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      CWPE2019:中國船舶重工七一二所鄭軍:2MW高溫超導風力發電機研制與應用展望

      2019-11-28 來源:東方風力發電網 瀏覽數:42035

      2019年11月22—23日,第四屆中國風電電氣裝備與微電網技術高峰論壇暨中國電器工業協會風力發電電器設備分會二屆四次年會于江蘇蘇州召開,本次會議的主題是“智慧能源、智能制造、智控微網”。中國船舶重工集團公司第七一二研究所集團技術專家鄭軍在會上為大家帶來了題為《2MW高溫超導風力發電機研制與應用展望》的精彩演講。

         2019年11月22—23日,第四屆中國風電電氣裝備與微電網技術高峰論壇暨中國電器工業協會風力發電電器設備分會二屆四次年會于江蘇蘇州召開,本次會議的主題是“智慧能源、智能制造、智控微網”。中國船舶重工集團公司第七一二研究所集團技術專家鄭軍在會上為大家帶來了題為《2MW高溫超導風力發電機研制與應用展望》的精彩演講。


       
        以下為演講實錄:
       
        我們所主要是做船舶電力推進裝置,這次來主要是向各位匯報一下我們所在超導應用方面,特別是超導電機研制所取得的一個工作,包括超導電機在風電領域應用的淺淺的分析,實際上應用的展望還過了一點。另外還得感謝主辦單位給予我這次的機會。
       
        報告的題目是2MW超導風力發電機研制與應用展望,主要分四塊:一個是超導電機技術內涵與研究現狀;第二個是我所剛剛完成的一臺2MW超導風力發電機的研制情況;第三個是超導電機在直驅風力發電應用展望;第四塊是結語。
       
        先簡單介紹一下超導材料的發展,因為超導電機和超導應用的發展離不開超導材料,其發現是在1911年由荷蘭的物理學家Onnes在研究Hg的電阻率隨溫度變化的時候,突然發現了在絕對溫度,也就是零下269度左右,那么Hg的電阻率有一個變化,變成零,處于無電阻的狀態。這樣的發現也揭開了超導研究的序幕,這位先生1913年獲諾貝爾物理學獎。超導現象發現了以后,引起了世界各國物理學家的重視,但是80年代之前,超導材料的發現,實際上我們右下方這個圖畫了一個烏龜,它的速度是很慢的,這到1986年,德國科學家謬勒和德諾茲發現了銅氧化物陶瓷具有超導電性,揭開了高溫恩超導的研究熱潮,獲1987年諾貝爾物理學獎。還有兩位華裔科學家朱經武先生和趙忠賢幾乎同時獨立發現了YBCO材料,這里說是高溫其實是相對高溫,是在4K左右,甚至是有的是在20K、30K,這個是90K,在液氮溫區以上,是一個相對高溫。包括日本科學家發現了鐵級超導,在趙院士的推進下,鐵級超導在中國的研究處于世界的先進水平。以及前兩年聽到的報告,美國的一位華裔青年發現了室溫超導體等。
       
        但是真正能夠應用于超導的電力設備,這里面主要有三大類:
       
        一大類是低溫超導,我們左下角這個叫Nb3Sn(鈮鈦三錫),已經成功應用于國家的大科學工程,強電子的對撞,以及跟大家密切相關的就是去醫院做CT,超導磁體就是由這兩種超導代材制成的。
       
        另外是實用化的,叫二硼化鎂(MgB2)。這個材料與低溫超導材料一樣,金屬性強,相對的轉變溫度高一點,在40K左右。
       
        現在我們說的實用化的高溫超導,主要是一種是釔鋇銅氧,還有鉍鍶鈣銅氧,這兩個超導一個轉變溫度是90K,一個是110K。針對高溫超導,特別是二代高溫超導代材,國內外都有生產廠家,比如說釔鋇銅氧,國外是有Superpower,國內是有Samri,還有美國的超導公司,國內是有上創超導,還就日本的Fujikura,有上海超導,還有SuNam,在BSCCO國內有北京的因納(音)。這些單位,國外的市場風云能力比國內好一點,但是國內也具備小批量的生產能力。
       
