海上风电场运维监测方法研究

2024-01-26张文鹏

地矿测绘 2023年4期

张文鹏

(上海勘测设计研究院有限公司,上海 200434)

0 引言

海上风电具有风源稳定、资源丰富、单机容量大、节约土地成本、适宜大规模开发等显著优势[1],建立海上风电场已成为开发利用海洋资源的重要途径,也是当前我国可再生能源发展的重要方向。近年来,海上风电产业发展迅速,海上风电机组的单机容量不断增大,海上风电项目持续向深远海迈进[2]。海上风电场容易受到海洋潮汐、冲刷、台风、气流、人类活动等各类因素的影响[3-4]。海上风电机组基础建成后,潮流和波浪引起的水体运动会受到显著的影响,海底底床十分容易受到侵蚀,并在风机基础局部形成冲刷坑,这种冲刷坑会严重影响风机基础的稳定性[5-6]。风机基础和设备运行维护成本较高,加强海上风电场的运营维护管理是一项重要的研究课题[7]。在监测领域,设法采用各类先进的探测技术,对风电场风机、升压站、海缆等设备所在区域进行综合探测,掌握风电机组周边三维地形地貌,获取其海底的冲刷情况和变形速率,进而评判风电场运营安全状态,能够为风电场运营管理提供参考,工程实践证明该方法是十分有效的。目前,由于我国海上风电场建设起步较晚,国内相关学者对运营风电场监测领域的研究较少。研究海上风电场这一特殊场景下的监测技术和方法,可以为相关工程应用提供参考。为此,以正在实施的某海上风电项目为例,详细介绍了海上风电场监测技术方法、监测内容和实施过程,并结合历史监测结果进行变形分析,探测海缆路由线路出露情况,获得了有益的结果。

1 风电场监测技术

1.1 多波束水深测量

多波束测深系统通过声波发射与接收换能器阵进行声波广角度定向发射和接收,在与航向垂直的垂面内形成条幅式高密度水深数据,可精确、快速地测绘沿航线一定宽度条带内海底地形[8],根据海底地形变化判别海底冲刷情况。多波束扫测海上风电场时,将多波束测深系统固定在测量船的边侧,并靠近风机基础,两侧的测线可覆盖风机基础及周边50 m的范围[9],多波束测深系统扫测宽度最高可达水深的5倍左右[10]。多波束测量方法原理见图1,多波束测量冲刷检测效果见图2。

图1 多波束测量原理示意图 Fig.1 Schematic diagram of multi-wave beam measurement principle

图2 多波束检测效果图Fig.2 Multi-wave beam detection effect

1.2 侧扫声呐探测

侧扫声呐是一种主动式声呐,从安装在船体两侧(船载式)或安装在拖鱼内(拖曳式)的换能器中发出声波,利用声波反射原理获取回声信号图像,根据回声信号图像分析海底地形、地貌和海底障碍物,识别海底沉积物类型,确定海底介质以及分布情况等[11]。侧扫声呐作业大多采用船尾拖曳式,扫测宽度可达水深的10倍以上[12],侧扫声呐工作原理见图3。

图3 侧扫声呐工作原理示意图Fig.3 Schematic diagram of working principle of side-scan sonar

2 应用实例

2.1 工程概况

某海上风电场项目隶属东沙海域,风电场中心离岸距离约42 km,工程设计安装75台单机容量4.0 MW的风力发电机组,总装机容量300 MW。风电场形状呈梯形,东西长约为14 km,南北宽约为10 km,风电场涉海面积约48.1 km2,风机布置及监测范围示意图见图4。风电场配套设置一座220 kV海上升压站,位于24#、25#风电机组间北侧的海域上,规模按300 MW设计,并以一回220 kV海缆送出。风电场区域水深条件较为复杂且缺乏规律性,平均水深约6 m。为掌握风电场水下情况,于2021年6月对其实施了监测,对风电场风机和升压站基础周边水下地形进行探测,并监测风机基础周边的冲刷情况和海缆路由线路出露情况。

