CWPE2019:中国船舶重工七一二所郑军:2MW高温超导风力发电机研制与应用展望_东方风力发电网
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CWPE2019:中国船舶重工七一二所郑军:2MW高温超导风力发电机研制与应用展望

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-11-28   来源:东方风力发电网  浏览次数:75
核心提示:2019年11月22—23日,第四届中国风电电气装备与微电网技术高峰论坛暨中国电器工业协会风力发电电器设备分会二届四次年会于江苏苏州召开,本次会议的主题是“智慧能源、智能制造、智控微网”。中国船舶重工集团公司第七一二研究所集团技术专家郑军在会上为大家带来了题为《2MW高温超导风力发电机研制与应用展望》的精彩演讲。
   2019年11月22—23日,第四届中国风电电气装备与微电网技术高峰论坛暨中国电器工业协会风力发电电器设备分会二届四次年会于江苏苏州召开,本次会议的主题是“智慧能源、智能制造、智控微网”。中国船舶重工集团公司第七一二研究所集团技术专家郑军在会上为大家带来了题为《2MW高温超导风力发电机研制与应用展望》的精彩演讲。


 
  以下为演讲实录:
 
  我们所主要是做船舶电力推进装置,这次来主要是向各位汇报一下我们所在超导应用方面,特别是超导电机研制所取得的一个工作,包括超导电机在风电领域应用的浅浅的分析,实际上应用的展望还过了一点。另外还得感谢主办单位给予我这次的机会。
 
  报告的题目是2MW超导风力发电机研制与应用展望,主要分四块:一个是超导电机技术内涵与研究现状;第二个是我所刚刚完成的一台2MW超导风力发电机的研制情况;第三个是超导电机在直驱风力发电应用展望;第四块是结语。
 
  先简单介绍一下超导材料的发展,因为超导电机和超导应用的发展离不开超导材料,其发现是在1911年由荷兰的物理学家Onnes在研究Hg的电阻率随温度变化的时候,突然发现了在绝对温度,也就是零下269度左右,那么Hg的电阻率有一个变化,变成零,处于无电阻的状态。这样的发现也揭开了超导研究的序幕,这位先生1913年获诺贝尔物理学奖。超导现象发现了以后,引起了世界各国物理学家的重视,但是80年代之前,超导材料的发现,实际上我们右下方这个图画了一个乌龟,它的速度是很慢的,这到1986年,德国科学家谬勒和德诺兹发现了铜氧化物陶瓷具有超导电性,揭开了高温恩超导的研究热潮,获1987年诺贝尔物理学奖。还有两位华裔科学家朱经武先生和赵忠贤几乎同时独立发现了YBCO材料,这里说是高温其实是相对高温,是在4K左右,甚至是有的是在20K、30K,这个是90K,在液氮温区以上,是一个相对高温。包括日本科学家发现了铁级超导,在赵院士的推进下,铁级超导在中国的研究处于世界的先进水平。以及前两年听到的报告,美国的一位华裔青年发现了室温超导体等。
 
  但是真正能够应用于超导的电力设备,这里面主要有三大类:
 
  一大类是低温超导,我们左下角这个叫Nb3Sn(铌钛三锡),已经成功应用于国家的大科学工程,强电子的对撞,以及跟大家密切相关的就是去医院做CT,超导磁体就是由这两种超导代材制成的。
 
  另外是实用化的,叫二硼化镁(MgB2)。这个材料与低温超导材料一样,金属性强,相对的转变温度高一点,在40K左右。
 
  现在我们说的实用化的高温超导,主要是一种是钇钡铜氧,还有铋锶钙铜氧,这两个超导一个转变温度是90K,一个是110K。针对高温超导,特别是二代高温超导代材,国内外都有生产厂家,比如说钇钡铜氧,国外是有Superpower,国内是有Samri,还有美国的超导公司,国内是有上创超导,还就日本的Fujikura,有上海超导,还有SuNam,在BSCCO国内有北京的因纳(音)。这些单位,国外的市场风云能力比国内好一点,但是国内也具备小批量的生产能力。
 
