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中国海上叶片发展的思考——李海涛/叶片技术经理

2017-04-24 浏览数:1183

  尊敬的各位来宾下午好,首先感谢主办方东方风力发电网和众多供应链伙伴提供的平台,让我们有机会一起交流。很荣幸

  尊敬的各位来宾下午好,首先感谢主办方东方风力发电网和众多供应链伙伴提供的平台,让我们有机会一起交流。很荣幸能够作为压轴的嘉宾来演讲。
  在最近几年上海电气凭借西门子的产品和我们长期积累的海上运维能力,在海上风电市场取得了领先。作为先行者我们对于中国海上风电的发展,包括海上叶片有了一些思考和体会,在此很愿意和大家一起分享,希望能起到抛砖引玉的作用。
  我的报告分为四个部分。第一部分简要介绍一下上海电气在叶片领域所做的一些工作。第二部分是中国海上风电叶片的前景与挑战。第三部分是度电成本驱动海上叶片的发展。第四部分是总结。
  首先简单介绍上海电气在叶片开发领域所做的一些工作,上海电气是成立于2006年,从成立之初我们就将叶片视为最核心的部件,寻求自己设计叶片。从2009年至今,我们先后形成了四个平台10余款叶片产品。一直以来上海电气批量装机的自有的风电机组全部来自于自己的叶片设计,上海电气也是执行自有叶片设计态度最坚决的整机厂家。我们之所以选择这样的方式可以从后面介绍的叶片和整机一体化设计来寻找答案。
  首先不妨让我们大家一起畅想一下中国海上风电叶片的前景。在2016年我国的海上风电装机有了一个明显的增长,在年底出台了风电发展“十三五”规划,规划显示在“十三五”的剩余四年,也就是2017-2020年,中国的海上风电将迎来新的发展契机。第二,海上叶片它的技术含量更高,并且目前没有形成有效的充分的一个竞争环境,因此它享受一定的议价。第三,海上叶片可以说是高端制造的体现,掌握了海上叶片可以提升整个叶片的技术水平,实现海上陆上协调,最终促进陆上叶片的技术水平和盈利能力的提升。最后一个是未来全球的海上风电的市场增长的潜力十分巨大,中国的领先叶片企业应该能够走出去,参与到全球的市场竞争。在此之前我们需要修炼内功,夯实国内的海上叶片发展。
  我们常说前途是光明的,但道路是曲折的。纵然有美好的前景,但是我们也要面对我们面临的严峻的挑战。挑战一是我国的海上资源严格来说并不算是非常的理想。按照年平均风速我们大致可以将中国的海域划分为三大板块,这部分我们快速的浏览一下。因此我们说在中国除了福建、台湾海峡以外,中国大部分的海域都可以归纳为低风速海域的范畴,适合开发低风速的海上风机。由此给我们带来的挑战就是叶片将更长,叶片的设计和制造难度将更大,由此带来的可靠性的要求更高,成本控制的难度也就更大。
  挑战二是中长期度电成本的下降压力,在过去的五年全球特别是欧洲的海上风电的度电成本已经下降了40%以上。在未来的几年这个下降的趋势仍然是会以一个并不算是特别平缓多趋势下降。中国的海上风电才刚刚起步,我们的海上风电的度电成本的下降速率可能不会下那么快,但是这个作为一个趋势是不可阻挡的,降低度电成本既是提高海上风电竞争性的必要要求,同时也是我们做大做强海上风电这个道路的必由之路。我们想作为叶片的相关从业人员,我们叶片在海上风电的度电成本下降过程中,能够扮演什么样的角色,起到什么样的作用,这个我们将在第三部分做详细的阐述。
  说到度电成本,我们不能不谈LCOE这个概念,在座的很多嘉宾可能都已经非常熟悉这个概念,但可能也有部分嘉宾不是很了解,请允许我做个简单的介绍,LCOE英文全程翻译过来就是品种化度电成本,它是衡量能源综合成本以评估其经济性的重要指标。从下面的这个公式我们可以看到这个是经过简化之后的LCOE的一个计算模型,主要与四个因素有关:机组成本、风电场其他一次性资本投资、运维成本、分母式发电量。从这个公式我们可以看出度电成本的下降不仅仅依赖于成本的下降,如果我们能够提高发电量,同样也可以带来度电成本的下降。上面这个LCOE的下降路径图是我们参照欧洲的海上风电的度电成本的下降路径所设想国内未来的一个下降路径,欧洲的成功经验可以作为我们一个重要的参考。