图4 风机布置及监测范围示意图Fig.4 Schematic of fan layout and monitoring range

2.2 监测方案

采用多波束测深系统对风机机位及升压站基础周边50 m范围内进行全覆盖海底地形扫测,风机扫测的覆盖范围见图5。考虑到风机基础自身结构特性,其周边地形较为特殊,对风机周边还需要进行测线加密、条带旋转、提高频率等精细监测。

图5 风机扫测覆盖范围示意图Fig.5 Diagram of side-scan coverage range of fan

采用多波束和侧扫声呐相结合的方法对风机之间、风机与升压站之间及升压站至陆上登陆点之间的海缆路由周边100 m范围进行综合探查,海缆路由扫测覆盖范围示意图见图6。根据水深和海缆追踪情况,沿海缆路由方向布置3条～5条测线,确保路由海缆落在监测范围之内。

图6 海缆路由扫测覆盖范围示意图Fig.6 Diagram of side-scan coverage range of submarine cable route

2.3 扫海测量

本次扫海测量,导航定位采用Trimble 540AP型GPS接收天线,使用多波束数据采集软件Qinsy进行导航。多波束测量使用iWBmSh多波束测深系统,配合光纤罗经及运动传感器及专业水下地形测绘软件,实现全野外一体化实时动态地形测量作业。iWBmSh多波束测深仪具有200 kHz～700 kHz可调的工作频率,探测开角能达到210度,测深分辨率优于10 mm。由于工程区域离岸距离较远,受限于电台传输距离限制,无法用GPS-RTK方法进行潮位测量,故采用静态后处理模式(PPK)进行潮位测量,测量结束后对PPK数据进行数据后处理,根据转换参数求得各测量时刻的潮位,潮位高程均采用1985国家高程基准,并采用PPK与验潮相结合的方法进行潮位校正。为保证精度,还采用单波束对多波束水深测量精度进行校验,单波束校验设备采用HD-370测深仪。采用多波束测深法共完成了1座海上升压站基础、73台单桩及2台高桩承台风机基础周边海底地形的扫测工作。

侧扫声呐采用Klein 4000侧扫声纳系统,该仪器由拖鱼、电缆和便携式甲板采集单元组成,具有100 kHz/400 kHz同步双频功能,量程(75 m@900 kHz,150 m@455 kHz);波束宽度：45°×0.21°。配置SonarWiz.map 7后处理专业软件,可实现一体化作业。正式测量之前,对侧扫声纳系统进行状态调试和入水安全性进行检验。测量时,拖鱼采用拖曳式安装,利用船尾吊架向船舷外侧伸出3 m,幅宽设置为150 m,沿测线平行走航扫测,其幅宽大于测线间距,测线重复50 m。对识别出的海底面特征和海底障碍物,进行航迹、倾斜距和换能器位置校正,确定它们的真实位置、分布范围、大小形状,并标绘于航迹图上。扫测时可发现石块、冲刷沟槽、沙波、锚痕等水下障碍物及次生微地貌。在进行侧扫声呐现场数据采集时,需要根据监视屏幕内容对所采集的数据质量进行评价,必要时对水深变化可能影响到的工作量程进行调节,对图像异常进行初步识别,对重要异常需要进行确认或精细复测。采用侧扫声呐探测完成风机之间、升压站及陆上登陆点之间的海缆路由扫测,部分区域采用多波束进行核查。

2.4 数据处理

经过各项改正后的水深数据,通过处理生成水深数据图、数字地形模型(DTM)图,并根据测图比例尺,生成格网水深数据文件;再通过Bentley Geopak、Autodesk AutoCAD、Golden Surfer等软件进行图形和图像的绘制与处理,得到冲刷监测和风机周边地形测量典型效果图。在进行数据统计时,需要对数据进行优化和范围限定。桩基位置地形高程需要进行归零处理,单桩基础主要分析范围约为3倍桩径距离,即R=17 m,高桩承台基础主要分析范围为1.5～2倍中心距,即R=18 m,升压站基础主要分析范围R=30 m。数据取值借鉴和参考其它海上风电项目工程经验。周边地形高程参考值取受冲刷影响相对较小的外围平均高程。

