事實(shí)上，2016 年年底，遠(yuǎn)景2.X MW 發(fā)電機(jī)就已在多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行了。而且，其更高性能的發(fā)電機(jī)也正在測(cè)試中，有望于2018 年上半年在風(fēng)電場(chǎng)小批量投入運(yùn)行。
回到已在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的遠(yuǎn)景2.X MW 發(fā)電機(jī)上，專(zhuān)業(yè)人士可從它現(xiàn)有的技術(shù)亮點(diǎn)上感知到它的客戶(hù)價(jià)值。“這款發(fā)電機(jī)適用于2.1MW至2.5MW 的風(fēng)電機(jī)組，設(shè)計(jì)理論壽命超出22年，絕緣設(shè)計(jì)理論工作壽命遠(yuǎn)超30 年，短時(shí)過(guò)載能力1.1 倍，極限工況下超發(fā)能力大于國(guó)內(nèi)主流電機(jī)產(chǎn)品，且能滿(mǎn)足電網(wǎng)正負(fù)10% 及無(wú)功工作需求。” Kurt Andersen 先生透露，發(fā)電機(jī)總體損耗比常規(guī)發(fā)電機(jī)損耗減少約20%，整機(jī)年發(fā)電量預(yù)計(jì)可提高1%。在性能對(duì)比上，遠(yuǎn)景發(fā)電機(jī)有5 項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)優(yōu)于全球知名品牌的同功率發(fā)電機(jī)。
從風(fēng)電整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的角度看，發(fā)電機(jī)應(yīng)當(dāng)是一個(gè)能與系統(tǒng)互動(dòng)的大部件，而不是整機(jī)組裝中的一塊積木，“無(wú)論是機(jī)械傳動(dòng)鏈的輕量化，還是電氣傳動(dòng)鏈的效率提升，發(fā)電機(jī)都可以扮演關(guān)鍵角色。”在Kurt Andersen先生看來(lái)，“遠(yuǎn)景認(rèn)知發(fā)電機(jī)的最大價(jià)值在于，將發(fā)電機(jī)置于風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)頻分布場(chǎng)景，通過(guò)整機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化挖掘發(fā)電機(jī)的潛力。”
也就是說(shuō)，遠(yuǎn)景發(fā)電機(jī)是風(fēng)電整機(jī)平臺(tái)上一個(gè)不斷被優(yōu)化的變量，發(fā)電機(jī)的認(rèn)知與研發(fā)始終處于“平臺(tái)變量”這一縱向的維度中。比如，充分利用齒輪箱的變速比來(lái)抬高系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，以降低發(fā)電機(jī)的變頻器側(cè)電流，按照這樣的方法，即使在增加發(fā)電機(jī)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(jī)電流控制在足夠的水平。“實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，只需要用較少的成本改變發(fā)電機(jī)的短板部件即可，其更大價(jià)值在于，將齒輪箱和發(fā)電機(jī)做到最優(yōu)的選型和設(shè)計(jì)，就可以抬高整機(jī)的輸出功率，并能在大功率下使用低一個(gè)等級(jí)的變頻器機(jī)側(cè)單元，從而降低整個(gè)傳動(dòng)鏈的成本或提高系統(tǒng)的整體發(fā)電輸出。”遠(yuǎn)景自研發(fā)電機(jī)項(xiàng)目主任設(shè)計(jì)工程師、前ABB 發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)高級(jí)工程師、前Siemens 風(fēng)電電機(jī)亞太區(qū)負(fù)責(zé)人Yang Jian 這樣說(shuō)道。
發(fā)電機(jī)是把機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化中最重要的考量因素，這在電磁設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)尤為明顯。在這方面，遠(yuǎn)景不但有全球頂尖的電磁設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，還有自行開(kāi)發(fā)的基于風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)的發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)仿真工具，它可以產(chǎn)生多個(gè)電磁設(shè)計(jì)方案，“實(shí)際上，我們是在幾百個(gè)電磁設(shè)計(jì)方案中選擇一個(gè)最優(yōu)的方案，這就是軟件仿真的力量。”Deng Heng 博士強(qiáng)調(diào)了軟件對(duì)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的價(jià)值。
