海上風(fēng)電運(yùn)維技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

海上風(fēng)資源豐富，海上風(fēng)電具有易于規(guī)模開發(fā)、對(duì)環(huán)境負(fù)面影響較小、發(fā)電利用小時(shí)數(shù)高等特點(diǎn)，許多國家正加快海上風(fēng)電的發(fā)展。海上風(fēng)力發(fā)電在能源轉(zhuǎn)型、環(huán)境保護(hù)、應(yīng)對(duì)氣候變化等方面發(fā)揮著重要作用，也已經(jīng)成為全球風(fēng)電行業(yè)的新增長極。據(jù)預(yù)測，2040年全球海上風(fēng)電規(guī)模將增加15倍，屆時(shí)中國的風(fēng)電裝機(jī)容量預(yù)計(jì)將增加到110GW。目前，我國海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)如火如荼，有一大批風(fēng)電場項(xiàng)目已經(jīng)建成投產(chǎn)。與此同時(shí)，由此衍生出來的海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)問題也受到廣泛關(guān)注。由于海上風(fēng)電機(jī)組所處的環(huán)境相對(duì)復(fù)雜惡劣，海上風(fēng)電機(jī)組相對(duì)于陸上風(fēng)電機(jī)組來說可靠性低、維護(hù)成本高，海上風(fēng)電運(yùn)營成本可占到項(xiàng)目全生命周期成本的20%～30%。另外，隨著海上風(fēng)電的發(fā)展，海上風(fēng)電場建設(shè)將向更深的水域發(fā)展，為海上風(fēng)電后期的運(yùn)營維護(hù)帶來更大挑戰(zhàn)。影響海上風(fēng)電運(yùn)維成本和成效的因素眾多，從設(shè)備本身的可靠性，到維護(hù)人員的可用性、技術(shù)水平，以及船只可用性、天氣狀況，再到運(yùn)維策略的管理等，下面重點(diǎn)探討海上風(fēng)電運(yùn)行維護(hù)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并提出對(duì)未來發(fā)展方向的展望。一、物探勘測技術(shù)海洋物探技術(shù)的使用能夠提供海上風(fēng)電場區(qū)海底地形地貌變化、電纜賦存狀態(tài)、樁基海底侵蝕等重要信息，同時(shí)也能夠提供排查海底障礙物等風(fēng)險(xiǎn)因素，是海上風(fēng)電勘測的重要方法之一，為海上風(fēng)電場的安全運(yùn)維提供了重要支撐，起到不可替代的作用?；诓煌挠^測原理，海洋物探技術(shù)主要可分為聲學(xué)探測、磁法探測和電磁感應(yīng)探測。聲學(xué)探測按不同設(shè)備和應(yīng)用又可分為多波束、側(cè)掃聲吶、地層剖面探測技術(shù)。01多波束測深技術(shù)多波束測深系統(tǒng)通過聲基陣發(fā)射接收聲波束，獲得數(shù)百個(gè)采樣數(shù)據(jù)，通過載體的姿態(tài)數(shù)據(jù)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)和位置信息計(jì)算不同數(shù)據(jù)點(diǎn)的水深?；诖罅康乃顢?shù)據(jù)點(diǎn)，可以獲得高分辨率的海底地形，如圖1所示。圖1

基于多波束測深系統(tǒng)獲得的海底地形通過多波束測深系統(tǒng)獲得的海底地形數(shù)據(jù)可以達(dá)到分米量級(jí)。多波束測深技術(shù)已經(jīng)成為海上風(fēng)電勘測主要的地形測量手段，目前被廣泛使用。利用多波束測深技術(shù)觀測風(fēng)電場全區(qū)、電纜路由區(qū)和支撐結(jié)構(gòu)海底地形，不僅能為海上風(fēng)電運(yùn)維提供基礎(chǔ)信息，也能為環(huán)境變量的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測提供支持，同時(shí)直接多次觀測數(shù)據(jù)評(píng)估海底的沖刷淤積狀態(tài)和電纜路由的賦存狀態(tài)也為海上風(fēng)電運(yùn)維提供了可靠依據(jù)。02地層剖面探測技術(shù)地層剖面探測系統(tǒng)通過反射并接收反射回來的回波信號(hào)對(duì)地層進(jìn)行探測，海上風(fēng)電運(yùn)維中應(yīng)用地層剖面探測技術(shù)可以明確電纜的埋藏狀態(tài)，如圖2所示，探查障礙物，確定電纜在海底的確切位置，具有較好的精度。圖2

