海上風電運維技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

海上風資源豐富，海上風電具有易于規(guī)模開發(fā)、對環(huán)境負面影響較小、發(fā)電利用小時數(shù)高等特點，許多國家正加快海上風電的發(fā)展。海上風力發(fā)電在能源轉(zhuǎn)型、環(huán)境保護、應(yīng)對氣候變化等方面發(fā)揮著重要作用，也已經(jīng)成為全球風電行業(yè)的新增長極。據(jù)預(yù)測，2040年全球海上風電規(guī)模將增加15倍，屆時中國的風電裝機容量預(yù)計將增加到110GW。目前，我國海上風電開發(fā)建設(shè)如火如荼，有一大批風電場項目已經(jīng)建成投產(chǎn)。與此同時，由此衍生出來的海上風電機組運行維護問題也受到廣泛關(guān)注。由于海上風電機組所處的環(huán)境相對復(fù)雜惡劣，海上風電機組相對于陸上風電機組來說可靠性低、維護成本高，海上風電運營成本可占到項目全生命周期成本的20%～30%。另外，隨著海上風電的發(fā)展，海上風電場建設(shè)將向更深的水域發(fā)展，為海上風電后期的運營維護帶來更大挑戰(zhàn)。影響海上風電運維成本和成效的因素眾多，從設(shè)備本身的可靠性，到維護人員的可用性、技術(shù)水平，以及船只可用性、天氣狀況，再到運維策略的管理等，下面重點探討海上風電運行維護技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并提出對未來發(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，同時也能夠提供排查海底障礙物等風險因素，是海上風電勘測的重要方法之一，為海上風電場的安全運維提供了重要支撐，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)和位置信息計算不同數(shù)據(jù)點的水深?；诖罅康乃顢?shù)據(jù)點，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)可以達到分米量級。多波束測深技術(shù)已經(jīng)成為海上風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，不僅能為海上風電運維提供基礎(chǔ)信息，也能為環(huán)境變量的風險預(yù)測提供支持，同時直接多次觀測數(shù)據(jù)評估海底的沖刷淤積狀態(tài)和電纜路由的賦存狀態(tài)也為海上風電運維提供了可靠依據(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對地層進行探測，海上風電運維中應(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，后期運行維護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，通過目標體在淺地層剖面上產(chǎn)生的繞射波來定位其探測點的位置和埋深。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風電場址區(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，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電勘測中常用的技術(shù)方法，工作時其拖魚采用船側(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體，借助海洋磁力儀，通過測量不同磁化強度的目標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，來確定所探測目標體的類型及位置等信息。因為海底電纜一般有加強的金屬護套、鎧裝鋼絲，其本身含有鐵磁性材料，當通電時可以產(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，目前單個磁力儀的觀測無法計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，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)電動勢大小與穿過它的磁通量成正比。因此，當探頭平行于地面且位于電纜正上方時，接收信號最小，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)是海上風電運維中的重要技術(shù)方法，不同的物探勘測技術(shù)具有不同的優(yōu)缺點，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，對較小直徑的電纜可能無法識別。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、磁性強弱、磁性材料大小、電流強度等對探測效果影響很大。因此，對物探技術(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)是海上風電運行維護的重要手段，在降低運營安全風險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)實時傳輸并顯示，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支撐結(jié)構(gòu)開展變形、位移、沉降、傾斜、力與應(yīng)力、震動等觀測，開展鋼結(jié)構(gòu)腐蝕和鋼筋混凝土腐蝕的觀測，并將其實時傳輸至監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)實時狀態(tài)監(jiān)測。這些項目為基本監(jiān)測項目，一般情況，具體監(jiān)測點位布置、數(shù)量選擇根據(jù)風電場運維管理、結(jié)構(gòu)安全評估等的需要，設(shè)置環(huán)境量監(jiān)測項目。02環(huán)境參數(shù)監(jiān)測環(huán)境量監(jiān)測涉及海上風電運營區(qū)的海洋環(huán)境，包括波浪要素、風速、風向，海流流速、流向，氣溫，濕度，水溫等項目的監(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，將為海上風電長期安全運維積累數(shù)據(jù)。海上環(huán)境相對更加惡劣，特別是在臺風等極端天氣狀況下，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)定運行，及時發(fā)現(xiàn)并預(yù)警海底電纜故障，需要對海底電纜進行溫度、應(yīng)變、放電信號等運行狀態(tài)，以及震動等異常信息進行監(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)所處的場強和電纜絕緣老化程度影響，電纜會發(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)對光電復(fù)合海底電纜運行溫度、應(yīng)力變化和外界振動事件進行實時在線監(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電等海底電纜監(jiān)測中應(yīng)用，實現(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，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。利用紅外熱成像儀與攝像機組成海上視頻監(jiān)控裝置，或通過采用光電一體化海面雷達及視頻裝置與AIS系統(tǒng)融合聯(lián)動技術(shù)，實現(xiàn)對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海底電纜運行的安全隱患。