第六届全球海上风电大会系列报道（五）：主题论坛三纵论驱动海上风电降本的创新之道
7月8-9日，以“深化创新，多能融合——海上风电助力碳中和目标实现”为主题的第六届全球海上风电大会在广西南宁举办，吸引了来自国内外政府部门、电网公司、开发商、整机商、部件厂商、运维服务商、金融保险服务商以及研究咨询机构等的800名代表参会。在由北京鉴衡认证中心总工程师杜广平主持的主题论坛三上，来自国内外的整机、零部件、材料等企业代表围绕大兆瓦机组、安装船、漂浮式、输变电、海缆等，探讨了哪些技术能够促使LCOE持续下降。新疆金风科技股份有限公司海上工程方向总工程师兼风电设计研究院副院长 宁巧珍：双碳时代的海上风电工程技术创新平价时代，开发商要求海上风电项目收益率达到6%以上，这对项目造价提出严苛的要求。同时，国家要求集约用海，浅水开发资源越来越少，必须规模化开发近海深水、深远海海域，这就提出了更高的技术要求。为实现海上风电平价和“双碳”目标，业内需要做好几点工作：一是勘察设计输入应更加精准。采取先进的海洋勘察船或平台，搭载CPTU等现场测试设备，形成高质量的地质图。同时，建立工程地质模型，项目前期就要分析工程适应性和安全性，对勘察技术进行大量投入，使环境条件的输入更精准。二是开展多元融合技术创新。一方面，对海洋牧场和海洋风电融合技术要先导示范；另一方面，在海上融合发展多功能平台设计上持续创新，实现海洋牧场、海水制氢、海水淡化等多元融合发展，构建未来海上风电最优全投资收益的综合解决方案，行业协同促进技术产业化，打造开发商、整机商、设计院、施工单位多方利益共同体，实现合作共赢。三是提升运输船在中远海的抗波性能，深入开展特种运输船、多套机组运输技术研发。为进一步适应可达性要求，还必须在运维母船和混合动力运维船，及登靠设备上不断创新，降低成本。同时，应建立离岸运维基地。明阳智慧能源集团股份公司总工程师 贺小兵：海上风电与多能融合创新之路要实现2030年风电、太阳能发电总装机容量达12亿千瓦以上，风电产业需在效率、成本上做出更大努力，但海上风电若在未来两三年内没有地方政府的补贴接力，会形成较大的空窗期，这对整个行业有很大影响。沿海各省绝大多数用电都来自外送，成本很高，这为海上风电的发展带来空间。我国海上风能资源条件最好的地方在台湾海峡，风速可以达到8~10米/秒，其他省份大概是7~8米/秒，广西海上风电的平均风速在7~7.5米/秒，并且有台风。因此，要考虑低风速技术和结构性抗台的要求。从经济性评估来看，以广西为例，其电价为0.42元/千瓦时左右，如果按照7~7.5米/秒的风速，年利用小时数为2600小时测算，建设成本需要控制在1万元/千瓦以下，目前离这一要求还较远。因此，海上风电不能以单一的能源形式降低成本，多能融合发展才能满足产业需求，推动降低成本。在技术创新上，明阳智能先后攻克了海上超大型抗台风机组技术、海洋能源和海洋工程系统技术、深远海柔性直流送出系统、高端核心部件和新材料等一系列重大关键核心技术，形成了一批世界先进、全球领先、国内独有的核心技术。在多元融合上，明阳智能通过持续的技术和商业模式创新，引领海上风电及海洋能源的规模化、立体化融合开发，打造绿色融合的海洋经济形态，为海上风电与海洋牧场、海上制氢综合开发夯实了技术和装备基础。上海电气风电集团股份有限公司海上产品线总监 黄轩：双碳目标下海上风电发展新思考
