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非凡十年·特别报道⑤ | 中国建材:为中国风电插上翅膀-凯发在线平台

来源:企业观察报、集团党委宣传部  发布时间:2022-10-10

近日,企业观察报

对我们的新材料产业作了深度系列报道

全面展现了中国建材集团

心怀“国之大者”

打造“国之大材”的担当与成就

下面小料将系列报道分享给大家

中国建材:为中国风电插上翅膀

在城市的边缘,风机矗立在青山绿水之间,往后的25年,它们都会迎着风的旋律舞动翅膀。

风电是清洁、可再生能源,近年来,全球都在大力发展风电。作为全球最大风电市场,我国有大约6000多个风电场,超过17万台风力发电机在日夜不停地运转。

理论上,风电叶片越长,面积越大,捕获风能的能力就越强,由此对风电叶片的发电能力要求也越高。风力发电机的叶片长90米,风电叶片占整个风机投资成本的20%,是风力发电机的重要部件之一。截至2021年底,我国风电并网装机容量突破3亿千瓦,连续12年稳居全球第一。

中材科技阜宁工厂航拍 

风力发电机包含了多个高技术含量部件,其中有些部件就是“隐形冠军”生产的。中材科技风电叶片股份有限公司(下称“中材叶片”) 江苏阜宁工厂正是亚洲最大的风电叶片供应基地。作为中国建材集团旗下中材科技股份有限公司(下称“中材科技”)的全资子公司,中材叶片为全球许多顶级风场供应叶片。

中材科技目前是我国最大的风电叶片生产企业,也是国内第二大、世界第三大玻璃纤维生产企业。它是中国特种纤维复合材料行业最大的集研发设计、产品制造与销售、成套技术与装备于一体的高新技术企业,是中国特种纤维复合材料的技术装备研发中心,也是中国国防工业最大的特种纤维复合材料配套研制基地,引领着中国特种纤维复合材料的技术发展方向。

2020年9月,中国建材集团党委书记、董事长周育先针对中材叶片的下一步工作提出,要充分利用高起点优势,做好风电叶片产业的全球化布局,高质量推进国际化工作;其次要不断提升公司的综合竞争力,积极引领行业发展,做好集团内企业间的产业协同,为集团新材料产业发展积极贡献力量。

中国建材集团在风电叶片领域的布局不止于中材叶片。从2008年首个海上风电叶片项目启动以来,中国建材集团旗下企业连云港中复连众复合材料集团有限公司(下称“中复连众”)在海上风电叶片研制上已经走过15个年头。叶片长度从44米增加到110米;工艺从碳纤维预浸料发展到碳纤维拉挤技术;制造装备不断向自动化、智能化、精细化发展,如开发主梁铺放设备、遥控自动翻转设备、智能化根部端面打磨机;测试技术从2009年国内首个5mw全自动叶片全尺寸试验平台到2014年国内首个12mw全自动叶片测试平台,再到正在建设的20mw全自动叶片全尺寸测试平台,一切都在不断升级。

不仅如此,更长、更大功率叶片正在研发中。

2022年8月30日,全球最长123米风电叶片在中复连众成功下线,这是中复连众在不到一年时间内下线的第四款长度超过百米的叶片。

此前,中复连众成功下线长达110米的风电叶片yd110,匹配的是目前国内同等容量单位千瓦扫风面积最大的抗台型机组,发电性能可提升15%。

风电叶片yd110由中复连众与运达股份合作而成。中复连众副总经理刘卫生介绍,运达股份之所以选择与中复连众合作,既有两家长期合作的因素,也是因为中复连众在大型叶片的设计制造、质量控制和试验检测等方面具有领先同行的优势。

“yd110的成功下线,在促进我国海上风电装备制造向‘自动化、智能化、精细化’升级的同时,也将进一步丰富海上风电系列平价产品与整体凯发k8娱乐官网app下载的解决方案,带动深远海风电发展。”中复连众党委书记、董事长乔光辉说。

在业内人士看来,我国海上风电叶片“百米级时代”已经到来。随着风电叶片不断刷新长度,风电市场对叶片原材料也提出了更高要求。

与此同时,多数整机厂都已经拥有了自己的风电叶片研发团队。

中复连众海上风电叶片 

中复连众是国内最早从事兆瓦级风电叶片开发、设计、生产、检测和服务的企业。截至目前,中复连众所供的海上风电叶片装机规模达到3gw,年发电量超过100亿千瓦时,可减排二氧化碳900万吨。

