16兆瓦海上風電機組的123米試驗葉片正在裝船發運至葉片試驗臺。李靖 攝
風機裝備制造基地電氣班組正在裝配偏航驅動并敷設線纜。
風機裝備制造基地工作人員正在裝配風機機械傳動鏈。
【資料圖】
三峽集團興化灣一期項目建設的全球首個國際化大功率樣機試驗風場。（福建三峽海上風電國際產業園 供圖）
祖國的東南沿海，臺灣海峽海風勁掠。這讓福建成為中國海上風電資源最豐富的地區之一。
正因此，福清興化灣，一排排海上風機立于海天之間，成為一道亮麗的風景線。
海上超級大風機——16兆瓦海上風電機組，也是在這里開啟了它的新征程。
全球單機容量最大、葉輪直徑最大、單位兆瓦重量最輕……2022年11月23日下線時，這一海上超級大風機創造了新的世界紀錄。前不久，它與國產大飛機C919、我國第三艘航空母艦福建艦等，一起當選“2022年度央企十大國之重器”。
這個海上超級大風機是如何誕生的，有何與眾不同？記者帶您走進興化灣畔的福建三峽海上風電國際產業園一探究竟。
葉輪直徑252米，掃風面積相當于7個標準足球場
單機每年輸出電能可滿足3.6萬戶三口之家一年用電
鋼管樁、導管架等備料已完成，基礎主體結構及塔筒正在制造廠內如火如荼地生產著……繼2022年11月23日16兆瓦海上風電機組在福建三峽海上風電國際產業園下線后，其基礎主體結構也迎來新的進展。
不久之后，這個海上超級大風機將在我國東南海域“安家”，御風而行、化風為寶。
據介紹，這個海上超級大風機名為“GWH252-16MW”，由中國長江三峽集團有限公司與新疆金風科技股份有限公司聯合研制。“16MW”是指單機容量為16兆瓦，“252”則代表的是葉輪直徑為252米。葉輪掃風面積約5萬平方米，相當于7個標準足球場的面積。在滿發風速下，每轉動一圈可發34.2度電，單臺機組每年可輸出超過6600萬度清潔電能，能滿足3.6萬戶三口之家一年的正常用電，相當于減少燃煤消耗2.2萬噸，減少二氧化碳排放5.4萬噸。
“16兆瓦機組的成功下線，樹立了全球海上風電裝備發展的新標桿，標志著我國風電裝備產業實現了從‘跟跑’到‘并跑’再到‘領跑’的歷史性跨越。”三峽集團董事長、黨組書記雷鳴山表示。
就在同一個產業園區，16兆瓦海上風電機組下線之時，距離上一個世界紀錄——當時全球葉輪直徑最大、亞太地區單機容量最大的13.6兆瓦風電機組誕生，僅過了一個月。
“經過層層仿真實驗，分析實驗結果，數據指標合格，機組才能成功下線，而從2022年2月立項到16兆瓦海上風電機組下線只用了9個月時間。”金風科技股份有限公司產品與解決方案中心海上產品線產品經理李鵬不禁感嘆。
在福建三峽海上風電國際產業園，記者翻開產業園的產品日志，不禁心潮澎湃：2019年9月，我國自主研發的8兆瓦、10兆瓦機組相繼下線，歷史性地將我國海上風機容量提升至“兩位數”時代；2022年2月，13兆瓦機組下線，創下當時亞洲地區單機容量最大、葉輪直徑最大風電機組紀錄；同年10月，13.6兆瓦機組下線，再次刷新這一紀錄；一個月后，16兆瓦機組實現全球風電裝備新突破……
這片熱土持續刷新著我國海上風電發展新紀錄。而7年前，這里還是一片荒蕪的海灘。
記者了解到，福建沿海地區年平均風速超過9米/秒，海上風電可利用小時數達3500小時至4000小時。得天獨厚的風能資源，帶動海上風電裝備制造業發展。2015年6月，三峽集團與福建省政府簽署戰略合作協議，大膽邁出“化風為寶”的探索步伐。
從千畝海灘到一座集技術研發、設備制造、檢測認證、建設安裝、運行維護為一體的世界級海上風電產業集群……福建三峽海上風電國際產業園為我國大容量海上風機創新提供了載體和平臺。
“好的風資源就要用好的機組。”三峽集團福建能投公司執行董事、黨委書記雷增卷表示，2017年前，國內主流海上風電機組單機容量還停留在5兆瓦以下。三峽集團在興化灣一期項目建設了全球首個國際化大功率樣機試驗風場，選取國內外8家知名風機廠商生產的14臺5兆瓦及以上的風電機組同臺競技，遴選出最先進的海上風電裝備廠商落戶產業園。
這一場競技，讓福建從此與大功率海上風電機組結緣。福清興化灣，也因此被譽為海上風機的“奧林匹克”賽場。
如今，福清興化灣藍天碧海下，59臺風機在海風呼嘯中轉動巨大葉片。其中，在福建研發生產的10兆瓦海上風電機組，已經在興化灣、長樂等海上風電場批量投運達31臺，成為我國唯一批量投入商業運行的10兆瓦級海上風電機組。
攻克超長柔性葉片等一系列技術難題
機組核心關鍵部件全面實現國產化
