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    媒體報道

    非凡十年·特別報道⑤ | 中國建材:為中國風電插上翅膀

    來源:企業觀察報、集團黨委宣傳部  發布時間:2022-10-10

    近日,企業觀察報

    對我們的新材料產業作了深度系列報道

    全面展現了中國建材集團

    心懷“國之大者”

    打造“國之大材”的擔當與成就

    下面小料將系列報道分享給大家

    中國建材:為中國風電插上翅膀

    在城市的邊緣,風機矗立在青山綠水之間,往后的25年,它們都會迎著風的旋律舞動翅膀。

    風電是清潔、可再生能源,近年來,全球都在大力發展風電。作為全球最大風電市場,我國有大約6000多個風電場,超過17萬臺風力發電機在日夜不停地運轉。

    理論上,風電葉片越長,面積越大,捕獲風能的能力就越強,由此對風電葉片的發電能力要求也越高。風力發電機的葉片長90米,風電葉片占整個風機投資成本的20%,是風力發電機的重要部件之一。截至2021年底,我國風電并網裝機容量突破3億千瓦,連續12年穩居全球第一。

    中材科技阜寧工廠航拍 

    風力發電機包含了多個高技術含量部件,其中有些部件就是“隱形冠軍”生產的。中材科技風電葉片股份有限公司(下稱“中材葉片”) 江蘇阜寧工廠正是亞洲最大的風電葉片供應基地。作為中國建材集團旗下中材科技股份有限公司(下稱“中材科技”)的全資子公司,中材葉片為全球許多頂級風場供應葉片。

    中材科技目前是我國最大的風電葉片生產企業,也是國內第二大、世界第三大玻璃纖維生產企業。它是中國特種纖維復合材料行業最大的集研發設計、產品制造與銷售、成套技術與裝備于一體的高新技術企業,是中國特種纖維復合材料的技術裝備研發中心,也是中國國防工業最大的特種纖維復合材料配套研制基地,引領著中國特種纖維復合材料的技術發展方向。

    2020年9月,中國建材集團黨委書記、董事長周育先針對中材葉片的下一步工作提出,要充分利用高起點優勢,做好風電葉片產業的全球化布局,高質量推進國際化工作;其次要不斷提升公司的綜合競爭力,積極引領行業發展,做好集團內企業間的產業協同,為集團新材料產業發展積極貢獻力量。

    中國建材集團在風電葉片領域的布局不止于中材葉片。從2008年首個海上風電葉片項目啟動以來,中國建材集團旗下企業連云港中復連眾復合材料集團有限公司(下稱“中復連眾”)在海上風電葉片研制上已經走過15個年頭。葉片長度從44米增加到110米;工藝從碳纖維預浸料發展到碳纖維拉擠技術;制造裝備不斷向自動化、智能化、精細化發展,如開發主梁鋪放設備、遙控自動翻轉設備、智能化根部端面打磨機;測試技術從2009年國內首個5MW全自動葉片全尺寸試驗平臺到2014年國內首個12MW全自動葉片測試平臺,再到正在建設的20MW全自動葉片全尺寸測試平臺,一切都在不斷升級。

    不僅如此,更長、更大功率葉片正在研發中。

    2022年8月30日,全球最長123米風電葉片在中復連眾成功下線,這是中復連眾在不到一年時間內下線的第四款長度超過百米的葉片。

    此前,中復連眾成功下線長達110米的風電葉片YD110,匹配的是目前國內同等容量單位千瓦掃風面積最大的抗臺型機組,發電性能可提升15%。

    風電葉片YD110由中復連眾與運達股份合作而成。中復連眾副總經理劉衛生介紹,運達股份之所以選擇與中復連眾合作,既有兩家長期合作的因素,也是因為中復連眾在大型葉片的設計制造、質量控制和試驗檢測等方面具有領先同行的優勢。

    “YD110的成功下線,在促進我國海上風電裝備制造向‘自動化、智能化、精細化’升級的同時,也將進一步豐富海上風電系列平價產品與整體解決方案,帶動深遠海風電發展?!敝袕瓦B眾黨委書記、董事長喬光輝說。

    在業內人士看來,我國海上風電葉片“百米級時代”已經到來。隨著風電葉片不斷刷新長度,風電市場對葉片原材料也提出了更高要求。

    與此同時,多數整機廠都已經擁有了自己的風電葉片研發團隊。

    中復連眾海上風電葉片 

    中復連眾是國內最早從事兆瓦級風電葉片開發、設計、生產、檢測和服務的企業。截至目前,中復連眾所供的海上風電葉片裝機規模達到3GW,年發電量超過100億千瓦時,可減排二氧化碳900萬噸。

