一臺大風(fēng)機(jī)，從設(shè)計完成到推向市場交付客戶，一共要分幾步？
這似乎是一個簡單的問題，但遠(yuǎn)景卻給出了更負(fù)責(zé)任的答案。
中國風(fēng)機(jī)市場正快速向大兆瓦進(jìn)化。數(shù)據(jù)顯示，2021年，中國市場新增吊裝主流機(jī)型是陸上3MW、海上6MW。但2022年前十個月，目前交付的最大機(jī)型已經(jīng)達(dá)到陸上6.7MW，海上11MW。投標(biāo)機(jī)型更大，陸上最大出現(xiàn)7.77MW，海上最大16MW。
快速迭代的風(fēng)機(jī)如何又大又可靠？
“風(fēng)機(jī)變大，看似簡單的數(shù)字量變，實則是機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)、部件和系統(tǒng)的質(zhì)變，需要特別重視風(fēng)機(jī)的可靠性。單靠部件質(zhì)量不能保證風(fēng)機(jī)可靠性，遠(yuǎn)景建立了從材料、部件、系統(tǒng)、整機(jī)、到批量機(jī)群的全流程、多層級測試驗證體系，以空間換時間，從設(shè)計源頭保證風(fēng)機(jī)可靠性。”遠(yuǎn)景能源總工程師朱宏棟博士說。
多自由度系統(tǒng)加載測試臺
2015年開始，遠(yuǎn)景規(guī)劃籌建全球領(lǐng)先的智慧風(fēng)電測試驗證中心，總面積6500平方米，總投資超過3億元，已先后建成了齒輪箱彎扭耦合系統(tǒng)測試臺、多自由度系統(tǒng)加載測試臺、自研原材料實驗室等，目前共計完成了超100次新品項目測試，驗證了全球獨有的齒輪修型、主軸承等核心部件設(shè)計，以及高品質(zhì)葉片復(fù)合材料、齒輪和結(jié)構(gòu)件材料性能，并具備50MNm整機(jī)加載能力，可以驗證整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)化空間。
“風(fēng)機(jī)技術(shù)創(chuàng)新迭代源于硬件技術(shù)的積累和信息數(shù)據(jù)的閉環(huán)。全流程多層級測試的終極目的，是完成風(fēng)機(jī)數(shù)字孿生模型的‘驗證’，實現(xiàn)風(fēng)機(jī)部件子系統(tǒng)、整機(jī)系統(tǒng)‘數(shù)字模型與物理實體’的一致性。”朱宏棟博士說。
出生決定一生
測試+驗證保證大風(fēng)機(jī)設(shè)計的可靠性
風(fēng)機(jī)設(shè)計是仿真的過程，仿真模型越接近真實模型，設(shè)計結(jié)果越精確。測試驗證的作用，就是讓仿真模型無限接近于真實物理模型。伴隨機(jī)組快速大型化的，是從設(shè)計、制造到運維全鏈條的新場景，是產(chǎn)品新設(shè)計、新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝的快速進(jìn)步。遠(yuǎn)景工程師認(rèn)為，這些新場景、新技術(shù)需要依托全流程、多層級的測試驗證體系，保證優(yōu)良的設(shè)計基因。
以齒輪箱為例，齒輪箱是風(fēng)機(jī)重要的功率傳輸部件，與整機(jī)設(shè)計和控制有強(qiáng)耦合關(guān)系，是穩(wěn)定運行和可靠性提升的核心部件。齒輪箱運行過程中，承受的扭矩和彎矩都會產(chǎn)生變形影響，但過去行業(yè)里由于缺乏足夠的高保真數(shù)據(jù)積累和模型驗證能力，無法理解彎矩對齒輪箱的變形影響，只能做基本扭矩的測試，不做彎矩測試。遠(yuǎn)景獨家設(shè)計齒輪箱彎扭耦合系統(tǒng)級測試臺，測試扭矩和彎矩對齒輪箱的共同影響，通過系統(tǒng)試驗臺、現(xiàn)場測試相結(jié)合，精準(zhǔn)校驗仿真模型里的齒輪修型設(shè)計，實現(xiàn)測試和驗證的閉環(huán)。
遠(yuǎn)景齒輪箱彎扭耦合系統(tǒng)測試臺
朱宏棟博士表示，雖然現(xiàn)實中批量工業(yè)產(chǎn)品不能保證100%完美，但測試和驗證卻能有效保障風(fēng)機(jī)設(shè)計的可靠性，即風(fēng)機(jī)不因設(shè)計缺陷而出現(xiàn)系統(tǒng)性問題。“保障可靠性的關(guān)鍵，不僅在于測試，更在于測試數(shù)據(jù)的閉環(huán)和仿真模型的驗證，兩者缺一不可。”經(jīng)過充分測試驗證迭代出來的仿真模型，能夠保證風(fēng)機(jī)新品的設(shè)計在全生命周期20甚至25年之中運行無憂。測試驗證，不僅是批量投放風(fēng)機(jī)之前的安全屏障，更是遠(yuǎn)景的技術(shù)工程師建立產(chǎn)品認(rèn)知（Knowhow）的重要基礎(chǔ)，是風(fēng)電技術(shù)和可靠性提升的必由之路。
