海上風力發電機組自動化安全監測設備安裝施工要點

崔偉強,劉 裴,張衛誠

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

海上風力發電建筑物受多變的風向和風速、高鹽和高濕環境、沖刷、軟土地基等影響，長期運行的穩定性受到巨大挑戰。因此海上風電機組在線安全監測勢在必行，在建設期通過安裝振動、腐蝕、傾斜、沉降等監測設備并實現自動化、遠程化、在線化，根據監測數據對風力發電機組運行情況分析是目前風力發電維護管理的主要手段，可靠性受到業內的高度關注和好評。本文將重點梳理海上風電安全監測設備安裝施工要點,為海上風電安全監測設備安裝施工提供參考。

1 監測儀器與布置

1.1 靜力水準儀

靜力水準儀用于監測海上升壓站不均勻沉降觀測，一般在海上升壓站一層甲板層設置1套靜力水準系統(共4個靜力水準點)，分別安裝在升壓站主立柱處。

1.2 鋼板應力計

振弦式鋼板計用于監測海上升壓站導管架與風機塔筒中鋼板結構物的應力應變， 安裝于鋼結構表面，鋼結構的變形將通過固定于鋼板上的夾具傳遞給儀器端塊并引起儀器內鋼弦發生應力變化，從而改變鋼弦的振動頻率。鋼板應力計一般安裝在海上升壓站導管架各主立柱與主梁交叉焊接部位。單樁風機主要安裝在基礎內平臺略上的樁體內壁上，多樁風機布置在兩組撐桿與主筒體、樁套管鋼管樁附近，鋼板應力計在風機內安裝方向均為主風向和垂直主風向。

1.3 動態傾角儀

傾角儀為大量程、高精度的二分量傾斜度測試傳感器，采用高精度的差動電容芯片作為感應器件，用于測試海上升壓站及風機基礎、塔筒等結構的二維動態傾斜度的監測。海上升壓站一般布置在主風向的一層主立柱和頂層主立柱處。風機塔筒布置在風機基礎內平臺略上的樁體內壁上和風機頂部。

1.4 加速度計

加速度計用于監測海上升壓站及風機運行振動情況的傳感器，以測量風機的整體振動頻率、振動加速度幅值以及螺栓松動情況。海上升壓站布置在主風向一層主立柱和頂層主立柱，風機塔筒布置在風機基礎內平臺略上的樁體內壁上和風機頂部(塔筒頂法蘭略下的樁體內壁上)。

1.5 位移計

位移計用于監測風機頂部晃動位移變化情況，主要布置在風機塔筒頂部偏航層(頂法蘭略下的樁體內壁上)。

1.6 腐蝕電位測點

腐蝕測點用于監測海上鋼結構陰極防護系統的腐蝕監測，測點一般布置在升壓站和風機所在區域的海床面和極端低水位、設計低水位之間。

2 儀器安裝

海上風電升壓站安全監測設備施工流程見圖1，海上風電機安全監測設備施工流程見圖2，安全監測主要儀器安裝介紹如下。

圖1 海上風電升壓站安全監測設備施工流程

圖2 海上風電風機安全監測設備施工流程

2.1 靜力水準儀

靜力水準儀安裝節點應選擇合適的時機進行安裝，安裝時間應在海上升壓站上部結構整體吊裝至海上，海纜全部敷設完成后進行施工，靜力水準儀安裝基座需在出海前進行焊接。靜力水準儀設備安裝要點如下：

(1) 熟悉圖紙，準備靜力水準儀安裝設備及附件、工具、材料。

(2) 測量升壓站4個主立柱儀器基座之間距離，先進行靜力水準儀管路保護橋架施工，保護橋架材質必須為316L不銹鋼橋架。橋架與橋架之間采用螺母連接，每隔1 m采用卡扣固定。

(3) 剪切好適當長度的通液管，放置在保護橋架內，每個儀器部位與管路使用三通連接頭，將所有的管路封閉連接，用堵頭封閉液位沉降計的末端，檢查管路密封性。

(4) 將液位計儲液罐安裝在焊接的基座上，使用基座調平螺絲進行調平。灌入防凍液，把首尾兩端沉降計的氣口打開，形成高差，從首端沉降計輸液口進行防凍液灌注；另一端進行排氣，灌注適量防凍液后，用讀數儀讀出各液位沉降計的讀數，判斷其液位是否處于要求的位置。