如今的中国建材,已经成为“海上风叶强者”。

01一长再长

国内风电发展初期,风机多装于陆上富风区域。随着富风区域资源减少和风电消纳的制约,市场逐渐饱和,加上低风速和海上风电技术的发展,在低风速区域和海上建风电厂已具备经济效益。

中材叶片与中复连众十几年的成长发展历程,是中国风电产业发展成长的缩影。

20世纪下半叶,世界石油危机之后,风能作为清洁且高效的可再生能源得到迅速发展。

如果将时间回拨到20年前,国内并没有兆瓦级风电叶片的制造先例。所有关键的模具、工装设备以及制造工艺、原材料都来自欧美国家。

20世纪80年代,我国首次引进了三台风力发电机组,开始尝试风力发电机组的开发。1996年开始,随着“乘风工程”、科技支撑计划等一系列项目的实施,国内开始发展风电技术。

也正是在那个时候,北京玻璃钢研究设计院(下称“北玻院”)开始改制成企业。因为在复合材料技术方面有着多年的技术积淀,它们决定进军风电叶片领域。

中材科技股份有限公司党委书记、董事长薛忠民说:“真正用到风电叶片,我们还缺气动设计、结构设计,以及完整的产品设计,咱们要数据库没数据库,要经验没经验,在前几年,主要精力还是在技术上补短板,跟跑。”

2005年,北玻院成立了风电叶片研发项目组,并决定先派5个人去哈尔滨绝缘材料厂共同开发风电叶片。从中关村出发,风电叶片研发项目组5个人各自扛着一台电脑就出发了,一去便是五个月。

叶片堆场 

在艰难的条件下,从模具开发到产品研发,一边是中材科技风电叶片研发项目组与哈尔滨绝缘材料厂联合开发国内第一套1.2兆瓦的叶片;另一边是中复连众在风力机叶片生产线及技术上的发力。

2005年,中复连众抓住国家大力鼓励和扶持国内风电制造业发展的契机,从德国引进1.5兆瓦风力机叶片生产线及技术,成为国内首家从事兆瓦级叶片制造的企业。

至此,大型叶片在国内的发展经历了四个阶段,分别是制造技术引进、制造技术研发、设计技术起步和全面自主设计。

因风资源特性的差异,以及叶片设计、制造理念不同,从欧美国家购买的专利技术到期后还有很多问题需要解决。这些技术不是照搬照抄就能解决的,需要企业不断探索新知,拥有自己的核心技术。

风电叶片主要由增强材料、夹芯材料、基体材料、表面涂料及不同部分之间的结构胶组成。叶片80%以上的成本来自原材料,而60%的原材料成本来自增强材料与基体树脂。

目前,市面上的增强材料主要由玻璃纤维组成。随着叶片越来越长,对材料性能的要求也在不断提高。在业内人士看来,传统的玻璃纤维材料急需性能更强的材料替代,而碳纤维是目前最佳的材料之一。碳纤维的主要特征是质量轻、强度高、模量高、耐腐蚀、抗疲劳等,是一种常常被应用于航空航天、基础设施、工业领域的碳主链结构的高性能纤维材料。

采用碳纤维的叶片不仅有效减轻了叶片质量,还提高了叶片刚度和强度。

据了解,主梁一般会占风电叶片整体重量的三分之一,是支撑整支叶片的关键构件。使用碳纤维主梁,能够在最大程度控制成本的前提下,保证叶片强度和刚度,降低整体重量。

早在2014年,中复连众就下线了应用碳纤维主梁的75米叶片,采用真空导入工艺。之后,该企业又采用碳纤维预浸料制造碳纤维主梁。

目前,中复连众自主开发的76米碳纤维预浸料主梁叶片已生产220套;由某整机商提供设计的90米碳纤维预浸料主梁叶片,共生产44套。“中复连众正在研发其他碳纤维利用技术,为整机商制造超百米级的碳纤维叶片。”刘卫生介绍。

