业界视点——蔡健平：推进装备监检测研究助力我国风电项目发展

2019-06-20 09:33:03 作者：殷鹏飞来源：《腐蚀防护之友》分享至：

能源是国民经济发展的重要物质基础和人类生活必须的物质保证。我国人多地广，但优质的油气资源相对匮乏，长期以燃煤和汽油为主的燃料能源结构使我们付出了巨大的环境代价。绿色新能源是解决我国能源供应短缺和环境污染双重危机的重要出路。其中，风力发电是技术最成熟、最具开发和商业发展前景的方式，发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济可持续发展等方面有着极其重要的意义。

作为中国风电领域的先锋，新疆金风科技股份公司是中国成立最早、自主研发能力最强的风电设备研发及制造企业之一。它不单是大型风力发电机组“863”项目及国家“九五”、“十五”、“十一五”科技攻关项目的重点承担单位，也承担了国家科技支撑计划“大功率风电机组研制与示范”重大项目课题的筹备工作。为了全面科普中国风电事业的发展和风电设备智能化制造等方面的知识，近日记者特邀请到金风科技股份有限公司的蔡健平教授级高级工程师（以下简称蔡教授）做相关方面的解读。

蔡健平金风科技股份有限公司教授级高级工程师

记者：风能是一种清洁无公害的可再生能源能源，请您介绍一下风能的特点以及风力发电技术？

蔡教授：风能是由太阳辐射热引起的，到达地球的太阳能有大约 2% 转化成风能，全球的风能估计约为 1300 亿千瓦，高达 53 万亿千瓦时每年，这个数字远超过地球上水能，也大于地球上固体和液体燃料能量之和。从纯技术的角度，即使近五年全球的电力需求继续增加，只要利用地球上 50% 的风能就能够绰绰有余地满足人类的能源需求。风能除了储量丰富、分布广泛外，更具有取之不尽，用之不竭，可再生，具有可持续性等特点，是持续性最好的能源之一。

风力发电设备是将风能转化为电能的装置，广义地说，它是一种以大气为工作介质的能量利用机械，其原理是通过风力带动风车叶片旋转，然后发电机将风力产生的机械能转化为电能。风力发电机又简称为风车。

现代的风力发电设备已经不是一个简单的风力机和发电机的组合，它一般由基础、塔筒、机舱、发电机、轮毂、转子叶片、变流变压设备等组成，还有些风向风速仪等附件，一些风力发电设备还有齿轮箱等传动机构。它高度集成了空气动力学、机械学、电机学、电力电子学、微电子学、计算机科学以及电力系统分析、控制技术、数据通讯等各方面知识，是一种复杂的机电能量转换系统。

目前风力发电设备一次投入较高，但是从综合社会效益上看，风力发电的性价比很高。例如同风电相比，火电需要持续地投入燃料资源，产生原料成本，如果考虑到对污染物的处理、对环境的破坏等社会和环境成本外，风电的综合效益大大优于火力发电；而同核电相比，风电设备即使发生事故，造成的人员损失、社会和环境的损失很小；而同样是可再生能源的水电，对生态和环境有很大影响，还需要占据很大的土地，如果考虑这些因素，水电的综合社会效益也低于风力发电。

记者：我国风能资源丰富，利用风力发电大有可为。我国目前的风电建设开发利用情况如何？取得了哪些成就？推广过程存在哪些困难和挑战？

蔡教授：近年来能源供应日益紧张，环境污染问题日益突出，因此国家对新能源的重视程度与日俱增。风能作为一种清洁高效的能源已经成为利用的重点。我国有绵长的海岸线，大片的草原戈壁，风力资源十分丰富。随着我国对风力发电投入力度的不断加大，风力发电近年来发展十分迅速，已经成为一种重要的能源供应，风电技术也得到了迅速发展。目前我国的风电产能达到 3000万千瓦以上，据统计，2017 年我国风力发电装机容量已经达到 16 万兆瓦，仅次于欧盟，成为世界重要的风电发展区域。但是目前我国风电在电力能源中的占比依然不高，现在发电装机量比例在 2% 左右，低于煤电、水电，接近核电，而在欧盟，丹麦的风能在电力结构中占比已经最高达40%以上。总的来说，我国风力发电制造业目前依然是一个有待发展的，新兴的、需要逐步培育的产业。

