2023年10月16日-19日，2023北京國(guó)際風(fēng)能大會(huì)暨展覽會(huì)（CWP2023）在北京如約召開(kāi)。作為全球風(fēng)電行業(yè)年度最大的盛會(huì)之一，這場(chǎng)由百余名演講嘉賓和數(shù)千名國(guó)內(nèi)外參會(huì)代表共同參與的風(fēng)能盛會(huì)，再次登陸北京，聚焦中國(guó)能源革命的未來(lái)。

本屆大會(huì)以“構(gòu)筑全球穩(wěn)定供應(yīng)鏈 共建能源轉(zhuǎn)型新未來(lái)”為主題，將歷時(shí)四天，包括開(kāi)幕式、主旨發(fā)言、高峰對(duì)話、創(chuàng)新劇場(chǎng)以及關(guān)于“全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)布局及供應(yīng)鏈安全”“雙碳時(shí)代下的風(fēng)電技術(shù)發(fā)展前景”“國(guó)際風(fēng)電市場(chǎng)發(fā)展動(dòng)態(tài)及投資機(jī)會(huì)”“風(fēng)電機(jī)組可靠性論壇”等不同主題的21個(gè)分論壇。能見(jiàn)APP全程直播本次大會(huì)。

在10月17日上午舉辦的海上風(fēng)電工程裝備論壇I上，中船海裝研究院副院長(zhǎng)文茂詩(shī)發(fā)表了題為《淺談海上風(fēng)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)》的主題演講。

以下為發(fā)言全文：

大家上午好，我是來(lái)自中船海裝的文茂詩(shī)，今天我從整機(jī)裝備角度給大家?guī)?lái)的分享，淺談海上風(fēng)電的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

從四個(gè)方面開(kāi)展我的介紹。首先還是簡(jiǎn)單提一下國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電的一個(gè)現(xiàn)狀，由此引入我們的主題。我國(guó)風(fēng)電累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量已經(jīng)突破3億千瓦，同比增長(zhǎng)29%，連續(xù)12年位居全球第一。近5年來(lái)，中國(guó)海上風(fēng)電呈突破式增長(zhǎng)，自2021年平價(jià)破冰以來(lái)，中國(guó)的海上風(fēng)電發(fā)展進(jìn)入了更快的步伐，但如何進(jìn)一步提升基礎(chǔ)能效，降低海上風(fēng)電的開(kāi)發(fā)成本，仍是我們當(dāng)期面臨的受要技術(shù)問(wèn)題，我希望通過(guò)整機(jī)核心參數(shù)匹配設(shè)計(jì)，全局最優(yōu)的載荷優(yōu)化迭代，成熟IPC技術(shù)及再創(chuàng)新三個(gè)方面來(lái)簡(jiǎn)單分享一下海裝是如何通過(guò)系統(tǒng)性創(chuàng)新來(lái)打造一個(gè)平臺(tái)兩款機(jī)型，破局當(dāng)時(shí)我們南北海上風(fēng)電平價(jià)過(guò)程。

首先談系統(tǒng)設(shè)計(jì)，那么第一步就是我的基型規(guī)劃，也就是我們功率等級(jí)，風(fēng)輪直徑的選擇。右邊的圖是人們談?wù)摍C(jī)型規(guī)劃的時(shí)候喜歡引用的一些圖，比如大部分的，橫坐標(biāo)是風(fēng)輪直徑，縱坐標(biāo)是功率等級(jí)，或者葉片重量等等，人們希望通過(guò)單位千瓦掃風(fēng)面積，或者其他的一些規(guī)律找到預(yù)測(cè)未來(lái)機(jī)型的方法，但其實(shí)這里就算是趨勢(shì)性非常顯著，也無(wú)法解答我們機(jī)型是否適應(yīng)評(píng)價(jià)這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樵谶@里面沒(méi)有體現(xiàn)平價(jià)的主要工程問(wèn)題。