基于SES參量陣系統(tǒng)地層剖面目前，后期運(yùn)行維護(hù)中使用的探測工作頻率一般為14kHz，部分系統(tǒng)可以使用更高的主頻頻率，如SES參量陣系統(tǒng)。相較于3.5kHz頻率，14kHz工作頻率的淺地層剖面儀（多又稱海底管線儀）的分辨率比3.5kHz工作頻率更高，但地層穿透能力降低至海底以下5m內(nèi)。海底管線儀工作時(shí)測線需垂直海底管線路由或線狀障礙物的走向布置，通過目標(biāo)體在淺地層剖面上產(chǎn)生的繞射波來定位其探測點(diǎn)的位置和埋深。03側(cè)掃聲吶探測技術(shù)側(cè)掃聲吶是利用回聲測深原理探測海底地貌和水下物體的技術(shù)。側(cè)掃聲吶探測用來提供整個(gè)風(fēng)電場址區(qū)的地貌圖像，特別是在海底電纜裸露至海床，或有障礙物時(shí)，側(cè)掃聲吶系統(tǒng)能夠提供更加直觀的可視化圖像，如圖3所示，更容易判斷海底地貌、障礙物的類型和位置。側(cè)掃聲吶探測也是海上風(fēng)電勘測中常用的技術(shù)方法，工作時(shí)其拖魚采用船側(cè)或船尾拖拽方式。圖3

側(cè)掃聲吶圖像04磁法探測技術(shù)磁法探測基于海底障礙物與周邊物質(zhì)的磁性差異來探測目標(biāo)體，借助海洋磁力儀，通過測量不同磁化強(qiáng)度的目標(biāo)體在地磁場中所引起的磁場變化（即磁異常）位置和分布規(guī)律，來確定所探測目標(biāo)體的類型及位置等信息。因?yàn)楹５纂娎|一般有加強(qiáng)的金屬護(hù)套、鎧裝鋼絲，其本身含有鐵磁性材料，當(dāng)通電時(shí)可以產(chǎn)生磁場，所以通過磁法探測同樣能夠確定海底電纜的位置。相較于地層剖面探測技術(shù)，磁法探測技術(shù)受電纜直徑的影響較小，能夠觀測直徑更小的海底電纜。然而，目前單個(gè)磁力儀的觀測無法計(jì)算海底電纜的埋深信息。05電磁感應(yīng)探測技術(shù)由于海底電纜是導(dǎo)體，當(dāng)電磁感應(yīng)法探測設(shè)備中的發(fā)射天線建立一定頻率的一次交變電磁場時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，其在海底電纜內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)頻率的感應(yīng)電流，并在周圍形成二次交變電磁場，其頻率與一次交變電磁場頻率相同。由于探頭線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢大小與穿過它的磁通量成正比。因此，當(dāng)探頭平行于地面且位于電纜正上方時(shí)，接收信號(hào)最小，從而確定電纜的埋藏位置。電磁感應(yīng)探測技術(shù)可以應(yīng)用于探測直徑更小的電纜。物探技術(shù)是海上風(fēng)電運(yùn)維中的重要技術(shù)方法，不同的物探勘測技術(shù)具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，比如，多波束測深、側(cè)掃聲吶可以高效率、高精度地完成場址區(qū)全覆蓋的地形地貌測量，地層剖面探測能夠有效獲得電纜的位置、埋深等信息，但受分辨率的制約，對(duì)較小直徑的電纜可能無法識(shí)別。磁法和電磁感應(yīng)法雖然能夠探測更小直徑的電纜，但單個(gè)設(shè)備無法獲得電纜埋藏狀態(tài)。另外，電纜的埋深、橫截面、磁性強(qiáng)弱、磁性材料大小、電流強(qiáng)度等對(duì)探測效果影響很大。因此，對(duì)物探技術(shù)的方法應(yīng)考慮不同因素，根據(jù)需要綜合分析使用。二、在線監(jiān)測技術(shù)在線監(jiān)測技術(shù)是海上風(fēng)電運(yùn)行維護(hù)的重要手段，在降低運(yùn)營安全風(fēng)險(xiǎn)中起到不可替代的作用，在線監(jiān)測技術(shù)依靠觀測傳感器，通過衛(wèi)星、光纖等通信介質(zhì)，將觀測參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸并顯示，使得海量觀測數(shù)據(jù)更容易保存和處理，也節(jié)省了大量成本?；谏鲜鰞?yōu)勢，目前海上風(fēng)電監(jiān)測技術(shù)備受重視。01支撐結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測通過高精度的傳感器對(duì)支撐結(jié)構(gòu)開展變形、位移、沉降、傾斜、力與應(yīng)力、震動(dòng)等觀測，開展鋼結(jié)構(gòu)腐蝕和鋼筋混凝土腐蝕的觀測，并將其實(shí)時(shí)傳輸至監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測。