海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)樁監(jiān)測(cè)裝置

張慶豐

摘要：在海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的過(guò)程中，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的安全性直接影響著風(fēng)機(jī)運(yùn)行的安全穩(wěn)定。而為了保障基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的安全，則需要對(duì)其受力狀態(tài)、振動(dòng)、腐蝕等進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)測(cè)。考慮到現(xiàn)階段海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式多為單樁，因此本文對(duì)海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)樁的監(jiān)測(cè)進(jìn)行研究，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云平臺(tái)技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)其硬件設(shè)計(jì)部分進(jìn)行詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電場(chǎng)；單樁基礎(chǔ)；監(jiān)測(cè)

近幾年來(lái)，隨著能源危機(jī)的不斷加劇，風(fēng)能、太陽(yáng)能等新型可再生能源逐漸受到重視，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)因此獲得了迅猛的發(fā)展，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量呈現(xiàn)出逐漸遞增的趨勢(shì)。由于海上風(fēng)電項(xiàng)目相較于陸上風(fēng)電項(xiàng)目具有顯著優(yōu)勢(shì)，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)重心逐漸向海上風(fēng)電項(xiàng)目?jī)A斜。但近海區(qū)域的環(huán)境條件更加復(fù)雜，風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受到的威脅也更高，因此探究風(fēng)電單樁基礎(chǔ)樁監(jiān)測(cè)裝置具有重要意義。

1研究背景

不同于一般的建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，海上風(fēng)電基礎(chǔ)在運(yùn)行過(guò)程中需要承受風(fēng)、海浪以及水流等方面產(chǎn)生的荷載作用，有時(shí)甚至?xí)艿酱暗淖矒簟Ｒ虼巳绾伪Ｕ虾Ｉ巷L(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全一直是從業(yè)人員關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。現(xiàn)階段最普遍的方法就是對(duì)海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析掌握基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。考慮到海上風(fēng)電場(chǎng)和海岸線(xiàn)之間的距離較長(zhǎng)，因此采用一般的監(jiān)測(cè)手段很難起到理想效果，例如在臺(tái)風(fēng)、大潮汛期，根本不可能派遣人員出海開(kāi)展監(jiān)測(cè)活動(dòng)。在這樣的情況下，必須借助遠(yuǎn)程通信、傳感器等現(xiàn)代化先進(jìn)技術(shù)，制定遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方案。基于此，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)Ｉ巷L(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的受力情況、振動(dòng)情況、腐蝕保護(hù)狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)效率、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精確性和完整性相較于過(guò)去都出現(xiàn)了大幅度的提升。

2海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其以裝置

2.1系統(tǒng)總體框架搭建

海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云平臺(tái)技術(shù)，其主要是通過(guò)在風(fēng)機(jī)上安裝自動(dòng)檢測(cè)裝置（現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元）的方式，對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，之后以遠(yuǎn)程通信的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂剖疫M(jìn)行分析處理，根據(jù)分析處理結(jié)果判斷是否相應(yīng)超限報(bào)警。此外，該系統(tǒng)還能夠通過(guò)發(fā)布平臺(tái)將監(jiān)測(cè)結(jié)果上傳到互聯(lián)網(wǎng)上，各級(jí)授權(quán)用戶(hù)在聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下可以對(duì)海上風(fēng)電基礎(chǔ)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，不僅可以掌握現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元的監(jiān)控參數(shù)，同時(shí)還可以發(fā)布遠(yuǎn)程測(cè)控指令。如下圖所示，為海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)。

除此之外，系統(tǒng)還具備安全預(yù)警管理和系信息提醒功能，可以自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)以上報(bào)警進(jìn)行分級(jí)響應(yīng)，依據(jù)等級(jí)，向監(jiān)測(cè)人員、管理人員等發(fā)送報(bào)警信息。

2.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

海上風(fēng)機(jī)上安裝的自動(dòng)檢測(cè)裝置主要由振動(dòng)監(jiān)測(cè)單元、結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)單元、腐蝕電位監(jiān)測(cè)單元、供電系統(tǒng)等部分構(gòu)成，它們是自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主體，能夠?qū)﹄妷骸㈦娮琛⒔Y(jié)構(gòu)應(yīng)力、腐蝕電位等相關(guān)物理量和數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，直接影響著系統(tǒng)的功能。