記者了解到，開發15兆瓦及以上海上風電機組整機設計集成技術、先進測試技術與測試平臺，開展12~15兆瓦級超大型海上風電機組工程示范，被列入國家能源局、科學技術部聯合印發的《“十四五”能源領域科技創新規劃》。
為什么要建造大功率風機？
業內人士表示，未來海上風電發展大型化是一個重要趨勢，機組容量不斷增大可以顯著提升發電量，同等裝機規模下可提高施工打樁、運輸、吊裝效率，減少海底電纜等材料的使用量，極大地降低成本，節約點位集約用海，使得我國海上風電也能做到更經濟、更便宜，這對于海上風電平價上網，走向深遠海域意義重大。
不過，風機的大型化，不是在以前的基礎上簡單地延伸和放大。“在技術跳變期要有積累的過程，比如說2至3年的時間，通過底層技術創新的積累，通過仿真能力、實驗能力的積累，才能跨到下一個臺階。”金風科技總裁曹志剛認為，這個過程并不是簡單的功率提升，風機結構及材料、葉輪直徑、塔架高度以及度電成本等，都需要技術創新作支撐。
不僅如此，海上風電技術難度遠高于陸上風電，單就發電機組而言，就面臨功率容量從小到大、葉輪直徑從短變長、離岸距離從近到遠的蝶變升級挑戰。在這個過程中，機組要能有效承受復雜海況下風載、浪載、鹽霧等一系列考驗，機組的定制化、大型化和智慧化制造顯得尤為重要。
正因此，16兆瓦超大容量海上風機在研發時，不斷攻克產品規劃、概念設計、部件試制、仿真及臺架測試、總裝配等環節的諸多技術難題，最終實現超長柔性葉片、大型主軸軸承國產化、超大容量發電機小型化等一系列關鍵技術突破。
除了大，國產化率高也是這個海上超級大風機的特點之一。“該風電機組核心關鍵部件已全面實現國產化。”金風科技有關負責人說。
——突破“卡脖子”的關鍵零部件，采用高質量等級的電渣重熔鋼來提高可靠性，針對大尺寸滾子軸承進行保持架動態仿真和強度校核，確保保持架設計合理性……風機主軸軸承實現國產化。
——開發具有自主知識產權的高升力、高升阻比及低粗糙敏感性的高性能翼型，采用流固耦合仿真方法開展氣彈分析……實現葉片被動降載及高顫振穩定性設計，超長風電葉片國產化。
——1140V三電平功率拓撲結構，智能一體化冷卻系統，實現更優電氣傳動效率，電機達到業界領先水平。創新的軸電壓抑制技術等，更能適應海上風電高可靠性要求。
……
據介紹，該型號風電機組可廣泛適用于我國東南沿海、海上絲綢之路沿線國家和地區，以及歐美國家等。
整機遍布傳感器和激光雷達等
大數據實時反饋機組運行狀態
據介紹，這個海上超級大風機還十分“智能”。“整機遍布數百個傳感器，機艙上還布有激光雷達，如同‘神經末梢’，可以實時感知風機及周圍的溫度、濕度、風速、震動情況等，從而實現機組運行狀態的數字化呈現。”有關負責人介紹，這可以實現機組運行狀態的實時跟蹤與監測。
不僅如此，在臺風等惡劣氣象條件來臨時，機組的智慧“大腦”，還可以自主調節風機角度、功率，切換運行模式，確保風機安全高效發電。
風從海上來，潮起正揚帆。海上風電資源豐富、不占用土地、不消耗水資源、適宜大規模開發……這些優勢讓海上風電迎來高速發展階段。未來，隨著海上風電逐漸向深遠海域進軍，智能化超大容量機組的發電優勢和經濟性優勢將進一步凸顯。
據中國可再生能源學會風能專業委員會統計，2021年我國海上風電新增裝機容量達到1448.2萬千瓦，同比增長276.7%，新增裝機容量與累計裝機容量雙雙居全球第一。
在海上風電裝機量位居全國前列的福建，也專門出臺“十四五”海洋強省建設專項規劃，提出拓展海上風電產業鏈，有序推進福州、寧德、莆田、漳州、平潭海上風電開發，堅持以資源開發帶動產業發展，規劃建設深遠海海上風電基地。
如此大的市場前景，讓不少企業望“風”而來。
福建三峽海上風電國際產業園運營有限公司總經理金海軍表示：“產業園引進了有研發能力、綜合實力強的風電企業，通過為它們量身定做廠房，加速產業鏈集聚。短短幾年，產業園已成為我國海上風電原創技術‘策源地’，形成了風電整機、發電機、葉片、塔架、鋼結構件等研發、生產的完整產業鏈。”
這里自主研發生產的高水平風機也逐漸走出國門。
風電產業企業的集聚和海上風電項目的開發，也推動了海上風電施工的科技創新。在海纜、吊裝設備、施工組織等方面，他們通過創新來提高工藝水平、降低施工成本。記者了解到，三峽集團與福船集團、中鐵大橋局等企業合作，成立中鐵福船工程公司，主要從事海上風電安裝、維護、海洋工程施工等，其旗下“福船三峽號”等2艘海上風電施工安裝船也在業內“大展拳腳”。
從風機自主研發，到產業鏈自主可控，再到聚集起海上風電產業鏈上下游企業……期待未來“吸風吐電”的“海上森林”不斷發展壯大，將清潔綠電送進萬戶千家。（本報記者 陳金來 通訊員 黃林雯）