在对引进技术消化吸收后,中复连众形成了涵盖叶片设计、材料测试评价、关键工装设备开发、叶片制造及全尺寸结构试验等完善的技术创新体系。

123米叶片下线

中复连众不断攻克更高强度的叶根连接技术,实现了将特定直径叶根承载能力提升20%的重大突破。中复连众现有9个系列140余个型号的产品,量产的叶片最大长度已经超过120米。

02国产化替代

2006年1月1日,《可再生能源法》实施。在一系列国家政策支持下,中国风电市场规模迅速扩大,装机容量快速增长,同时也带动了风电叶片行业的迅速发展。

正是在这个时期,中材科技风电叶片股份有限公司在北玻院的基础上组建成立。

风电叶片,从研发到批量生产,是一个艰难的过程。

中材科技锡林公司风电项目 

中材叶片技术总监鲁晓锋说:“叶片看起来简单,但实际上工艺很复杂,设计和制作都很难。结构上,叶片实际上是个悬臂梁,一端固定、一端自由,看着是刚性的,实际上风来了以后,它得往一边绕一下,整个是比较复杂的结构设计,叶片越大越容易弯曲,所以需要抗弯,在大的同时,又要重量轻。”

临近2007年春节,原本是高兴的日子,中材叶片风电项目组团队成员之间恨不得见了面就要打架,因为有争论、有分歧。

“当时真的陷入了迷茫之中。” 薛忠民说,“有那么一两个月陷入了停顿状态,出一支叶片的主梁,有皱褶,出一支报废一支。主梁发挥主承力作用,所以它有点皱褶,将来有可能就是破坏点。”

报废一个梁就是一二十万,相当于报废了一辆小轿车。顶着高压经过近半年的痛苦磨炼,中材叶片第一支可批量生产的40.25米叶片终于试制成功,这是当年我国自主研发和制造的国内最长的风电叶片。中材叶片创新性地把液体成型技术应用于风电叶片的生产制造,彻底改变了叶片行业原来传统的手糊制作方式。在跨过了这个关键门槛之后,中材叶片开始走上了发展的道路。

在不同的时代,风电叶片面临的挑战也不同。受全球新冠肺炎疫情影响,全球大宗商品不断涨价,其中也包括碳纤维。

一边是原材料价格上涨,一边是碳纤维材料在风电叶片领域需求量的不断提高。有统计信息显示,2016年,碳纤维材料在风电叶片领域以1.8万吨的需求量取代航空航天,成为全球碳纤维市场需求最大的领域。2021年,全球风电叶片碳纤维使用量为3万吨,中国风电叶片用碳纤维需求量高达2万吨,占全国碳纤维需求总量的40%左右。

据全球碳纤维复合材料市场报告测算,随着全球对清洁能源需求的不断增长,到2025年,风电碳纤维需求量将达到9.73万吨,增长率达到210.8%。

有业内人士透露,实际上,我国碳纤维市场供应仍然较为依赖进口,除了碳纤维本身的性能外,影响碳纤维增强复合材料性能的还有结构胶和树脂的配方,并且涉及复杂的生产过程和固化工艺。

随着原材料价格的上涨,碳纤维叶片的性价比大打折扣,过高的价格影响碳纤维叶片进一步规模化应用。

其实早在2015年,中材叶片已开发了一款长达77米的海上碳纤维主梁叶片。“77米的叶片在当时是最长的叶片之一, 现在还在江苏运行。”中材叶片相关人员介绍,“实际上,77米碳纤维主梁叶片的设计在2013年就开始了。”

之所以77米的海上碳纤维主梁叶片在2015年才下线,原因是中国建材集团全资子公司泰山玻璃纤维有限公司(下称“泰山玻纤”)推出了新一代的高模玻璃纤维。至此,中材叶片开始使用高模拉挤玻纤梁,推出了80米以上级别的全玻纤叶片。

目前,中材叶片采用了最先进的高性能翼型和碳纤维拉挤技术研发最新海上叶片。与此同时,中复连众也在不断优化设计和工艺方案,来控制叶片生产制造成本。

中复连众由此推出了psc拉挤主梁叶片、sru预埋叶根、lpv2雷电系统、高性能降噪锯齿等新技术,解决了一些风电叶片大型化卡脖子难题。

以psc拉挤主梁叶片为例,将拉挤工艺应用在玻璃纤维主梁的制造上发现,玻璃纤维拉挤主梁与玻璃纤维灌注主梁相比有诸多优势,包括效率高、成本低、质量稳定性好,且不用改变叶片设计,不需要增加模具和辅料等。