由于风力资源季节性波动性的影响，大容量的风电场的并网会对电网的电能质量、系统稳定性、谐波情况、线路损耗以及继电保护造成影响。进行风电功率的合理预测，提高风电穿透功率，研究动态无功补偿等技术对风电存在的问题进行有效解决是风电研究的重点。由于风力发电所占电网装机总量的比重过大会影响电网系统运行的可靠性，合理分配风电场和传统能源的比例，降低风电场对电网的冲击，是发展风电能源的重点。

由于风电一次投入较高，按照一次投入的风火同价的要求对风电产业的成本造成了很大的压力；另外由于风电的需要并入电网进行消纳，加上早期风电主要分布在西北等用电较少地区，远距离输送难以实现，而当地电网的消纳能力不足造成了弃风限电现象；同时由于我国早期是购买图纸来制造风电设备的，目前我国风电设备的设计能力和质量可靠性水平有待进一步提高，而这在降成本的背景下，对风电制造业造成了很大的挑战。

记者 : 腐蚀是影响和限制风电产业发展的重要因素。请您介绍一下这方面的情况？

蔡教授：在风力发电的早期发展阶段，我国风力发电设施大多分布在西北地区，但是随着国内陆上优质风资源的饱和，南方潮湿地区和海上风电已经成为我国风电产业的发展重点，而向海外输出风电设备也是相关风电设备制造企业重要出路。以金风科技股份有限公司为例，公司提出了自己的“两海战略”：一是发展海上风电，二是发展海外风电。

但是潮湿地区风电和海上风电所面临的的一个重大挑战就是腐蚀环境比较恶劣，对风电产品的经济性、可靠性造成很大影响，而海外风电，则需要考虑各种腐蚀环境的不确定性，需要正确的选型，并采取合理的防护措施，一旦出现问题，付出的代价也极为高昂。我们知道，风力发电是一个高风险的产业，一旦出现较大事故就会导致风力发电企业巨大经济损失，如果风力发电设备质量可靠性水平不高，质保损失往往导致设备制造企业的大面积亏损。因此通过影响风电设备的可靠性和经济性，腐蚀问题已经成为制约我国风电产业发展的重要因素。

对于腐蚀问题，风电制造业应该说是比较重视的，在认证标准上就有比较明确的腐蚀防护的要求，风机的整机商也有一些专门的腐蚀防护人员从事腐蚀控制的工作。但是目前腐蚀控制的系统性不够，主要工作集中在涂层防护、表面处理等方面，在对腐蚀的监控、预测、分析等方面重视不够，没有把腐蚀控制作为一个系统工程来抓，所以工作容易出现漏洞，在很多细节方面做的不够；另外没有采用腐蚀经济学把经济性作为影响设计的一个边界条件，有时候又出现过设计；还有很多腐蚀控制要求没有落实成为可描述、可操作的技术指标，腐蚀控制措施主观性、随意性很大，这实际上要求腐蚀科学和技术要结合产品的实际工程需求，建立起一个有工作目标的腐蚀控制系统工程系统，才能使腐蚀控制技术发挥最大的效能。所以腐蚀控制不应该仅仅从局部的技术出发，而要满足产品开发中系统工程的要求，这方面希望引起国内腐蚀界的重视。

记者：装备安全与智能化的研究，实质上就是通过智能化检测和监测手段，为设备提供全面、正确、可靠的设备故障监测和诊断信息，从而达到防患于未然的目的。因此，对风力发电设备腐蚀大数据搜集和腐蚀监测显得尤为重要。请您介绍一下目前我国这方面的情况？