其一，振動(dòng)監(jiān)測(cè)單元。海上風(fēng)機(jī)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)單元主要包括高速采集卡、嵌入式控制器兩個(gè)部分，其主要功能是對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)上的振動(dòng)加速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以有效的適應(yīng)兩分量和三分量的加速度傳感器，采樣定時(shí)精度高，在配合嵌入式系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)的情況能夠根據(jù)實(shí)際需求采集相應(yīng)的參數(shù)。數(shù)據(jù)采集軟件運(yùn)行于檢測(cè)裝置的嵌入式控制器內(nèi)，根據(jù)硬件采集參數(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顯示參數(shù)以及傅里葉變換參數(shù)，以硬件中斷的方式從高速采集卡的緩存中獲取數(shù)據(jù)，之后以曲線(xiàn)的形式展現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)綜合傳感器的標(biāo)定參數(shù)和系統(tǒng)采集的傳感器初始值，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，經(jīng)一系列計(jì)算之后就可以獲得具體的加速度值。系統(tǒng)一共有兩種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式，分別是定時(shí)定長(zhǎng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和超限存儲(chǔ)，前者是通過(guò)采集周期、采集時(shí)長(zhǎng)以及采樣率等參數(shù)的設(shè)置，截取每周期內(nèi)的一小段時(shí)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。后者則是在檢測(cè)到加速度數(shù)值超過(guò)預(yù)設(shè)閥值的情況下，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)以及加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。例如，在臺(tái)風(fēng)期間，風(fēng)電基礎(chǔ)會(huì)出現(xiàn)異常振動(dòng)，此時(shí)系統(tǒng)就會(huì)對(duì)這種情況進(jìn)行記錄。

其二，結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)單元。該單元主要包括數(shù)據(jù)采集控制器、數(shù)據(jù)采集模塊兩個(gè)部分，它是一種比較常見(jiàn)的安全監(jiān)測(cè)儀器，其工作原理是通過(guò)單元內(nèi)的數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)的各類(lèi)傳感器信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和采集，之后通過(guò)RS485總線(xiàn)將數(shù)據(jù)上傳，最后通過(guò)串口轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，依托光纖和疾控中心數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

其三，腐蝕電位監(jiān)測(cè)單元。為了避免海水等具有腐蝕性的要素對(duì)金屬構(gòu)件產(chǎn)生腐蝕，通常會(huì)采用犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)技術(shù)，將具有高還原性的金屬作為保護(hù)極，和被保護(hù)金屬連接形成一個(gè)原電池，這樣以來(lái)負(fù)極金屬會(huì)被氧化消耗，而正極保護(hù)金屬則能夠避免腐蝕。上述方法被廣泛應(yīng)用于海洋、港灣等工程中。在海上風(fēng)電工程項(xiàng)目中，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)水下部分通常會(huì)綜合采用多種防腐措施，如犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)法+防腐涂層。通常情況下，合理的陰極保護(hù)范圍為-0.78～-1.05V，超過(guò)或是低于該范圍，就會(huì)出現(xiàn)“過(guò)保護(hù)”或是“欠保護(hù)”的情況，都會(huì)帶來(lái)不利影響。因此有必要對(duì)腐蝕電位進(jìn)行監(jiān)測(cè)。風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的腐蝕電位監(jiān)測(cè)單元由參比電極、信號(hào)轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集控制器、數(shù)據(jù)采集模塊等部分構(gòu)成。

其四，供電系統(tǒng)。海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可采用的供電方式有直流和交流兩種，具體可以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行靈活選擇。一般情況下，在具備交流供電的情況下，應(yīng)該優(yōu)先選擇該供電方式。

3結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云平臺(tái)技術(shù)構(gòu)建海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)︼L(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)運(yùn)行中的振動(dòng)狀態(tài)、腐蝕電位、結(jié)構(gòu)安全等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)狀況的全面掌握，為意外狀況的應(yīng)對(duì)以及決策提供支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳剛. 海上風(fēng)電工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2018（04）：127-132.

[2]. 2018海上風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展高端論壇[J]. 南方能源建設(shè)，2018，5（02）：36.

[3]楊三元，郭偉，楊安韜，許瑞彬. 遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)在海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 福建水力發(fā)電，2018（01）：65-68.

[4]楊三元，楊安韜，郭偉. 海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究[J/OL]. 海洋開(kāi)發(fā)與管理，2018（S1）：105-109[2019-01-22].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.3525.P.20181112.1026.042.html.

（作者單位：華電曹妃甸重工裝備有限公司）