如何造出全球风轮直径最大的5MW海上风机

　　编者按

　　今年10月，我国首批具有自主知识产权、全球风轮直径最大的5MW海上风电机组，在江苏如东中船重工海装风电公司成功下线。 这一机组创造了哪些行业第一？对海上风电行业有何推动作用？研发过程又遭遇了哪些难题？日前，中船重工海装风电5MW海上风电项目负责人张海亚接受《中国能源报》记者采访时，对此一一揭秘。

　　海上3类风区亟需适宜风机

　　中国能源报：海装风电H151-5MW机型是唯一一款适应3类风区的5MW级别海上风电机组，3类风区海上风机的国内应用前景怎么样？

　　张海亚：以北欧为代表的海上风电平均风速接近10m/s，风电机组年利用小时数高达3000多甚至4000小时。我国海上风电资源总体丰富，但受信风带和季风带的影响，相对于北欧海上风电而言，风功率密度总体偏低，特别是长江口以北的广大3类风区，年平均风速只有7.5m/s左右。在这种环境下，引进的国外成熟风电机组年利用小时数只能达到2000小时多一点。收益的降低直接增加了项目开发的经营风险，阻碍我国海上风电的发展。

　　海装风电开发的H151-5MW机型年利用小时数接近3000小时，是目前全球唯一一款适应3类风区的5MW级别海上风电机组，能有效提高我国长江口以北广大3类风场的收益。在《海上风电开发建设方案（2014-2016）》中，长江口以北资源占建设方案总量的52%。由于建设条件相对成熟，恶劣工况较少，目前已核准或拟开工的项目中，上述地区占到总数的3/4。

　　中国能源报：海装风电5MW海上机组都包括哪些机型，是否全部实现了量产？

　　张海亚：海装风电5MW目前有两个平台，一是151平台，包括H128和H151两款机型，二是171平台，包括H171和H151两款机型。同一平台的两种机型，除了叶片和齿轮箱第三级传动齿轮不一样以外，其他所有零部件可以完全互换。

　　151平台通过4年的试验风场验证，2年半的风场实测，率先完成了国内第一个海上风电低电压穿越测试，获得了国内首个海上风电机组型式认证证书，样机可利用率等核心技术指标高于行业平均水平，具备了商业化批量生产的能力。

　　为了获得更多的风能，扩大海上风电收益，降低项目开发风险，海装风电在151平台上进行了优化升级，开发了171平台。新开发的171平台根据载荷情况，对轮毂、主机架、齿轮箱等结构件进行了加强，电气系统保持不变。目前171平台已完成详细设计，样机计划于2017年三季度完成安装。

　　秉持科学精神 促行业理性发展

　　中国能源报：H151-5MW是同级别机组中单位千瓦扫风面积最大的，研发过程中需要克服哪些难题？

　　张海亚：风轮直径代表着发电量，额定功率代表着投资成本，单位千瓦扫风面积意味着性价比。从我国陆上风电的发展进程来看，在以高单位千瓦扫风面积为核心指标的低风速风电机组开发领域，我国整机企业引领了世界的潮流。近年来，以GE和维斯塔斯为代表的国际巨头也在闻风跟随国内行业的步伐，研制并推出新的高单位千瓦扫风面积风电机组。

　　对于研制高单位千瓦扫风面积的风电机组而言，核心困难有两点，一是技术，二是经济性。通常而言，对于同一功率等级的风电机组，从开发、成本、可靠性等多方面角度综合考虑，同一厂家一般采用在一款基础产品上进行局部改进优化。风轮直径增大在带来发电量增加的同时，无疑也导致了风电机组自身受力的增加，这需要通过控制方法来降低机组受力或增加零部件强度来满足要求。如何实现增效与增本之间的平衡，如何实现持续改进优化过程中的系统及关键零部件的兼容性、一致性、可靠性，对整机企业系统集成技术及综合整合能力是很大考验。

　　中国能源报：海装风电5MW机组是我国第一个通过低电压穿越测试的海上机组，陆上机组的低电压穿越已经比较普遍，海上机组是什么状况？

　　张海亚：按照要求，所有风电机型并网前，都必须取得低电压穿越测试合格证书。现有政策法规并未对蹒跚起步的国内海上风电网开一面。在实际操作过程中，受海上风电地形环境的影响，低电压穿越测试设备无法在机组旁就近安装测试，这直接导致在长距离带缆的情况下，常规陆上风电低电压穿越技术，无法让机组按照国家相关标准完成测试工作。

　　2014年，在样机各项测试基本告一段落的情况下，海装风电同电科院紧密合作，仅用44小时实际测试时间，就完成了国内第一例海上风电低电压穿越测试。

　　中国能源报：国内海上机组在设计认证和型式认证方面现状如何？除了海装风电外，国内其他整机商5MW以上的海上样机，是否通过了上述认证？

　　张海亚：H151-5MW机型在2013年8月取得设计认证后，为了掌握设计理论值同实际产品之间的精度，获得真实的测试数据，海装风电邀请权威测试机构——德国风能研究所DEWI对该机型进行了测试，测试内容包括行为测试、功率曲线、电能品质等多方面。为了真实的反映机组实际的运行状况，尽可能排除人为干扰因素，海装风电按照DEWI的要求，在风电机组东南310°夹角400米的位置上，投入200百余万元树立了一座测风范围从0到100米高的临时测风塔。为了获取足够多的样本数据，整个测试工作长达两年半。经过测试值与理论值的比对，该机型各项性能指标完全满足设计要求。

　　经过4年运行、2年半测试、率先通过低电压穿越、可利用率等指标长期超过96%的海装H151机型所获得的国内首个5MW海上风电型式认证证书，能够真正证明该机型具备了批量投放市场的条件，也从客观上引领了行业的健康发展，促进了行业更趋于理性。

　　以项目带动国产化配套

　　中国能源报：据称，海装风电5MW海上风机是第一个具有自主知识产权并批量生产的海上风电机组。其整机国产化率有多高？如何通过5MW海上风机项目带动国产化配套？

　　张海亚：海装风电作为风电整机系统集成单位，整合了包括SKF\FAG、LM、KK等世界一流供方共同参与产品研制。而且对发电机、控制系统、变桨系统等关键核心部件，一开始就采用国内供方引进国外先进技术的合作开发模式。同时，以LM为代表的国际供应商为海装风电定向研制的配套件也实现了国内生产制造。因此，现有国产化已经不是传统狭隘的表述。

　　近年来，随着国内工业水平的进步，国内零部件技术和质量水平也在大幅提升。立足掌握核心科技以及持续为客户提供终身保障的理念，5MW海上风电机组的四大核心部件——齿轮箱、发电机、主控系统、变桨系统的供方同海装风电2MW机组一样，均为中船重工集团内企业提供，其余结构件大多实现了集团内和社会化采购并行的方式。目前，除了主轴承、弹性支承等零部件采用进口件以外，5MW海上风电机组的国产化率能够达到90%。

　　中国能源报：目前，H151-5MW是小批量量产，从样机到小批量量产需要经过哪些难关？从小批量量产再到大批量量产又要经过哪些难关？

　　张海亚：样机是以实现技术突破为主，是以试验、测试、验证、改进为主要目的。批量则更多的是按无缺陷原则，按照批量的组织模式和质量保障方式，花更多的代价解决小问题，这需要准确识别并解决。

　　对于风电机组特别是5MW海上风电机组而言，5台可算是一个小批量，20台则是一个较大的批量。小批量更多需要解决从技术到生产的转变问题，大批量则更多需要解决标准化作业等质量体系保障问题。