蔡教授：风机的智能化的研究也是风机发展的一个重要方向，结合检测监测技术、网络技术、物联网、大数据和人工智能、虚拟现实等技术，风电产业提出了数字化风机的概念，也就是风机不仅在现实上物理实体存在，而且在电脑上、网络上和手机里数字化呈现，人们可以通过数字化风机了解它的状态甚至通过数字孪生技术，分析它的各种特性，为设计改进和运维策略提供依据。

金风的风机数字化框架

当然数字化风机的一个重要应用是故障监测和诊断，目前国内外都在这方面开展大量的工作。而在风机产品腐蚀大数据搜集和腐蚀监测方面，国内外都开展了一些工作，但要整合到数字化风机中，还需要一个过程。金风科技股份公司目前在这方面开展的工作主要有：

（1）运行环境的腐蚀评级。主要对不同区域运行风机的各个部位的腐蚀环境条件进行了采集和评级，这已经成为风机部件设计的输入条件；

（2）安装过程各个环节的环境监控。对安装过程例如海上运输、吊装、外场堆放等环境条件进行了监控，对存在的腐蚀风险进行预警；

（3）腐蚀监检测和预测。采用电阻探针、大气腐蚀检测仪、腐蚀电化学方法以及环境条件监测方法，对现场的腐蚀情况进行检测和预警，并预测腐蚀程度。

记者：我国目前风电行业发展有哪些制约因素，请您针对风电行业的未来健康发展给出您的意见或建议。

蔡教授：我国风电市场经过十多年的快速发展，取得了辉煌的成绩，也暴露出种种的问题，这些问题既有来自市场本身的问题，也有来自风电企业的问题，更深层还有国家政策层面的问题。

具体问题如下：

1、国内风电行业产能相对过剩。由于产业的一哄而上，早在 2009 年国家就将风电设备列为产能过剩行业之一，随后的几年中，产能过剩进一步的凸显出来。按照市场需求预测，国内风电市场供应能力过剩应该在50%以上。

2、国外拓展业务起步困难。由于国内市场竞争越来越激烈，大型厂商不得不加大海外市场的渗透力度，以缓解国内过剩的产能，但是海外市场的开拓是比较艰难的。

3、风电市场的消纳问题严重制约行业发展。由于现有电网规划的滞后，没有考虑到大规模风电的接入对风电市场的影响，加之风电行业的超速发展，导致了我国风电规划与电网规划相脱节现象的产生。由于缺乏具体的风电送出和风电消纳方案，大规模风电送出消纳的矛盾日益突出。

4、风电关键部件和核心技术与国外企业还有很大差距。风电企业关键部件依然依赖进口，绝大多数风电设备制造企业根本没有自主研发能力、缺乏自主知识产权。金风虽然有较强的自主研发能力，但是在总体设计和关键零部件上与国外先进企业有较大差距。

5、风电发展政策配套不健全。现已出台的政策均是按照有利于促进风电大规模发展的思路进行的设计。这种设计方式的优点是能够调动地方政府和企业的积极性，但是缺点在于没有额外的激励条件下，电网企业并不能充分承担起风电并网接入的责任，从而形成了可再生能源并网难的问题。

要克服以上的问题，我的建议如下：

1、进一步加强国家电网建设，为大规模风电接入创造条件。我国风电资源主要分布于西部、北部，开发规模大，布点较集中，对所在电网的电能质量、稳定运行、无功平衡等会造成一定的冲击。若进行大规模的风电并网，则必须增加机组容量或区外送电作为风电备用。因此，我国需要加大输电网建设的力度，强化电网结构，为风电的大规模开发和电网接人创造条件。

2、大力发展海上风电。由于我国东南部地区是用电的重要区域，而我国海上风电资源非常丰富，大力发展海上风电便于就近消纳风电，同时也满足东南沿海经济发达地区的用电需求。

3、大力支持风电企业技术研发能力的提升。在风电建设规模化进行的同时，必须要把提升企业技术自主研发能力和关键设备制造国产化相结合，为国内风电设备制造提供发展机遇和需求市场，促进国内风电设备制造业的尽快发展。在这方面，国内各个专业的学校、研究院所和其他行业的技术可以加快向风电产业的转化和应用，支持风电企业技术研发能力的提升。

