比常規(guī)發(fā)電機損耗減少約20%，整機年發(fā)電量預(yù)計可提高1%。在性能對比上，遠景發(fā)電機有5 項關(guān)鍵性能指標優(yōu)于全球知名品牌的同功率發(fā)電機。
從風(fēng)電整機系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化的角度看，發(fā)電機應(yīng)當是一個能與系統(tǒng)互動的大部件，而不是整機組裝中的一塊積木，“無論是機械傳動鏈的輕量化，還是電氣傳動鏈的效率提升，發(fā)電機都可以扮演關(guān)鍵角色。”在Kurt Andersen先生看來，“遠景認知發(fā)電機的最大價值在于，將發(fā)電機置于風(fēng)電場的風(fēng)頻分布場景，通過整機系統(tǒng)的優(yōu)化挖掘發(fā)電機的潛力。”
也就是說，遠景發(fā)電機是風(fēng)電整機平臺上一個不斷被優(yōu)化的變量，發(fā)電機的認知與研發(fā)始終處于“平臺變量”這一縱向的維度中。比如，充分利用齒輪箱的變速比來抬高系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，以降低發(fā)電機的變頻器側(cè)電流，按照這樣的方法，即使在增加發(fā)電機功率的情況下，也能保證變頻器容量不需要發(fā)生變化，并可以在電網(wǎng)惡劣的工況下將發(fā)電機電流控制在足夠的水平。“實現(xiàn)這一點，只需要用較少的成本改變發(fā)電機的短板部件即可，其更大價值在于，將齒輪箱和發(fā)電機做到最優(yōu)的選型和設(shè)計，就可以抬高整機的輸出功率，并能在大功率下使用低一個等級的變頻器機側(cè)單元，從而降低整個傳動鏈的成本或提高系統(tǒng)的整體發(fā)電輸出。”遠景自研發(fā)電機項目主任設(shè)計工程師、前ABB 發(fā)電機設(shè)計高級工程師、前Siemens 風(fēng)電電機亞太區(qū)負責(zé)人Yang Jian 這樣說道。
發(fā)電機是把機械能轉(zhuǎn)換成電能的大部件，發(fā)電量和成本的平衡是發(fā)電機設(shè)計優(yōu)化中最重要的考量因素，這在電磁設(shè)計環(huán)節(jié)尤為明顯。在這方面，遠景不但有全球頂尖的電磁設(shè)計團隊，還有自行開發(fā)的基于風(fēng)電場數(shù)據(jù)的發(fā)電機設(shè)計仿真工具，它可以產(chǎn)生多個電磁設(shè)計方案，“實際上，我們是在幾百個電磁設(shè)計方案中選擇一個最優(yōu)的方案，這就是軟件仿真的力量。”Deng Heng 博士強調(diào)了軟件對發(fā)電機設(shè)計的價值。
實際上，用軟件來定義自研發(fā)電機貫穿了發(fā)電機的全壽命周期，除了基于功能的設(shè)計思路，更重要的是在推動設(shè)計朝著更大范圍滿足客戶風(fēng)電場風(fēng)況及特殊環(huán)境要求的方向演進，不但整機的核心控制系統(tǒng)要掌控發(fā)電機的運行行為，發(fā)電機也要知曉自身的邊界效率。遠景自研發(fā)電機項目模塊管理負責(zé)人Ballack Liu舉例說，“在開發(fā)這款發(fā)電機的過程中，自研團隊將動力電纜的損耗、變壓器的損耗模型以及變頻器的協(xié)同模型和低風(fēng)速風(fēng)電場的風(fēng)頻模型等，全都放到了整機系統(tǒng)軟件平臺上一同來進行發(fā)電機的設(shè)計優(yōu)化，也就是說，從發(fā)電機的角度選擇一個最優(yōu)的發(fā)電機設(shè)計方案。”
很微妙，發(fā)電機的設(shè)計是通過傳動鏈上的不同部件、不同模型來實現(xiàn)最優(yōu)發(fā)電量功能的，它不再是塊冷冰冰的積木，而是變得更有靈性。比如，遠景發(fā)電機可以根據(jù)自己對溫度的掌控情況，在某個風(fēng)速時段決定自己的超發(fā)時間，而又不影響自己的壽命，還可以根據(jù)絕緣性能算法來預(yù)測自己的絕緣壽命。