這些項(xiàng)目為基本監(jiān)測項(xiàng)目，一般情況，具體監(jiān)測點(diǎn)位布置、數(shù)量選擇根據(jù)風(fēng)電場運(yùn)維管理、結(jié)構(gòu)安全評(píng)估等的需要，設(shè)置環(huán)境量監(jiān)測項(xiàng)目。02環(huán)境參數(shù)監(jiān)測環(huán)境量監(jiān)測涉及海上風(fēng)電運(yùn)營區(qū)的海洋環(huán)境，包括波浪要素、風(fēng)速、風(fēng)向，海流流速、流向，氣溫，濕度，水溫等項(xiàng)目的監(jiān)測。環(huán)境參數(shù)的在線監(jiān)測同樣依賴傳感器觀測和高速傳輸介質(zhì)，環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測提供了重要的背景參數(shù)資料，將為海上風(fēng)電長期安全運(yùn)維積累數(shù)據(jù)。海上環(huán)境相對(duì)更加惡劣，特別是在臺(tái)風(fēng)等極端天氣狀況下，環(huán)境參量的在線監(jiān)測顯得尤為重要。由于相關(guān)傳感器處于相對(duì)惡劣的環(huán)境條件，傳感器需要定期巡視是否正常。03電纜狀態(tài)監(jiān)測為了確保海底電纜的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)警海底電纜故障，需要對(duì)海底電纜進(jìn)行溫度、應(yīng)變、放電信號(hào)等運(yùn)行狀態(tài)，以及震動(dòng)等異常信息進(jìn)行監(jiān)測。目前常見的是基于光纖和局部放電的電纜在線監(jiān)測技術(shù)。受電介質(zhì)所處的場強(qiáng)和電纜絕緣老化程度影響，電纜會(huì)發(fā)生局部放電。電力電纜絕緣性能的好壞很大程度上與其局部放電量有關(guān)，局部放電量的改變可對(duì)電纜絕緣存在的安全隱患提前預(yù)警。局部放電監(jiān)測又分為電容和電感傳感器局放監(jiān)測。另外，通過將海底電纜復(fù)合光纖作為分布式傳感元件，開展光纖分布式檢測，采用有限元分析技術(shù)對(duì)光電復(fù)合海底電纜運(yùn)行溫度、應(yīng)力變化和外界振動(dòng)事件進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。基于光纖的海底電纜監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)在福建南日島海上風(fēng)電等海底電纜監(jiān)測中應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了海底電纜安全監(jiān)測監(jiān)控。04海域監(jiān)測據(jù)統(tǒng)計(jì)，80%以上的海底電纜故障是由于船舶錨泊等外力破壞所致，外力因素是危及海底電纜安全運(yùn)行的主要因素。一旦出現(xiàn)類似事故，取證等問題是主要難點(diǎn)。利用紅外熱成像儀與攝像機(jī)組成海上視頻監(jiān)控裝置，或通過采用光電一體化海面雷達(dá)及視頻裝置與AIS系統(tǒng)融合聯(lián)動(dòng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)長距離的海底電纜大范圍海域內(nèi)過往船舶的全天候、全方位、不間斷的安全監(jiān)控，降低船舶錨害肇事對(duì)海底電纜運(yùn)行的安全隱患。相比視頻監(jiān)控裝置，光電一體化雷達(dá)可長距離、大范圍、多目標(biāo)地探測識(shí)別過往可疑船舶，可實(shí)現(xiàn)全天候、多環(huán)境下并有預(yù)警防范能力，可方便地對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、外傳、回放、查詢，并能實(shí)時(shí)查看。上述在線監(jiān)測技術(shù)是海上風(fēng)電安全運(yùn)維的重要組成部分，不僅涉及運(yùn)維成本，也關(guān)乎運(yùn)維安全，因此需要重點(diǎn)關(guān)注和實(shí)施。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，不同監(jiān)測技術(shù)的組合和監(jiān)測策略的優(yōu)化，以及監(jiān)測系統(tǒng)的提升可以進(jìn)一步提高運(yùn)維效率。三、無人智能裝備的應(yīng)用近年來，無人智能裝備快速發(fā)展，如無人艇、無人機(jī)、ROV等開始在海洋領(lǐng)域廣泛使用。為海上風(fēng)電運(yùn)維提供了新的選擇，也成為海上風(fēng)電運(yùn)維新的發(fā)展方向。01無人機(jī)的應(yīng)用目前，海上風(fēng)電的巡檢主要以人員搭乘作業(yè)船舶以人眼觀察的方法開展作業(yè)。