海上風電工程結構安全監測體系框架設計

常增亮,馬超,麻德明,劉楊,高興國

(1.山東電力工程咨詢院有限公司 濟南 250013;2.自然資源部第一海洋研究所 青島 266061)

0 引言

隨著世界能源的緊缺和人們對低碳環保需求的不斷提高,風能作為清潔可再生能源愈發受到青睞,風電技術逐漸由陸上延伸到海上,根據全球海上風電現狀統計數據,風能發電僅次于水力發電占到全球可再生資源發電量的16%[1],已經成為當今不可或缺的極其重要的新能源之一[2]。同陸上風電場相比,海上風電憑借海上風資源的穩定性和發電功率大的特點,近年來正在世界各地飛速發展,包括英國、德國、丹麥等國家都紛紛加快了對海上風電的開發速度,已成為不少歐洲國家爭相發展的方向,可以說歐洲的海上風電在全球一枝獨秀[3]。此外,韓國和日本在發展海上風電方面也都不甘居人后。

中國海上風電雖然起步較晚,但發展異常迅猛,東部沿海地區開發規模從北到南不斷擴大,單機容量越來越大,裝機規?？焖僭鲩L,場址逐漸從潮間帶開始向近海深水區域發展,截至2017年年底裝機規模已躍居全球第三。在國家海洋發展戰略和“一帶一路”的支持下,國際間的海上風電工程建設合作也將迎來蓬勃發展的新局面。隨著海上發電這一清潔新能源技術的不斷推進,沿海風電遍地開花,風機數量也不斷增加,在風電場的建設和運維過程中,長期受海洋復雜環境的影響,風機傾斜、斷裂、樁基不均勻沉降及腐蝕等事故時有發生,將嚴重影響和威脅海上風電的安全性和耐久性。一旦發生事故,將造成巨大的損失,海上風電工程的安全穩定運行越發引起人們的重視,如何通過技術手段定期對風機傾斜、樁基沉降、裂縫等形變狀況的監測與定量評估,實現早期故障的預警,是海上風電安全檢測的重點和難點。因此,有必要建立海上風電水上和水下一體化安全監測技術體系,及時、準確掌握海上風電工程形變信息,可為海上風電場的管理和保護措施制定提供參考依據和技術支持。

1 監測現狀及難點

海洋平臺作為海洋開發過程中最重要的基礎設施,具有較高的投資成本和維護成本,其結構長期經受海生物的附著、地基沖刷以及環境載荷等的相互作用,使得結構承載能力不斷下降。海洋工程結構安全監測問題已經成為避免環境災害以及經濟損失、確保安全健康服役所必需面臨的問題,因此,定期健康監測和診斷就成為保證正常生產和安全操作的最有效的手段。海洋工程安全監測,即通過在海洋平臺上安裝各種類型傳感器,獲得各種關鍵信息,并從中提取特征數據,最終對其工作狀態和損傷情況進行判斷。安全監測是一個多學科交叉的領域,日益受到國內外學者的關注,并已成為國內外研究的熱點和難點。海洋工程安全監測的研究開始于20世紀70年代,目前相關的研究報道,大多基于海洋鉆探平臺和傳感器技術,研究領域主要涉及海洋環境載荷監測、腐蝕及裂紋的監測以及結構應力與變形監測等[4],采用的監測方法也因監測內容而各異,總體上可以分為局部損傷檢測法和基于振動的整體損傷探測法[5]。隨著海洋工程結構日益大型化、復雜化和智能化以及各種傳感器技術的不斷進步,監測內容和監測手段也越來越豐富,不再是單純的載荷監測,而是向著結構損傷檢測、損傷定位和結構壽命的預測等方向發展[6]。

雖然,隨著當前監測技術的進步,取得了一定的研究進展,但仍然存在一些亟待解決的問題。由于海上風電場一般遠離大陸,缺乏統一的測繪基準,亟須解決高程傳遞問題,所以對于固定式海洋平臺的沉降監測一直是一個難點,而海上風電場運行監控和狀態評價主要參考陸上風機,只進行風機的運行狀態監測,僅在試驗風機的基礎和塔筒的少量部位進行了應力應變監測,遠未實現針對海上風電場結構體系的狀態監測,不能滿足對海上風電場結構體系進行狀態評價的要求。對海洋電力工程結構的安全監測,特別是基于GNSS監測(水上部分)、精密水下定位監測和三維掃描聲吶測量監測結合的變形監測方法、海底結構沖刷監測領域,鮮有研究和報道。有關海上構筑物結構安全檢測的研究目前尚處于基礎性的探索階段,距離實用性目標尚有很大的差距。因此,亟須開展海洋電力工程結構安全監測體系框架研究。

2 總體框架

海上風電工程結構安全監測,總體目標是針對海上風電工程結構安全監測需求和技術瓶頸,綜合利用GNSS、精密水下定位、水下機器人以及三維掃描聲吶技術手段,通過對關鍵技術攻關,重點解決精密水下定位中海底信標的精確安裝和淺海聲速精密改正、水下相機標校、多波束與側掃聲吶數據融合等技術難題,建立一整套從水上到水下的安全監測技術體系,按照既定技術流程獲取反映海上風電平臺環境激勵和結構響應狀態的特征信息,監測海上風電工程的工作性能和評價海洋平臺的工作條件,從而為海上風電工程安全運維提供科學依據。主要技術流程包括6個部分,即資料收集與整理、統一海洋測繪基準、監測實施與方法優化改進、監測數據處理與分析、監測結果對比分析與評價、安全運維預警與防護措施(圖1)。