        現在匯報一下電機。超導電機這里主要是說同步旋轉型電機的結構形式。根據轉子的冷卻結構分為兩大類,左側是整個轉子軸系是常溫,只是磁體和支撐部分是低溫。冷卻是通過左圖的冷卻系統一個冷卻管路進入轉軸類,然后通過靜像冷卻超導磁體,右側的是分側的軸,右側的是常溫,低溫系統通過軸向傳遞通道來冷卻轉子的軸,通過轉軸傳導和冷卻超導磁體。那么定子的話,有常規的結構形式,也有氣隙結構形式這是根據我們的應用不同。
       
        超導在電機的應用,最先想到的是在船舶推進這塊領域,于是美國在2009年的時候完成了一臺36.5兆瓦的高溫超導電機的研究,這上面大的是跟常規電機所做的一個形象的對比。那么超導電機有什么優勢呢?常規電機的功率與直徑的平方呈正比,跟軸下尺寸呈正比。超導電機的轉子我們可以做成氣隙合金飽和的,這時候的轉子尺寸X轉子氣隙。如果采用氣隙的話,可以增加定子的線復合,在保證定子電力相對不變的情況下,這樣兩個公式代到一個公式里面,得到它的功率近似跟電機直徑的5次方呈正比,把軸向長度也是等同于直徑。這是近似的概念性說明,為什么超導電機有優勢,主要的優勢是什么?主要是體積小、重量輕。超導電機作為大容量,40兆瓦或者是風電10個等級的話,轉矩密度考慮到轉速,轉矩密度是常規電機的2—3倍,效率也有一定的提升,關鍵是它的轉子沒有一側的損耗。實際上真正地對于大容量電機來說,低溫冷卻系統的功耗占到整個的消耗比例是小的。另外是低噪聲,這跟結構密切相關,采用氣隙電收的話,沒有定子的鐵損,那么定子的齒槽引起的轉機的脈動和噪聲從結構上消除了,另外還有很強的過載能力,假如說用于銅箔鐵氧機,轉子始終工作在低溫環境下,雖然一直有變化,但是不會對轉子溫度產生變化,對轉子產生一個熱疲勞。
       
        先說說美國,其研究歷程到現在接近30年,1990年研究超導電機,從一個馬丁、兩個馬丁,最后到36.5MW,這一階段他們經歷了接近20年,10臺樣機不斷迭代和修正和完善的過程,所以超導是很投入錢和經費的,不能急于求成。這臺電機在整個的電機研制史上具有強大的意義,向世人證明了超導電機實實在在的優勢。這臺電機的重量是70噸,低溫輔助是5噸,所以最后我們寫重量是70+5噸,是這個的意思。常規這臺電機為了DBD1000,當時做了永磁電機、超導電機和感應電機,當時感應電機做出來160噸,永磁110噸,超導電機是在70+5噸,這從數字上很顯著地體現了它的優勢。國際上做得相對好的是日本,2010年完成了1個兆瓦電機的研究,2013年是3MW,下一步是針對20WM級的液化天然氣的船舶進行使用,因為夜化天然氣的船舶功需也是液氮功需。實際上還有德國、韓國等國家做過超導電機。綜合起來1個兆瓦以上的是有韓國、中國、日本、德國西門子和美國。那么目前美國是處于絕對的技術領先的狀態,只是說這臺電機的技術處于領先的狀態。
       
        剛才說的是船舶推進這塊研究的現狀,現在匯報一下風電領域超導電機國際研究的現狀,主要是以歐洲的兩個項目作為代表來介紹,雖然其他國家包括美國的超導公司GE,包括丹麥的科技大學等很多的國家包括韓國,都做了一些概念性的超導電機的研究、設計。但是實際上都沒有樣機出來。那么這兩個項目我認為做得相對比較深入一些,所以跟大家匯報一下。
       
        這個是由歐盟的9個單位,一個比較軟的基金項目,他們只是做了概念性的設計,磁體的冷卻做了樣練,主要的設計人員已經是在上??萍即髮W,主要是做低溫冷卻的,是咱們華人的一位研究生當時是在KIT,回來也與我們交流了一下。他整個的名頭比較響但是真正做工程應用結構是不合適的,采用的材料是二硼化鎂,材料便宜。
       