  现在汇报一下电机。超导电机这里主要是说同步旋转型电机的结构形式。根据转子的冷却结构分为两大类,左侧是整个转子轴系是常温,只是磁体和支撑部分是低温。冷却是通过左图的冷却系统一个冷却管路进入转轴类,然后通过静像冷却超导磁体,右侧的是分侧的轴,右侧的是常温,低温系统通过轴向传递通道来冷却转子的轴,通过转轴传导和冷却超导磁体。那么定子的话,有常规的结构形式,也有气隙结构形式这是根据我们的应用不同。
 
  超导在电机的应用,最先想到的是在船舶推进这块领域,于是美国在2009年的时候完成了一台36.5兆瓦的高温超导电机的研究,这上面大的是跟常规电机所做的一个形象的对比。那么超导电机有什么优势呢?常规电机的功率与直径的平方呈正比,跟轴下尺寸呈正比。超导电机的转子我们可以做成气隙合金饱和的,这时候的转子尺寸X转子气隙。如果采用气隙的话,可以增加定子的线复合,在保证定子电力相对不变的情况下,这样两个公式代到一个公式里面,得到它的功率近似跟电机直径的5次方呈正比,把轴向长度也是等同于直径。这是近似的概念性说明,为什么超导电机有优势,主要的优势是什么?主要是体积小、重量轻。超导电机作为大容量,40兆瓦或者是风电10个等级的话,转矩密度考虑到转速,转矩密度是常规电机的2—3倍,效率也有一定的提升,关键是它的转子没有一侧的损耗。实际上真正地对于大容量电机来说,低温冷却系统的功耗占到整个的消耗比例是小的。另外是低噪声,这跟结构密切相关,采用气隙电收的话,没有定子的铁损,那么定子的齿槽引起的转机的脉动和噪声从结构上消除了,另外还有很强的过载能力,假如说用于铜箔铁氧机,转子始终工作在低温环境下,虽然一直有变化,但是不会对转子温度产生变化,对转子产生一个热疲劳。
 
  先说说美国,其研究历程到现在接近30年,1990年研究超导电机,从一个马丁、两个马丁,最后到36.5MW,这一阶段他们经历了接近20年,10台样机不断迭代和修正和完善的过程,所以超导是很投入钱和经费的,不能急于求成。这台电机在整个的电机研制史上具有强大的意义,向世人证明了超导电机实实在在的优势。这台电机的重量是70吨,低温辅助是5吨,所以最后我们写重量是70+5吨,是这个的意思。常规这台电机为了DBD1000,当时做了永磁电机、超导电机和感应电机,当时感应电机做出来160吨,永磁110吨,超导电机是在70+5吨,这从数字上很显著地体现了它的优势。国际上做得相对好的是日本,2010年完成了1个兆瓦电机的研究,2013年是3MW,下一步是针对20WM级的液化天然气的船舶进行使用,因为夜化天然气的船舶功需也是液氮功需。实际上还有德国、韩国等国家做过超导电机。综合起来1个兆瓦以上的是有韩国、中国、日本、德国西门子和美国。那么目前美国是处于绝对的技术领先的状态,只是说这台电机的技术处于领先的状态。
 
  刚才说的是船舶推进这块研究的现状,现在汇报一下风电领域超导电机国际研究的现状,主要是以欧洲的两个项目作为代表来介绍,虽然其他国家包括美国的超导公司GE,包括丹麦的科技大学等很多的国家包括韩国,都做了一些概念性的超导电机的研究、设计。但是实际上都没有样机出来。那么这两个项目我认为做得相对比较深入一些,所以跟大家汇报一下。
 
  这个是由欧盟的9个单位,一个比较软的基金项目,他们只是做了概念性的设计,磁体的冷却做了样练,主要的设计人员已经是在上海科技大学,主要是做低温冷却的,是咱们华人的一位研究生当时是在KIT,回来也与我们交流了一下。他整个的名头比较响但是真正做工程应用结构是不合适的,采用的材料是二硼化镁,材料便宜。
 
