海上風電場運維監測方法研究

張文鵬

(上?？睖y設計研究院有限公司,上海 200434)

0 引言

海上風電具有風源穩定、資源豐富、單機容量大、節約土地成本、適宜大規模開發等顯著優勢[1],建立海上風電場已成為開發利用海洋資源的重要途徑,也是當前我國可再生能源發展的重要方向。近年來,海上風電產業發展迅速,海上風電機組的單機容量不斷增大,海上風電項目持續向深遠海邁進[2]。海上風電場容易受到海洋潮汐、沖刷、臺風、氣流、人類活動等各類因素的影響[3-4]。海上風電機組基礎建成后,潮流和波浪引起的水體運動會受到顯著的影響,海底底床十分容易受到侵蝕,并在風機基礎局部形成沖刷坑,這種沖刷坑會嚴重影響風機基礎的穩定性[5-6]。風機基礎和設備運行維護成本較高,加強海上風電場的運營維護管理是一項重要的研究課題[7]。在監測領域,設法采用各類先進的探測技術,對風電場風機、升壓站、海纜等設備所在區域進行綜合探測,掌握風電機組周邊三維地形地貌,獲取其海底的沖刷情況和變形速率,進而評判風電場運營安全狀態,能夠為風電場運營管理提供參考,工程實踐證明該方法是十分有效的。目前,由于我國海上風電場建設起步較晚,國內相關學者對運營風電場監測領域的研究較少。研究海上風電場這一特殊場景下的監測技術和方法,可以為相關工程應用提供參考。為此,以正在實施的某海上風電項目為例,詳細介紹了海上風電場監測技術方法、監測內容和實施過程,并結合歷史監測結果進行變形分析,探測海纜路由線路出露情況,獲得了有益的結果。

1 風電場監測技術

1.1 多波束水深測量

多波束測深系統通過聲波發射與接收換能器陣進行聲波廣角度定向發射和接收,在與航向垂直的垂面內形成條幅式高密度水深數據,可精確、快速地測繪沿航線一定寬度條帶內海底地形[8],根據海底地形變化判別海底沖刷情況。多波束掃測海上風電場時,將多波束測深系統固定在測量船的邊側,并靠近風機基礎,兩側的測線可覆蓋風機基礎及周邊50 m的范圍[9],多波束測深系統掃測寬度最高可達水深的5倍左右[10]。多波束測量方法原理見圖1,多波束測量沖刷檢測效果見圖2。

圖1 多波束測量原理示意圖 Fig.1 Schematic diagram of multi-wave beam measurement principle

圖2 多波束檢測效果圖Fig.2 Multi-wave beam detection effect

1.2 側掃聲吶探測

側掃聲吶是一種主動式聲吶,從安裝在船體兩側(船載式)或安裝在拖魚內(拖曳式)的換能器中發出聲波,利用聲波反射原理獲取回聲信號圖像,根據回聲信號圖像分析海底地形、地貌和海底障礙物,識別海底沉積物類型,確定海底介質以及分布情況等[11]。側掃聲吶作業大多采用船尾拖曳式,掃測寬度可達水深的10倍以上[12],側掃聲吶工作原理見圖3。

圖3 側掃聲吶工作原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of working principle of side-scan sonar

2 應用實例

2.1 工程概況

某海上風電場項目隸屬東沙海域,風電場中心離岸距離約42 km,工程設計安裝75臺單機容量4.0 MW的風力發電機組,總裝機容量300 MW。風電場形狀呈梯形,東西長約為14 km,南北寬約為10 km,風電場涉海面積約48.1 km2,風機布置及監測范圍示意圖見圖4。風電場配套設置一座220 kV海上升壓站,位于24#、25#風電機組間北側的海域上,規模按300 MW設計,并以一回220 kV海纜送出。風電場區域水深條件較為復雜且缺乏規律性,平均水深約6 m。為掌握風電場水下情況,于2021年6月對其實施了監測,對風電場風機和升壓站基礎周邊水下地形進行探測,并監測風機基礎周邊的沖刷情況和海纜路由線路出露情況。