使用侧扫声呐专业处理软件SonarWiz对数据进行处理,利用回放功能实时镶嵌,并对海底面进行跟踪和斜距校正、速度校正,调整增益、对比度等参数,最后成图导出。侧扫声呐图像识别主要根据回声信号特征、形状特征、大小特征、色调和颜色特征、阴影特征、纹形特征和相关体特征进行识别。根据任务要求和现场实际情况,对渔网、抛石、缆绳、沉桩等类型的水下障碍物进行识别和判断。

2.5 结果分析

限于篇幅有限,仅对1号风机和L1段风机连线路由监测情况进行分析。

1)1号风机监测分析

风机1号基础周边地形监测三维图见图7。可以发现,距中心位置半径17 m范围内,局部冲刷坑发育,冲刷现象明显,海底高程范围为-13.59 m～-8.03 m,平均高程为-11.23 m;风机基础周边最大冲刷坑深度约7.69 m。冲淤总量为-4 714 m3。冲刷现象主要为风机基础成桩后局部冲刷形成,同时亦受基础周边海床整体冲刷影响。机位中心半径17 m到35 m范围内,海底高程范围为-12.18 m～-7.91 m,平均高程为-8.87 m;最大冲刷深度约6.28 m。冲淤总量为-8 736 m3。35 m到50 m范围内,海底高程范围为-11.56 m～-7.72 m,平均高程为-8.42 m;最大冲刷深度约5.66 m。冲淤总量为-10 094 m3。监测范围内地貌冲刷形态呈近似马蹄形,主要冲蚀走向为西南向。

图7 1号风机基础周边地形监测三维图Fig.7 3D map for surrounding terrain monitoring of No. 1 fan foundation

与2020年6月第三次监测结果相比,该风机基础周边距中心半径17 m范围内海底面平均高程变化量为0.30 m,演变速率约为0.8 mm/d;最大冲坑深度变化量为0.39 m,变化速率约为1.1 mm/d;冲淤变化量为264 m3,变化速率约为0.7 m3/d。与2019年6月第一次监测结果相比,该风机基础周边距中心半径17 m范围内,海底面平均高程变化量为-0.02 m,演变速率约为-0.03 mm/d;最大冲坑深度变化量为1.27 m,演变速率约为1.7 mm/d;冲淤变化量为-19 m3,变化速率约为-0.03 m3/d。风机周边历次监测平均高程、最大冲刷坑演变趋势见图8。

图8 1号风机周边历次监测结果(单位：m)Fig.8 All previous monitoring results around No. 1 fan(unit：m)

2)L1段风机连线路由监测分析

L1段风机连线从升压站接入,连接47#、46#、45#、44#、43#、48#风机。监测路由段海底高程范围约-18 m～-5 m,监测范围及覆盖情况见图9。根据本次扫测结果,该路由段发现4处疑似海缆出露现象,主要在45#风机至47#风机之间,分布图见图10。

图9 L1段监测范围图Fig.9 L1 section monitoring range diagram

图10 疑似海缆出露位置Fig.10 Suspected sea cable revealing position

从图11的侧扫影像看,CL-III-001在45#风机东39 m处有出露海缆,东西走向,长约19 m,整体偏北,偏离埋设海缆最远处约5.4 m。CL-III-002在45#风机东270 m处有出露海缆,东西走向,长约43 m,整体偏北,偏离埋设海缆最远处约4.6 m。CL-III-003在45#风机东410 m处有出露海缆,东西走向,长约39 m,整体偏北,偏离埋设海缆最远处约2 m。CL-III-004在46#风机东31 m处有出露海缆,东西走向,长约68 m,整体偏北,偏离埋设海缆最远处约8.4 m。