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柳州西门子代理商
产品时间:2023-12-24
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西门子风力发电集团业绩卓著,称雄全球市场的海上风力发电机只是其中一个例子。在丹麦,西门子风电公司运用*的一次成型工艺,生产出长达 52 米的叶片。同时,该公司还生产全球容量最大(高达3.6兆瓦)的量产化风力发电机。

成品叶片准备启运

乌云沉沉,寒风冽冽,北海之上,波涛滚滚。对大部分人而言,这样的天气再糟糕不过。不过,对西门子发电集团 (PG) 风电公司叶片研发主管 Claus Burchardt 先生来说,这却是的天气。他说:“在我们看来,狂风才是好天气。没有狂风,我们上哪儿去找客户呢?”

此时此刻,Burchardt先生并不是站在海边,而是坐在丹麦第三大城市奥尔堡市郊一间不大的办公室里。西门子风电公司拥有员工 5,500 人,Burchardt 与他们齐心协力,建造大型风力发电设备,每台风力发电机生产的电力能够在30秒内将满满一浴缸的冰水烧沸。其实,这样一台风力发电机的个别组件体积非常庞大,出于运输考虑,有些部件在远离丹麦的地方制造。例如于2007年9月在美国爱荷华州麦迪逊堡落成开工的一个新的叶片工厂。在工厂选址问题上,当地的基础设施也起着至关重要的作用。比如,之所以将厂址选在奥尔堡,是因为此处毗邻海港,码头*有能力运输长度超过 50 米的大型叶片。

新的叶片正在制造中(右图)。在这里,大型模具正在从制成叶片(左)上移除(中图)。

Burchardt说:“在奥尔堡,我们生产的叶片有些甚至重达16 吨,那么如何确保全部产品能够达到较高精度,使其性能达到我们的既定要求,在20年的寿命周期内能够可靠运行,而无需进行更换和调整,是一个巨大的挑战。”为实现这一目标,这些叶片——尽管它们外形巨大,强度很高,必须具备*的流线外形,即使最小的角度也要精确计算。而重中之重则是,产品一定要能经久耐用。之所以提出这个要求,是因为大多数叶片将用于海上风电场,而海上风电场的维修和更换成本非常高。Burchardt先生介绍说:“制造商在海上对叶片进行维修的费用比岸上高出近十倍。通常情况下,风力以每秒 10 米的速度“冲击”轮机,也就是说每秒钟有 100 吨空气穿过叶片。因此,叶片必须结实耐用!”

面对上述极为苛刻的生产要求,很多制造商望而却步,纷纷放弃海上风力发电机生产。然而,西门子却逐步发展成为全球有经验的、同时也是容量最大的海上风力发电机供应商。

叶片烘烤。在长约 250 米的奥尔堡设备生产大厅里,放置着许多巨大的叶片状模具,它们就像烤蛋糕用的平底锅,有的在地板上排开,有的则从天花板上吊下来。大厅内没有一丝化学材料的气味,绝大部分工人也不必穿戴特殊防护服。Burchardt说:“几年之前,我们开发出一种新工艺,将叶片作为一个整体进行加工。这种整体叶片工艺,或者叫一次成型工艺,让我们告别了粘合剂。这样,工人们再也不用担心有毒气体的侵袭。同时,车间里再也无需堆满杂乱的零部件,最终产品叶片采用一个铸模生产,叶片上不会有任何接缝,相比于其他叶片,它的强度得以大大提高。”

在大厅的另一端,Burchardt 在一件叶片模具前停了下来。一位员工正在往模具里添加一段一段看似白色织品的东西。这种材料好像精心编织的地毯,但手感却像是塑料。Burchardt 解释道:“这是玻璃纤维。一旦在其中注入环氧树脂,就会变成纤维增强塑料复合材料。和竞争对手的产品相比,我们的叶片中不含任何聚氯乙烯和二恶英。这意味着什么呢?20年的使用寿命过后,你*不必为叶片的处置而发愁,因为它是用可循环利用的玻璃纤维制成的。”

使用一项已获的工艺,叶片作为一个整体进行烘烤,上面没有一个接缝。

这么不起眼的材料,竟能使叶片如此结实?Burchardt说:“模具里填充了一层一层的玻璃纤维。45 米长的叶片里就有 7 吨玻璃纤维,而 52 米长的叶片里更是填充了 12 吨。为提高叶片硬度,我们还在每两层纤维之间加入一层木头。”他向我们展示了模具中的玻璃纤维和木料,一层一层排得十分整齐。他接着说:“叶片的另一面是用同样的材料制成的,两个部分最后会组成一体。在组装时,我们不使用粘合剂,而是在叶片内部装入许多充气的袋子,然后注入数吨液态环氧树脂。这些液体可以在袋子和玻璃纤维之间的空隙自由流动,从而成功实现叶片两个部分的结合。最后一道工序是将整个叶片在 70 °C 的温度下烘烤 8 个小时。”

正说着,只见一个模具从顶棚缓缓降下,将一只叶片的两面装配在一起,上面没有一个接缝。直到这时,模具后面那巨大设备的形状才清晰起来。在闭合状态下,模具的作用就像是配有烤箱的烤蛋糕平底锅,注入环氧树脂之后,模具受热将叶片烘烤成一个结实的整体。而叶片内部的充气袋不受热量的影响,可以起到支撑作用,从而保证叶片在生产过程中不致受损。“使用这种工艺,整个叶片的加工,从*步到最后一步只需短短 48 个小时,不像以往那样动辄需要好几天时间。”Burchardt 自豪地说,“*天,填充玻璃纤维,第二天,注入环氧树脂并烘烤。完成之后,进行叶片调试,最后涂成白色。整个工序既需要高科技的帮助,也离不开工人娴熟的技能,每个叶片都是这二者的*结晶。”叶片成品出厂后,通过卡车或轮船,运至世界各地的客户,其中包括远在美国和日本的客户。