    如今的中國建材,已經成為“海上風葉強者”。

    01一長再長

    國內風電發展初期,風機多裝于陸上富風區域。隨著富風區域資源減少和風電消納的制約,市場逐漸飽和,加上低風速和海上風電技術的發展,在低風速區域和海上建風電廠已具備經濟效益。

    中材葉片與中復連眾十幾年的成長發展歷程,是中國風電產業發展成長的縮影。

    20世紀下半葉,世界石油危機之后,風能作為清潔且高效的可再生能源得到迅速發展。

    如果將時間回撥到20年前,國內并沒有兆瓦級風電葉片的制造先例。所有關鍵的模具、工裝設備以及制造工藝、原材料都來自歐美國家。

    20世紀80年代,我國首次引進了三臺風力發電機組,開始嘗試風力發電機組的開發。1996年開始,隨著“乘風工程”、科技支撐計劃等一系列項目的實施,國內開始發展風電技術。

    也正是在那個時候,北京玻璃鋼研究設計院(下稱“北玻院”)開始改制成企業。因為在復合材料技術方面有著多年的技術積淀,它們決定進軍風電葉片領域。

    中材科技股份有限公司黨委書記、董事長薛忠民說:“真正用到風電葉片,我們還缺氣動設計、結構設計,以及完整的產品設計,咱們要數據庫沒數據庫,要經驗沒經驗,在前幾年,主要精力還是在技術上補短板,跟跑?!?/p>

    2005年,北玻院成立了風電葉片研發項目組,并決定先派5個人去哈爾濱絕緣材料廠共同開發風電葉片。從中關村出發,風電葉片研發項目組5個人各自扛著一臺電腦就出發了,一去便是五個月。

    葉片堆場 

    在艱難的條件下,從模具開發到產品研發,一邊是中材科技風電葉片研發項目組與哈爾濱絕緣材料廠聯合開發國內第一套1.2兆瓦的葉片;另一邊是中復連眾在風力機葉片生產線及技術上的發力。

    2005年,中復連眾抓住國家大力鼓勵和扶持國內風電制造業發展的契機,從德國引進1.5兆瓦風力機葉片生產線及技術,成為國內首家從事兆瓦級葉片制造的企業。

    至此,大型葉片在國內的發展經歷了四個階段,分別是制造技術引進、制造技術研發、設計技術起步和全面自主設計。

    因風資源特性的差異,以及葉片設計、制造理念不同,從歐美國家購買的專利技術到期后還有很多問題需要解決。這些技術不是照搬照抄就能解決的,需要企業不斷探索新知,擁有自己的核心技術。

    風電葉片主要由增強材料、夾芯材料、基體材料、表面涂料及不同部分之間的結構膠組成。葉片80%以上的成本來自原材料,而60%的原材料成本來自增強材料與基體樹脂。

    目前,市面上的增強材料主要由玻璃纖維組成。隨著葉片越來越長,對材料性能的要求也在不斷提高。在業內人士看來,傳統的玻璃纖維材料急需性能更強的材料替代,而碳纖維是目前最佳的材料之一。碳纖維的主要特征是質量輕、強度高、模量高、耐腐蝕、抗疲勞等,是一種常常被應用于航空航天、基礎設施、工業領域的碳主鏈結構的高性能纖維材料。

    采用碳纖維的葉片不僅有效減輕了葉片質量,還提高了葉片剛度和強度。

    據了解,主梁一般會占風電葉片整體重量的三分之一,是支撐整支葉片的關鍵構件。使用碳纖維主梁,能夠在最大程度控制成本的前提下,保證葉片強度和剛度,降低整體重量。

    早在2014年,中復連眾就下線了應用碳纖維主梁的75米葉片,采用真空導入工藝。之后,該企業又采用碳纖維預浸料制造碳纖維主梁。

    目前,中復連眾自主開發的76米碳纖維預浸料主梁葉片已生產220套;由某整機商提供設計的90米碳纖維預浸料主梁葉片,共生產44套?!爸袕瓦B眾正在研發其他碳纖維利用技術,為整機商制造超百米級的碳纖維葉片?!眲⑿l生介紹。