相比視頻監(jiān)控裝置，光電一體化雷達可長距離、大范圍、多目標地探測識別過往可疑船舶，可實現(xiàn)全天候、多環(huán)境下并有預(yù)警防范能力，可方便地對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行存儲、外傳、回放、查詢，并能實時查看。上述在線監(jiān)測技術(shù)是海上風電安全運維的重要組成部分，不僅涉及運維成本，也關(guān)乎運維安全，因此需要重點關(guān)注和實施。隨著技術(shù)的進一步發(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)的提升可以進一步提高運維效率。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、ROV等開始在海洋領(lǐng)域廣泛使用。為海上風電運維提供了新的選擇，也成為海上風電運維新的發(fā)展方向。01無人機的應(yīng)用目前，海上風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)。無人的自動化巡檢設(shè)備的應(yīng)用將提升風電場巡檢效率、安全性和針對性，既能夠減少風電場工作人員的工作量，也能保障員工的安全。因此，無人機技術(shù)將成為海上風電運維的重要發(fā)展方向。由于電池技術(shù)限制，目前多旋翼無人機的續(xù)航時間較短，不適用于航程較長的巡視。而油動的固定翼無人機和復(fù)合翼無人機，其續(xù)航時間可達到1h及以上，一般情況下可以選用。02無人艇的應(yīng)用海上風電場運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，海洋養(yǎng)殖等也嚴重影響運維工作的正常開展。無人艇的使用可以極大降低巡檢的安全風險和工作強度，同時提高效率，已經(jīng)成為海上風電運維技術(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)測傳感器實現(xiàn)對海底電纜狀態(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水下機器人的應(yīng)用水下機器人（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器人，工作人員在水面上進行操縱或控制。ROV集功能強大、作業(yè)水深、作業(yè)時間長、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價格昂貴，而且海上風電場水深一般較淺，通常選擇使用小型ROV進行觀察作業(yè)。另外，西方國家已經(jīng)開始嘗試使用自主水下航行器（AUV）開展海上風電運維工作，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電運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，必將成為海上風電運維技術(shù)的重要補充。海上風電無人智能設(shè)備的綜合應(yīng)用以及智能化運營維護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)用海上風電運維幾乎貫穿整個項目生命周期，隨著時間的延長，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，為海上風電運維最優(yōu)策略的選擇和海上風電的建設(shè)提供更加詳細可靠的數(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)云平臺的建立是必然趨勢，也是企業(yè)的重要管理機制和基本要求?；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)，對海量數(shù)據(jù)進行高效管理對海上風電運維的高效實施具有重要意義，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)獲取標準和數(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)平臺和數(shù)據(jù)倉庫，開展云計算管理。在監(jiān)測中應(yīng)進一步研究不同風電機組、變流器的通訊協(xié)議、控制方式、狀態(tài)分類、判斷邏輯和計算方法，完善并統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式和標準以便于管理，嘗試開發(fā)標準化的軟件。02數(shù)據(jù)顯示技術(shù)大量的數(shù)據(jù)采集之后，對數(shù)據(jù)進行匯總分析，經(jīng)過簡單的處理及計算，將需要的內(nèi)容進行整合，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)進行場景重建和虛擬現(xiàn)實顯示技術(shù)，可以使管理者具有更加直觀和現(xiàn)實的體驗。VR和AR技術(shù)用于勘測成果的顯示，有助于運行管理者更直觀地理解海上風電運維的實際情況。目前，這類技術(shù)在海上風電運維中應(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)對大數(shù)據(jù)的有效運用，能夠加強海上風電運維管理的智能化和精細化，將在整體上極大推進風電場的安全、穩(wěn)定發(fā)展，為風電企業(yè)提供更強的決策能力、風險評估能力和流程優(yōu)化能力。但是，如何從大數(shù)據(jù)中提取最為有效的信息，進而幫助完成最優(yōu)運維策略的選擇一直是數(shù)據(jù)分析中的難點。大數(shù)據(jù)分析是目標導(dǎo)向，根據(jù)海上風電運維的實際要求完成，因此需要細化課題，通過算法、模型和工具的開發(fā)，針對不同問題進行深入分析和挖掘，提高分析的可靠性、預(yù)測的準確性，為更好地決策提供建議。五、海上風電與海洋牧場融合發(fā)展下的海上風電運維海上風電和海洋牧場對社會經(jīng)濟發(fā)展結(jié)構(gòu)的改善和提高均有重要作用。海上風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

風電場和海洋牧場結(jié)合示意圖目前，德國、荷蘭、比利時、挪威等歐洲國家已于2000年實施了海上風電和海水增養(yǎng)殖結(jié)合的試點研究，其原理為將魚類養(yǎng)殖網(wǎng)箱、貝藻養(yǎng)殖筏架固定在風機基礎(chǔ)之上，以達到集約用海的目標，為評估海上風電和多營養(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年也開展了海上風電與海水養(yǎng)殖結(jié)合項目。國家對清潔能源發(fā)展和現(xiàn)代化海洋牧場建設(shè)寄予厚望，2017年和2018年中央一號文件曾分別強調(diào)發(fā)展和建設(shè)現(xiàn)代化海洋牧場。習近平總書記曾強調(diào)：“發(fā)展清潔能源是改善能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、推進生態(tài)文明建設(shè)的重要任務(wù)。”目前，我國尚未有海洋牧場與海上風電融合發(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電融合發(fā)展的新模式。海洋牧場和海上風電融合發(fā)展中考慮空間融合、結(jié)構(gòu)融合、功能融合，如風電和牧場將同時利用水下空間、風電底樁和人工魚礁進行融合。伴隨著海上風電、海洋牧場相互影響過程和機制的探索將是重要的科學(xué)