實(shí)際上，用軟件來(lái)定義自研發(fā)電機(jī)貫穿了發(fā)電機(jī)的全壽命周期，除了基于功能的設(shè)計(jì)思路，更重要的是在推動(dòng)設(shè)計(jì)朝著更大范圍滿(mǎn)足客戶(hù)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)況及特殊環(huán)境要求的方向演進(jìn)，不但整機(jī)的核心控制系統(tǒng)要掌控發(fā)電機(jī)的運(yùn)行行為，發(fā)電機(jī)也要知曉自身的邊界效率。遠(yuǎn)景自研發(fā)電機(jī)項(xiàng)目模塊管理負(fù)責(zé)人Ballack Liu舉例說(shuō)，“在開(kāi)發(fā)這款發(fā)電機(jī)的過(guò)程中，自研團(tuán)隊(duì)將動(dòng)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(chǎng)的風(fēng)頻模型等，全都放到了整機(jī)系統(tǒng)軟件平臺(tái)上一同來(lái)進(jìn)行發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，也就是說(shuō)，從發(fā)電機(jī)的角度選擇一個(gè)最優(yōu)的發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)方案。”
很微妙，發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)是通過(guò)傳動(dòng)鏈上的不同部件、不同模型來(lái)實(shí)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(yuǎn)景發(fā)電機(jī)可以根據(jù)自己對(duì)溫度的掌控情況，在某個(gè)風(fēng)速時(shí)段決定自己的超發(fā)時(shí)間，而又不影響自己的壽命，還可以根據(jù)絕緣性能算法來(lái)預(yù)測(cè)自己的絕緣壽命。
顯然，這是整機(jī)系統(tǒng)下軟件定義發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的結(jié)果，這也反映在可靠性設(shè)計(jì)和壽命測(cè)試驗(yàn)證環(huán)節(jié)中。在這款發(fā)電機(jī)可靠性設(shè)計(jì)上，自研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了超過(guò)45 項(xiàng)設(shè)計(jì)及工藝優(yōu)化，將各個(gè)子系統(tǒng)上的精細(xì)化做到了極致。“這款發(fā)電機(jī)經(jīng)歷了地面型式測(cè)試、加速老化測(cè)試和風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行磨損驗(yàn)證，完全印證了它的可靠性，我們堅(jiān)信它的壽命會(huì)超過(guò)20 年！”提及發(fā)電機(jī)壽命測(cè)試，YangJian 列舉了一組數(shù)據(jù)：地面型式測(cè)試項(xiàng)目超過(guò)100 項(xiàng)，加速老化測(cè)試時(shí)間超過(guò)20000 小時(shí)，樣機(jī)在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行3 個(gè)月無(wú)一例故障。
稍微展開(kāi)點(diǎn)說(shuō)，通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)、減震器和安裝支架系統(tǒng)層面進(jìn)行的固有頻率多階仿真，以確保這款發(fā)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速頻內(nèi)沒(méi)有共振點(diǎn)，模態(tài)測(cè)試和整機(jī)的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果也表明了該發(fā)電機(jī)工作轉(zhuǎn)速下的極低振動(dòng)幅值，這使得發(fā)電機(jī)具備更高的超速能力和更長(zhǎng)的軸承壽命。
更需要補(bǔ)充的一點(diǎn)是，遠(yuǎn)景自研發(fā)電機(jī)團(tuán)隊(duì)通過(guò)3 種測(cè)試方式分別對(duì)3 臺(tái)發(fā)電機(jī)的剩余壽命進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，三組數(shù)據(jù)的比對(duì)情況足以成為這款發(fā)電機(jī)20 年使用壽命的例證。
