陳棋：給風電機組在深遠海“安家”

陳棋主導研發(fā)的海上風電機組平臺“海鷂”。 受訪者供圖

受訪者供圖

“我國自主研制的全球最大單體容量漂浮式海上風電機組——‘海鷹’平臺正在進行樣機測試。”在前不久舉行的第九屆全球海上風電大會上，運達能源科技集團股份有限公司總工程師、“海鷹”平臺總設(shè)計師陳棋透露。

2024年初下線的“海鷹”平臺單機容量達到16兆瓦至18兆瓦，適用于開發(fā)離岸超50公里、水深超60米的中高臺風海域風能資源。“海鷹”平臺將于今年在海南省萬寧市海上漂浮式項目樣機試驗風場投入商業(yè)運營，屆時將滿足浙江、福建、廣東等地的深遠海海域風能開發(fā)需求，助力我國風電開發(fā)挺進深遠海。

近日，陳棋接受科技日報記者采訪，講述了他帶領(lǐng)團隊成員給風電機組在深遠海“安家”的故事。

向資源豐富的深遠海挺進

記者：與近海相比，深遠海風能開發(fā)難在哪兒?

陳棋：海洋是潛力巨大的資源寶庫。我國擁有1.8萬多公里大陸海岸線、1.4萬多公里島嶼岸線、300萬平方公里主張管轄海域。相比陸上風能資源，我國海上風能資源更豐富。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，近海水深5米至50米范圍內(nèi)，風能資源可開發(fā)量為5億千瓦，而深遠海風能可開發(fā)量是近海的3倍以上。

深遠海作業(yè)環(huán)境與近海作業(yè)環(huán)境截然不同。例如，深遠海海上風速通常比沿岸海上風速快20%，深遠海出現(xiàn)臺風的幾率更高。猛烈的海風會嚴重影響風電機組的穩(wěn)定性。除此之外，深遠海風能資源開發(fā)還面臨投資成本高、能源傳送距離遠、后期運維難度大等挑戰(zhàn)。

記者：近海風電機組與深遠海機組有什么差別?

陳棋：在近海開發(fā)風電，由于水深較淺，風電機組底部通常采用固定式支架，可以讓相關(guān)設(shè)備安穩(wěn)地“站”在大海中，但這種固定風電機組的方式只適用于淺海環(huán)境。到了深海，就得用上漂浮式風電機組——一種可以在水中漂浮并“捕獲”風能的裝備。于是，公司面向深遠海風能發(fā)展需求，在2010年提出研制一款智能、可靠的漂浮式風電機組。我和團隊成員主要承擔了這項研制任務(wù)。

記者：您和團隊成員如何讓“海鷹”平臺適應(yīng)深海環(huán)境?

陳棋：為使“海鷹”平臺安穩(wěn)地漂在深遠海上，我和團隊成員設(shè)計了一款漂浮式支架。它能讓平臺抗住17級以上臺風。同時，我們縮減了漂浮式支架的總體工程量，把支架設(shè)計成可自由拼搭的結(jié)構(gòu)，大幅降低安裝、運維成本。

記者：“海鷹”平臺的底座穩(wěn)定了，但它的葉片非常大，怎么保證其整體穩(wěn)定性?

陳棋：“海鷹”平臺的葉片長度超過120米，能夠同時容納300個成年人并肩站立。葉片掃風面積約6.6萬平方米，相當于9個標準足球場。超長葉片更易出現(xiàn)顫振問題，影響設(shè)備運行的穩(wěn)定性。

我和團隊成員歷時3年自主研制出基于槳葉空氣動力學、集成式傳動系統(tǒng)、塔架浮體結(jié)構(gòu)的漂浮式機組一體化仿真平臺，開展了大量研究和測試，通過控制加阻或共振穿越等方式解決葉片顫振、整機基礎(chǔ)共振等問題，保證漂浮式風電機組在各種工況下穩(wěn)定運行。

記者：聽說這個120多米長的“巨無霸”既抗彎還足夠輕。這對葉片的材料、設(shè)計和加工工藝等都提出了更高要求吧?