        另外是歐盟的地平線項目2020,這臺樣機已經今年4月份掛網運行。我們去年到德國走訪了一下,還有荷蘭的特溫特大學去交流了一下,這臺電機的定子應該是常規的永磁電機,只是將它轉子永磁換超導。它這里的結構他是超導線圈繞在轉子鐵芯的骨架上,整個轉子是零下243度,相當于絕對溫度30K左右這樣的溫區,這是它主要的結構形式。當然國內網上也看到了遠景的一個宣傳。
       
        國內的話,我們所主要是針對船舶推進一直在做超導電機的研究。80年代—90年代,當時因為國家的經費有限,陸陸續續提供,所以超導電機的研究時間特別長,1992年我們完成了300千瓦低溫單導超級電機,當時做完影響可以,電機的效果可以,但是低溫冷卻系統是4K的低溫,低溫冷卻系統龐大,所以在船舶使用不合適,中間隔了一段。2004年清華大學的韓老師從丹麥把高溫超導材料帶回國家,然后開展了研究。在863項目的滾動支持下,完成了一百千瓦的高溫超導電機和一個兆瓦的高溫超導電機。我們不能說做完報個獎就完事了,我們是想應用的。那要應用我們就分析應用如何做?我們針對整個的船舶推進和風電,這兩個方向實際上2012—2015年中間還有一個小過程,針對于大容量電機的脫骨結構進行了驗證,然后2014年正好是有一個軍方項目的支持,我們立了20MW發電機的項目,然后這個對大容量電機的結構進行了驗證,對核心的技術路線進行了驗證,實際上后面的幾個圖也是代表了超導電機的整個發展方向,一個是推進,一個是風電。另外如果將旋轉改為直線的,對于大噸位的火箭發射、航天飛機的發射,包括軌道磁浮也是很有作用。
       
        這是2MW在我們實驗室的照片,以及它主要的參數。這臺電機我們是針對推進來做的,所以是有段蓋和軸承,如果將這個去掉,其他的輔助系統去掉,我們用的風電是在40噸左右。剛才說了這臺電機主要的成果是驗證了大型超導電機總體的技術路線和核心的關鍵技術,應該說目前是國際上第二個具備大容量高溫超導電機研制能力的國家。第一個是美國,德國的技術路線太Low了,我不看好德國和歐盟整個的技術路線。這是我們這臺電機的結果,上面是扭矩、下面是轉速,最底下是功率,右側是定子相電流波形,可以發現我們是非常完美的正向波,這是超導電機很重要的特點。
       
        評價一臺電機,歐盟的項目技術方案比較落后,評價一臺電機的相對性。我們做了因子的設定,一個是在相同等級轉矩條件下的體積,重量轉矩密度高,體積小。另外是氣隙磁密水平,另外是相同等級轉矩條件下的冷媒工作溫度、冷媒量和降溫時間,因為風電發電10兆瓦級,降溫太長時間對工程肯定是不好的。再者就是超導線的用量,主要考慮成本,還有是整機的相同轉矩下所實現的工藝性,也就是制造成本、難度和周期。針對這些,我們相對應的總體的方案是整機降溫時間縮短了2/3,去年在德國訪問時,他們說德國那臺超導電機3.6個MW,降溫時間14天,半個月左右。同時我們整個的拓樸結構提高軸系剛度和磁體運行穩定性,以及超導線用量減少。另外是磁體方案做得很好,它的區域磁密達到了8.5—3.0的特斯拉,氣隙磁密達到了1.5—2.0,我們設計的是1.4。這一數值的話,目前國際上可查的超導樣機有實際樣機的里面是最高的。氣磁密基本上是常規的兩倍,還有關鍵技術上的一個提升。
       
        這個是我們將前面的風電結合起來,將我們的放進去我們輸出做了一個對比。后面的三個是倒數第二個、第三個實際是有樣機的,察看的都是概念性的設計,有些高校搞的概念性設計都是很奇葩的,而且有些基本上是不可實現的。學術上不能做 這種批判,但是很不好的。比如說丹麥的這種磁場搞了9.1T,那你其他的漏磁場是非常大的,整個的轉子結構無法滿足高磁密的結構的。真正懂電機設計的話,我們電機小體積輕,磁密越高越好,但是高到一定的程度對我們的結構提出了巨大的壓力,有不可實現性。
       