4、加强风电企业人才培养。从一定程度上来说，制约我国风电发展的关键性因素还是风电技术人才的缺乏。风电场建设、风能资源评价、风电场设计、并网及运行管理等方面都需要专业性的风电技术人才。因此，加强风电人才培养力度，健全风电产业服务体系就成为当务之急。一些电力院校已经设立风电专业，开始培养风电专业技术人才，因此要着力整合国内现有资源、加强校企合作，实现产学研的无缝对接。另外，也可在国家层面，设立和建立风能资源评价和设计研究机构、风电并网技术研究机构等，以加强风能资源评价、风电场设计和风电并网技术的研究和技术服务能力，为今后风电的大规模发展创造条件。

记者：当前，以智能制造为代表的新一轮产业变革迅猛发展，网络化、智能化日益成为制造业的主要趋势，国务院颁布实施的《中国制造 2025》将智能制造作为主攻方向，抢占新一轮产业竞争制高点。作为一个腐蚀控制方面的专家，您对风电设备智能化制造有什么自己的意见和建议。

蔡教授：目前风电设备在制造过程中积极采用智能制造技术，智能制造在对于缩短制造周期、降低人力成本和提高产品质量可靠性的一致性上具有无可比拟的优势。但是对于中国这样一个先进制造业尚有短板的国家，还要补传统制造技术中的短板。对于腐蚀控制来说，制造过程中的腐蚀控制以及先进防护工艺的研究和应用还需要大量的基础性工作，不是说有了智能化，传统制造业中的短板也就弥补了。以腐蚀为例，腐蚀科学与工程中的技术基础研究和基础性还是要持续进行，要向海上和海外发展风电，急需继续积累大量基础性数据，这些基础数据将为系统控制腐蚀提供支持，也为实现智能制造提供坚实的基础。

公司简介

金风科技股份有限公司是从事大型风力发电机组研究、开发与生产制造的企业。其前身是新疆新风科工贸有限责任公司，成立于 1998 年，1999 年成功完成 600 千瓦风力发电机的研制工作。2000 年公司整体变更设立为新疆金风科技股份有限公司，开始从科研向市场转型，实现销售零的突破。承担国家“863”计划 --“兆瓦级失速型风力发电机组及其关键部件研制”、国家“十五”科技攻关项目 --“600 千瓦风力发电机组工业化生产技术”与“750 千瓦风力发电机组研制”三个国家级科研项目。公司拥有自主知识产权的直驱永磁技术代表着全球风电领域最先进的技术路线，产品除广获主要国内电力公司的采用，还进入了美国和欧洲等海外市场。2016年 8 月，金风科技股份有限公司在 “2016 中国企业 500 强 ” 中排名第 420 位。

后记：

从风电“制造”到风电“智造”，不仅是一字之差，更是一场行业技术的革命。以金风科技股份公司为代表的中国风电企业勇于创新，不惧挑战，潜心发展风电设备智能化监检测技术，努力攻克风电发展中的的制约难题。我们相信，在不久的明天，中国风电必将成为一张比中国航天、高铁之外更为闪亮的名片！

● 人物简介

蔡健平，男，1969 年生。1992 年毕业于北京航空航天大学，1995 年获中国科学院金属研究所硕士学位，2001 年获英国曼彻斯特大学博士学位。曾在北京航空材料研究院和中国航天标准化及产品保证研究院工作，承担过多个部级和国家自然科学基金的项目，在国内外发表学术论文 40 余篇，在国内外发表学术论文 40 余篇，撰写专著 1 部，参与多个专著的编写，拥有 4 项专利，并培养硕士生 4 名。获国防科技进步奖二等奖一项，航空工业一等奖一项，是航空学报优秀审稿人和自然科学基金项目审查专家。现担任国际杂志《Corrosion Engineering,Scienceand Technology》和《装备环境工程》等杂志编委。2017 年加入金风科技股份有限公司，负责风电产品环境适应性体系建设，指导腐蚀控制的具体技术研究工作，参与风电产品可靠性体系研究。

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