陳棋：你說的沒錯。以往，我們通常采用玻璃纖維和樹脂材料制造葉片，但這些材料不適合制造超長葉片。經(jīng)過多次試驗，我們決定用碳纖維材料制造葉片，使其重量減輕了20%。一次次試驗、一項項對比……歷時一年多技術(shù)攻關(guān)，超長葉片終于成形并通過測試。

關(guān)鍵核心部件實現(xiàn)國產(chǎn)化

記者：“海鷹”平臺的亮點之一，是關(guān)鍵核心部件實現(xiàn)了國產(chǎn)化。

陳棋：是的。做到這一點極其不易。長期以來，我國海上風電裝備國產(chǎn)化水平較低，尤其是關(guān)鍵核心部件曾長期依賴進口。此次，我們在風電機組主軸承和葉片等方面實現(xiàn)了重大突破。

主軸承是風電機組核心部件，素有風電機組“心臟”之稱。此前，由于技術(shù)壁壘高，風電機組主軸承主要依賴進口。我們團隊和產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)、科研機構(gòu)協(xié)同創(chuàng)新，歷時9個多月，研制出合格的主軸承。

為保證主軸承符合工藝要求，我和研發(fā)團隊成員冒著高溫全程跟蹤主軸承的熱處理過程，使主軸承裝配一次成功，且主軸承尺寸精度和旋轉(zhuǎn)精度達到較高水平，為主軸承國產(chǎn)化積累了寶貴經(jīng)驗。

記者：未來“海鷹”平臺投用后，將在深遠海高鹽霧、高濕度的環(huán)境下作業(yè)，后期運維難度較大。為此，您和團隊成員采用了哪些先進技術(shù)解決這些難題?

陳棋：我們自主開發(fā)的風電機組故障預測與健康管理系統(tǒng)可以遠程查看風輪系統(tǒng)、機艙系統(tǒng)、塔外平臺運行狀態(tài)，并結(jié)合機組運行數(shù)據(jù)，對機組進行遠程健康診斷，有效減少人員的出海頻次與海上作業(yè)時長。

在大部件維護維修方面，風電機組故障預測與健康管理系統(tǒng)能夠自動分析機組運行數(shù)據(jù)并總結(jié)數(shù)據(jù)變化規(guī)律，開展機組健康評估與壽命預測。通過智能算法，系統(tǒng)可以預測可能發(fā)生的故障，并提示故障位置和類型，有效預防重大安全事故的發(fā)生。

記者：看來“海鷹”平臺不僅有“大塊頭”，還有大智慧。

陳棋：是的。“海鷹”平臺全面實現(xiàn)了智能化。遍布風電機組的數(shù)百個傳感器和機艙上的激光雷達可以感知作業(yè)海域溫度、濕度等，數(shù)字化跟蹤“海鷹”平臺的運行狀態(tài)。在惡劣氣象條件下，工作人員還可以通過風電機組的智慧“大腦”，調(diào)控風電機組功率。

記者：如何搭建起這一龐大的智能化系統(tǒng)?

陳棋：海上風電是典型的鏈條式產(chǎn)業(yè)。“海鷹”平臺的智能化系統(tǒng)擁有近萬個零部件，光靠一家公司是不可能做出來的。平臺實現(xiàn)智能化離不開上下游產(chǎn)業(yè)鏈的支撐。這充分展現(xiàn)了中國風電產(chǎn)業(yè)在技術(shù)創(chuàng)新、供應(yīng)鏈協(xié)同、工程能力、實驗測試等方面的綜合實力，為全球海上風電發(fā)展樹立了新標桿。

需要交叉學科背景的復合型人才

記者：您入行近20年，經(jīng)歷了我國風電發(fā)展的主要階段，有什么感觸?

陳棋：我國風電起步較晚，過去在人才、技術(shù)、標準等方面與國外存在一定差距。依靠自主創(chuàng)新，如今我國風電機組裝機規(guī)模已穩(wěn)居世界首位，風電成為我國重要的電力來源。我和團隊成員有幸參與研制了海上風電機組平臺“海鷂”等大型設(shè)備，助力我國實現(xiàn)海上風電技術(shù)突破和海上風電裝備制造產(chǎn)業(yè)化、國產(chǎn)化。

記者：在此過程中，人才起到怎樣的作用?

陳棋：人才是關(guān)鍵驅(qū)動力。隨著全球?qū)稍偕茉吹闹匾暫屯度氩粩嘣黾樱L電行業(yè)迎來了前所未有的發(fā)展機遇。這一行業(yè)的發(fā)展不僅需要技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級，更需要大量高素質(zhì)的專業(yè)人才。

記者：在您看來，風電科研人才需要具備哪些能力?

