風電技術:三菱重工維特斯以 9.5 百萬瓦抗颱 V174 機型進軍全球

作者 | 發布日期 2019 年 10 月 04 日 17:36 | 分類 市場動態 , 能源科技 , 風力 Telegram share ! follow us in feedly


三菱重工維特斯(MHI Vestas),今年 2 月推出 174 公尺加大型葉輪的最新 V174-9.5MW 離岸風力機型。資深產品經理安德斯‧巴赫‧安德森(Anders Bach Andersen)最近在西班牙畢爾巴鄂市舉行的歐洲風能協會活動中,向 Eize de Vries 顧問公司說明此次的全新機型,與去年「最初」的 V164 系列的不同之處,也包含去年 V164-10.0MW 的升級。

全新的 V174-9.5MW 機型,以 V164 系列累積超過 5 年來的經驗而製。現今,有超過 200 座的 V164-8MW 風機(功率模式最高達 8.8MW)正在運作中,而三菱重工維特斯不管是 8MW 或 9.5MW 版本的 V164 機型,都已有相當數量的訂單。

V174-9.5MW 機型,擁有 400W/m2 的特定額定功率,並且可強化 V164-10.0MW 機型 (473W/m2)的不足,預計 2021 年開始安裝。

安德森表示,這 2 台風機聚焦在不同且特定的市場。他說:「在各個不同的離岸風電市場,會依據特定的市場情況,例如平均風速、支援方案與場域最大容量限制等變數,以「兄弟機與姊妹機」的方式進行行銷。

「V164-10.0MW、8MW 與 9.5MW 等前身機型,是專門為風力較強的 IEC IB 標準北海應用而設計與優化,預計在 2021 年進行首次安裝。」

抗颱

相較於 V164 機型,V174 是針對 IEC IB 標準的全球性產品,增加了 IEC T 抗颱需求的特性,如 DNV GL 準則為如此極端風況所訂定的需求。因此,V174 的目標在開拓新市場,同時注重生產的全球化與工業化。

由於 V174 的葉輪葉片掃掠面積增加 13%,可以在平均風力每秒 8.5 至 9 公尺條件較差的地方,提高最多 7%~8% 發電量。而在易遭颱風侵襲的地方,風機必須承受每秒最大 57 公尺的強風。另外,還需要應付整個葉輪旋轉平面上,垂直與水平面持續且快速變化的風速與風向。安德森表示:「三菱重工維特斯深信三葉片上風式風機配置,最適合在典型的強烈颱風環境下生存。我們公司的內部研究也找出我們已經落實的一些重要的平行措施:在完全傾斜的情況下,除了不斷調整葉輪以接近風向條件,同時也讓葉輪慢慢的空轉運行,以保護傳動系統,以及其它重要的風機元件與系統。」

向上推升極限

回想過去的 10 年,從最初的 V164 機型一直到 V174 聯合產品的開發,安德森說:「10 年前,開發如此大型的離岸專用風機是極大的挑戰,因為它意謂著,把經驗證過的 3MW 岸上的離岸風機,放大至離岸專用的 8MW 的規模。」

他指出:「其中一個關鍵複雜的因素是,它需要突破現有工程的極限。面對這樣的情況,我們必須問自己如『我們的計算是否有效?」以及『依照我們的運作經驗,是否能達到新科技應用的所有需求?』」

他說:「當我們展開開發程序時,一開始先溝通 7MW 的額定容量,以便爭取額外的技術緩衝,似乎是個明智的決定。儘管焦點一開始就集中在 8MW 的型號。」

安德森指出,在 V164 機型長度 80 公尺的葉片之前,(三菱重工)維特斯生產過最大型的葉片為 58 公尺,為葉輪直徑 120 公尺的 4.5MW 機型。

相較於 V164 系列,V174 最大的變化,是全新的 85 公尺葉片。從外觀上,葉片的特色是細長的翼形。與長度較短且較直的 V164 葉片相比,有明顯的彎曲;不過兩者的葉片結構,都是結合碳的貝殼形狀。

V174 機型的葉片設計注重讓負載極小化,並具有符合空氣動力學的強化翼形。儘管 V174 的葉片增加 5 公尺的長度,但 10 年來葉片設計顯著的進步,也讓 V174 的葉片重量,只微幅多出 1 公噸來到 35 公噸。