  度电成本驱动海上叶片的发展。在这一部分我们将LCOE的公式提炼出来,从LCOE公式的这四个要素分析叶片在这四个要素中到底发挥什么样的作用。首先第一个是机组成本的下降,我们首先分析的是生产效率所能带来的叶片价格的降低,左边这张图是我们设想的6兆瓦级以上的海上叶片,如果按照目前的国内陆上叶片的生产工艺,我们说生产这样一片叶片,大概7天一片,这个可能并不算是一个十分保守的预计,如果我们将生产效率提高到3天一片,成本构成就发生了一个变化。从这个对比我们可以看出叶片的固定资产摊销和开发成本的比重发生了大幅的下降。此外我们分析了这两种生产效率下的一个叶片的总的制造成本的对比,从这个对比可以看出后者的成本比前者下降了14%左右,既然提高生产效率可以降低叶片的制造成本,那么通过哪些途径可以提高叶片的生产效率呢?我们认为最大的可能性可能是来自于新工艺的开发,比如说更改叶片的铺层方式,其次是更多的使用预制件,再者就是研制和使用定制化的工装,最后是增加自动化的投入当然最后的两项无疑会增加固定资产的投入,这是需要我们来权衡这些固定资产投入所带来的成本增加与我们提高效率所能带来的成本的降低,这个谁大谁小。
  这一页PPT我们仍然围绕叶片对于机组成本下降的作用展开,那就是叶片和整机的一体化设计能够显著的降低机组成本。现在国内越来越多的整机企业开始自己设计叶片,然后交给叶片企业来生产。我想这主要是因为整机企业设计叶片具有非常明显的一个优势。这主要是因为叶片的设计与机组的载荷,控制策略设计还有部件的设计是相互制约、多轮迭代的一个过程。整机企业来设计叶片具有第三方无法比拟的效率优势和信息优势。此外,更关键的是整机企业能够站在一个度电成本模型的高度去衡量每一项技术变更,或者每一项技术设计参数对于整个风电场收益率所带来的影响,这个也是目前国外风电巨头所采取的这种设计方式。
  叶片对于机组成本降低的另外一个影响因素是叶片载荷的降低,叶片载荷的降低能够降低机组其它部件的载荷,进而也就降低了这些部件的重量和成本。叶片载荷的降低我们认为可以有以下几个途径:一是新材料的使用,主要是使用更高模量的增强材料,其次是使用更加低密度的原材料。比如说市场上现在已经有了低密度的胶黏剂,那么对于其他的主要原材料我们未来能否开发出低密度的,这个我们不妨大胆的假设一下。二是新的生产工艺,比如说碳纤维主梁拉挤板材的应用。在过去一年碳纤维拉挤板材作为主梁是一个非常热门的话题。三是降低设计的安全裕度,我们可以根据标准的要求,通过测试和验证来选用更低的安全系数,进而可以通过降低安全裕度来减重。
  降低叶片载荷第二方面一个大的途径是采用新的气动和结构设计,主要是新的更先进翼型的开发,另外一个就戮弯扭耦合,我们可以利用弯纽耦合的效应来做结构设计。最后是先进的控制技术,当然这不在叶片的讨论范围之内。从后面两项我们可以看出叶片和整机的关联性非常强,它们的整体设计可以说是影响到机组成本的方方面面。
  叶片对于机组成本下降的最后一个影响是叶根节圆直径的控制,这对叶片重量关联性非常大,叶根直径的控制对叶片重量的关联性很大,节园直径越小叶片的重量越低,由此叶片的成本也就越低,同样因为叶片和变糨轴承和轮毂是依次连接的关系,节圆直径越小变桨轴承就越小,我们反过来说就是叶根直径越大,变桨轴承和轮毂尺寸也会相应越大,带来变桨轴承、轮毂的尺寸、加工设备也会提高。特别是对于轮毂,当尺寸大到一定程度制约设备加工能力,由此带来制造成本的大幅上升。
  说完叶片对于机组成本下降所带来的影响,我们再来讨论叶片对于发电量的影响。一般我们说到叶片往往想到的会是将叶片延长,但我们认为叶片延长不仅仅只影响发电量,还会与其他的要素相关,所以这个我们将放在最后来讨论。我们认为提高发电量最单纯而又没有其它不良影响的是采用先进的外型,这个主要是先进翼型的开发和气动附件的使用。对于翼型来说我们可以研究新的翼型,比如说提高翼型的锯齿比,因为这个前面嘉宾谈的非常多了,我们快速的把它过掉。
  下面来谈一下叶片对于度电成本影响的第三个因素,风电场其他一次性资本投入的影响。首先第一个要素是运输成本,作为大型的海上风电机组,叶片的运输陆运将会变得非常的困难,所以我们建议叶片厂应该是优先选择在港口附近设立,同样对于在叶片的海上运输这一环节,我们最好是开发和使用这种运输和吊装一体化的安装平台。
