新型海上风电智能阴极保护系统研究与应用

李光达 赵 岩 李 杰 骆忠江

（1. 中广核工程有限公司，广东 深圳 518000；2. 浙江钰烯腐蚀控制股份有限公司，浙江 宁波 315000）

0 引言

随着世界范围内可持续发展和绿色能源越来越受到重视，近些年来，我国海上风电发展迅速。与内陆型风电机组基础相比，海上风电装备处于腐蚀环境恶劣的海洋环境下，腐蚀问题尤其严重[1]。如果不能有效控制海上风电机组设备的腐蚀，将对风电机组的安全运行和经济效益造成重大损失。海上风电机组基础钢桩一般长达数十米（依水深不同），其泥下段通常为没有涂装的裸露金属直接楔于海床中；水上段与空气接触，主要依靠涂层防腐；而处于海水和海泥中介质的部分更加容易发生腐蚀，因此，除进行涂层保护外还需要采取额外的方式来减缓桩体的腐蚀。

目前，“涂层+阴极保护”技术是风电基础钢桩最为有效的防腐手段。阴极保护包括外加电流法和牺牲阳极法[2-4]。海上风机基桩的阴极保护以往多采用牺牲阳极保护方式，但是随着近年来阴极保护行业技术的进步和环保要求的提高，外加电流方法应用开始获得增长[5]，其优势包括：外加电流阴极保护系统只需要配置很少的辅助阳极和直流恒电位仪等配套元件即可，其原料成本和施工成本总计约为牺牲阳极系统的80%；对于一个1000兆瓦风电场，只需要750克的金属混合氧化物（MMO）涂层，这些氧化物由铱，铂，钌等贵金属制成，年消耗率只有几毫克，大幅度降低对海洋环境和生物的危害；外加电流系统安装只涉及到阴极和零位接阴两个点的焊接，焊点数量少，而且可以在平台上钢结构上进行焊接，易进行涂层修复，对风机整体结构影响小；外加电流阴极保护系统可以根据季节变化、海洋环境变化、结构表面特征来调节电流输出，以实现阴极保护系统的可调可控和监测[6]。此外，智能化、信息化和高性能化已经成为国内外各工业行业的发展方向，据此，开发了新一代面向信息化、智能化和数字运营需求的智能阴极保护系统，并在某海上风电项目两台风机上进行了实际工程应用。

本文以广东某海上风电项目28#、39#风机内外壁钢管桩为研究对象，实际工程验证了开发的新型智能阴极保护系统设备，采用外加电流系统对处于海水和一定海泥深度环境中的风电桩基础进行保护，并在设计过程中采用阴极保护仿真模拟技术实现优化设计[7]。此外，根据相关标准和规范的要求[8]：对海上风电的腐蚀状态需要实行每3个月巡视、每5年检测。而目前海上风电腐蚀状态检查全靠人工完成，整个寿期内防腐运维费用高昂，因此通过阴极保护系统的智能化，来实现腐蚀状态的实时监控与运维。

1 系统设计

针对某海上风电项目，海上风电智能阴极保护系统主要包括：辅助阳极系统、参比测量系统、线缆系统、智能恒电位仪设备及监测控制系统，系统示意图如图1所示。

图1 海上风电智能强制电流阴极保护系统组成示意图

风电基础钢桩内外壁均采用外加电流方式进行保护。

钢桩外壁采用盘状MMO辅助阳极，以法兰式结构安装，单个辅助阳极最大输出电流18A，单台风机桩外壁设计4套辅助阳极；钢桩内壁采用悬吊式MMO管状辅助阳极串，辅助阳极串由4根MMO/Ti管状阳极组成，单支MMO/Ti辅助阳极最大输出电流24A。

参比电极采用Ag/AgCl-Zn双参比电极，同时引入铜棒来防止海洋生物附着在参比电极上。外壁参比电极以盘状结构安装，内壁参比电极复合到悬吊式辅助阳极结构上。

系统电源设备采用开发的新型智能抽屉式双路恒电位仪，采用LCD工业触摸屏显示，带数字通讯接口，支持485和光纤通讯；智能监测控制系统软件采用本地部署的工业组态软件。

2 阴极保护数值模拟

为了验证阴极保护设计的有效性和辅助阳极布置的合理性，采用有限元分析和数值模拟对被保护钢管桩表面的电位分布进行计算分析。阴极保护数值模拟技术可以针对不同复杂程度的被保护结构，通过基本模型导入建立，极化曲线、平衡电位、交换电流密度等参数的设置，有限元分析以及瞬态、稳态运行计算得到被保护结构体表面的电位分布[9]。

本项目采用专业数值模拟软件COMSOL对阴极保护系统进行计算，COMSOL由瑞典COMSOL 公司开发，是一款用于阴极保护设计与分析的专业三维仿真软件，计算精度高，完够满足现场工程需要，在业界有较高的声誉。

设计初期结合模拟仿真通过大量的更改辅助阳极分布位置，计算各个模型的电位分布，最终获得最优异的阳极分布模型（如图2所示）。

图2 风电钢管桩内外壁电位分布

3 智能化监测与控制管理系统

智能监测控制系统采用本地部署的工业组态软件，可接入风机恒电位仪实现全功能远程控制与调节，此外还可开放接入现场各种腐蚀传感器，本项目中接入了以下腐蚀传感器：

（1）阳极电流传感器：实现各阳极输出电流测量，可实时监控各阳极工作情况；

（2）保护电位传感器：实现保护钢桩某些部位的保护电位测量，评价保护效果；

（3）阴极保护数据采集仪：实现通断电电位、交直流电流密度测量，全面评价阴极保护效果；

（4）电器元件大气腐蚀探针：监测环境大气腐蚀性；

（5）环境温湿度传感器：监测环境温湿度；

（6）其他工业传感器。

通过以上系统设计，可对海上风电可实现高效的远程数据采集与控制管理，系统具备标准规范的自动化合规管理功能，实现自动化系统监视与管理。

通过智能化监控系统可以实时显示风电钢管桩内外壁各辅助阳极输出电流，钢桩保护电位，风机内外壁交直流干扰状态，风机内部塔筒设备间腐蚀环境程度以及对恒电位仪运行状态的监控和远程控制，智能监控运行界面如图3所示。

图3 39#风机智能化监控画面

4 应用情况

本风电项目28#、39#风机的阴极保护智能系统于2023年3月完成安装调试，并投入运行。

在陆地主控室可以通过智能监控系统实时读取两台风机内外壁恒电位仪的运行状态和内外壁钢结构的保护情况，以及相关传感器的监测数据情况，也可以通过监控平台远程调控恒电位仪的运行模式和运行数据，以实现更加高效可靠的阴极保护。

迄今为止，两台风机阴极保护系统运行稳定，状态良好，风机内外壁钢结构保护电位均满足标准要求，图4为近二个月两台风机内外壁保护电位的数据记录曲线。

图4 28#、39#风机内外壁保护电位分布状况

5 结语

随着海上风电产业的快速发展，阴极保护系统的智能化是必然发展趋势。海上智能阴极保护系统以数字化、智能化方式对阴极保护数据进行采集和管理，代替传统的人工采集方式，可有效减少人力和物力投入，降低阴极保护系统的管理和运维费用。此外，智能阴极保护系统可对风电阴极保护系统还可根据需求集成多种腐蚀传感器，实现对保护对象、腐蚀环境的实时监测，及时发现系统运行过程中存在的腐蚀安全隐患并进行预警和诊断，为海上风电长期、安全、稳定运行提供有力保障。实践表明，本智能化阴极保护系统稳定可靠，具备较好的推广价值。