其實(shí)，投資收益率才是決定海上風(fēng)電是否能夠平價(jià)的關(guān)鍵要素，比如我們選擇的風(fēng)能直徑越大，意味著我們的發(fā)電量越高，機(jī)組成本也會(huì)越高，功率等級(jí)越大，發(fā)電量雖然降低，但是整體造價(jià)也會(huì)有所降低，風(fēng)輪直徑，功率等級(jí)是通過(guò)影響到風(fēng)場(chǎng)投資和收益，從而影響投資收益率，按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，我們首先確定風(fēng)輪直徑，功率等級(jí)，然后建立詳細(xì)的仿真模型，進(jìn)行載荷迭代，輸出詳細(xì)的載荷結(jié)果，然后完成詳細(xì)設(shè)計(jì)，至少是要完成概念設(shè)計(jì)，才能得到比較具體的基礎(chǔ)成本，最終才能結(jié)合風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行投標(biāo)的精細(xì)測(cè)算。

但是這種方式顯然存在很大的風(fēng)險(xiǎn)，也就是我機(jī)組織在設(shè)計(jì)末期，才能結(jié)合風(fēng)場(chǎng)實(shí)際情況，測(cè)算這個(gè)機(jī)型是否滿足平價(jià)，是否我們開(kāi)始思考，是否我們一定需要通過(guò)計(jì)算，通過(guò)設(shè)計(jì)，才能夠得到我們機(jī)組發(fā)電量，機(jī)組成本以及我機(jī)組的詳細(xì)內(nèi)容。實(shí)際上，我們開(kāi)始反思，實(shí)際上有一種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停覀冮_(kāi)始嘗試經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛蛲ㄔO(shè)計(jì)全鏈條，基于風(fēng)場(chǎng)投資經(jīng)濟(jì)性測(cè)算反過(guò)來(lái)確定我們需要的機(jī)型。

首先，找出我們歷史的所有載荷數(shù)據(jù)庫(kù)，上千套載荷數(shù)據(jù)庫(kù)，從中發(fā)現(xiàn)一些顧慮，以此我們構(gòu)建了風(fēng)輪直徑、功率等級(jí)、整機(jī)載荷、基礎(chǔ)載荷等多維度的內(nèi)在關(guān)系，真正實(shí)現(xiàn)了誤差可控的載荷預(yù)測(cè)，通過(guò)這樣的模型，我們解決了整個(gè)尋優(yōu)過(guò)程中的最關(guān)鍵一環(huán)，剩下就簡(jiǎn)單多了，我們的發(fā)電量模型是比較成熟的，可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的二元二次方程來(lái)理荷，我們?cè)诨A(chǔ)造價(jià)模型上還是下了比較大的工夫，我們針對(duì)不同區(qū)域的地質(zhì)條件，虛擬了不同的水深，不同的載荷，共有80多種組合，實(shí)實(shí)在在設(shè)計(jì)了80多個(gè)單裝機(jī)組，從而構(gòu)建這樣一個(gè)載荷，地質(zhì)影響基礎(chǔ)數(shù)量成本的測(cè)算模型，剩下的模型比較傳統(tǒng)，不詳細(xì)介紹了。

以上的東西，我們最終建立了一個(gè)以電價(jià)資源特征和風(fēng)場(chǎng)投資收益率為約束的整機(jī)核心參數(shù)高效匹配的這么一套設(shè)計(jì)軟件，基于這套軟件可以針對(duì)特定區(qū)域，地質(zhì)條件，上網(wǎng)電價(jià)，年均風(fēng)速等計(jì)算所有功率等級(jí)，所有風(fēng)輪直徑下的收益率舉證，用此來(lái)決策我們的機(jī)型開(kāi)發(fā)，這對(duì)我們機(jī)型決策起到至關(guān)重要的作用，當(dāng)時(shí)有一種聲音，陸上的小兆瓦機(jī)組下海，可能是平價(jià)的一種解決途徑，在這個(gè)模型上看來(lái)，可能就不是這么一回事。