  另外再来看影响其它一次写投入的另外一个因素是吊装成本。在陆上风电基本上采用的吊装方式是叶片随着轮毂作为风轮吊装,但是对于海上叶片,其基本的方式,主流的方式都是单叶片吊装,这主要是因为单叶片吊装具有如下的优势,一个是它所需要的操作空间更小,另外一个就是成本单叶片吊装所能够承受的吊装时候的风速的范围更广,这样会扩大风机的吊装时间窗口。我们知道海上施工是多要素集中开展,涉及到大量的环节,如果我们能够把吊装的施工窗口扩大,这无疑会大大的缩减吊装的成本。作为叶片我们能做的就是说在设计的时候就要考虑吊装夹具区域的补强。
  最后再来分析叶片对于度电成本下降的最后一个因素,也就是运维成本的影响。首先我们以一个案例来比较,我们假设更换机组叶片同样在陆上和海上,以从运输成本和吊装成本的两个角度来比较它们之间的成本差异。从这个图的对比我们可以看出海上叶片它们两个的成本可以说差异是巨大的。所以说如果当海上叶片发生了失效,其对运维成本的影响是非常巨大的。因此我们从这个角度来说,海上叶片运行的可靠性对于运维成本有着非常重要的影响。
  下面我们来分析运维可靠性的第一个方面,就是运行可靠性。我们知道作为海上风电,其在运行过程中遇到的主要威胁主要有两个,一是雨蚀,二是雷击。雨蚀方面行业内已经形成的比较高的重视,对它的危害性有个高度的共识,并且现在已经有了比较成熟可靠的方案。其次我们再来看雷击,海上叶片遭受雷击的可靠性要远远高于陆上,我们可以察看标准里面的公式,在这个公式中ND,也就是海上雷击危险事件数,分析它的各项参数可以看出海上叶片发生雷击的风险是陆上叶片的数倍甚至数十倍。此外海上因为有盐雾的关系,叶片表面容易受到盐雾的污染,叶片表面的绝缘性能会下降,导致接闪器的接闪效率降低,叶片更容易遭受到雷击损伤,因此对于海上叶片的防雷我们必须要有严谨的设计和测试验证的过程。
  影响运维成本的另外一个因素是设计可靠性,我们常说的话就是设计可靠性需要可靠性的设计。这个意思就是说可靠性作为一个工程的话,需要在公司这样一个层面来进行规划、设计和策划,并且一个最终可靠性的一个良好的结果是一个长期积累的过程。另外一个对运维成本的影响很大的因素就是检测,同样检测它和可靠性是相互关联的,检测的项目恰恰就是风险评估的薄弱环节。我们不难想象,海上叶片的检测范围和细致程度,要远远高于陆上。当然对于海上叶片我们到底需要做哪些检测,需要怎么样区别做检测,相信后面我们的整机企业、叶片企业以及第三方测试认证机构,以后会在这方面有一个深度的研究和探讨。
  最后再回到前面,我们再来讨论叶片对于整个度电成本所能够带来的一个影响。在昨天下午的大佬对话环节刚好也谈到了这个话题,我们认为叶片对于机组成本主要是有这些影响。首先当叶片加长以后,首先是叶片的重量会增大,进而也就导致了叶片的一个成本的上升。此外,当叶片的长度增加到一定程度以后,将不可避免的带来节圆直径的扩大,前面我们说过节圆直径的扩大会造成变桨和轮毂的变大,也就导致它们的成本上升。最后我们说当叶片加长以后,同样功率的机组在相同发电量情况下,叶片它的转速会降低,而相同的发电量它的扭矩将会提高,这样会给全动链带来更大的载荷,这将就需要我们的全动链也就更好,导致机舱也就会大,这一系列的变化都将会导致我们的机组成本增加。所以说我们怎么样来衡量叶片到底增大到多少合适,我认为应该站在一个更高的高度,用一个更客观的指标来评价,那就是风电厂业主的内部收益率,我们以某一款大功率,大兆瓦级的海上机组,以某一个标准的长度来分析,它在一个标准长度下的内部收益大概是这样一个曲线。当我们把叶片的长度增加到5%的时候,它的内部收益率有一个明显的提升。当长度增加到10%的时候,这个收益提升的幅度已经有大大的缩小。如果我们最后把长度提高到15%,可以看到它的收益率会大幅度降低,甚至比标准长度的收益率还不如。这里我们仅仅只是考虑了叶片增长对于机组程度的影响,此外叶片增长会对另外两个因素,风电场一次性投入的影响。因为要避免卫留效应,所以机组间距将更大末。最后叶片长度增长毫无疑问会带来,所以叶片长度增加是一个牵一发而动全身的过程,因此对于叶片长度的增加我们应该采用一个非常审慎的原则。
  最后我们做一个总结,一是海上叶片的发展应该以降低海上风电度电成本为驱动。二是海上叶片是高端制造的体现,发展海上风电叶片会促进陆上叶片的发展。三是海上叶片的发展模式与陆上不同,可靠性显得尤为重要。四是通过增加叶片长来获取发电量的提升,需要统筹考虑,谢谢大家!(根据速记发出,如有错误请谅解!)

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