無人的自動(dòng)化巡檢設(shè)備的應(yīng)用將提升風(fēng)電場巡檢效率、安全性和針對(duì)性，既能夠減少風(fēng)電場工作人員的工作量，也能保障員工的安全。因此，無人機(jī)技術(shù)將成為海上風(fēng)電運(yùn)維的重要發(fā)展方向。由于電池技術(shù)限制，目前多旋翼無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間較短，不適用于航程較長的巡視。而油動(dòng)的固定翼無人機(jī)和復(fù)合翼無人機(jī)，其續(xù)航時(shí)間可達(dá)到1h及以上，一般情況下可以選用。02無人艇的應(yīng)用海上風(fēng)電場運(yùn)維過程中需要大量用船，也必然受到天氣、海況、潮汐等條件的制約，同時(shí)，海洋養(yǎng)殖等也嚴(yán)重影響運(yùn)維工作的正常開展。無人艇的使用可以極大降低巡檢的安全風(fēng)險(xiǎn)和工作強(qiáng)度，同時(shí)提高效率，已經(jīng)成為海上風(fēng)電運(yùn)維技術(shù)發(fā)展的重要方向。大型的無人艇也可以搭載前述物探設(shè)備及環(huán)境監(jiān)測傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)海底電纜狀態(tài)及環(huán)境參數(shù)的觀測。盡管如此，由于速度慢、視場有限，搭載能力受到限制，航程局限，無人艇更適合局部區(qū)域或極淺水區(qū)開展調(diào)查。03水下機(jī)器人的應(yīng)用水下機(jī)器人（ROV）可以根據(jù)工作需要配備相應(yīng)輔助設(shè)備，通過連接臍帶將電力輸送到水下機(jī)器人，工作人員在水面上進(jìn)行操縱或控制。ROV集功能強(qiáng)大、作業(yè)水深、作業(yè)時(shí)間長、安全度高等優(yōu)勢于一身，長期以來在海洋水下工程中得到了廣泛應(yīng)用。但是由于ROV價(jià)格昂貴，而且海上風(fēng)電場水深一般較淺，通常選擇使用小型ROV進(jìn)行觀察作業(yè)。另外，西方國家已經(jīng)開始嘗試使用自主水下航行器（AUV）開展海上風(fēng)電運(yùn)維工作，例如，美國伍茲霍爾海洋研究所已經(jīng)開始利用AUV開展海上風(fēng)電場海底電纜調(diào)查工作，如圖4所示。圖4

利用AUV開展海底電纜勘測示意圖目前，無人智能裝備在海上風(fēng)電運(yùn)維中的使用仍然較少，但因其在效率、安全性等方面具有顯著優(yōu)勢，必將成為海上風(fēng)電運(yùn)維技術(shù)的重要補(bǔ)充。海上風(fēng)電無人智能設(shè)備的綜合應(yīng)用以及智能化運(yùn)營維護(hù)的解決方案將有廣闊的應(yīng)用前景。盡管如此，無人調(diào)查方式也有較為明顯的缺陷，如無法觸摸、航程有限、更加受氣候條件限制，因此探索無人、有人運(yùn)維技術(shù)方法的有效結(jié)合將成為發(fā)展趨勢。四、基于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用海上風(fēng)電運(yùn)維幾乎貫穿整個(gè)項(xiàng)目生命周期，隨著時(shí)間的延長，包括勘測數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、環(huán)境參數(shù)等各種不同類型的海量數(shù)據(jù)將不斷累積，為海上風(fēng)電運(yùn)維最優(yōu)策略的選擇和海上風(fēng)電的建設(shè)提供更加詳細(xì)可靠的數(shù)據(jù)保障。因此，多元的海量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)管理及應(yīng)用等系列問題也逐漸得到重視。01數(shù)據(jù)管理技術(shù)大數(shù)據(jù)云平臺(tái)的建立是必然趨勢，也是企業(yè)的重要管理機(jī)制和基本要求?；诙嘣悩?gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)分析的重要基礎(chǔ)，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行高效管理對(duì)海上風(fēng)電運(yùn)維的高效實(shí)施具有重要意義，因此該類數(shù)據(jù)整合管理更需要積極籌劃和完善。這些數(shù)據(jù)由于數(shù)據(jù)獲取標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)格式不同，應(yīng)建立基于勘測數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)平臺(tái)和數(shù)據(jù)倉庫，開展云計(jì)算管理。