以負載為基礎的獨立變旋角控制器

安德森繼續談到葉輪的設計:「針對 V164-7MW 和 8MW 最初的設計概念,我們預期未來的需求會增加,因此刻意選擇了較大的葉片根部直徑與葉片長度比。這個根部直徑,發展到 V174 機型仍然沒有改變。從一開始就採用了具有卓越承載能力的三滾輪式旋角軸承。再加上堅固的軸承尺寸,可以確保 25 年的運作壽命,即便它已結合以負載為基礎的獨立變旋角控制器(IPC)功能,此功能與『經典』的 IPC 相比,可增加改變旋角的次數。」

安德森透露,V164 / V174 渦輪風機運作與控制策略最大的原則,就是讓每年的發電量極大化,同時也要讓改變旋角的次數極小化。因為每次改變旋角都會消耗能源。

考量到這 2 大目標,三菱重工維特斯主要選用「經典」的 IPC,這個策略的目的,就是葉輪在旋轉的途中,每個葉片會依週期重新調整。不過,當碰上強大陣風時,我們可以轉換為以負載為基礎的獨立變旋角控制器,讓變旋角控制模式暫時改變。

V174 產品的開發,包括其它幾項措施。安德森說:「在維持葉片軸承直徑的同時,必須增加油壓旋角氣缸的尺寸。而且為了迎合具有更高相關負載的更大型葉輪,渦輪機的某些部位顯然有必要進行機械上的強化。藉由多體動力學分析等先進的軟體工具,我們找出需要強化的結構熱點(高應力區域)。」

扭力分配功能

下一步,則是藉由增加更多的鋼鐵、改變形狀、負載型態,以及 / 或改用更高品質的鑄件,以便排除與優化這些「弱點」。

V174-9.5MW 與 V164-10.0MW 機型,具有相同的傳動系統;2 者都結合三菱重工維特斯經過實地驗證的第 3 代中速差動變速箱;這個變速箱在第 1 檔低速行星齒輪階段,具有扭力分配功能。

「這兩個機型具有相同的額定變速箱輸入扭力,兩者的差異僅為變速箱的升壓比。在最新的模組產品中,10.0MNm的變速箱輸入扭力是固定不變的,且 2 台渦輪風機都以每秒 90 公尺的額定葉片尖端速度運作,而 V174 的葉輪速度為每分鐘 9.9 圈,V164 型則為 10.5 圈。由於功率(P)為扭力(T)與旋轉速度(n)的函數,在 P=f(T*n)的方程式中,由於 V174 較大的葉輪旋轉速度比較慢,最大的功率輸出必須降低。」

為了管理發電機的溫度,在長時間滿載或高溫地區持續運作的情況下, V174 變速箱的升壓比,會從 1:38.1 提升到 1:40.8。如此一來,可以降低內部溫度的產生,並帶來較高的發電機速度,而這也會因為在特定輸出下保持較低的發電機電流,產生額外的熱備量。

設計極限的框架

安德森指出:「以上的範例說明,得以驗證我們的變速箱設計是模組化、彈性化的,且可以擴展到未來更高功率的等級。例如,針對風速每秒 9.3 公尺的特定地區進行考量,可減少相關負載,且在 IEC IB 認證設計極限框架內,帶來額外的設計空間。」

他提出的另一個論點,則是風電界持續討論的議題:針對提升額定葉輪葉片尖速的潛在利弊。這個議題早在 10 年前的一場歐洲風能協會(WindEurope) 會議(當時仍稱為 European Wind Energy Association)中就提及。當時的專家預測離岸風電機的葉片尖速,將在幾年內從每秒 85~90 公尺,提升至每秒 100~110 公尺。

這項議題之所以會被關注,主要是伊拉克沙漠的軍用直昇機葉片腐蝕預防技術的進展,被應用到風電界,各界也對此抱持樂觀態度。

安德森說:「由於一些因素,此項技術尚未被應用。更高尖速帶來的好處,是傳動系統扭力負荷降低,以及資本支出的減少。不過,如果保持同樣葉片寬度(電線厚度)來提升尖速,葉輪的推力負載往往也會同步提升。不過,改用更高碳含量且形狀非常瘦長的葉片,雖然可以提供足夠的硬度與強度,但也會顯著增加葉片的資本支出。」

他補充表示,旋角軸承的負載也會增加;目前,更高尖速所帶來的葉片腐蝕解決方案,目前正在開發當中,但仍須經過市場驗證。因此,三菱重工維特斯針對 V174 機型,維持 V164 系列每秒 90 公尺的額定葉片尖速。

V174 原型機預計於今年年末於北歐地區安裝,並於 2020 年底將獲得全面的認證。三菱重工維特斯已經被德國波羅的海的一項專案,提名為優先供應商,並計劃在 2022 年與 2023 年,進行 52 座 V174-9.5MW 風機交付與安裝。

(首圖來源:MHI Vestas