世界最大16兆瓦海上风机研发记
【创新故事】
◎本报记者 何 亮
四月的福建福清兴化湾，阵阵海风劲掠而过。一排排风机立于海天之间，徐徐转动的风叶成为一道亮丽的风景线。
岸上的福建三峡海上风电产业园内，16兆瓦海上风电机组正在静待指令，准备奔赴海域，展翼“捕风”。
全球单机容量最大、叶轮直径最大、单位兆瓦重量最轻……这个“海上巨人”，是中国长江三峡集团有限公司与新疆金风科技股份有限公司（以下简称金风科技）联合打造的超级大风机。它的叶轮直径为252米，相当于4架波音747的翼展长度，环绕一周的扫风面积相当于7个标准化足球场的面积总和，机组满发1天即可满足3.6万个家庭一天的用电量。
惟海上之清风，取之无禁。依靠强大的自主创新能力，中国“捕风人”勇闯研发、制造、安全三关，将海上风机不断推向“大”时代。
研发关：精准把住风机“脉门”
要把动辄百米高的风机造出来，第一步就是模拟、仿真。
通过仿真，科研人员能够直观地看到风机大概的模样，并逐步找到可能存在的设计缺陷。尤其是3D立体模型，既能未建先知，又可一目了然，成为风机设计研发的关键一环。
不过，鲜为人知的是，能让风机精准预演的工程软件，并不是国内风电厂商所拥有的“利器”。时至今日，风机的大型通用商业软件仍被国外垄断。
说是通用，却并非传统意义上的开源。“它就像一个黑匣子，只告知计算结果，不提供分析过程。”金风科技研发代表高亚州告诉科技日报记者，基于安全、权威的考量，第三方认证机构只认可为数不多的几个“知名”软件的计算结果。
没有强大的仿真能力就没有稳定可靠的机组可言。面对并不友好的行业发展环境，金风科技下决心、开先河，研发具有自主知识产权的风电整机仿真软件。
从底层设计软件开始，金风科技投入大型实验平台，做相互之间的校验，让数学模型的准确性更高，仿真能力更强。
2022年1月，16兆瓦海上风机正式开始研发，自主仿真软件也已迭代成熟。长达123米的叶片在自主研发软件和国外通用软件上同时校核，仿真结果让科研团队倍感振奋——“总体指标一致，部分指标更优”。
“这一步至关重要！”高亚州说，要知道，中国海域的风速、浪流、地基与风电发达的北欧差异巨大，国际通用软件只能给出宽泛合理的范围，而要精准把住中国风机的“脉门”，还得靠国产仿真软件的突破。
制造关：涉入叶片“无人区”
120米级叶片，有40余层楼的高度，也是单支16兆瓦海上风机叶片的长度。它的诞生，一举刷新了全球风机叶片的纪录，预示着中国风机叶片的制造真正进入“无人区”。
叶片看起来简单，实际上设计和制造非常复杂。从外形上看，叶片就像一个悬臂梁，一端固定、一端自由，貌似刚性十足，但风吹来以后，会向背面弯曲，而且叶片越长弯曲越大。
打造一款能抗弯的海上风机叶片，在大型化的同时，还要足够轻质、高强度、可靠性好，这对叶片的材料、设计和加工工艺等提出了更高的要求，也注定不是一片坦途。
叶片攻坚恰是新冠疫情形势严峻之时。时间紧、任务重，为了改进叶片工艺，封闭起来搞研发的成员之间恨不得见面就要“打架”，因为每个环节都想实现最优化，有争论、有分歧。
历经3个月攻关，首支16兆瓦海上风机叶片终于成形。当叶片被架上检测平台时，所有研发人员精神紧绷，期待着它的表现——
只见固定在叶片上的钢丝绳持续下拉，叶片开始弯曲变形，10万牛的力落在叶片上，变形幅度最大达到30米。在现场，研发人员都能听到叶片加载时钢丝绳卷曲发出的“吱吱”声音。
一个小时的加载和卸载，叶片检测一次过关。但追求极致的研发人员仍不满意，他们想让叶片更加完美。
不断迭代，反复修正，又是一个月的艰苦磨炼，16兆瓦海上风机叶片顺利通过极限测试。至此，我国自主研发和制造的全球最长的风机叶片经受住了极端工况的考验，开启了挑战更长纪录的新征程。
安全关：自主控制风机“大脑”
随着海上风电逐渐向深远海域进军，智能化超大容量机组的发电优势和经济优势越发明显，但安全风险也进一步突出。
看着办公桌上的风机模型，金风科技控制软件研发代表丁国栋用力一拨，叶片飞速转动起来，忽然“扑通”一声，机头带着叶片掉到了桌面上。
“如果这是在风电场，就是一次严重的‘飞车’事故。”丁国栋对记者说，“我们努力实现自主研发国产PLC（可编程控制系统），就是要让这样的‘拨动’不会在大型海上风机上发生。”
为了实现这个目标，2016年起，金风科技即向国产化PLC发起科研攻关，一方面在软件上自主研发工业级远程采集与控制模块，另一方面着手硬件设备的替代性研究。
短短3年时光，金风科技的部分软件模块开始试水国产化应用。此后，国产风电PLC产品成功在新疆达坂城风电场样机上挂机运行，国产自主可控风电PLC产品在关键软硬件上均实现突破，进一步夯实了安全屏障。
党的二十大报告明确指出，“我们要推进美丽中国建设”“协同推进降碳、减污、扩绿、增长，推进生态优先、节约集约、绿色低碳发展”。
如今，16兆瓦海上风机正在测试配置国产PLC。遍布在风机上的数百个传感器、激光雷达如同“神经末梢”，将与国产“智慧大脑”协力配合，共同驱动着“海上巨人”，和风而立，化风为宝！