圖1 監測體系框架

3 關鍵技術

3.1 精密單點定位(PPP)技術

海上風電工程通常遠離大陸,常規的定位方法無法獲取高精度位置信息,而PPP技術作為一項GNSS定位新技術,在低軌衛星精密定軌、高精度坐標框架維持和海洋測繪等諸多方面得到了廣泛的應用[7],同樣適用于海上風電工程安全監測。其技術重點解決包含多種參數的數學模型選擇與解算、高精度誤差改正模型構建、整周模糊度解算和觀測數據的周跳探測與修復,以獲取高精度坐標信息。

3.2 高程傳遞

采用高精度GNSS定位技術,結合我國現有陸地、海洋重力資料及其他重力場信息和數據成果,并運用國內外確定大地水準面的嚴密理論和算法來確定高精度的局部大地水準面[8],將我國高程基準從沿海海上風電場控制中心傳遞到海上風電場機組區域。

3.3 多傳感器集成

主要解決不同采集頻率、不同安裝位置和不同類型的測量傳感器在時間和空間上的同步[9],以及多傳感器數據的時空對準,為水上、水下一體化監測系統的實際應用奠定基礎。

3.4 精密水下定位技術

精密水下定位是高精度三維掃描聲吶測量系統和水下機器人監測的前提。首先針對海底控制點精密定位,需根據試驗區情況確定船的航跡,確?；谧顑灥膸缀谓Y構進行定位;同時需要利用自適應的方法采取合適的差分方法,最大限度地削弱觀測值中的周期項誤差,提高定位精度。另一方面,水聲定位中的主要誤差來源是海水中的聲速以及信號傳播時間觀測值,前者與海洋的實際環境相關,需要結合聲信號在水中的傳播規律,研究聲速剖面自動分層跟蹤改正方法;后者與設備相關,雖然設備的硬件延遲會在實驗室進行標定,但它會隨環境發生不規則的變化,故需要研究觀測值分離硬件延遲的方法;純粹的水聲定位由于單側交會的模式,會出現垂直方向結果發散的情況,需要研究壓力傳感器進行高程約束的方法,提高垂直方向結果的精度。因此,高精度的海底定位技術需要精細化的誤差處理步驟作為支撐。海底控制點標定好后,由于水聲是時空相關的函數,它便成為限制海底精密定位應用的主要因素。需要從海洋機理出發,對海水中的聲速進行層析,自適應地建立區域聲速場模型,為后續海底精密定位監測應用奠定基礎。

圖2 精密水下定位技術流程

3.5 水下攝像機標校

攝像機成像時,圖像中的像素點是空間中物體的點在攝像機平面上的投影,圖像點與空間點之間具有映射關系,通過建立攝像機的成像幾何模型能夠實現圖像坐標系到空間坐標系的轉換[10-11],建立攝像機成像模型所需的參數稱為攝像機標校,標定的精度將會直接影響海底構筑物發生縫隙位置估算過程的精度。

水下機器人(ROV)在進行攝像機標校的基礎上,通過精密水下導航定位技術,探測海底構筑物全幅影像,對圖像進行去噪、增強、融合等處理后,通過影像拼接與裂縫識別技術,提取可能存在風電樁基縫隙信息。

3.6 水下三維激光點云快速建模

通過對原始點云進行粗差剔除、濾波、重采樣和高精度空間配準等數據處理步驟,實現整個水下樁基的點云拼接,然后聯合解算生成DEM,從而得到點云產品。

3.7 水下樁基全景影像與點云數據匹配

對樁基點云數據進行融合解算獲取高精度絕對坐標點云,選擇光束法平差或直接線性變化等最適合的方法對點云和全景影像進行配準。經過配準后的全景影像,影像上像素可以對應匹配到背后空間三維點云,基于影像可直接測圖,提取特征點和地理要素。

3.8 多波束與側掃聲吶數據融合

海底構筑物周圍地形穩定性監測,通過多波束與側掃聲吶數據融合技術,可獲取地形地貌信息,以及海床表面和淺地層的底質屬性信息[12-13]。即利用多波束水深地形測量獲取海底地形圖,通過插值方法生成高精度海底DEM,利用兩次監測得到的高精度DEM計算海底沖刷量;同時利用側掃聲吶掃測海底,獲取海底地貌圖,通過綜合判定劃分海底底質類型及其分布,基于兩次實驗結果數據,分析底質類型分布范圍變化,最后基于沖刷量和底質類型變化趨勢評估海底構筑物周圍地形穩定性。

圖3 海底構筑物周圍地形穩定性監測流程

4 結語

海上風電工程結構健康監測是一門綜合性技術,涉及測繪學、海洋動力學、信息技術、多傳感器技術、多源數據融合等多個學科與技術,長期以來都是學者研究的熱點和電力管理部門關心的焦點,也是實際運維過程中面臨的困境和亟須需解決的問題。我國安全監測研究尚處于起步階段,離一些發達國家還有一定的差距。本研究應監測需求的現狀,初步構建了海上風電工程水上、水下一體化安全監測體系框架,闡述了主要工作流程和關鍵技術,以期為海上風電工程結構設施管控、變化監控和防災減災提供新的應急方案和技術指導。

我國海洋事業正在蓬勃發展,在國家海洋發展戰略和海上絲綢之路重大戰略倡議的指導下,應不斷提升海洋工程安全監測能力,集成先進的傳感器,借助穩定的通信技術實時監測其運維期間的結構狀態響應,獲得能夠反映海洋環境以及結構狀態的各種監測數據,對風機結構的穩定性與健康狀態進行評估,為海上風電工程的維護和管理提供科學依據。