可以说,拉挤玻璃纤维主梁不断续写叶片长度的记录,推高碳纤维在叶片上应用的最佳性价比长度,成为碳纤维最有力的竞争者,除非碳纤维材料成本能够得到一定降低,或是拉挤玻璃纤维主梁技术发展遇到新的瓶颈。

据统计,目前具备拉挤复合材料板材研发、生产制造能力的生产厂、叶片厂商以及行业内其他第三方设计机构接近30家。还有部分企业选择了一条折中的技术研发方向,即碳玻混主梁叶片。这是一种将碳纤维与玻璃纤维混合拉挤成型的新材料,主要应用于主梁。碳玻混主梁叶片综合了玻璃纤维的低成本和碳纤维的高性能优点。

碳玻混拉挤叶片相比玻璃纤维叶片要求更精细的生产管控水平,包括针对结构强度和防雷系统的生产工艺流程。同时,也需要更高的打磨精度和防雷系统接口的工艺控制。与相同规格传统工艺的玻璃纤维叶片相比,碳玻混主梁叶片可减重20%,但由于使用了一部分碳纤维材料,目前相比玻璃纤维主梁叶片无法实现降本。

03整装升级

yd110叶片的探索远不止此。

中复连众在材料体系筛选、片材设计、细节结构设计上进行优化创新,使它既拥有高cp(风能利用系数)、抗失速等优良的气动性能,又具有高可制造性、可靠性和性价比。

在材料方面,与玻璃纤维相比,采用碳纤维可以大大降低叶片重量,但成本较高。中复连众创造性地根据叶片受力特点,在ps面(迎风面)和ss面(背风面)分别采用碳纤维与玻璃纤维增强材料的结构设计,充分发挥两种材料的性能优势,兼顾减重和成本控制,达到材料的最佳性价比。

在工艺创新上,2019年,中复连众在国内率先将玻璃纤维拉挤板成功批量应用于40米叶片上,110米叶片则沿用了中复连众在这一技术上积累的经验。

此次yd110采用的拉挤工艺也是目前复合材料工艺中纤维性能转化效率最高、低成本、高质量稳定的制造工艺,连续成型易于自动化,适用于大批量生产。

叶片大梁由碳纤维拉挤片材组装而成,铺层工艺简单,能够有效解决真空灌注工艺材料性能偏低、易出现褶皱和灌注不良等缺陷问题,且制作时间只有灌注工艺的一半。组装后的叶片大梁可以与叶片壳体一体灌注,对提高风电叶片质量、减重降载发挥了关键作用。

另外,考虑到叶片的长度和重量,不同于以往的“主梁 后缘辅梁”结构,yd110叶片采用了创新的结构及同步预制技术,减少了大面积多种类纤维布铺放对主模具的占用,同时提升了现场铺层质量的稳定性。

海上风电叶片大型化导致叶片重量的增加,叶根需要承受越来越大的载荷,提高叶根连接强度可以减少螺栓数量、缩小根部直径,实现叶片的减重和降本,并具有高可靠性。

2014年国内首个12mw全自动叶片测试平台 

通过与国外机构合作,对多项制造工差及影响因素进行研究,中复连众在全球首次完成生产安全因子γm3=1.0的风电叶片根部连接设计、测试评价方法研究以及部件认证,采用根部预埋螺栓套自动缠纱技术,有效控制了缠纱张力和外形尺寸,大幅提升叶根质量和预埋螺栓套的承载力,为未来更大的海上风电叶片开发奠定了基础。

此外,在模具设计制造技术创新方面,yd110叶片所用到的水加热模具也创造了最长纪录,在确保可靠性高、温差小的同时,实现了分区、分段控温和自动控制。

近年来,中复连众持续完善科技创新体制机制,不断提升科技创新能力。2022年1-7月,研发经费投入占比4.61%。2022年4月20日,中复连众南京研发中心正式启用,标志着中复连众在已有的5个国家级、省级技术创新平台的基础上,又增加1个创新平台。

目前,中复连众已经建成江苏省海上风电叶片设计与制造技术重点实验室,形成设计、制造、检测、运维等全产业链的凯发k8娱乐官网app下载的解决方案,努力助力行业发展。

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