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远景能源总工朱宏栋博士:风机测试的目的是验证(内有多图)

日期:2022-10-28    来源:国际能源网/风电头条

国际风力发电网

2022
10/28
08:34
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关键词: 远景能源 智慧风电 风机市场

一台大风机,从设计完成到推向市场交付客户,一共要分几步?

这似乎是一个简单的问题,但远景却给出了更负责任的答案。

中国风机市场正快速向大兆瓦进化。数据显示,2021年,中国市场新增吊装主流机型是陆上3MW、海上6MW。但2022年前十个月,目前交付的最大机型已经达到陆上6.7MW,海上11MW。投标机型更大,陆上最大出现7.77MW,海上最大16MW。

快速迭代的风机如何又大又可靠?

“风机变大,看似简单的数字量变,实则是机械传动结构、部件和系统的质变,需要特别重视风机的可靠性。单靠部件质量不能保证风机可靠性,远景建立了从材料、部件、系统、整机、到批量机群的全流程、多层级测试验证体系,以空间换时间,从设计源头保证风机可靠性。”远景能源总工程师朱宏栋博士说。

多自由度系统加载测试台

2015年开始,远景规划筹建全球领先的智慧风电测试验证中心,总面积6500平方米,总投资超过3亿元,已先后建成了齿轮箱弯扭耦合系统测试台、多自由度系统加载测试台、自研原材料实验室等,目前共计完成了超100次新品项目测试,验证了全球独有的齿轮修型、主轴承等核心部件设计,以及高品质叶片复合材料、齿轮和结构件材料性能,并具备50MNm整机加载能力,可以验证整机系统设计的优化空间。

“风机技术创新迭代源于硬件技术的积累和信息数据的闭环。全流程多层级测试的终极目的,是完成风机数字孪生模型的‘验证’,实现风机部件子系统、整机系统‘数字模型与物理实体’的一致性。”朱宏栋博士说。

出生决定一生

测试+验证保证大风机设计的可靠性

风机设计是仿真的过程,仿真模型越接近真实模型,设计结果越精确。测试验证的作用,就是让仿真模型无限接近于真实物理模型。伴随机组快速大型化的,是从设计、制造到运维全链条的新场景,是产品新设计、新结构、新材料、新工艺的快速进步。远景工程师认为,这些新场景、新技术需要依托全流程、多层级的测试验证体系,保证优良的设计基因。

以齿轮箱为例,齿轮箱是风机重要的功率传输部件,与整机设计和控制有强耦合关系,是稳定运行和可靠性提升的核心部件。齿轮箱运行过程中,承受的扭矩和弯矩都会产生变形影响,但过去行业里由于缺乏足够的高保真数据积累和模型验证能力,无法理解弯矩对齿轮箱的变形影响,只能做基本扭矩的测试,不做弯矩测试。远景独家设计齿轮箱弯扭耦合系统级测试台,测试扭矩和弯矩对齿轮箱的共同影响,通过系统试验台、现场测试相结合,精准校验仿真模型里的齿轮修型设计,实现测试和验证的闭环。

远景齿轮箱弯扭耦合系统测试台

朱宏栋博士表示,虽然现实中批量工业产品不能保证100%完美,但测试和验证却能有效保障风机设计的可靠性,即风机不因设计缺陷而出现系统性问题。“保障可靠性的关键,不仅在于测试,更在于测试数据的闭环和仿真模型的验证,两者缺一不可。”经过充分测试验证迭代出来的仿真模型,能够保证风机新品的设计在全生命周期20甚至25年之中运行无忧。测试验证,不仅是批量投放风机之前的安全屏障,更是远景的技术工程师建立产品认知(Knowhow)的重要基础,是风电技术和可靠性提升的必由之路。

验证做得足够好,未来即使不做更大的测试台架,也可以直接通过已经闭环校准过的数字孪生仿真模型,在现有台架上加载各种虚拟的、台架条件所限无法实现的工况。这种可以闭环的测试验证体系能够实现技术的创新迭代,对未来产品研发和风电可持续健康发展有意义。

修正数字模型,探索物理边界

伽利略风机数字孪生价值显现

智能风机的技术进步取决于两个底层逻辑。一是风机设计与制造底层核心技术,远景能源不仅最早打开了风机控制的“黑匣子”,并且通过技术穿透产业链,实现变频器、变桨系统、发电机、叶片、齿轮箱、主轴承等关键部件自研设计与制造,为数字化奠定了物理基础。二是基于远景EnOSTM智能物联操作系统的伽利略系统,反哺风机关键部件及整机系统的数字化设计,其数字孪生模型与实体风机一体化进化,成为促进风电数字化转型的新动力。

远景齿轮箱批量测试台

完备的测试验证体系必须同时具备三个关键能力:试验加载工况的设计能力、试验台架的设计和加载能力、测试验证的闭环能力。尤其是其中最核心的系统级测试,更需要深入了解部件、系统的核心技术和相互耦合关系。高保真数据的获取和处理、体现耦合关系的仿真模型都需要长期的资金、时间和人才投入,远非一日之功。

作为最早提出生产智能风机的企业,远景在多年积累的基础上,从2018年开始,“秘密”开展了“冬季攻势”行动:对三北、山地、平原、海上四个场景的风机进行为期超过两年的高保真数据积累。远景工程师为每台风机样机配置超700个传感器,每天传输数据超20G字节,比起普通的IEC标准只有十几个传感器的要求,对整机做了更加深度的测试,为测试中心的建立和智能风机认知打下坚实基础。2020年左右,在此基础上,伽利略超感知风机的多场景运行数据再次和测试、设计、制造形成信息流闭环,实现风机部件子系统、整机系统“数字模型与物理实体”的一致性。这也是远景构建多层级测试验证体系的先决优势。

在全球能源乃至工业领域,这都是一项“前无古人”的创举,海量数据的搜集、清理、统一接口、规律挖掘……背后是远景对“技术进步推低新能源度电成本”的信心和坚守。

两年来,近万台伽利略风机经历的各种工况,利用数字孪生技术重构上传到云端,不仅优化设计、智能运维,更构建出完整的技术模拟舱加速新技术的验证和应用,原先需要长时间搜集运行工况验证的先进软件算法,现在几周就可以验证完成并同步到每一台风机。远景数字孪生技术的大规模应用,正在加速实现各项风机关键部件技术的数字化、网络化和自进化。

测试,尤其是验证对于风电行业的回馈,短期内不易见。远景建立全流程、多层级测试验证体系的初心,源自于对智能风机技术进步的渴望和坚持,对风机快速大型化风险的把控和对风电市场激烈竞争的研判。

朱宏栋博士表示,刚刚组建测试验证中心时,经常遇到公司内外部关于投资回报率的挑战,但慢慢大家都形成了共识——通过测试验证迭代模型,保证现场受载情况和仿真模型结果一模一样,才能更好保证风机从设计源头是安全的。

江阴远景智慧风电测试验证中心

来源:远景能源

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