驗證做得足夠好，未來即使不做更大的測試臺架，也可以直接通過已經(jīng)閉環(huán)校準(zhǔn)過的數(shù)字孿生仿真模型，在現(xiàn)有臺架上加載各種虛擬的、臺架條件所限無法實現(xiàn)的工況。這種可以閉環(huán)的測試驗證體系能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)的創(chuàng)新迭代，對未來產(chǎn)品研發(fā)和風(fēng)電可持續(xù)健康發(fā)展有意義。
修正數(shù)字模型，探索物理邊界
伽利略風(fēng)機(jī)數(shù)字孿生價值顯現(xiàn)
智能風(fēng)機(jī)的技術(shù)進(jìn)步取決于兩個底層邏輯。一是風(fēng)機(jī)設(shè)計與制造底層核心技術(shù)，遠(yuǎn)景能源不僅最早打開了風(fēng)機(jī)控制的“黑匣子”，并且通過技術(shù)穿透產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)變頻器、變槳系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、葉片、齒輪箱、主軸承等關(guān)鍵部件自研設(shè)計與制造,為數(shù)字化奠定了物理基礎(chǔ)。二是基于遠(yuǎn)景EnOSTM智能物聯(lián)操作系統(tǒng)的伽利略系統(tǒng)，反哺風(fēng)機(jī)關(guān)鍵部件及整機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計,其數(shù)字孿生模型與實體風(fēng)機(jī)一體化進(jìn)化,成為促進(jìn)風(fēng)電數(shù)字化轉(zhuǎn)型的新動力。
遠(yuǎn)景齒輪箱批量測試臺
完備的測試驗證體系必須同時具備三個關(guān)鍵能力：試驗加載工況的設(shè)計能力、試驗臺架的設(shè)計和加載能力、測試驗證的閉環(huán)能力。尤其是其中最核心的系統(tǒng)級測試，更需要深入了解部件、系統(tǒng)的核心技術(shù)和相互耦合關(guān)系。高保真數(shù)據(jù)的獲取和處理、體現(xiàn)耦合關(guān)系的仿真模型都需要長期的資金、時間和人才投入，遠(yuǎn)非一日之功。
作為最早提出生產(chǎn)智能風(fēng)機(jī)的企業(yè)，遠(yuǎn)景在多年積累的基礎(chǔ)上，從2018年開始，“秘密”開展了“冬季攻勢”行動：對三北、山地、平原、海上四個場景的風(fēng)機(jī)進(jìn)行為期超過兩年的高保真數(shù)據(jù)積累。遠(yuǎn)景工程師為每臺風(fēng)機(jī)樣機(jī)配置超700個傳感器，每天傳輸數(shù)據(jù)超20G字節(jié)，比起普通的IEC標(biāo)準(zhǔn)只有十幾個傳感器的要求，對整機(jī)做了更加深度的測試，為測試中心的建立和智能風(fēng)機(jī)認(rèn)知打下堅實基礎(chǔ)。2020年左右，在此基礎(chǔ)上，伽利略超感知風(fēng)機(jī)的多場景運行數(shù)據(jù)再次和測試、設(shè)計、制造形成信息流閉環(huán)，實現(xiàn)風(fēng)機(jī)部件子系統(tǒng)、整機(jī)系統(tǒng)“數(shù)字模型與物理實體”的一致性。這也是遠(yuǎn)景構(gòu)建多層級測試驗證體系的先決優(yōu)勢。
在全球能源乃至工業(yè)領(lǐng)域，這都是一項“前無古人”的創(chuàng)舉，海量數(shù)據(jù)的搜集、清理、統(tǒng)一接口、規(guī)律挖掘……背后是遠(yuǎn)景對“技術(shù)進(jìn)步推低新能源度電成本”的信心和堅守。
兩年來，近萬臺伽利略風(fēng)機(jī)經(jīng)歷的各種工況，利用數(shù)字孿生技術(shù)重構(gòu)上傳到云端，不僅優(yōu)化設(shè)計、智能運維，更構(gòu)建出完整的技術(shù)模擬艙加速新技術(shù)的驗證和應(yīng)用，原先需要長時間搜集運行工況驗證的先進(jìn)軟件算法，現(xiàn)在幾周就可以驗證完成并同步到每一臺風(fēng)機(jī)。遠(yuǎn)景數(shù)字孿生技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，正在加速實現(xiàn)各項風(fēng)機(jī)關(guān)鍵部件技術(shù)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和自進(jìn)化。
測試，尤其是驗證對于風(fēng)電行業(yè)的回饋，短期內(nèi)不易見。遠(yuǎn)景建立全流程、多層級測試驗證體系的初心，源自于對智能風(fēng)機(jī)技術(shù)進(jìn)步的渴望和堅持，對風(fēng)機(jī)快速大型化風(fēng)險的把控和對風(fēng)電市場激烈競爭的研判。
朱宏棟博士表示，剛剛組建測試驗證中心時，經(jīng)常遇到公司內(nèi)外部關(guān)于投資回報率的挑戰(zhàn)，但慢慢大家都形成了共識——通過測試驗證迭代模型，保證現(xiàn)場受載情況和仿真模型結(jié)果一模一樣，才能更好保證風(fēng)機(jī)從設(shè)計源頭是安全的。
江陰遠(yuǎn)景智慧風(fēng)電測試驗證中心