(5) 灌注完成后安裝液位計傳感器，檢查所有管路密封情況，安裝保護罩。

(6) 將靜力水準儀線纜與預埋至橋架的線纜連接，在繼保室監測柜按照儀器廠家調試要求調試采集數據模塊軟件，設定自動裝置，記錄首次安裝后讀數是否正常。

2.2 鋼板應力計

鋼板應力計安裝前需將夾具焊接至導管架或樁身鋼結構表面，海上升壓站導管架在建造期間應安裝焊接鋼板應力計穿線保護管路，管路材質一般應為鍍鋅管，管內直徑根據穿線截面確定，壁厚大于3.8 mm。所有保護管、鋼墊板、卡扣、保護盒等均需采用高強度不銹鋼材料，且耐海水腐蝕。鋼板應力計安裝示意見圖3，鋼板應力計安裝要點如下：

圖3 鋼板應力計安裝示意

(1) 根據圖紙標示確定穿線管路長度，應在導管架分段制作期間焊接線纜保護管，線纜保護管與導管架、鋼管樁等結構之間每隔2 m用鋼墊板進行隔離。將鋼墊板按照線纜保護管的位置焊接在鋼管樁身，然后將線纜保護管采用卡箍或者角鋼固定或焊接在鋼墊板上，鋼墊板為弧形結構，弧度必須與鋼管樁身保持一致；鋼墊板與鋼管樁之間采用滿焊。

(2) 焊接鋼板計保護罩，保護罩可采用方形或弧形保護罩，厚度大于100 mm。鋼板應力計保護罩安裝見圖4。

圖4 鋼板計、加速度計、傾角儀安裝

(3) 焊接鋼板計的夾具時，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。

(4) 待導管架分段組裝具備安裝條件時進行監測儀器安裝，安裝前必須對鋼板應力計進行率定，測量儀器各項參數并記錄；安裝振弦式鋼板計夾具螺栓時要對角線逐個均勻上緊，并用振弦式測量儀進行跟隨量測，在夾具緊固時可根據需要調整儀器的測量范圍。

(5) 鋼板計安裝完成后，并經測量儀測量工作正常后，將保護罩中打滿玻璃膠水扣緊，使用螺絲固定，保護罩扣上去時要確保有多余的玻璃膠從側方擠壓出邊緣，將保護罩邊緣漏出的玻璃膠用手涂抹平滑。

(6) 線纜向上牽引至導管架檢修平臺，平臺出口需妥善保護，并標注或安裝標示牌，防止其他單位安裝檢修平臺格柵或欄桿時氣割、氧焊作業時破壞線纜。

(7) 風機塔筒內部鋼板應力計焊接和安裝與導管架不盡相同，需注意鋼板計安裝位置與方向，必須保證在鋼管樁頂部內平臺附近主風向為基準方向沿環向對稱焊接，并在出廠運至海上打樁前確?；栏幚矸显O計要求。

(8) 所有鋼板應力計線纜均需接入至海上壓站站上部結構二層繼保室，橋架線纜必須提前預埋，應做好線纜標記，避免混淆，線纜線牽引至一層平臺可使用316L金屬波紋管保護，接入就近橋架內引入繼保室。

(9) 人工方式量測時，可采用 PSM-V型振弦式儀器檢測儀進行測量。測量時分別與接入檢測指示儀的連接線纜對應顏色的分線線纜夾相連。按照 PSM-V型振弦式儀器檢測儀使用說明書，讀取頻率模數及溫度值。自動測量可接“智能分布式安全監測數據采集系統”進行測量，該系統能實現自動定時監測，自動存儲數據及數據處理，并能實現遠距離監控和管理；自動測量時，振弦式鋼板計接入“智能分布式安全監測數據采集系統”后，儀器的測量、計算存儲均自動完成，無須人工干預。