        這是在超導風電做了初步的概念性設計,這不是最終的設計。我們初步分了10個兆瓦級的超導電機外精6M,如果采用內外電輸的話,我不能說在超導電機能夠實現,假如能夠實現的話,這個參數直徑進一步減少,相對的轉矩密度進一步地提高。然后做了一些大量的概念性的設計,右側的圖是早些年的時候美超公司在宣傳超導電機在風電應用的時候他們所做的一些分析,這是起來研究上,也形象說出了超導電機的優勢。
       
        我們再匯報一下這個超導電機在風電的應用展望,我們從技術能力來說。通過前面我們的匯報,我們所在大型電機的設計能力方面具備了雄厚的積累,我們現在可以開展4—10兆瓦級的直驅風力發電機的示范運營的研制能力。整個水平處于領先水平,如果美國30.5兆瓦的超導電機的團隊和人員沒有解散的話,他們還占優勢,但是實際上國外團隊都是分散型的,這么多年以后都是私營企業,這些人都到別的國家地區去了。目前我們這個團隊比較穩定的是堅定一個方向做研究的一個團隊,目前處于國際領先的水平,這不是一個驕傲,事實存在是這樣的。
       
        另外是研究平臺,我們是有國防經費的支持和實驗研究條件的提供,特別是條保等。目前我們正在籌建國家級超導應用研究實驗室,或者是工程中心。另外是國內配套,超導電機的發展,低溫和超導材料兩個與眾不同的特點,它的配套能力也是非常重要的。那么國內的話現在主要還是以二代超導帶材發展為主,蘇州新材料、上海超導和上創超導三家國內二代超導帶材公司均能提供小批量的帶材,而且我們右側上面的是蘇州新材料公司為我們提供的帶材,我們去年在韓國有一個合作項目做這個二代高溫超導磁體,做了一個樣機。那么另外一個是低溫,低溫也是我們集團下面的一個子公司,南京紅利(音)公司,水平已經接近了日本住友。但是不敢說國際領先的,因為這塊技術的提升空間還是很有一些的。但是目前他們做到的維護周期可以達到一年以上,整個的壽命是在4萬小時。
       
        實際上剛才所說都是我們的基礎和配套條件,但是真正制約超導發展,超導電機在風力發電應用是在成本問題。國外的是有的在400—500塊錢一米,超導材料。昨天我寫這個的時候很頭疼,說技術我們可以說一些,這個計算真的有點頭疼不知道怎么分析。從超導材料整個的消耗來計算。對10個兆瓦,因為現在的價格至少是要2240萬人民幣,這還是非常昂貴的。但是作為軍工裝備來說還是可以接受的。但是民用的話,這個估計是很難接受的,我們有一個設想,超倒帶材40元/米,整個的超導帶材費用640萬人民幣,我感覺這個相對來說好一些。但是40元/米,這個實際上就是說應該說是可以去各個生產廠家,就是產能批量化以后,產業化以后可能能夠接近的,甚至是有可能比這個更低的,當時我們研究所王院士對各個廠家提出的是10元/米。一個是成本,另外一個是產能的問題,這兩個結合在一起,我認為都是產業化的問題,假如說我們的需求上來的話,產能提高上去,這兩個都是可以去解決的。
       
        最后做一個結語。首先就是說在前面的分析,超導電機在10MW級,實際上剛才所說的是兩個兆瓦,兩個兆瓦左右的優勢是不明顯的,是不建議去工程化的。那么比如說我們這里建議的是在10MW級或者是以上的這種特大型的直驅風力發展它具備絕對顯著的體積和重量優勢。這里面還要再說一下,因為超導我們的氣隙比常規電機大得很多,比如說昨天袁老師寫的是8個毫米的氣隙,我們這里做10個、20個都是可以的,這對風力的震動會有很好的阻力效應,或者是適用效果。另外是在國內,國內超導電機的研究也已經具備一定的研究基礎,國內的配套也基本完善,我們可以開展超導電機這方面示范的條件。第三個是表達一些我們所合作的心態,我們希望能夠與各位風電的同仁合作,在你們的指導和幫助下,我們把超導電機將它做完善,特別是超導風電的產業化方面做出我們的貢獻。
       
       ?。▋热輥碜袁F場速記,未經本人審核)

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