振动试验结果满意。产品交付之前,叶片样品要通过一系列静载和动载试验。首先,它们要接受相当于其最大工作负荷 1.3 倍的负荷的考验。接着,为模拟 20 年材料疲劳期,它们将被置于一种特制的试验台上,使其振动约 200 万次,最后,再用静载试验对其耐力进行测试。

海上安装之前(下图),Henrik Stiesdal(右图)要确保一切正常,包括风力发电机组装(中图)和最终的耐久性试验(左图)。

在奥尔堡以南约 150 公里外,有一座拥有6,000 居民的小镇 Brande。小镇上,有2,700 名西门子员工在生产风电装置的核心部分:轮舱(外罩)。行走在丹麦乡村,穿过田野,越过农场,看到一台台风力发电机,我不禁要问,丹麦拥有多达 3,500台风力发电机,为什么最大的风电装置生产商都集中在这里呢?

“这是有历史渊源的。” 设在Brande的西门子风电公司*技术官 Henrik Stiesdal 说道,“它始于 1973 至 1974 年的能源危机。当时,为减少对石油的依赖,丹麦探讨了修建核电站的可行性。结果,一批才华出众的工程师设计出了*台风力发电机。二十世纪八十年代中期,很多国家开始对风力发电实施税收鼓励政策,使之成为一个收益颇丰的产业。而丹麦以其先进的技术,是拥有制造性能的风力发电机的专业技术和知识的国家。自那时起,丹麦的风电产业一直持续繁荣至今。”

尽管窗外天气不错——当然,是从丹麦人的视角来看,不过 Stiesdal 显然还是更喜欢待在自己舒适的办公室里。他从抽屉里取出一张风能技术年表放在桌上。“二十世纪八十年代初期,我们生产了*台风力发电机,那时,它的发电量只有 22 千瓦。此后大约每过四年,我们产品的容量就能增加一倍。而设备发电量可达 2.3 兆瓦和 3.6 兆瓦,比起当初又何止百倍。即使目前,小型风电设备仍占我们业务的80%左右。”

Stiesdal指着一幅大型欧洲地图说:“最近我们完成了世界上最大的海上风电项目之一——英国的Lynn和Inner Dowsing 风电场。该项目包括位于林肯郡海岸Skegness以东约5公里处的两个毗邻的风电场。目前它们的总装机容量已达194兆瓦,预计提供的电能可满足13万以上家庭住户每年的用电需求。”

*台风力发电机的装机容量为 22 千瓦,还不到今天的百分之一。

言谈之间Stiesdal的双眸熠熠放光。“到2009年10月,西门子在全球各地安装的风力发电机的数量已经超过8,100台,总装机容量约为9,600兆瓦。这足够生产250亿度电能——约占丹麦总用电量(约360亿度电)的70%。例如,我们位于丹麦第四大海岛洛兰岛南海岸的165兆瓦Nysted海上风电场生产的电力,足以满足我的家乡欧登塞及其185,000位居民的用电需求,包括家庭、工厂、街道照明用电。”说完,他走进了一个生产轮机的大厅。

500 吨的庞然大物。在我们眼前,排列着一个个巨型金属舱,每个舱内装有一台 2.3 兆瓦的发电机。我们走到一台圆形舱的跟前。轮舱的两端都是打开的,可以看到其内部构造。“现在我们面前的是驱动轴,转子和三只叶片从外部安装到这个轴上。海上风电场的轮机是在海上安装的。

塔架的装配是在岸上完成的。运载塔架、轮舱和叶片时,我们使用一艘特制的装有起重机的轮船到达海上作业点。不到一天,就可完成一台重达 500吨的轮机的安装。转子一旦开始运转,其机械运动由传动轴传输到传动单元。传动单元再依风力大小,将转矩输送到发电机,最后产出电能。”

Stiesdal业余时间喜欢航海。他指出,这种功率级的系统需要的不仅仅是机械部件。“今天,生产这样一台2.3 兆瓦的轮机,需要多种级别的处理器和电子装置。看似易如反掌,可如果你想进一步了解它,就会愈加体会到它的复杂性。”这一点尤其适用于其产品 3.6 兆瓦轮机。在揭开这个庞然大物的庐山真面目之前,要经过堆放区。那里就像是儿童的玩具箱,风力发电机所需的所有零部件都整齐地堆放着,等待着安装。堆放区的左侧,是巨型的钢制前段锥体,将用于装饰轮机外罩;中间是机械舱;右侧是大型转轴,每个重约35 吨。奥尔堡出产的叶片直接运送至安装场地。塔架高达 120 米,其部件来自于丹麦、德国、美国、韩国等地的外部供应商,具体取决于风电场的位置。

进入生产大厅,一眼就能看到 3.6 兆瓦轮机的白色轮舱。与它的“小兄弟们”不同的是,其外形棱角分明,体积也比它们大,长 13米、宽 4 米、高 4 米。爬上梯子才能看清其内部结构。其内部分为两层,里边布满各种器械,好似一座小房子。“这台轮机里的器械比其他轮机的要大一些。”Stiesdal轻描淡写地说道,“不过,我们正在研制更大的产品。我可以告诉你,不久之后,就可以在我们的轮机上看到超过60 米长的叶片。” Sebastian Webel

 

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