第二個(gè)分享的是全局最優(yōu)的載荷優(yōu)化迭代，內(nèi)部稱(chēng)為這是效率革命帶來(lái)的技術(shù)創(chuàng)新，整機(jī)設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的在于載荷仿真，初期載荷仿真迭代周期基本上是一個(gè)月一輪，全靠人去完成，大概需要數(shù)十萬(wàn)次的操作，那個(gè)時(shí)候整機(jī)的設(shè)計(jì)，整機(jī)的迭代，主要是為了完成葉片的設(shè)計(jì)，沒(méi)有什么尋優(yōu)而言，后面隨著各種前后處理的大量的小工具出現(xiàn)，大量取代人的操作，第二代的仿真體系大概把效率提高4倍，基本上一周一輪迭代時(shí)間，使我們尋優(yōu)工作產(chǎn)生了可能。隨著輕量化葉片概念提出，大家一輪又一輪迭代，為了降低葉片重量，這種模式依然存在一些弊端，比如這個(gè)程序處理完之后，我還是需要人工導(dǎo)到另一個(gè)程序處理，這個(gè)過(guò)程中需要反復(fù)確認(rèn)參數(shù)，避免出錯(cuò)，人干預(yù)這個(gè)工作的時(shí)候，人總是需要休息，總是也有干不完的工作，所以這一做一等之間，大量的時(shí)間又被浪費(fèi)了。

所以說(shuō)我們海裝推出的第三代仿真模式徹底取消了程序的界面，直接以模型文件作為驅(qū)動(dòng)，打通了軟件和軟件之間的連接，實(shí)現(xiàn)快速迭代，真正實(shí)現(xiàn)7乘24小時(shí)全天候計(jì)算，基于這套體細(xì)，我們繼續(xù)打造SuperBladed+的這么一個(gè)平臺(tái)，以局部文件為驅(qū)動(dòng)，自動(dòng)進(jìn)行模型拼接，自動(dòng)完成控制器的整定，自動(dòng)完成仿真，自動(dòng)的結(jié)果回傳，結(jié)合我們的HPC超算平臺(tái)實(shí)現(xiàn)葉片整機(jī)迭代，最快一小時(shí)可以完成一輪計(jì)算，主要受限于現(xiàn)在的硬件，那么這套系統(tǒng)我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)給了（雙瑞、艾朗）等主流葉片廠家，接下來(lái)還會(huì)和更多友商進(jìn)行開(kāi)放。

基于這么一套體系，我們可以做更多的事情，更多的問(wèn)題，得到我們更想要知道的一些答案，這一代機(jī)組我們進(jìn)行近400多輪迭代，是我們傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的10倍，這里面解釋了很多載荷影響規(guī)律，借此實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)的基礎(chǔ)輕量化設(shè)計(jì)，整機(jī)降載超過(guò)20%。

第三個(gè)是我們成熟的IPC技術(shù)及其再創(chuàng)新應(yīng)用。海裝在獨(dú)立變槳技術(shù)上是第一個(gè)吃螃蟹的企業(yè)，我們從2019年在（錦霞）風(fēng)場(chǎng)開(kāi)始測(cè)試過(guò)后，已經(jīng)有5年的應(yīng)用時(shí)間，有上千臺(tái)的批量的成熟運(yùn)用，這里降載效果不再闡述了。我們內(nèi)部認(rèn)為，獨(dú)立變槳技術(shù)是讓風(fēng)機(jī)擁有觸覺(jué)的一項(xiàng)創(chuàng)新性基礎(chǔ)，基于穩(wěn)定、可靠的葉根載荷數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)整機(jī)載荷的實(shí)時(shí)估計(jì)，極限載荷的直接保護(hù)，疲勞載荷的有效預(yù)警以及主動(dòng)干預(yù)等，極大提升了機(jī)組安全性。