為什么要登上齒輪箱設(shè)計(jì)的制高點(diǎn)
遠(yuǎn)景要登上齒輪箱設(shè)計(jì)制高點(diǎn)的邏輯在于這家公司的人才優(yōu)勢(shì)。
遠(yuǎn)景內(nèi)部文件顯示，全球齒輪箱領(lǐng)域里的15 位頂尖開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)專(zhuān)家和30 位工藝質(zhì)量控制專(zhuān)家匯聚遠(yuǎn)景，就是“為了開(kāi)發(fā)制造行業(yè)領(lǐng)先的齒輪箱產(chǎn)品” 。
遠(yuǎn)景自研齒輪箱項(xiàng)目經(jīng)理 Joey Fu表示，“正是全球化齒輪箱團(tuán)隊(duì)的存在，遠(yuǎn)景才在這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)上信心十足。”團(tuán)隊(duì)中可以透露的成員是Claus Kurt 和Jorget Nielsen，他們都有超過(guò)30 年的風(fēng)電行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，都是風(fēng)電齒輪箱和軸承專(zhuān)家，又都在全球知名公司擔(dān)任過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)和齒輪箱技術(shù)負(fù)責(zé)人，取得過(guò)非凡的業(yè)績(jī)。比如Claus Kurt，2010 至2013 年間，他在英國(guó)LORC-Landoe Offshore Renewables Center 主持設(shè)計(jì)了當(dāng)時(shí)最大的海上10MW 風(fēng)電機(jī)組測(cè)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(tuán)隊(duì)主任工程師，作為遠(yuǎn)景自研齒輪箱項(xiàng)目開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和工藝質(zhì)量控制團(tuán)隊(duì)的“銜接者”，一直到2017 年8 月中旬遠(yuǎn)景2.X MW 齒輪箱小批量交付運(yùn)行以后，他才感到自研這事兒走到了一個(gè)比較明亮的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。
值得關(guān)注的是，這款齒輪箱的兩個(gè)性能指標(biāo)，一個(gè)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(jī)降本提供了可能性，更重要的是擴(kuò)大了機(jī)組發(fā)電風(fēng)速的區(qū)間，尤其對(duì)低風(fēng)速風(fēng)電場(chǎng)電量提升更顯著；另一個(gè)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(jìn)步。
事實(shí)上，遠(yuǎn)景自研齒輪箱是基于風(fēng)電發(fā)展趨勢(shì)的考慮。
齒輪箱是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件，隨著單機(jī)容量的逐漸增大，它不但可能會(huì)成為傳動(dòng)鏈中可靠性相對(duì)薄弱的一個(gè)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(jìn)的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)來(lái)解決當(dāng)下的矛盾，真正設(shè)計(jì)出又可靠又輕量的齒輪箱。作為低風(fēng)速風(fēng)電的開(kāi)拓者和領(lǐng)導(dǎo)者，遠(yuǎn)景通過(guò)大量低風(fēng)速風(fēng)電場(chǎng)案例數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，齒輪箱在低風(fēng)速風(fēng)機(jī)傳動(dòng)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(jī)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(kāi)發(fā)更高效率的齒輪箱是風(fēng)電趨勢(shì)所需。
一直以來(lái)，在齒輪箱的選擇上，遠(yuǎn)景堅(jiān)持使用全球知名品牌，但遺憾的是，外購(gòu)難以打開(kāi)的成本鏈以及在分享部件微觀參數(shù)上的受限，不但無(wú)法改進(jìn)供應(yīng)鏈的成本管理，也不利于整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的優(yōu)化，正因?yàn)槿绱耍h(yuǎn)景必須要通過(guò)自研來(lái)徹底打開(kāi)齒輪箱的黑盒子，進(jìn)一步拉低齒輪箱在整機(jī)成本上的占比，提升整機(jī)系統(tǒng)的性能。