“国补”退坡后，市场充分竞争，促使企业将最好的技术呈现给市场。包括上海电气在内，都在想尽一切办法通过技术降本的方式，实现未来几年内海上风电的长足发展。中国海域的地质情况非常复杂，需考虑淤泥型、嵌岩型等的区别，另外，受台风影响的地区每年的作业期只有100多天，施工难度非常大。为了实现可持续发展，中国海上风电在资源评估、项目开发、机组选型上要比欧洲市场做得更精细。此外，“数字化”也是海上风电需要关注的重点，也是海上风电发展的“痛点”。作为一个新兴领域，我们在对数据的认知和利用上还有很长的路要走。因此，需要借助全产业链的数字化平台，从前端的需求、设计、研发，到制造、施工、运维，实现全生命周期数字化转型。海上风电管理就是风险管理，一方面离不开技术创新，另一方面，需要通过数字化手段提前感知，做到预防性维护，这需要整个行业共同推动。例如利用数字孪生等控制手段，提升能量可利用率。整机商、开发商要通过资源落地进行项目开发，实现可持续发展；地方政府有投资需求，各参与方要通过产业链协同发展，规模化发展，统筹前期开发，完善产业链，实现分批有序开发。随着海上风电走向深远海，如何掌握应对深远海域海上风电后市场服务的能力，是立足海上风电市场的关键。南瑞集团中电普瑞电力工程有限公司总工程师 杨岳峰：海上风电柔性直流并网技术及装备以目前工程应用来看，海上风电主要通过高压交流和柔性直流两种方式实现电能输送。两种方式的应用主要通过离岸距离以及输送容量进行选择：一般来说，离岸距离分界线在50公里左右，容量分界线是400~500MW。对比来说，柔性直流输电技术性能更加优越，运行方式更加灵活，环境友好程度高，且随着成本的大幅优化，具有很大的发展潜力。目前，海上风电柔直并网工程主要集中在欧洲，国内虽然陆上已建设多个柔直工程，但在海上领域仍处于起步阶段。中电普瑞电力工程有限公司是国内首家、世界第三家拥有柔直核心装备自主知识产权并实现工程应用的单位，具备深厚的技术能力和工程经验储备，尤其是在系统设计及验证、换流阀和控保研制以及耗能装置研究等方面。柔直在海上风电应用有独特优势：在系统层面，一是增加有源阻尼策略，以解决电力电子设备所引起的高频振荡；二是通过可靠性分析采用合理的冗余设计，以确保系统高可用率；三是通过优化换流站损耗，以保证系统经济性；四是通过全功能、全工况的仿真平台，以确保系统可靠运行。在装备方面，一是降低换流阀等装备的重量及体积，并延长免维护年限；二是控制保护设备具备耗能协调控制和风电场协调保护等功能；三是海上水冷系统采用三层冷却，增加海水冷却环节；四是耗能装置具备高能量瞬时吸收能力，并能够进行故障清除及快速恢复。此外，海上风电柔直并网技术将会向拓扑结构优化、平台集成和轻量化、集群并网、高性能储能互补以及多能混合接入等方向发展，将有助于改变我国能源分布不均现状，并助推“30·60双碳目标”落地。中国船舶集团海装风电股份有限公司学科带头人、海上漂浮式装备总工程师 董晔弘：海上风电技术研讨及发展趋势海上风电机组单机功率增加、风轮直径增大是降本的主要途径。超长叶片带来了叶片轻量化设计需求，将进一步推动碳纤维等新型材料在叶片上的应用。在整机设计方面，中国海装贯彻一体化设计理念，包括叶片气动、叶片结构与整机一体化设计，整机参数和塔筒结构一体化设计，机组和支承结构一体化设计等，采用同步仿真、同步迭代的方式，做到各子系统之间的设计匹配，挖掘叶片与塔筒等关键部件的减重空间，从而在经济性基础上实现性能最优。同时，也将一体化设计理念贯彻到漂浮式风电装备的设计中。在关键技术方面，中国海装在很多方面都在开展相应的研究，包括规模化接入电网的适应性技术、一体化仿真设计、海洋防腐技术、整机降载控制技术、智能全息感知系统、叶片轻量化技术、滑动轴承技术，以及国产化PLC主控系统开发应用等。中国海装首台漂浮式风电装备预计在2021年开展示范样机的制造安装工作。在实现风力发电的基础之上，可与海洋牧场、海上风电制氢、海水淡化、能源岛、智能微网等技术融合。未来，海上风电发展将呈现出五大趋势：超长超柔叶片的设计和制造；大型海上风电机组的设计技术；柔性直流输变电技术；海上风电场智能运维技术；漂浮式风电+X技术。