顯然，這是整機系統(tǒng)下軟件定義發(fā)電機設(shè)計的結(jié)果，這也反映在可靠性設(shè)計和壽命測試驗證環(huán)節(jié)中。在這款發(fā)電機可靠性設(shè)計上，自研團隊進行了超過45 項設(shè)計及工藝優(yōu)化，將各個子系統(tǒng)上的精細化做到了極致。“這款發(fā)電機經(jīng)歷了地面型式測試、加速老化測試和風(fēng)電場運行磨損驗證，完全印證了它的可靠性，我們堅信它的壽命會超過20 年！”提及發(fā)電機壽命測試，YangJian 列舉了一組數(shù)據(jù)：地面型式測試項目超過100 項，加速老化測試時間超過20000 小時，樣機在風(fēng)電場運行3 個月無一例故障。
稍微展開點說，通過對發(fā)電機、減震器和安裝支架系統(tǒng)層面進行的固有頻率多階仿真，以確保這款發(fā)電機的工作轉(zhuǎn)速頻內(nèi)沒有共振點，模態(tài)測試和整機的振動測試結(jié)果也表明了該發(fā)電機工作轉(zhuǎn)速下的極低振動幅值，這使得發(fā)電機具備更高的超速能力和更長的軸承壽命。
更需要補充的一點是，遠景自研發(fā)電機團隊通過3 種測試方式分別對3 臺發(fā)電機的剩余壽命進行了測試驗證，三組數(shù)據(jù)的比對情況足以成為這款發(fā)電機20 年使用壽命的例證。
為什么要登上齒輪箱設(shè)計的制高點
遠景要登上齒輪箱設(shè)計制高點的邏輯在于這家公司的人才優(yōu)勢。
遠景內(nèi)部文件顯示，全球齒輪箱領(lǐng)域里的15 位頂尖開發(fā)設(shè)計專家和30 位工藝質(zhì)量控制專家匯聚遠景，就是“為了開發(fā)制造行業(yè)領(lǐng)先的齒輪箱產(chǎn)品” 。
遠景自研齒輪箱項目經(jīng)理 Joey Fu表示，“正是全球化齒輪箱團隊的存在，遠景才在這一目標的實現(xiàn)上信心十足。”團隊中可以透露的成員是Claus Kurt 和Jorget Nielsen，他們都有超過30 年的風(fēng)電行業(yè)經(jīng)驗，都是風(fēng)電齒輪箱和軸承專家，又都在全球知名公司擔(dān)任過傳動系統(tǒng)和齒輪箱技術(shù)負責(zé)人，取得過非凡的業(yè)績。比如Claus Kurt，2010 至2013 年間，他在英國LORC-Landoe Offshore Renewables Center 主持設(shè)計了當時最大的海上10MW 風(fēng)電機組測試中心，引起全球關(guān)注。
Joey Fu曾任GE 風(fēng)電工程部齒輪箱團隊主任工程師，作為遠景自研齒輪箱項目開發(fā)設(shè)計團隊和工藝質(zhì)量控制團隊的“銜接者”，一直到2017 年8 月中旬遠景2.X MW 齒輪箱小批量交付運行以后，他才感到自研這事兒走到了一個比較明亮的時間節(jié)點。
值得關(guān)注的是，這款齒輪箱的兩個性能指標，一個是高出行業(yè)產(chǎn)品20% 的變速比，這不但為結(jié)構(gòu)件、葉片和發(fā)電機降本提供了可能性，更重要的是擴大了機組發(fā)電風(fēng)速的區(qū)間，尤其對低風(fēng)速風(fēng)電場電量提升更顯著；另一個是高出行業(yè)產(chǎn)品10% 至15% 的功率密度，這意味著齒輪箱輕量化上的技術(shù)進步。
事實上，遠景自研齒輪箱是基于風(fēng)電發(fā)展趨勢的考慮。
齒輪箱是風(fēng)電機組的關(guān)鍵部件，隨著單機容量的逐漸增大，它不但可能會成為傳動鏈中可靠性相對薄弱的一個環(huán)節(jié)，而且齒輪箱的可靠性與輕量化之間的矛盾也日漸突出，需要更先進的設(shè)計理念和技術(shù)來解決當下的矛盾，真正設(shè)計出又可靠又輕量的齒輪箱。作為低風(fēng)速風(fēng)電的開拓者和領(lǐng)導(dǎo)者，遠景通過大量低風(fēng)速風(fēng)電場案例數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，齒輪箱在低風(fēng)速風(fēng)機傳動鏈上的效率仍有潛力可挖，尤其在與高塔筒、大風(fēng)輪智能風(fēng)機系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化上也有較大空間，而現(xiàn)有齒輪箱在性能上有所不及，開發(fā)更高效率的齒輪箱是風(fēng)電趨勢所需。