這里可能不是太清晰，右上角是我們一個(gè)真實(shí)風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行一個(gè)月的多臺(tái)機(jī)組的這么一個(gè)葉片和齒輪箱的疲勞壽命的一個(gè)累計(jì)情況，從這上面可以看到我現(xiàn)在機(jī)組運(yùn)行情況非常良好，下面是我們一個(gè)傳統(tǒng)鏈極限扭距保護(hù)的測(cè)試，這里面測(cè)試結(jié)果效果也是非常良好的。這里分享一下沒(méi)有獨(dú)立變價(jià)技術(shù)和沒(méi)有IPC干預(yù)的情況，左上角呈現(xiàn)是我們某機(jī)組在三個(gè)月時(shí)間內(nèi)，葉根MY疲勞載荷，疲勞壽命快速增長(zhǎng)，右圖闡述這個(gè)事情，這個(gè)圖垂直的，正對(duì)于我們的這個(gè)面，表示風(fēng)輪平面，垂直往里表示時(shí)間軸，這個(gè)風(fēng)輪平面原本應(yīng)該是一個(gè)圓形，往內(nèi)凹的部分表示載荷變小，往外凸表示載荷變大，藍(lán)色紅色也是表示這個(gè)意思。這里闡述一個(gè)湍流非常小，基本上風(fēng)速?zèng)]什么變化，載荷特征也沒(méi)什么變化，但是切面非常大的這么一個(gè)過(guò)程，按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，我們湍流切面，切面應(yīng)該是0.16，但是這個(gè)實(shí)際的切面達(dá)到了大概是0.5的水平，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)認(rèn)知，短短6個(gè)小時(shí)時(shí)間里面，發(fā)現(xiàn)葉片疲勞損上，機(jī)架疲勞損傷可以達(dá)到一個(gè)月的程度。

下面這個(gè)圖是跟上面這個(gè)圖展示方式一樣，換了一個(gè)視角，四處藍(lán)色的區(qū)域，這里的原因，根本原因是上游機(jī)組產(chǎn)生的尾流影響，作用在風(fēng)流一側(cè)，導(dǎo)致葉片旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，交替進(jìn)入尾流影響區(qū)域和沒(méi)有尾流影響區(qū)域，導(dǎo)致了很大的葉片載荷交變，同樣產(chǎn)生在機(jī)架上，也導(dǎo)致非常大的這么機(jī)架載荷的交變，同樣產(chǎn)生數(shù)倍的這么疲勞損傷，而這一切的問(wèn)題在有獨(dú)立變槳技術(shù)的基礎(chǔ)上，是天然可以規(guī)避掉的。

最終我們基于科學(xué)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基于深度的載荷優(yōu)化，基于自主的保護(hù)策略，率先研制出適應(yīng)海上風(fēng)電平價(jià)需求的輕量化、高可靠的210 10兆瓦，220 8兆瓦的海上機(jī)組，實(shí)現(xiàn)了機(jī)頭重量降低30%，同級(jí)別載荷降低10%以上的效果，率先破局平價(jià)市場(chǎng)。

前面說(shuō)的都是以前，未來(lái)海裝如何持續(xù)優(yōu)化，助力海上風(fēng)電高質(zhì)量發(fā)展的？首先，立足高起點(diǎn)，我們依然依托與80兆瓦平臺(tái)進(jìn)一步挖掘余量，進(jìn)一步突破載荷仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)同平臺(tái)，盡可能不變情況下，升級(jí)到260，12.5兆瓦明星產(chǎn)品。依托于海上風(fēng)電，長(zhǎng)葉片領(lǐng)跑者的業(yè)績(jī)，依托高功率密，傳動(dòng)鏈技術(shù)，高濕高溫倉(cāng)內(nèi)控制技術(shù)，智能感知技術(shù)以及我們的模塊化易安裝，易維護(hù)的特點(diǎn)，以及我們大數(shù)據(jù)智能化運(yùn)維，助力我們海上風(fēng)電高質(zhì)量發(fā)展。

最后是一點(diǎn)展望，目前海上風(fēng)電的建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本仍然很高，也是限制發(fā)展的主要因素之一，隨著技術(shù)的進(jìn)步和規(guī)模的擴(kuò)大，成本也將逐漸下降，此外政府的支持和鼓勵(lì)也會(huì)促進(jìn)海上風(fēng)電的高質(zhì)量發(fā)展。在技術(shù)方面仍然需要在氣彈設(shè)計(jì)、海洋工程、數(shù)字化技術(shù)、材料科學(xué)、海洋裝備技術(shù)等領(lǐng)域持續(xù)不斷創(chuàng)新，進(jìn)一步提高海上風(fēng)電基礎(chǔ)能效，使得風(fēng)電機(jī)組成本更低，運(yùn)行更穩(wěn)定，生產(chǎn)更安全。好，我的分享結(jié)束，謝謝大家。

（根據(jù)演講速記整理，未經(jīng)演講人審核）