东方电气风电有限公司研发中心副主任 李源：碳中和目标下的海上风电技术发展新动态在碳中和的背景下，实现平价有三大主要措施——“两降一提高”，即降低建设成本，降低运维成本，提高发电量。降低建设成本，可以采取以下措施：第一，从风能资源源头进行分区、分等级设计，实现定制化开发。协同设计，包括风能载荷、控制、机械、电气各专业的联合开发。第二，应用新材料、新工艺，降低叶片、罩壳、铸件、塔筒等的成本。第三，推动部件的国产化。第四，进行全耦合一体化设计。第五，在抗台风的情况下实现降载，同时捕捉台风能量。第六，规模化开发以及机组的大型化。第七，单叶片吊装技术的应用。在降低运维成本方面，智能化设计可提升年平均故障间隔时间。在智慧运维系统方面，东方电气能够提供风电机组全生命周期智能管理核心服务。在提升发电量的措施中，采用暴风控制策略和柔性超发策略，在25~30米/秒的风速条件下实现降容运行，通过柔性超发实现低温超发，可以挖掘电力系统的能力。根据温度和风速分布，测算整体发电量可提升3%~5%。在尾流控制上，采用合理的机位排布，以及先进的Q-Learning算法和尾流模型，平均提升发电量3%~5%。未来，构建源网荷储高度融合的新型电力系统，风光水火储一体化，可以减少电压波动，减少电网设备投资。埃斯倍风电科技（青岛）有限公司总经理 江显平：大兆瓦风机变桨技术路线海上风电机组越来越大，目前已经发布的达到15MW以上，风轮直径达到236米。据了解，已有整机企业在研发20MW以上的机型，风轮直径在300米以上。机组大型化，不仅只是叶片加长，塔筒加高，而是从量变到质变。大兆瓦将直接带来载荷模型的变化，也关系到变桨技术未来的发展。30多年前，埃斯倍发明了电动变桨。现在，变桨系统要应对大兆瓦机组带来的载荷、扭振、涡激振动、共振等挑战。这些挑战也给我们指出未来的发展方向。机组向大兆瓦方向发展，首先要在降载荷上取得突破，降载荷就是降成本。在降载荷中，变桨能做什么？一是抗涡激振动可通过载荷偏置解决；二是降低切变和湍流载荷；三是降低及消除扭振；四是避开共振区。因此，希望整机厂商将更多精力聚焦在载荷上，实现变桨的快速响应。双驱、多驱变桨是一把双刃剑，不合适的变桨动作反而会加大叶片的扭振或震颤。对于如何测量扭振？埃斯倍已经取得了突破。通过独立变桨，可有效地降低风力发电机振动，从而提高设备可靠性，延长设备使用寿命。威能极中国风电齿轮箱总经理 Joerg Sieber、威能极中国风能发电机总经理 Andreas Nagel：半直驱在海上风电的应用威能极是全球风电机组传动系统的重要供应商，1981年成功开发第一台专门用于风力发电机的齿轮箱；1983年成功交付第一台功率范围22~100kW的发电机。截至2020年年底，已向全球累计交付超过100GW的发电机和超过175GW的齿轮箱。风电机组的单机额定功率越大，将越有利于整个风电场建设成本的下降，但需要我们全方位地考虑整机传动链的设计，以保证设计出来的产品能真正在海上平稳运行25年。威能极最新中速方案的齿轮箱是三级行星结构，其发电机采用独特的油冷设计，无需风扇和其他辅件，两者高度集成。威能极15MW中速方案的齿轮箱重量仅约80吨左右。威能极一直致力于风电齿轮箱新技术的研发和应用。例如，多行星轮技术、滑动轴承技术、新材料的应用等。目前，已经完成了5.xMW半直驱传动系统的设计和小批量生产，正在开发更大兆瓦的传动链。我们的产品在交付前都要做全面的整机系统测试，以保证其完全符合国际标准和客户的要求。佐敦涂料（张家港）有限公司能源行业技术支持经理 周国新：免维护涂层体系在漂浮式海上风电与海洋渔场上的应用漂浮式海上风电设施的腐蚀环境分为三个区：一是海洋大气区，主要受高盐度、高湿度、强UV照射和高氯离子影响；二是飞溅区，包括干湿交替、海浪撞击、海洋生物生长；三是浸没区。