一年增长20米双瑞风电是如何做到的？_王芳.pdf

市场|Market38 风能 Wind Energy 本刊|王芳一年增长20米，双瑞风电是如何做到的？2022 年 12 月 24 日,SR260 叶 片 在 洛阳双瑞风电叶片有限公司（下称“双瑞风电”）的江苏盐城基地下线,成为当时全球最长的风电叶片。从 2021 年年初下线首款百米级叶片SR210,到 2022 年 5 月批量制造 SR220 及加长款 SR236,再到为中国海装配套的 SR260下线,风轮直径在 2 年间增长了 50 米。如果从 2017 年双瑞风电为海上风电打造的首款SR171 碳纤维大梁产品算起,5 年间风轮直径年均增长近 20 米。技术的进步不仅仅体现在一次次打破长度边界,双瑞风电副总经理冯威向风能表示,“叶片的设计和制造技术同样获得了长足的突破。5 年前,我们叶片所用的碳纤维原材料全部来自进口,海上风电叶片的前缘防腐仍有难题待解；5 年后,SR260 叶片采用的碳纤维全部来自国产,大梁工艺也从真空灌注变成了拉挤工艺,新型海上前缘防护体系已在风电场验Market|市场2023年第01期 39 证有效多年,由此也带来了我国风电设备国产化关键原材料供应链的快速发展。更可贵的是,国内叶片界同仁对大力发展海上风电的信心和坚守。”更大的机组意味着在相同条件下发电效益更高,也可有效节约用海面积。以 100 万千瓦项目为例,安装 18MW 机组的机位点数量较8MW 机组,可减少约 56%,将大比例降低基础造价。配套于大兆瓦海上风电机组的长叶片的领先开发,无疑为海上风电以较低成本走向深远海打下坚实基础。长叶片，大挑战百米以上的叶片,每增长 1 米,对设计、制造、质量控制等环节都会带来极大挑战。“对于超长叶片带来的气动性能及气动弹性的非线性几何效应、叶根载荷、叶片支撑结构的轻量化,如何平衡三者之间的矛盾,是最难的。”冯威向风能说道。最终,开发团队射出“三支利箭”：通过弯扭耦合降低动态载荷,使用气弹裁剪设计方法有效抑制振动,采用多变量进行几何描述,开发专有优化算法程序加快迭代效率。叶片增长后,如何有效保证结构安全性成为突出的难题。在构造形式上,SR260 主梁采用碳纤维材质,碳纤维主梁和多腹板组成的工字梁结构,能够有效保证叶片在降低重量的同时,还具有较好的刚度；采用定制化开发芯材和叶片一体灌注成型的后缘气动组件泡沫结构,增强了叶片后缘的稳定性。在材料方面,主梁采用碳纤维拉挤板体系,其模量相对灌注碳梁性能可提升约 20%,有效解决了产品刚度和减重的矛盾。同时,深远海严苛的海洋环境及长叶片带来更快的叶尖速,也给叶片的前缘防护增加了难度。双瑞风电为 SR260 搭载了先进的前缘防护体系,通过特殊高分子材料组成的多重复合结构,解决了海洋环境对叶片前缘加速腐蚀的难题。针对高雷电高腐蚀环境,为这款叶片搭载了表面快速传导防雷系统,装配了耐腐蚀性的特殊压延工艺成型的铜网防雷材料,实现了叶片全方位防雷,提高超长叶片的海洋环境适应性。在制造方面,为了保证产品质量,SR260叶片内部采用了碳纤维主梁和玻纤辅梁等多种预制件结构。预制件结构的精准定位对叶片结构影响较大,项目团队成员尝试多种方法,相继开发了定制化定位工装,并在叶片内部采用了辅助定位方式确保梁系统的准确放置。在真空灌注方面,考虑到叶片内部结构复杂,技术人员针对不同区域采用分区设置灌注导流方案,以保证灌注质量。叶片长度不断突破的背后,是国内叶片设计能力逐年提升和以高强玻纤与以碳纤为代表的国产关键原材料的不断突破。SR260 叶片的研制过程,首次采用了碳纤维拉挤板直接预制成型的技术路线。随着这款产品的问世,仅一套叶片,碳纤维拉挤板用量超过 30 吨,风电叶片对碳纤维拉挤板的大量需求将给国内碳纤维拉挤板产业注入持久的发展动力。数智化为产业赋能长叶片,尤其是海上风电长叶片,对产品一致性要求更高,如铺层结构对容差和缺陷的包容性更低,5 毫米制造公差在百米级叶片上实现起来的难度非常大,这就要求长叶片的质量更加稳定、可靠。