電力行業(yè)是國家基礎(chǔ)性行業(yè)，對促進國民經(jīng)濟的發(fā)展和社會進步起到重要作用。與此同時，電力行業(yè)又是我國煤炭消耗的第一大戶。據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，2021年煤炭消費量29.34億噸。其中，電力行業(yè)耗煤量約占全國煤炭消費總量的56.4%。

電力低碳化發(fā)展成大勢所趨

2020年9月，我國提出二氧化碳排放力爭2030年前達到峰值，力爭2060年前實現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標(biāo)。2021年3月，中央財經(jīng)委員會第九次會議提出，要構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系，控制化石能源總量，著力提高利用效能，實施可再生能源替代行動，深化電力體制改革，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。

在“雙碳”目標(biāo)和節(jié)能要求的大背景下，電??業(yè)正在改變以煤炭為主的?碳能源電?結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向以風(fēng)電、光熱、光伏、儲能為主的清潔能源結(jié)構(gòu)。與此同時，利用大數(shù)據(jù)、云計算等數(shù)字技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型，也成為了電力行業(yè)實現(xiàn)提質(zhì)增效、節(jié)能減排降耗的重要手段。

以數(shù)字化為抓手

作為全球率先提出碳中和承諾的大型科技企業(yè)之一，西門子以先進的數(shù)字化解決方案為杠桿，降低碳排放，助力電力行業(yè)加快數(shù)字化轉(zhuǎn)型的步伐。

在光熱發(fā)電方面，利用光伏發(fā)電所利用的能量，必須來源于太陽能，而在夜晚以及陰雨天、云層較厚等天氣條件下，是無法進行發(fā)電的，這就需要利用定日鏡，將陽光聚集并反射至吸熱器，再轉(zhuǎn)化成電力。

以魯能海西州多能互補50MW塔式光熱電站為例，該項目的定日鏡數(shù)量為4400臺，每套定日鏡采光面積為138㎡，而如何實現(xiàn)精準反射太陽光到吸熱塔內(nèi)，再轉(zhuǎn)化成電力，成為亟需解決的問題。

對此，西門子提供了S7-1200可編程控制器+X204和RX1500交換機，具有精準追日控制功能的解決方案，改善了光伏不穩(wěn)定、不可調(diào)的缺陷，提高了電能穩(wěn)定性及電網(wǎng)對新能源的接納能力。值得一提的是，S7-1200系列是一款設(shè)計緊湊、組態(tài)靈活且具有功能強大的指令集，提供了控制各種設(shè)備以滿足自動化需要的靈活性和強大功能。

據(jù)悉，魯能海西州多能互補50MW塔式光熱電站建成后，年發(fā)電量約12.625億千瓦時，能夠有效減少煤炭消耗，降低大氣污染，每年可節(jié)約標(biāo)準煤約40.15萬噸，減少煙塵排放量約5,431.96噸。

在風(fēng)力發(fā)電方面，平準化度電成本(LCOE)是對項目生命周期內(nèi)的成本和發(fā)電量先進行平準化，再計算得到的發(fā)電成本，即生命周期內(nèi)的成本現(xiàn)值/生命周期內(nèi)發(fā)電量現(xiàn)值。

為了降低LCOE，風(fēng)機制造廠商必須持續(xù)創(chuàng)新，開發(fā)更大、更輕和更智能的風(fēng)機，從而降低風(fēng)機的制造和運維成本，并提高單機發(fā)電量。

據(jù)了解，風(fēng)機的核心零部件包括塔架、齒輪箱、發(fā)電機、軸承、葉片等，受到的載荷較為復(fù)雜，且多為動態(tài)載荷，常常出現(xiàn)各類故障，這成為了風(fēng)機全生命周期成本居高不下的主要因素。

過去，傳統(tǒng)風(fēng)機開發(fā)過程中的流程脫節(jié)制約著可靠性設(shè)計的質(zhì)量。一方面，負責(zé)載荷分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計的部門在設(shè)計流程上存在脫節(jié);另一方面，在控制程序設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計之間也存在流程脫節(jié)。因此，精確預(yù)測風(fēng)機的動態(tài)響應(yīng)成為了研發(fā)的關(guān)鍵。

不僅如此，大型風(fēng)機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件眾多，傳統(tǒng)的有限元仿真在建模和計算效率上均無法滿足快速開發(fā)的要求。

此外，風(fēng)電企業(yè)還必須考慮由多臺風(fēng)機組成的風(fēng)場的整體控制問題。在這一方面，通過傳感技術(shù)感知實時的風(fēng)力和風(fēng)向，然后再借助優(yōu)化算法調(diào)整整個風(fēng)場所有風(fēng)機的控制策略，實現(xiàn)風(fēng)場整體發(fā)電效率最優(yōu)和安全運營，這也是降低LCOE?的重要方式。

基于此，三一重能的產(chǎn)品開發(fā)團隊建立了一整套成熟高效的數(shù)字化仿真流程，這一流程中包括使用軟件進行外部風(fēng)力載荷計算以及后期的零部件結(jié)構(gòu)強度分析。另外，三一重能還選擇西門子LMS?Samtech?Samcef??Wind?Turbines工具進行整機的參數(shù)化仿真建模，并通過LMS?Samcef求解器進行整機的動態(tài)響應(yīng)預(yù)測，最終將風(fēng)機和風(fēng)場效率提升了50%，并將LCOE降低了超過10%。

寫在最后：

2021年9月，西門子在中國正式啟動“零碳先鋒計劃”，宣布了在低碳發(fā)展領(lǐng)域的目標(biāo)和行動計劃。通過“零碳先鋒計劃”的落地實施，西門子以數(shù)字化創(chuàng)新和跨領(lǐng)域行業(yè)洞見，賦能打造端到端的零碳產(chǎn)業(yè)鏈，助力各行各業(yè)實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

當(dāng)前，能源革命正在與數(shù)字革命走向深度融合，數(shù)字化正成為能源行業(yè)尤其是電力行業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展和踐行碳達峰、碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵路徑。未來，西門子還將為電力行業(yè)帶來哪些變革與啟發(fā)，值得期待。