[00149135]5MW海上風力發電機組研制

2010年,東方電氣集團東方汽輪機有限公司根據風電發展趨勢和未來的市場需求分析,內部立項研制大功率海上風力發電機組,額定功率定為5MW。 由于海上風力發電機組所處的特殊工作環境,即固定在海上無人值守情況下長期自動運行,需要考慮到鹽霧、雷暴、海浪、交通、維護、工程經濟性等方面的影響和制約。項目組系統研究分析了海上風電機組相比陸地型風電機組的特殊性和難點,其主要在于： a)海上風力發電機組的基礎結構受到洋流、海浪的水動力作用,與風輪的氣動力載荷形成復雜的耦合作用。進行系統動力學仿真得到較為準確的載荷比常規陸地型機組困難得多。 b)海上風力發電機組的基礎建設費用占工程總費用之比與陸地機組相比高得多,同時維護費用也較高,因而,海上風力發電機組的單機功率大型化是內在的必然要求,可以大幅減少工程建設和運維費用。在相同風速下機組發電量越高其經濟性越好,而低風速下發電量主要取決于風輪直徑,因此海上風機應盡可能增加風輪直徑,提升總體經濟性。 c)海上風電機組所處的環境復雜多變,維護人員接近機組及開展維護工作比陸地型風機困難得多,很多大風大浪的時候,維護人員根本無法接近風機,導致故障無法及時處理而長時間停機。這是導致海上風電機組可利用率低、年發電量低、經濟效益差的主要原因。因而設計技術的成熟可靠、必要的冗余設計、可維護性設計等非常關鍵。在技術經濟性較佳的前提下盡可能地提高機組的經濟性、可靠性、必要的冗余度非常困難。 d)海上風電機組的抗腐蝕、防雷設計要求高。 e)海上風電機組的大部件更換費用比陸地上高得多,一般情況下需要租借大型工程船到海上開展作業,其費用比在陸地上動用吊車貴得離譜。因此成熟可靠,得到充分驗證的技術是核心。 項目組對國際典型的、較為成熟的大型風力發電機組進行了調研,并對它們進行統計分析,借鑒它們的先進技術與經驗。特別注重海上風機所要求具有的單機功率大、風輪直徑大、高安全可靠性、高冗余度、抗鹽霧、防雷、易于維護等特性。 項目組采取集成創新的方式對海上風機整機和葉片、輪轂系統、機架、傳動鏈、偏航系統、塔架、基礎、控制系統、齒輪箱、發電機、變頻器等按照發電經濟性、可靠性、冗余度、抗鹽霧、易于維護等技術指標進行系統優化設計。研制了5MW海上風力發電機組,機組的主要技術特征、參數和成果如下： 1、機組單機額定功率5MW,適用風區為IEC-IIIb類,輪轂中心高度離水面為90米,主要適用于我國長江口以北的沿海地區,該區域沒有臺風,平均風速較低。整機設計符合國際上權威的IEC、GL海上風機標準。 2、風輪直徑采用140米,葉片長度為68米,掃風面積比常規127米風輪直徑的5MW海上風機大21%,可以在平均風速較低的中國沿海得到比采用常規海上機組高20%的發電量。新葉片自行設計制造,在天津東汽葉片有限公司制造,采用玻璃鋼材料。 3、海洋水文條件按照黃海選取,平均水深為10米,海洋水文及基礎設計與華東勘探設計院合作完成,采用5樁基礎。 4、機組不同于現有的雙饋或直驅形式,采用高速永磁發電-全功率變頻方案,可以提高機組的效率,同時消除雙饋技術發電機組滑環多發故障和克服直驅機組尺寸重量大,發電機氣隙清潔度無法保證的難題。高速永磁發電機與東方電機合作完成。 5、發電機組-變頻器采用6個獨立單元并聯運行,提高系統的冗余度,在任意單元故障情況下可以自動切出,而其他單元正常運行,大大提高機組可利用率。 6、機組的齒輪箱采用柔性銷和功率分流技術,兩級行星和一級平行軸,功率分流可以有效減輕齒輪箱第一級的載荷,柔性銷可以提高行星輪的均載。齒輪箱采用液壓彈性支撐,降低齒輪箱的支撐剛度。整體提高齒輪箱的可靠度。 7、軸系采用兩個圓錐滾子軸承,可調節預緊力,提高支撐剛性,提高支撐的可靠性。主要的軸承采用成熟可靠的供應商。 8、變槳采用超級電容交流變槳技術,三只葉片三套獨立的變槳系統,作到系統的高冗余度。變槳作為機組主要氣動剎車,機械剎車只在維護時使用,降低機組的火災概率。 8、為適應海上環境,采用密閉設計,機組的主要發熱部件齒輪箱、發電機、變頻器、變壓器等用水冷方式,機艙內的空氣采用空空冷卻器進行冷卻。水冷卻器和空氣冷卻器布置在外部,抗鹽霧設計。 10、機組布置自動消防系統,降低火災概率。 11、機組布置起吊能力70t,可以起吊機組的最重的單個部件,在更換部件時可以不動用帶大型吊車的工程船。 12、機組的變頻器、變壓器等布置在塔筒底部,減輕機頭重量,減輕維護人員的攀爬塔筒的次數。 13、機組大型鑄件、焊接結構件由公司研制。 14、樣機在公司新建的試驗臺進行全面的實驗,完成了設計工況的滿負荷試驗,溫升試驗,還包括電網波動,特別是低電壓穿越試驗。 15、樣機安裝于江蘇如東海上風場,完成現場吊裝、調試、試運行,運行情況良好,達到設計指標。 16、整機設計和葉片設計由中國船級社按照國家標準和行業標準進行第三方認證。并頒發了認證證書。 項目的成功使我公司掌握海上風機的系統優化設計技術,包括海上風機動力學仿真計算分析、系統經濟性設計、可靠性設計、冗余性設計、環境適應性設計以及整機內各零部件的連接,拓撲設計等,并取得了如下的突破和創新： 1、葉型氣動性能好,機組效率高 2、采用兩點支撐的兩個大型單列圓錐滾子軸承 3、齒輪箱采用柔性銷均載技術 4、風機采用永磁同步發電機（PMSG）和全功率變頻器 5、采用6繞組高速永磁發電機配6個變頻器并聯運行