安全監測系統在海洋風電平臺項目中的應用

王 浩，劉春磊，王 毅，吳 軍

1.中國石油集團海洋工程有限公司，山東青島 266555

2.浙江華東工程安全技術有限公司，浙江杭州 311100

海洋風電作為一種可再生的清潔能源，已成為世界各國能源發展的重要方向，我國也將其劃入戰略性新興產業的重要組成部分，大規模地加速推動海上風電開發。我國東南沿海具有海洋風電開發的優勢，但由于該地區自然條件復雜，海上建造風險高，海上風電配套產業服務體系、技術標準、規范流程等尚不健全，因此這也構成該地區風電發展的劣勢。特別是海洋風電平臺，其投資較大，安全性問題顯得尤為重大，因此加強海洋風電平臺安全監測系統的應用研究，不斷完善功能設計，明確技術要求，規范施工流程，對于保證海洋風電開發的安全及形成風電建造標準具有重要意義。

華能江蘇大豐海上風電項目位于江蘇省鹽城市大豐區海域的毛竹沙，總裝機容量為400 MW，一期容量300 MW，配套設置1座220 kV海上升壓站、1座陸上開關站、68臺風機，該風電項目平臺是我國目前最大的海洋風電平臺，其海上升壓站安全監測系統也是國內目前最復雜的、保障系數要求最高的系統。因此，開展該項目安全監測系統的監測應用研究具有較強的代表性。

1 安全監測系統的監測設計

華能大豐海上風電項目的升壓站安全監測主要設置傾斜監測、振動監測、腐蝕監測、應力應變監測、沉降監測。監測系統柜放置在升壓站三層通訊繼保室，海上升壓站及風機的監測信號均進入系統柜，再統一傳輸至陸上控制室[1-3]。該安全監測系統的各項監測位置的布置如圖1所示。

（1）傾斜監測。在升壓站的4個主立柱下部、主立柱上部各設置1套二向動態傾角儀（水平x、y向）。

（2）振動監測。在升壓站的4個主立柱下部、主立柱中部、主立柱上部各設置1套三向加速度計。

圖1 海上升壓站監測設備布置示意

（3）腐蝕監測。在升壓站導管架的1個導管上布置3個腐蝕電位監測點，位置在海平面附近。

（4）應力、應變監測。在上部結構的主要立柱、主梁等部位設置鋼板應力監測裝置，監測結構應力，共計設置32個鋼板應力計。

（5）不均勻沉降監測。在升壓站的4個主立柱下部共布置4個幾何水準點。

2 主要儀器設備的安裝

由于安全監測系統設備均為精密設備，特別是鋼板應力計及腐蝕點監測儀安裝在導管架上、布置在水中，所以對設備的安裝精度及防腐蝕性能要求很高，并可抵抗海浪的沖刷。

2.1 鋼板應力計的安裝埋設

鋼板應力計用于監測結構應力，其安裝在海上升壓站導管架鋼結構的表面，通常采用焊接方法將鋼板應力計固定在監測部位，并用保護罩加以隔離和防護。鋼板應力計具體安裝埋設步驟如下[4]：

（1）在安裝前必須對已選定的鋼板應力計逐一進行檢測，并檢查加長電纜是否符合技術要求，然后按設計要求接長鋼板應力計電纜。但要特別注意，儀器電纜的一端必須將保護罩套上后，才能連接加長電纜。

（2）根據施工進度，確定埋設安裝方法。首先要在鋼結構上放樣定點，在焊接鋼板應力計的夾具時，為保證夾具的同心度，要以模具代替儀器安裝在夾具中定位。

（3）夾具焊接定位后應冷卻至常溫，然后從夾具中取出模具，再安裝鋼板應力計。上夾具螺栓時要對角線逐個均勻上緊，并用讀數儀進行跟隨量測，在夾具上緊時可根據需要調整儀器的測量范圍。