    在對引進技術消化吸收后,中復連眾形成了涵蓋葉片設計、材料測試評價、關鍵工裝設備開發、葉片制造及全尺寸結構試驗等完善的技術創新體系。

    123米葉片下線

    中復連眾不斷攻克更高強度的葉根連接技術,實現了將特定直徑葉根承載能力提升20%的重大突破。中復連眾現有9個系列140余個型號的產品,量產的葉片最大長度已經超過120米。

    02國產化替代

    2006年1月1日,《可再生能源法》實施。在一系列國家政策支持下,中國風電市場規模迅速擴大,裝機容量快速增長,同時也帶動了風電葉片行業的迅速發展。

    正是在這個時期,中材科技風電葉片股份有限公司在北玻院的基礎上組建成立。

    風電葉片,從研發到批量生產,是一個艱難的過程。

    中材科技錫林公司風電項目 

    中材葉片技術總監魯曉鋒說:“葉片看起來簡單,但實際上工藝很復雜,設計和制作都很難。結構上,葉片實際上是個懸臂梁,一端固定、一端自由,看著是剛性的,實際上風來了以后,它得往一邊繞一下,整個是比較復雜的結構設計,葉片越大越容易彎曲,所以需要抗彎,在大的同時,又要重量輕?!?/p>

    臨近2007年春節,原本是高興的日子,中材葉片風電項目組團隊成員之間恨不得見了面就要打架,因為有爭論、有分歧。

    “當時真的陷入了迷茫之中?!?薛忠民說,“有那么一兩個月陷入了停頓狀態,出一支葉片的主梁,有皺褶,出一支報廢一支。主梁發揮主承力作用,所以它有點皺褶,將來有可能就是破壞點?!?/p>

    報廢一個梁就是一二十萬,相當于報廢了一輛小轎車。頂著高壓經過近半年的痛苦磨煉,中材葉片第一支可批量生產的40.25米葉片終于試制成功,這是當年我國自主研發和制造的國內最長的風電葉片。中材葉片創新性地把液體成型技術應用于風電葉片的生產制造,徹底改變了葉片行業原來傳統的手糊制作方式。在跨過了這個關鍵門檻之后,中材葉片開始走上了發展的道路。

    在不同的時代,風電葉片面臨的挑戰也不同。受全球新冠肺炎疫情影響,全球大宗商品不斷漲價,其中也包括碳纖維。

    一邊是原材料價格上漲,一邊是碳纖維材料在風電葉片領域需求量的不斷提高。有統計信息顯示,2016年,碳纖維材料在風電葉片領域以1.8萬噸的需求量取代航空航天,成為全球碳纖維市場需求最大的領域。2021年,全球風電葉片碳纖維使用量為3萬噸,中國風電葉片用碳纖維需求量高達2萬噸,占全國碳纖維需求總量的40%左右。

    據全球碳纖維復合材料市場報告測算,隨著全球對清潔能源需求的不斷增長,到2025年,風電碳纖維需求量將達到9.73萬噸,增長率達到210.8%。

    有業內人士透露,實際上,我國碳纖維市場供應仍然較為依賴進口,除了碳纖維本身的性能外,影響碳纖維增強復合材料性能的還有結構膠和樹脂的配方,并且涉及復雜的生產過程和固化工藝。

    隨著原材料價格的上漲,碳纖維葉片的性價比大打折扣,過高的價格影響碳纖維葉片進一步規?;瘧?。

    其實早在2015年,中材葉片已開發了一款長達77米的海上碳纖維主梁葉片?!?7米的葉片在當時是最長的葉片之一, 現在還在江蘇運行?!敝胁娜~片相關人員介紹,“實際上,77米碳纖維主梁葉片的設計在2013年就開始了?!?/p>

    之所以77米的海上碳纖維主梁葉片在2015年才下線,原因是中國建材集團全資子公司泰山玻璃纖維有限公司(下稱“泰山玻纖”)推出了新一代的高模玻璃纖維。至此,中材葉片開始使用高模拉擠玻纖梁,推出了80米以上級別的全玻纖葉片。

    目前,中材葉片采用了最先進的高性能翼型和碳纖維拉擠技術研發最新海上葉片。與此同時,中復連眾也在不斷優化設計和工藝方案,來控制葉片生產制造成本。

    中復連眾由此推出了PSC拉擠主梁葉片、SRU預埋葉根、LPV2雷電系統、高性能降噪鋸齒等新技術,解決了一些風電葉片大型化卡脖子難題。

    以PSC拉擠主梁葉片為例,將拉擠工藝應用在玻璃纖維主梁的制造上發現,玻璃纖維拉擠主梁與玻璃纖維灌注主梁相比有諸多優勢,包括效率高、成本低、質量穩定性好,且不用改變葉片設計,不需要增加模具和輔料等。