  另外是欧盟的地平线项目2020,这台样机已经今年4月份挂网运行。我们去年到德国走访了一下,还有荷兰的特温特大学去交流了一下,这台电机的定子应该是常规的永磁电机,只是将它转子永磁换超导。它这里的结构他是超导线圈绕在转子铁芯的骨架上,整个转子是零下243度,相当于绝对温度30K左右这样的温区,这是它主要的结构形式。当然国内网上也看到了远景的一个宣传。
 
  国内的话,我们所主要是针对船舶推进一直在做超导电机的研究。80年代—90年代,当时因为国家的经费有限,陆陆续续提供,所以超导电机的研究时间特别长,1992年我们完成了300千瓦低温单导超级电机,当时做完影响可以,电机的效果可以,但是低温冷却系统是4K的低温,低温冷却系统庞大,所以在船舶使用不合适,中间隔了一段。2004年清华大学的韩老师从丹麦把高温超导材料带回国家,然后开展了研究。在863项目的滚动支持下,完成了一百千瓦的高温超导电机和一个兆瓦的高温超导电机。我们不能说做完报个奖就完事了,我们是想应用的。那要应用我们就分析应用如何做?我们针对整个的船舶推进和风电,这两个方向实际上2012—2015年中间还有一个小过程,针对于大容量电机的脱骨结构进行了验证,然后2014年正好是有一个军方项目的支持,我们立了20MW发电机的项目,然后这个对大容量电机的结构进行了验证,对核心的技术路线进行了验证,实际上后面的几个图也是代表了超导电机的整个发展方向,一个是推进,一个是风电。另外如果将旋转改为直线的,对于大吨位的火箭发射、航天飞机的发射,包括轨道磁浮也是很有作用。
 
  这是2MW在我们实验室的照片,以及它主要的参数。这台电机我们是针对推进来做的,所以是有段盖和轴承,如果将这个去掉,其他的辅助系统去掉,我们用的风电是在40吨左右。刚才说了这台电机主要的成果是验证了大型超导电机总体的技术路线和核心的关键技术,应该说目前是国际上第二个具备大容量高温超导电机研制能力的国家。第一个是美国,德国的技术路线太Low了,我不看好德国和欧盟整个的技术路线。这是我们这台电机的结果,上面是扭矩、下面是转速,最底下是功率,右侧是定子相电流波形,可以发现我们是非常完美的正向波,这是超导电机很重要的特点。
 
  评价一台电机,欧盟的项目技术方案比较落后,评价一台电机的相对性。我们做了因子的设定,一个是在相同等级转矩条件下的体积,重量转矩密度高,体积小。另外是气隙磁密水平,另外是相同等级转矩条件下的冷媒工作温度、冷媒量和降温时间,因为风电发电10兆瓦级,降温太长时间对工程肯定是不好的。再者就是超导线的用量,主要考虑成本,还有是整机的相同转矩下所实现的工艺性,也就是制造成本、难度和周期。针对这些,我们相对应的总体的方案是整机降温时间缩短了2/3,去年在德国访问时,他们说德国那台超导电机3.6个MW,降温时间14天,半个月左右。同时我们整个的拓朴结构提高轴系刚度和磁体运行稳定性,以及超导线用量减少。另外是磁体方案做得很好,它的区域磁密达到了8.5—3.0的特斯拉,气隙磁密达到了1.5—2.0,我们设计的是1.4。这一数值的话,目前国际上可查的超导样机有实际样机的里面是最高的。气磁密基本上是常规的两倍,还有关键技术上的一个提升。
 
  这个是我们将前面的风电结合起来,将我们的放进去我们输出做了一个对比。后面的三个是倒数第二个、第三个实际是有样机的,察看的都是概念性的设计,有些高校搞的概念性设计都是很奇葩的,而且有些基本上是不可实现的。学术上不能做 这种批判,但是很不好的。比如说丹麦的这种磁场搞了9.1T,那你其他的漏磁场是非常大的,整个的转子结构无法满足高磁密的结构的。真正懂电机设计的话,我们电机小体积轻,磁密越高越好,但是高到一定的程度对我们的结构提出了巨大的压力,有不可实现性。
 