在監(jiān)測中應(yīng)進(jìn)一步研究不同風(fēng)電機(jī)組、變流器的通訊協(xié)議、控制方式、狀態(tài)分類、判斷邏輯和計(jì)算方法，完善并統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式和標(biāo)準(zhǔn)以便于管理，嘗試開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的軟件。02數(shù)據(jù)顯示技術(shù)大量的數(shù)據(jù)采集之后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，經(jīng)過簡單的處理及計(jì)算，將需要的內(nèi)容進(jìn)行整合，并通過圖表、曲線、顏色直觀的綜合展示。這種綜合展示一般應(yīng)用于在線監(jiān)測系統(tǒng)中。另外，目前流行的VR及AR技術(shù)進(jìn)行場景重建和虛擬現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)，可以使管理者具有更加直觀和現(xiàn)實(shí)的體驗(yàn)。VR和AR技術(shù)用于勘測成果的顯示，有助于運(yùn)行管理者更直觀地理解海上風(fēng)電運(yùn)維的實(shí)際情況。目前，這類技術(shù)在海上風(fēng)電運(yùn)維中應(yīng)用并不常見，也可能成為未來發(fā)展趨勢。03數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)大數(shù)據(jù)的有效運(yùn)用，能夠加強(qiáng)海上風(fēng)電運(yùn)維管理的智能化和精細(xì)化，將在整體上極大推進(jìn)風(fēng)電場的安全、穩(wěn)定發(fā)展，為風(fēng)電企業(yè)提供更強(qiáng)的決策能力、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估能力和流程優(yōu)化能力。但是，如何從大數(shù)據(jù)中提取最為有效的信息，進(jìn)而幫助完成最優(yōu)運(yùn)維策略的選擇一直是數(shù)據(jù)分析中的難點(diǎn)。大數(shù)據(jù)分析是目標(biāo)導(dǎo)向，根據(jù)海上風(fēng)電運(yùn)維的實(shí)際要求完成，因此需要細(xì)化課題，通過算法、模型和工具的開發(fā)，針對(duì)不同問題進(jìn)行深入分析和挖掘，提高分析的可靠性、預(yù)測的準(zhǔn)確性，為更好地決策提供建議。五、海上風(fēng)電與海洋牧場融合發(fā)展下的海上風(fēng)電運(yùn)維海上風(fēng)電和海洋牧場對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展結(jié)構(gòu)的改善和提高均有重要作用。海上風(fēng)電與海洋牧場融合發(fā)展是節(jié)約集約用海的重要新型產(chǎn)業(yè)模式與未來發(fā)展方向，如圖5所示。

圖5

風(fēng)電場和海洋牧場結(jié)合示意圖目前，德國、荷蘭、比利時(shí)、挪威等歐洲國家已于2000年實(shí)施了海上風(fēng)電和海水增養(yǎng)殖結(jié)合的試點(diǎn)研究，其原理為將魚類養(yǎng)殖網(wǎng)箱、貝藻養(yǎng)殖筏架固定在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)之上，以達(dá)到集約用海的目標(biāo)，為評(píng)估海上風(fēng)電和多營養(yǎng)層次海水養(yǎng)殖融合發(fā)展?jié)摿μ峁┝说湫桶咐?。韓國在2016年也開展了海上風(fēng)電與海水養(yǎng)殖結(jié)合項(xiàng)目。國家對(duì)清潔能源發(fā)展和現(xiàn)代化海洋牧場建設(shè)寄予厚望，2017年和2018年中央一號(hào)文件曾分別強(qiáng)調(diào)發(fā)展和建設(shè)現(xiàn)代化海洋牧場。習(xí)近平總書記曾強(qiáng)調(diào)：“發(fā)展清潔能源是改善能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的重要任務(wù)?！蹦壳?，我國尚未有海洋牧場與海上風(fēng)電融合發(fā)展的先例，但國家在積極謀劃，探索建立海洋牧場和海上風(fēng)電融合發(fā)展的新模式。海洋牧場和海上風(fēng)電融合發(fā)展中考慮空間融合、結(jié)構(gòu)融合、功能融合，如風(fēng)電和牧場將同時(shí)利用水下空間、風(fēng)電底樁和人工魚礁進(jìn)行融合。伴隨著海上風(fēng)電、海洋牧場相互影響過程和機(jī)制的探索將是重要的科學(xué)