    可以說,拉擠玻璃纖維主梁不斷續寫葉片長度的記錄,推高碳纖維在葉片上應用的最佳性價比長度,成為碳纖維最有力的競爭者,除非碳纖維材料成本能夠得到一定降低,或是拉擠玻璃纖維主梁技術發展遇到新的瓶頸。

    據統計,目前具備拉擠復合材料板材研發、生產制造能力的生產廠、葉片廠商以及行業內其他第三方設計機構接近30家。還有部分企業選擇了一條折中的技術研發方向,即碳?;熘髁喝~片。這是一種將碳纖維與玻璃纖維混合拉擠成型的新材料,主要應用于主梁。碳?;熘髁喝~片綜合了玻璃纖維的低成本和碳纖維的高性能優點。

    碳?;炖瓟D葉片相比玻璃纖維葉片要求更精細的生產管控水平,包括針對結構強度和防雷系統的生產工藝流程。同時,也需要更高的打磨精度和防雷系統接口的工藝控制。與相同規格傳統工藝的玻璃纖維葉片相比,碳?;熘髁喝~片可減重20%,但由于使用了一部分碳纖維材料,目前相比玻璃纖維主梁葉片無法實現降本。

    03整裝升級

    YD110葉片的探索遠不止此。

    中復連眾在材料體系篩選、片材設計、細節結構設計上進行優化創新,使它既擁有高Cp(風能利用系數)、抗失速等優良的氣動性能,又具有高可制造性、可靠性和性價比。

    在材料方面,與玻璃纖維相比,采用碳纖維可以大大降低葉片重量,但成本較高。中復連眾創造性地根據葉片受力特點,在PS面(迎風面)和SS面(背風面)分別采用碳纖維與玻璃纖維增強材料的結構設計,充分發揮兩種材料的性能優勢,兼顧減重和成本控制,達到材料的最佳性價比。

    在工藝創新上,2019年,中復連眾在國內率先將玻璃纖維拉擠板成功批量應用于40米葉片上,110米葉片則沿用了中復連眾在這一技術上積累的經驗。

    此次YD110采用的拉擠工藝也是目前復合材料工藝中纖維性能轉化效率最高、低成本、高質量穩定的制造工藝,連續成型易于自動化,適用于大批量生產。

    葉片大梁由碳纖維拉擠片材組裝而成,鋪層工藝簡單,能夠有效解決真空灌注工藝材料性能偏低、易出現褶皺和灌注不良等缺陷問題,且制作時間只有灌注工藝的一半。組裝后的葉片大梁可以與葉片殼體一體灌注,對提高風電葉片質量、減重降載發揮了關鍵作用。

    另外,考慮到葉片的長度和重量,不同于以往的“主梁+后緣輔梁”結構,YD110葉片采用了創新的結構及同步預制技術,減少了大面積多種類纖維布鋪放對主模具的占用,同時提升了現場鋪層質量的穩定性。

    海上風電葉片大型化導致葉片重量的增加,葉根需要承受越來越大的載荷,提高葉根連接強度可以減少螺栓數量、縮小根部直徑,實現葉片的減重和降本,并具有高可靠性。

    2014年國內首個12MW全自動葉片測試平臺 

    通過與國外機構合作,對多項制造工差及影響因素進行研究,中復連眾在全球首次完成生產安全因子γm3=1.0的風電葉片根部連接設計、測試評價方法研究以及部件認證,采用根部預埋螺栓套自動纏紗技術,有效控制了纏紗張力和外形尺寸,大幅提升葉根質量和預埋螺栓套的承載力,為未來更大的海上風電葉片開發奠定了基礎。

    此外,在模具設計制造技術創新方面,YD110葉片所用到的水加熱模具也創造了最長紀錄,在確??煽啃愿?、溫差小的同時,實現了分區、分段控溫和自動控制。

    近年來,中復連眾持續完善科技創新體制機制,不斷提升科技創新能力。2022年1-7月,研發經費投入占比4.61%。2022年4月20日,中復連眾南京研發中心正式啟用,標志著中復連眾在已有的5個國家級、省級技術創新平臺的基礎上,又增加1個創新平臺。

    目前,中復連眾已經建成江蘇省海上風電葉片設計與制造技術重點實驗室,形成設計、制造、檢測、運維等全產業鏈的解決方案,努力助力行業發展。

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