为了适应市场需求,依赖手工作业的传统叶片制造模式正在被自动化、智能化生产逐步替代,激光定位、拉挤梁自动化产线、机器打磨、工厂数字化管理等方式正被引入叶片生产流程,以提高生产效率和生产质量。SR260 项目立项之初,双瑞风电即明确提出借助数智化管理和智能制造技术保证未来海上风电叶片质量的战略。双瑞风电江苏盐城制造基地近几年梯次推进基于数字化的精益制造,着力打造风电叶片行业标杆示范,投市场|Market40 风能 Wind Energy 入数千万元相继建成以 ERP、PLM、MES 系统为智能制造核心,引入自动辅助排程、智能立库、UWB 精准定位、5G、AI 智能识别、生产指挥中心 BI 决策等多个数字化系统工具。经过多年努力建成的风电叶片行业数字转型示范基地,每年实现单基地运营降本增效近千万元。在智能设备的开发赋能方面,基于 SR260 叶片和行业特点,双瑞风电的技术团队坚持自主创新,引入一系列自动化设备,如双切磨拉挤梁自动生产线,实现了制造效率的提升；开发完成的自动螺栓安装机器人,实现了海上超长叶型螺栓的自动安装,避免了高空作业的安全隐患；针对超长叶片的转运安全难题,引入了智能 AGV 转运车,大幅提升叶片转运的安全可靠性；针对超大的叶片表面积引入自动打磨机器人,实现了叶片的自动打磨。数字化和智能设备的加入,进一步提升了双瑞风电产品的可靠性与市场竞争力。风能人逆风前行“叶片下线时,项目研制团队满怀深情地走到还在模具上的叶片旁,一遍又一遍从头走到尾,就像是看着自己刚出生的孩子一般。那一刻,所有的辛苦化成了甘甜。”冯威颇为感动地向风能描述道。产品的迭代,并未因新冠肺炎疫情的笼罩而放慢速度。双瑞风电的叶片车间常常在同一时间段承担着多款叶片开发的艰巨任务,这意味着员工们必须克服比平常更艰巨的挑战。对于设计人员而言,每一款新叶片的诞生,都意味着要短时间内开发编制数十份技术文件,转化数百份技术图纸,确认几千个关键数据。在试制前期,由于厂区采取临时封控管理,开发组先遣小分队 3 名成员主动请缨驻厂坚守,在办公室打地铺,往往直至深夜方能处理完手头的各项材料、设备的产前确认工作。在新产品试制任务最紧张的时候,团队成员更是晨曦朝露去,披星戴月归,早上 6 点多就赶到车间开始忙碌,晚上 11 点才回到住处,每天步数基本都超过 2 万步。2021 年年底,正值疫情传播的高峰期,每天都有员工被感染,每天晚上都要基于人员健康状态才能安排第二天的工作。尽管如此,生病的员工仍然通过电话和视频会议参与工作,有的员工嗓子疼得说不出话,就采用打字的方式来确认现场的每一个关键点,每一个步骤是否按照要求执行。转阴后的员工则立即返回岗位。项目组打破原有岗位职责,成立互助小组,采取轮班接力的形式,确保产品试制按照节点推进,保证了 SR260 首支叶片的如期下线。创新永无止境在业内看来,技术的逐步成熟和高速发展的风电市场是驱使叶片技术创新的主要动力。在叶片大型化的趋势下,创新决定着企业能飞多高,质量决定着企业能走多远。冯威向风能表示,未来的叶片技术创新,一方面是从设计上不断探索专用的高效低阻翼型设计,开展多目标优化设计,丰富不同层次的可靠性验证手段,建立适用于百米级长叶片的设计和验证标准,逐步探索适用于风电叶片领域的复合材料积木式试验验证体系。在材料创新方面,对于叶片生产来说,新材料的应用已成为共识。随着国产大丝束碳纤维产量的提升和成本的逐步降低,未来会有更多的海上风电叶片应用碳纤维。以10MW 机型所用的叶片为例,如果主梁采用碳纤来替代玻璃纤维,一套叶片的重量可降低超过 15吨。在夹芯结构领域,各方都在探索通过新的夹芯材料结构形式来提升结构的稳定性。在工艺创新方面,通过部件预制,模块化成型,千方百计缩短叶片的成型周期,同时通过工艺创新减少浪费；加大对智能制造领域的投入,减少一线工人的工作强度。另一方面,创新的前提是要保障产品全生命周期的可靠性,离开产品质量盲目追求创新,无异于自掘坟墓。在风电发展的“马拉松长跑”中,比拼的往往是耐力和节奏,这就需要企业筑牢产品质量之基,铸就创新之魂。