海上风电和海洋牧场腐蚀环境恶劣，要求寿命长（25~30年），维修成本高，对防腐技术带来了挑战。因此，需要一系列的解决方案用于减少或免维修。海上设施常用的防腐配套体系包括厚浆环氧涂料、环氧玻璃鳞片涂料和聚酯玻璃鳞片涂料，聚酯玻璃鳞片涂料越来越成为海上风电和海洋牧场的主流。聚酯涂层比环氧涂层干燥得更快，能更快地达到涂层需要的机械性能，漆膜更致密，同时能够提供非常好的刚性和韧性。聚酯玻璃鳞片涂料通过了17000小时热盐雾老化试验。国际上最权威的海上防腐涂层标准Norsok M-501对海上设施涂层的标准有三个关键要求，4200小时的循环老化测试、海水浸泡测试和耐阴极剥离测试。其中，在耐阴极剥离测试中，等效剥离直径要求小于等于20毫米，而佐敦的聚酯玻璃鳞片涂料测试结果小于2毫米。1979年，将划破涂层的样板浸泡在挪威北海中，经过27年的浸泡，直至2006年取出发现划线处基本没有腐蚀蔓延。在1980年用聚酯玻璃鳞片涂料保护的挪威北海Ekofisk石油钻井项目，直至2021年，期间经过四次勘验，业主发现涂层状况良好，无需维护。此外，我们还为海洋牧场、海上渔场等大量项目提供了产品和服务。艾尔姆风能叶片制品有限公司中国区前端工程总监 徐岚：风机叶片助力降低度电成本叶片监控系统主要是提供信号给机组控制系统，帮助实现独立变桨，提升发电量，更精准地对风以提高捕风效率，状态检测用来识别振动根源，减少部件磨损，从而降低运营成本。该监控系统在每支叶片上安装4个传感器，通过光纤方式传输信号，中心控制器可以安装在变桨控制柜中。在机组调试过程中，传感器可自动完成校准。艾尔姆将传感器安装在叶片特定位置处，比传统安装在法兰上的方式，可以得到更高精度的数据。关于前缘保护，随着叶片越来越长，叶尖速度常常会超过90米/秒，这时前缘腐蚀的风险会增大。为了不影响年发电量，前缘保护就显得非常重要。艾尔姆提供的前缘保护产品在对发电量影响很小的情况下，可以对叶片前缘提供长期有效的保护。关于风洞测试，由于叶片的气动特性对发电量有重大影响，而翼型的设计一般采用数值解法，很难达到百分之百的精准，需要风洞测试验证。同时，叶片每段之间的衔接是经过光顺和调整的，风洞测试可用来了解叶片光顺后的气动性能是否与种子翼型有异。为了提升发电量，通常会考虑采用不同组合的气动附件，并集成在叶片甚至翼型设计中。气动附件用数值解法比较困难，然而通过3D打印的方式，可以较容易得到气动附件，因此，采用风洞测试的方法成本更低，也更快速。COTESA/S商务拓展经理 李佳：海上除盐除湿系统COTES是丹麦企业，进入风电行业已经超过20年，产品在全球海上风电市场的占有率是80%。我们在中国建立了独资子公司，主要从事除湿机设备及其零部件的研发、批发、进出口代理，并提供技术服务、信息咨询及相关配套服务。湿度是腐蚀的“燃料”，当相对湿度超过65%时，一般情况下，腐蚀率呈指数级增长，整个海上风电机组都会受到湿度的影响。传统的除湿方式有干燥吸附、冷冻除湿。COTES经过认证的转轮除湿技术，处理风量可达4万立方米/小时以上。COTES新研发的正压系统，可阻挠外界风进入机舱和塔筒，以保护塔筒和机舱不受湿度、腐蚀和霉菌的侵蚀。正压系统可以将机舱和塔筒的防腐等级要求从C5降到C3，或是C2，有效地节省了海上风电的成本，使其更具市场竞争力。设备维护方便简单，只需更换盐雾过滤器即可，不需要任何冷源。 CWEA第六届全球海上风电大会系列报道的更多内容，敬请关注风能专委会CWEA公众号。
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