  这是在超导风电做了初步的概念性设计,这不是最终的设计。我们初步分了10个兆瓦级的超导电机外精6M,如果采用内外电输的话,我不能说在超导电机能够实现,假如能够实现的话,这个参数直径进一步减少,相对的转矩密度进一步地提高。然后做了一些大量的概念性的设计,右侧的图是早些年的时候美超公司在宣传超导电机在风电应用的时候他们所做的一些分析,这是起来研究上,也形象说出了超导电机的优势。
 
  我们再汇报一下这个超导电机在风电的应用展望,我们从技术能力来说。通过前面我们的汇报,我们所在大型电机的设计能力方面具备了雄厚的积累,我们现在可以开展4—10兆瓦级的直驱风力发电机的示范运营的研制能力。整个水平处于领先水平,如果美国30.5兆瓦的超导电机的团队和人员没有解散的话,他们还占优势,但是实际上国外团队都是分散型的,这么多年以后都是私营企业,这些人都到别的国家地区去了。目前我们这个团队比较稳定的是坚定一个方向做研究的一个团队,目前处于国际领先的水平,这不是一个骄傲,事实存在是这样的。
 
  另外是研究平台,我们是有国防经费的支持和实验研究条件的提供,特别是条保等。目前我们正在筹建国家级超导应用研究实验室,或者是工程中心。另外是国内配套,超导电机的发展,低温和超导材料两个与众不同的特点,它的配套能力也是非常重要的。那么国内的话现在主要还是以二代超导带材发展为主,苏州新材料、上海超导和上创超导三家国内二代超导带材公司均能提供小批量的带材,而且我们右侧上面的是苏州新材料公司为我们提供的带材,我们去年在韩国有一个合作项目做这个二代高温超导磁体,做了一个样机。那么另外一个是低温,低温也是我们集团下面的一个子公司,南京红利(音)公司,水平已经接近了日本住友。但是不敢说国际领先的,因为这块技术的提升空间还是很有一些的。但是目前他们做到的维护周期可以达到一年以上,整个的寿命是在4万小时。
 
  实际上刚才所说都是我们的基础和配套条件,但是真正制约超导发展,超导电机在风力发电应用是在成本问题。国外的是有的在400—500块钱一米,超导材料。昨天我写这个的时候很头疼,说技术我们可以说一些,这个计算真的有点头疼不知道怎么分析。从超导材料整个的消耗来计算。对10个兆瓦,因为现在的价格至少是要2240万人民币,这还是非常昂贵的。但是作为军工装备来说还是可以接受的。但是民用的话,这个估计是很难接受的,我们有一个设想,超倒带材40元/米,整个的超导带材费用640万人民币,我感觉这个相对来说好一些。但是40元/米,这个实际上就是说应该说是可以去各个生产厂家,就是产能批量化以后,产业化以后可能能够接近的,甚至是有可能比这个更低的,当时我们研究所王院士对各个厂家提出的是10元/米。一个是成本,另外一个是产能的问题,这两个结合在一起,我认为都是产业化的问题,假如说我们的需求上来的话,产能提高上去,这两个都是可以去解决的。
 
  最后做一个结语。首先就是说在前面的分析,超导电机在10MW级,实际上刚才所说的是两个兆瓦,两个兆瓦左右的优势是不明显的,是不建议去工程化的。那么比如说我们这里建议的是在10MW级或者是以上的这种特大型的直驱风力发展它具备绝对显著的体积和重量优势。这里面还要再说一下,因为超导我们的气隙比常规电机大得很多,比如说昨天袁老师写的是8个毫米的气隙,我们这里做10个、20个都是可以的,这对风力的震动会有很好的阻力效应,或者是适用效果。另外是在国内,国内超导电机的研究也已经具备一定的研究基础,国内的配套也基本完善,我们可以开展超导电机这方面示范的条件。第三个是表达一些我们所合作的心态,我们希望能够与各位风电的同仁合作,在你们的指导和帮助下,我们把超导电机将它做完善,特别是超导风电的产业化方面做出我们的贡献。
 
  (内容来自现场速记,未经本人审核)
 
 

 
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