那么，選擇何種技術(shù)路線(xiàn)的齒輪箱以及進(jìn)行哪些全生命周期的齒輪箱測(cè)試驗(yàn)證才能保證遠(yuǎn)景自研齒輪箱的可靠性，就成了項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)要解決的重大問(wèn)題。遠(yuǎn)景自研齒輪箱項(xiàng)目開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)核心成員、遠(yuǎn)景整機(jī)機(jī)械總監(jiān)、前GE風(fēng)電工程部中國(guó)區(qū)總監(jiān)、前GE 風(fēng)電全球齒輪箱聯(lián)合開(kāi)發(fā)項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人和首席工程師Jim Li 透露，“遠(yuǎn)景在齒輪箱失效模式數(shù)據(jù)挖掘、成熟技術(shù)路線(xiàn)優(yōu)化和極嚴(yán)測(cè)試驗(yàn)證這三個(gè)環(huán)節(jié)投入了大量的人力和財(cái)力，保障自研2.X MW齒輪箱的質(zhì)量可靠性和技術(shù)先進(jìn)性。”
可以說(shuō)，遠(yuǎn)景在齒輪箱失效模式數(shù)據(jù)挖掘上有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，除了通過(guò)使用全球知名品牌的齒輪箱直接獲得失效模式外，遠(yuǎn)景智慧風(fēng)場(chǎng)平臺(tái)上還接入了巨量的風(fēng)電場(chǎng)資產(chǎn)，通過(guò)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(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)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(xiàn)是風(fēng)電齒輪箱可靠性的支撐。”Jim Li 說(shuō)，“遠(yuǎn)景自研齒輪箱采用最經(jīng)典、最成熟、應(yīng)用量最大、經(jīng)驗(yàn)沉淀最豐厚的一級(jí)行星二級(jí)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(jì)，進(jìn)一步提升了齒輪箱的效率，而且降低了運(yùn)行噪音，確保了最優(yōu)的整機(jī)運(yùn)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(jī)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(yùn)行噪音，實(shí)際上是讓高塔筒、大風(fēng)輪風(fēng)機(jī)友好靠近城市和居民區(qū)的定制化設(shè)計(jì)。通常來(lái)講，大速比會(huì)造成齒輪箱體積增大，但通過(guò)先進(jìn)的齒輪參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(guò)，這就需要先進(jìn)的齒輪箱設(shè)計(jì)技術(shù)了。
Jim Li 透露了兩點(diǎn)，一點(diǎn)是系統(tǒng)完善的設(shè)計(jì)，另一點(diǎn)是整機(jī)系統(tǒng)場(chǎng)景下的設(shè)計(jì)優(yōu)化，前者包括采用全球最先進(jìn)的齒輪箱設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及軟件工具，后者包括整機(jī)系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)分析、傳動(dòng)鏈整體有限元分析，也就是說(shuō)，在遠(yuǎn)景這里，齒輪箱設(shè)計(jì)不只是齒輪箱自己的事了，還要跟整機(jī)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(shí)際上，遠(yuǎn)景自研齒輪箱項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)把齒輪箱設(shè)計(jì)的邊界擴(kuò)大了，被打開(kāi)的黑盒子就在整機(jī)系統(tǒng)中有了話(huà)語(yǔ)權(quán)。當(dāng)制造出具體的齒輪箱產(chǎn)品后，遠(yuǎn)景的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還對(duì)這款齒輪箱進(jìn)行了極其嚴(yán)格的全生命周期的測(cè)試驗(yàn)證，比如在+200% 到-183% 極限工況下的極限載荷測(cè)試，還進(jìn)行了延伸壽命破壞性試驗(yàn)，以此發(fā)掘齒輪箱的潛能。
在淡定的遠(yuǎn)景全球齒輪箱研發(fā)團(tuán)隊(duì)看來(lái)，遠(yuǎn)景自研的齒輪箱就應(yīng)該如此。