圖4 風機布置及監測范圍示意圖Fig.4 Schematic of fan layout and monitoring range

2.2 監測方案

采用多波束測深系統對風機機位及升壓站基礎周邊50 m范圍內進行全覆蓋海底地形掃測,風機掃測的覆蓋范圍見圖5?？紤]到風機基礎自身結構特性,其周邊地形較為特殊,對風機周邊還需要進行測線加密、條帶旋轉、提高頻率等精細監測。

圖5 風機掃測覆蓋范圍示意圖Fig.5 Diagram of side-scan coverage range of fan

采用多波束和側掃聲吶相結合的方法對風機之間、風機與升壓站之間及升壓站至陸上登陸點之間的海纜路由周邊100 m范圍進行綜合探查,海纜路由掃測覆蓋范圍示意圖見圖6。根據水深和海纜追蹤情況,沿海纜路由方向布置3條～5條測線,確保路由海纜落在監測范圍之內。

圖6 海纜路由掃測覆蓋范圍示意圖Fig.6 Diagram of side-scan coverage range of submarine cable route

2.3 掃海測量

本次掃海測量,導航定位采用Trimble 540AP型GPS接收天線,使用多波束數據采集軟件Qinsy進行導航。多波束測量使用iWBmSh多波束測深系統,配合光纖羅經及運動傳感器及專業水下地形測繪軟件,實現全野外一體化實時動態地形測量作業。iWBmSh多波束測深儀具有200 kHz～700 kHz可調的工作頻率,探測開角能達到210度,測深分辨率優于10 mm。由于工程區域離岸距離較遠,受限于電臺傳輸距離限制,無法用GPS-RTK方法進行潮位測量,故采用靜態后處理模式(PPK)進行潮位測量,測量結束后對PPK數據進行數據后處理,根據轉換參數求得各測量時刻的潮位,潮位高程均采用1985國家高程基準,并采用PPK與驗潮相結合的方法進行潮位校正。為保證精度,還采用單波束對多波束水深測量精度進行校驗,單波束校驗設備采用HD-370測深儀。采用多波束測深法共完成了1座海上升壓站基礎、73臺單樁及2臺高樁承臺風機基礎周邊海底地形的掃測工作。

側掃聲吶采用Klein 4000側掃聲納系統,該儀器由拖魚、電纜和便攜式甲板采集單元組成,具有100 kHz/400 kHz同步雙頻功能,量程(75 m@900 kHz,150 m@455 kHz);波束寬度：45°×0.21°。配置SonarWiz.map 7后處理專業軟件,可實現一體化作業。正式測量之前,對側掃聲納系統進行狀態調試和入水安全性進行檢驗。測量時,拖魚采用拖曳式安裝,利用船尾吊架向船舷外側伸出3 m,幅寬設置為150 m,沿測線平行走航掃測,其幅寬大于測線間距,測線重復50 m。對識別出的海底面特征和海底障礙物,進行航跡、傾斜距和換能器位置校正,確定它們的真實位置、分布范圍、大小形狀,并標繪于航跡圖上。掃測時可發現石塊、沖刷溝槽、沙波、錨痕等水下障礙物及次生微地貌。在進行側掃聲吶現場數據采集時,需要根據監視屏幕內容對所采集的數據質量進行評價,必要時對水深變化可能影響到的工作量程進行調節,對圖像異常進行初步識別,對重要異常需要進行確認或精細復測。采用側掃聲吶探測完成風機之間、升壓站及陸上登陸點之間的海纜路由掃測,部分區域采用多波束進行核查。

2.4 數據處理

經過各項改正后的水深數據,通過處理生成水深數據圖、數字地形模型(DTM)圖,并根據測圖比例尺,生成格網水深數據文件;再通過Bentley Geopak、Autodesk AutoCAD、Golden Surfer等軟件進行圖形和圖像的繪制與處理,得到沖刷監測和風機周邊地形測量典型效果圖。在進行數據統計時,需要對數據進行優化和范圍限定。樁基位置地形高程需要進行歸零處理,單樁基礎主要分析范圍約為3倍樁徑距離,即R=17 m,高樁承臺基礎主要分析范圍為1.5～2倍中心距,即R=18 m,升壓站基礎主要分析范圍R=30 m。數據取值借鑒和參考其它海上風電項目工程經驗。周邊地形高程參考值取受沖刷影響相對較小的外圍平均高程。