陳棋：我認為，優(yōu)秀的風電科研人才應(yīng)具備較高的創(chuàng)新、協(xié)作和學習能力。除此之外，行業(yè)越來越需要有交叉學科背景的復合型人才。未來，風電機組不僅要從近海走向深遠海，還要向沙漠、戈壁、高海拔地區(qū)拓展。想讓風電設(shè)備在這些地方“安家”，需要相關(guān)科研人員不僅是電力領(lǐng)域的行家，還要了解地理、材料等領(lǐng)域的知識。

記者：目前，我國風電人才培養(yǎng)存在什么短板?

陳棋：我國風電領(lǐng)域人才基數(shù)較小，面臨人才儲備不足的挑戰(zhàn)。這主要是由兩方面原因造成的：一方面，國內(nèi)高校較少設(shè)置風電專業(yè)，人才培養(yǎng)規(guī)模較小;另一方面，在校理論學習與產(chǎn)業(yè)實踐存在一定脫節(jié)，人才培養(yǎng)質(zhì)量有待提升。

記者：您認為該如何解決上述問題?

陳棋：首先，針對風電人才供給不足問題，相關(guān)部門應(yīng)鼓勵更多高校開設(shè)風電專業(yè)，擴大風電人才培養(yǎng)規(guī)模;其次，提高風電人才培養(yǎng)質(zhì)量，要注重培養(yǎng)學生的實踐能力，鼓勵高校與企業(yè)合作，讓學生在校期間能夠接觸到風電項目。

記者：您是如何培養(yǎng)年輕人的?

陳棋：我認為需要給年輕人舞臺。在日常工作中，我鼓勵年輕技術(shù)人員參與國家重點研發(fā)項目，通過解決項目中的關(guān)鍵問題提升技術(shù)水平。我們團隊還與國內(nèi)外頂尖高校合作，通過設(shè)立實習實訓基地、舉辦學術(shù)交流活動，為在校生提供實踐平臺。這些合作不僅讓學生將理論知識應(yīng)用于實際項目中，還為風電行業(yè)乃至可再生能源領(lǐng)域輸送了更多具有實踐經(jīng)驗和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才。

記者：您對風電行業(yè)青年工程師有什么寄語?

陳棋：青年工程師是推動綠色能源發(fā)展的關(guān)鍵力量。青年人一定要保持旺盛的求知欲，不斷學習前沿知識，擁抱新技術(shù)，提升自己的技術(shù)水平和研發(fā)能力。

記者手記

全球70%的海上風能資源都蘊藏在深遠海。如何將這些寶貴的資源轉(zhuǎn)化為可用能源?這是陳棋不斷思索的問題。

要讓風電機組在汪洋大海上“安家”，面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。海上風電機組處在復雜的海洋環(huán)境中，受到風、浪、海流等影響，長距離的海底輸電線路需具備防水、耐腐蝕、抗機械牽拉及外力碰撞等性能，機組安裝還要利用大型海上專業(yè)施工船舶作業(yè)。因此，海上風電機組對裝備設(shè)計、制造、安裝技術(shù)和建成后的機組運維、故障處理要求都很高。

“沒有捷徑可走，只有腳踏實地，一步步去探索。”陳棋說，他和團隊成員從零起步，研發(fā)新材料、優(yōu)化設(shè)計方案，逐個攻克材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計等難題，在機組大型化、定制化、智能化開發(fā)方面不斷突破，一點點拼出了“海鷹”平臺。

入行20年來，陳棋成功研制出抗冰凍、抗臺風、抗雷暴等適應(yīng)特殊環(huán)境的風電機組。他和團隊成員的每次技術(shù)創(chuàng)新，都為清潔能源的可持續(xù)發(fā)展注入了活力。

“隨著海上風電技術(shù)進一步發(fā)展，相信會有更多機組挺立在大海上，為經(jīng)濟社會發(fā)展持續(xù)注入綠色能量。”陳棋說，他將和團隊成員勇攀高峰，為實現(xiàn)清潔能源可持續(xù)發(fā)展貢獻智慧與力量。

人物剪影

陳棋，運達能源科技集團股份有限公司總工程師，長期從事風電機組整機設(shè)計研發(fā)工作，在實現(xiàn)國產(chǎn)風電機組輕量化、智能化等方面取得系列成果。