2.3 動態傾角儀、加速度計、位移計

動態傾角儀、加速度計、位移計安裝均需在海上作業完成，以上儀器需在風機鋼管樁和塔筒制作出廠前焊接儀器安裝基座。傾角儀、加速度計、位移計安裝要點如下：

(1) 熟悉圖紙，確定儀器基座焊接高程，位置，方向，與風機塔筒和基礎制作單位協調做好儀器基座焊接交底工作。

(2) 儀器基座的制作需嚴格按照圖紙標示尺寸進行制作，焊接必須為滿焊，安裝孔之間的距離一定要準確。

(3) 所有儀器基座焊接完成后必須采取與主體結構相同的防腐措施。

(4) 升壓站儀器安裝必須在上部結構吊運出海之前完成，在升壓站線纜橋架施工完成后，根據現場實際情況，在升壓站二次線纜敷設時安裝儀器，應提前計算各個位置儀器線纜長度，留足富余量，儀器安裝完成后將線纜放置在就近橋架內敷設至繼保室監測柜，線纜敷設應盡量避開動力電纜。

(5) 二向傾角儀安裝方向必須滿足設計要求，安裝方向一般為一個(X軸)安裝方向為主流向，另一個(Y軸)安裝方向為垂直于主流向。三項加速度計一個(X軸)安裝方向為為主流向，一個(Y軸)安裝方向為垂直于主流向，另一個(Z軸)安裝方向為豎直方向，安裝時調整一組定位銷的方向與待測方向一致，方位角精度為±3°[2]。傾角儀、加速度計、位移計安裝詳見圖4。

(6) 風機監測設備可在基礎、塔筒及輪轂全部安裝完成后進行安裝，出海安裝前需對儀器及采集軟件進行校準鋁錠，確保儀器與采集軟件正常；所有安裝儀器、輔材出海前應認真檢查，避免遺漏。

(7) 加速度計、傾角儀、位移計在風機塔筒內安裝順序為2人先行攀爬至風機頂部，將儀器固定在已焊接好的基座上，方向一般在主風向位置，Y軸向靠近鋼管壁，X軸向為風機中心，使用螺絲進行固定，安裝完成后應量測已安裝儀器是否處于水平位置；塔筒或樁身部位線纜應使用阻燃波紋管進行保護并牽引至就近橋架；橋架內線纜布置應整齊、美觀，注意線纜敷設應避免受強磁干擾[5]。

(8) 風機頂部儀器安裝完成后將線纜綁扎牽引至采集平臺，同時從電源與通訊機柜敷設一根電源線、網線牽引采集箱內。

(9) 監測設備采集單元箱采用不銹鋼螺絲固定，螺柱均需在風機基礎出海之前焊接。

(10) 各儀器線纜根據規范分別接入對應的采集單元箱內。為了方便后期維護與檢查，各儀器接線按照“設備上遵循先高后低，信號線遵循先黃后綠”的順序接線。線纜中紅色線接入正極，黑色、白色、屏蔽線接入負極。黃線(X軸信號線)與綠線(Y軸信號線)為信號線。傾角儀采集單元箱電源正極、負極只有一個輸入接口，因此接入多支傾角儀時需將所有紅線合并為一根接入正極；所有黑色、白色、屏蔽線也需合并為一根接入負極。其余信號線根據順序依次接入。

(11) 所有安裝工作完成后，采集單元箱通電，插入網線，并打開開關測試通電是否正常。

(12) 所有安裝，接線工作結束后，對各個監測儀器，采集單元箱進行拍照留存，主要拍清楚監測儀器編號，采集單元編號，為日后整理內業資料提供檔案數據，并在各個采集單元箱指示屏點擊“校準”，使其讀數“歸零”。

(13) 接入網絡機柜的網線測試，打開測試軟件搜素采集單元箱的IP，并利用軟件修改名稱、網絡IP提前申報，避免與其他單位IP發生沖突，修改完成后輸入對應的IP號并點擊連接，發送“/data/”指令，軟件會每秒刷新一次實時監測數據，此時代表監測儀器正常采集和傳輸數據。