使用側掃聲吶專業處理軟件SonarWiz對數據進行處理,利用回放功能實時鑲嵌,并對海底面進行跟蹤和斜距校正、速度校正,調整增益、對比度等參數,最后成圖導出。側掃聲吶圖像識別主要根據回聲信號特征、形狀特征、大小特征、色調和顏色特征、陰影特征、紋形特征和相關體特征進行識別。根據任務要求和現場實際情況,對漁網、拋石、纜繩、沉樁等類型的水下障礙物進行識別和判斷。

2.5 結果分析

限于篇幅有限,僅對1號風機和L1段風機連線路由監測情況進行分析。

1)1號風機監測分析

風機1號基礎周邊地形監測三維圖見圖7?？梢园l現,距中心位置半徑17 m范圍內,局部沖刷坑發育,沖刷現象明顯,海底高程范圍為-13.59 m～-8.03 m,平均高程為-11.23 m;風機基礎周邊最大沖刷坑深度約7.69 m。沖淤總量為-4 714 m3。沖刷現象主要為風機基礎成樁后局部沖刷形成,同時亦受基礎周邊海床整體沖刷影響。機位中心半徑17 m到35 m范圍內,海底高程范圍為-12.18 m～-7.91 m,平均高程為-8.87 m;最大沖刷深度約6.28 m。沖淤總量為-8 736 m3。35 m到50 m范圍內,海底高程范圍為-11.56 m～-7.72 m,平均高程為-8.42 m;最大沖刷深度約5.66 m。沖淤總量為-10 094 m3。監測范圍內地貌沖刷形態呈近似馬蹄形,主要沖蝕走向為西南向。

圖7 1號風機基礎周邊地形監測三維圖Fig.7 3D map for surrounding terrain monitoring of No. 1 fan foundation

與2020年6月第三次監測結果相比,該風機基礎周邊距中心半徑17 m范圍內海底面平均高程變化量為0.30 m,演變速率約為0.8 mm/d;最大沖坑深度變化量為0.39 m,變化速率約為1.1 mm/d;沖淤變化量為264 m3,變化速率約為0.7 m3/d。與2019年6月第一次監測結果相比,該風機基礎周邊距中心半徑17 m范圍內,海底面平均高程變化量為-0.02 m,演變速率約為-0.03 mm/d;最大沖坑深度變化量為1.27 m,演變速率約為1.7 mm/d;沖淤變化量為-19 m3,變化速率約為-0.03 m3/d。風機周邊歷次監測平均高程、最大沖刷坑演變趨勢見圖8。

圖8 1號風機周邊歷次監測結果(單位：m)Fig.8 All previous monitoring results around No. 1 fan(unit：m)

2)L1段風機連線路由監測分析

L1段風機連線從升壓站接入,連接47#、46#、45#、44#、43#、48#風機。監測路由段海底高程范圍約-18 m～-5 m,監測范圍及覆蓋情況見圖9。根據本次掃測結果,該路由段發現4處疑似海纜出露現象,主要在45#風機至47#風機之間,分布圖見圖10。

圖9 L1段監測范圍圖Fig.9 L1 section monitoring range diagram

圖10 疑似海纜出露位置Fig.10 Suspected sea cable revealing position

從圖11的側掃影像看,CL-III-001在45#風機東39 m處有出露海纜,東西走向,長約19 m,整體偏北,偏離埋設海纜最遠處約5.4 m。CL-III-002在45#風機東270 m處有出露海纜,東西走向,長約43 m,整體偏北,偏離埋設海纜最遠處約4.6 m。CL-III-003在45#風機東410 m處有出露海纜,東西走向,長約39 m,整體偏北,偏離埋設海纜最遠處約2 m。CL-III-004在46#風機東31 m處有出露海纜,東西走向,長約68 m,整體偏北,偏離埋設海纜最遠處約8.4 m。

圖11 疑似海纜出露位置側掃影像圖Fig.11 Side-scan images of suspected sea cable revealing position

3 結束語

本文以風電場風機機位及升壓站基礎和海纜路由周邊為探測區域,綜合多波束水深測量、側掃聲吶探測等技術,獲得了風電場地形地貌變化情況和疑似海纜出露位置,探測結果能夠準確顯示風機周邊海底沖刷情況和海纜路由變化情況,研究內容可為海上風電場運營維護提供重要參考。