（4）在夾緊鋼板應力計并經測量確定儀器工作正常后，將保護罩扣上去，再沿保護罩周邊焊接，使保護罩密封固定在鋼管上。

2.2 傾角儀的安裝埋設

傾角儀用來監測平臺的傾斜程度，主要安裝在4個主立柱上。具體安裝埋設步驟如下：

（1）根據設計圖紙測量并定位測點位置。

（2）將傾角儀基座焊接在樁體上。

（3）基座冷卻至常溫后，將傾角儀安裝在基座上，同時調整一組定位銷的方位與待測方向一致，方位角精度為±3°。

（4）樁體上的傾角儀需將半錐形鋼板焊接在傾角儀周圍以保護儀器。

（5）安裝結束后，應及時觀測傾角儀達到穩定的初始讀數，作為觀測基準值。

2.3 加速度儀傳感器的安裝埋設

加速度儀主要用來監測平臺的振動及吊裝過程中的加速度。其傳感器具體安裝埋設步驟如下：

（1）根據設計圖紙測量并定位測點位置。

（2）根據安裝位置結構特點，改造加速度傳感器配套的基座或定制適用于本工程項目的基座。

（3）將加速度傳感器基座焊接在立柱或塔筒壁上。

（4）在風機組裝時，將加速度傳感器安裝在基座上，注意傳感器的測試方向與設計方向一致。

（5）根據電纜走向及集中的位置，計算合適的電纜長度，接長加速度儀電纜；在電纜接長前后對傳感器及電纜進行檢查，保證完好無損；電纜連接方式符合規范及設計等的要求，電纜連接處滿足規范及設計等對耐水壓、電阻等方面的檢測要求。

2.4 幾何水準儀的安裝埋設

水準儀主要用來監測平臺的不均勻沉降，安裝在主立柱下部。本工程采用的水準儀具有自動識別、自動觀測記錄、自動檢測各項限差等功能，需要將水準標芯直接焊接在對應部位并加裝保護裝置，以防止海洋環境的腐蝕等。

檢察院審前監督權新論——以監察體制改革為視角的分析 ………………………………………………………… 劉甜甜（4．58）

2.5 腐蝕監測儀參比電極的安裝埋設

腐蝕監測儀用來監測導管架受到海水腐蝕的程度，主要布置在導管架上。本工程主要采用參比電極來測量鋼管樁的腐蝕點位，參比電極的安裝埋設方法如下：

（1）在鋼管樁制作時根據參比電極尺寸設計加工參比電極的固定支座，并焊接在設計高程部位，支座采用與樁體結構相同的防腐措施。

（2）在基礎制作時根據設計的參比電極電纜牽引路徑焊接電纜保護管，并進行防腐。

（3）待現場具備安裝條件時，將參比電極固定在安裝支座上，而后將電纜牽引至后期便于觀測的高程并做好保護。

（4）參比電極安裝時應采用橡膠墊等絕緣材料做好傳感器與鋼結構之間的絕緣處理。

（5）由于部分腐蝕監測儀安裝在水下，受海浪沖擊嚴重，為防止電纜損壞，通過焊接U型卡來固定電纜保護管。

2.6 監測自動化系統的實施

在海上升壓站的監測機柜內安裝測量采集單元，陸上集控中心布置數據采集服務器。根據儀器工作原理，加速度計、傾角儀、鋼板應力計均采用數據采集單元，可對傳感器測量數據進行高頻采集；所有數據采集單元箱滿足防護等級IP68、材質為316L不銹鋼的要求；腐蝕監測根據運行管理的需要采用人工測量方式，數據不進行實時采集。

同一海上建筑物內的監測儀器電纜根據設計走向牽引至設計位置，盡量集中在一處，以便于接入自動化數據采集單元。同一海上建筑物內，數據采集單元分別通過總線串聯，然后按設計要求采用RJ45網口與陸上服務器進行通訊，同時這些采集單元也具備采用光纖或其他方式進行通訊的能力。

自動化系統數據采集軟件具有數據在線采集、電測成果計算、測點數據上報、圖形輸出、采集饋控、遠程召測、信息報送等主要功能。各功能部分有獨立用戶界面，既可以和安全監測信息管理及綜合分析系統協同工作，又可以單獨運行。監測自動化系統主要包括動態監測系統與靜態監測系統，系統結構見圖2。

圖2 低頻自動化系統結構

3 安全監測系統運行效果分析

華能大豐海上升壓站項目安全監測系統在2019年1月安裝完成，對升壓站平臺的不均勻沉降、振動、傾斜應力、腐蝕等情況進行了實時監測。在本次分析時間段內，監測數據準確，振動、傾斜各專項安全風險評估等級都處于安全等級，為平臺的正常安全運行提供了有力保障。