一直以來，在齒輪箱的選擇上，遠景堅持使用全球知名品牌，但遺憾的是，外購難以打開的成本鏈以及在分享部件微觀參數(shù)上的受限，不但無法改進供應(yīng)鏈的成本管理，也不利于整機系統(tǒng)設(shè)計上的優(yōu)化，正因為如此，遠景必須要通過自研來徹底打開齒輪箱的黑盒子，進一步拉低齒輪箱在整機成本上的占比，提升整機系統(tǒng)的性能。
那么，選擇何種技術(shù)路線的齒輪箱以及進行哪些全生命周期的齒輪箱測試驗證才能保證遠景自研齒輪箱的可靠性，就成了項目團隊要解決的重大問題。遠景自研齒輪箱項目開發(fā)設(shè)計團隊核心成員、遠景整機機械總監(jiān)、前GE風(fēng)電工程部中國區(qū)總監(jiān)、前GE 風(fēng)電全球齒輪箱聯(lián)合開發(fā)項目技術(shù)負責(zé)人和首席工程師Jim Li 透露，“遠景在齒輪箱失效模式數(shù)據(jù)挖掘、成熟技術(shù)路線優(yōu)化和極嚴測試驗證這三個環(huán)節(jié)投入了大量的人力和財力，保障自研2.X MW齒輪箱的質(zhì)量可靠性和技術(shù)先進性。”
可以說，遠景在齒輪箱失效模式數(shù)據(jù)挖掘上有其獨到的優(yōu)勢，除了通過使用全球知名品牌的齒輪箱直接獲得失效模式外，遠景智慧風(fēng)場平臺上還接入了巨量的風(fēng)電場資產(chǎn)，通過大數(shù)據(jù)分析可挖掘出齒輪箱的失效概率，形成最全面的潛在失效模式及后果分析，并在開發(fā)設(shè)計階段予以規(guī)避。
“失效模式的分析結(jié)果表明，成熟的技術(shù)路線是風(fēng)電齒輪箱可靠性的支撐。”Jim Li 說，“遠景自研齒輪箱采用最經(jīng)典、最成熟、應(yīng)用量最大、經(jīng)驗沉淀最豐厚的一級行星二級平行齒輪箱結(jié)構(gòu)，被優(yōu)化的齒輪參數(shù)和大重合度設(shè)計，進一步提升了齒輪箱的效率，而且降低了運行噪音，確保了最優(yōu)的整機運行工況和發(fā)電效率。”
值得注意的是，這款自研2.X MW 齒輪箱的大速比和高功率密度比，在一定程度上成為了低風(fēng)速風(fēng)機系統(tǒng)大部件之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的催化劑，而更寬的發(fā)電風(fēng)速區(qū)間、更高的發(fā)電性能、更低的運行噪音，實際上是讓高塔筒、大風(fēng)輪風(fēng)機友好靠近城市和居民區(qū)的定制化設(shè)計。通常來講，大速比會造成齒輪箱體積增大，但通過先進的齒輪參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，不僅可以做到大速比，還可以減少齒輪箱的重量，提升功率密度比。不過，這就需要先進的齒輪箱設(shè)計技術(shù)了。
Jim Li 透露了兩點，一點是系統(tǒng)完善的設(shè)計，另一點是整機系統(tǒng)場景下的設(shè)計優(yōu)化，前者包括采用全球最先進的齒輪箱設(shè)計標準以及軟件工具，后者包括整機系統(tǒng)多體動力學(xué)分析、傳動鏈整體有限元分析，也就是說，在遠景這里，齒輪箱設(shè)計不只是齒輪箱自己的事了，還要跟整機系統(tǒng)以及其他部件產(chǎn)生一番化學(xué)反應(yīng)，最終形成優(yōu)質(zhì)基因。實際上，遠景自研齒輪箱項目團隊把齒輪箱設(shè)計的邊界擴大了，被打開的黑盒子就在整機系統(tǒng)中有了話語權(quán)。當制造出具體的齒輪箱產(chǎn)品后，遠景的項目團隊還對這款齒輪箱進行了極其嚴格的全生命周期的測試驗證，比如在+200% 到-183% 極限工況下的極限載荷測試，還進行了延伸壽命破壞性試驗，以此發(fā)掘齒輪箱的潛能。
在淡定的遠景全球齒輪箱研發(fā)團隊看來，遠景自研的齒輪箱就應(yīng)該如此。