3.1 不均勻沉降監測

海上升壓站平臺一層布置靜力水準儀測點4個，不均勻沉降監測以JLsy-1號測點為基準點，通過與其余3個測點測值變化情況的對比，判斷海上升壓站相對沉降值。JLsy-2～JLsy-4號測點相對沉降值統計見表1。

由表1可知，海上升壓站JLsy-2～JLsy-4號測點目前相對沉降最高值為2.09 mm，出現在JLsy-3號測點；目前相對沉降最低值為-1.41 mm，出現在JLsy-4號測點。歷史相對沉降最高值為9.17 mm，于2019年4月10日出現在JLsy-3號測點；歷史相對沉降值最低值為-9.38 mm，于2019年4月9日出現在JLsy-4號測點。各測點相對沉降值變化量較小，海上升壓站未發生明顯不均勻沉降，沉降值過程曲線如圖3所示。

表1 海上升壓站相對沉降值統計

圖3 靜力水準儀沉降值過程曲線

3.2 應力應變監測

海上升壓站導管架共布置鋼板應力計測點32個，本次數據分析對應的監測時間為2019年4月29日，各測點應變值統計如表2所示。

表2 海上升壓站應變值統計

由表2可知，海上升壓站導管架部位當前應變值均在±1 000 μ ε以內，應變量較小，升壓站導管架處于應力平衡狀態，鋼板應力計Csy-1測點時間-應變曲線如圖4所示。

圖4 Csy-1時間-微應變過程曲線

3.3 振動和傾斜監測

海上升壓站上部組塊的一至三層平臺四根主立柱頂部各布置1套三向加速度計，以監測各層平臺的振動加速度情況，如圖5所示。升壓站一層柱頂振動加速度峰峰值0.265 m/s2，安全限值3.0 m/s2，超限0次，1階固有頻率0.350 Hz，偏差0.011%，專項安全風險評估：1級（高度安全）。升壓站二層柱頂振動加速度峰值0.168 m/s2，安全限值3.0 m/s2，超限0次，1階固有頻率0.350 Hz，偏差0.006%，專項安全風險評估：1級（高度安全）。

圖5 升壓站振動監測

海上升壓站上部組塊的一層平臺的二根主立柱頂部及底部各布置1套雙軸傾角儀（共計4套）、三層平臺的二根主立柱頂部布置2套雙軸傾角儀，進行海上升壓站運行期傾斜（水平x、y向） 監測，如圖6所示。升壓站一層柱底傾斜度為0.261°，方位169.6°，安全限值1.00°，超限0次，1階固有頻率0.350 Hz，偏差0.011%，專項安全風險評估：1級（高度安全）。升壓站一層柱頂傾斜度為0.309°，方位-89.5°，安全限值1.00°，超限0次，1階固有頻率0.350 Hz，偏差0.006%，專項安全風險評估：1級（高度安全）。

圖6 升壓站傾斜監測

3.4 各項監測采集監測頻率

（1）不均勻沉降觀測。幾何水準點施工期每周觀測1次，運行期每年觀測2～6次。

（2）振動監測。在儀器埋設安裝完成、驗收合格和風機調試完畢后，即可進行首次測讀以獲得初值。在運輸期、施工期和運行期按50 Hz采集頻次進行觀測，采集過程中設置數據記錄閾值，當測值高于0.05 g（g為重力加速度）時，把測值記錄到數據庫中。

（3）傾斜、應力監測。在施工期、運行期，每天采集1次。

（4）腐蝕監測。在儀器埋設安裝完成并經通電極化完畢（導電介質為海水）后的2 h，可進行首次測讀以獲得初值。初始值確定后，施工期按每天采集1次的頻次進行觀測，運行期每周采集1次。

4 結束語

華能大豐海上升壓站安全監測系統設計和施工通過了業主監理驗收，現場監測數據能夠準確反映升壓站平臺運行情況[5]。通過對海上風電升壓站平臺安全監測系統的原理及安裝特點進行分析，在滿足了海上平臺安全監測的需求的同時，形成了一套適用于海上平臺安全監測系統的設計理念及安裝方法，對今后類似項目安全監測系統的設計及安裝具有一定的借鑒意義。