2.4 腐蝕電位測點

測點一般布置在升壓站和風機所在區域的海床面和極端低水位、設計低水位之間，均需在出海前完成安裝。

(1) 腐蝕測點安裝鋼護筒應在升壓站導管架或風機套籠制作期間焊接，穿線鋼管焊接方法與鋼板應力計保護鋼管相同。

(2) 腐蝕測點保護鋼筒需預留透水孔，海水可通過透水孔進入護筒內部與參比電極接觸，參比電極固定時必須與鋼護筒絕緣，安裝前先使用高精度萬用表測量腐蝕測點是否正常，測量后先將參比電極裝入橡膠水帶中(橡膠水帶需打孔，以使海水與參比電極接觸)，然后使用土工布包裹參比電極及橡膠水帶，并使用扎帶固定，封閉兩側(包裹厚度根據參比電極與保護筒之間的空隙，松緊程度決定)，將固定、封閉好的參比電極放置在鋼護筒內，鋼護筒使用堵漏王封口，防止參比電極在運輸過程掉落。

(3) 安裝完成后線纜穿入保護鋼管管內集中向上牽引至導管架檢修平臺或風機套籠格柵平臺處，將線纜放置在平臺采集箱內，人工測量，也可接入自動化監測系統。

3 海上風電安全監測設備施工注意事項

3.1 靜力水準

靜力水準儀線纜一定要提前預埋在升壓站橋架內，否則升壓站腳手架拆除后將無法實現預埋。預埋線纜兩側端頭熱縮標簽，防止與其他線纜混淆，必須在海纜鋪設完成后才能進行靜力水準儀安裝，否則在鋪設海纜期間可能造成不銹鋼橋架及線纜受損；防凍液灌注完成后應仔細檢查，管內不能出現氣泡等，所有焊接部位必須采用與主體結構相同的防腐措施，以避免長期暴露在海上復雜環境中而導致腐蝕破壞；靜力水準儀安裝前后應及時測量讀數，并及時將數據存檔[4]。

3.2 鋼板應力計

鋼板應力計接線必須滿足規范要求，在安裝前后要測量、記錄各項參數，如發現儀器不正常應立即返工，儀器安裝完成經檢測正常后，記錄儀器模數和溫度等參數作為初始值應記錄保存；儀器預埋在橋架時和安裝前，編號與位置編號相對應，并在線纜斷頭熱縮標簽，避免出現混淆；導管架分段組裝時應現場監護，以免破壞[1]。接長電纜芯線接頭長度見表1，接長線纜連接及保護創面示意見圖5。

表1 電纜芯線接頭長度表

圖5 接長線纜剖面示意

3.3 傾角儀、振動加速度、位移計安裝注意事項

電源線接入孔、網線通訊都需與業主協商分配，切勿私接；網絡IP段需在安裝前與業主溝通申報說明，避免與其他單位IP發生沖突；采集單元箱在出海安裝前需進行調試以及相關參數的設置，具體參數由儀器廠家提供；風機塔筒、輪轂、風葉吊裝作業時嚴禁進入塔筒內進行安裝作業；風機內儀器安裝基座遺漏，應使用射釘槍固定，嚴禁動火；所有儀器安裝必須注意安裝位置為主風向，如若不在主風向位置，需記錄其安裝方位角度，以便于參數調試時修改方位角。

3.4 腐蝕測點(參比電極)安裝注意事項

腐蝕測點安裝固定時，必須保證與鋼護筒絕緣，切不能直接碰觸鋼護筒[3]。參比電極鋼保護簡及設備安裝見圖6。

圖6 參比電極安裝

4 海上風電安全監測設備埋設主要設備材料

安全監測儀器安裝埋設施工的主要材料及設備見表2。

表2 安全監測儀器安裝埋設施工的主要材料及設備

5 設備安裝過程保護

海上風電安全監測儀器設備的損壞主要分為：施工損壞、人為損壞、安裝埋設損壞和不可預見因素損壞這四大類，可采取的防范保護措施如下：

(1) 了解熟悉監測施工的情況和方法，與土建施工方密切配合，需在不受土建施工影響、具備監測儀器安裝埋設的技術條件后，才進行監測儀器的安裝埋設。

(2) 加強現場巡視，在施工期間做到每天有監測人員在現場巡視，發現情況及時匯報。

(3) 密切保持與監理和施工單位的聯系和配合，及時將監測設施情況反饋給有關方面，當發現監測與施工有沖突時及時報告監理，由監理進行協調。

(4) 在已安裝埋設的監測設施上設醒目標記，并通知周圍有關人員注意保護。

(5) 儀器設備安裝以后，在埋設以前一直有人值班看守，直至儀器設備埋入；在安裝埋設以后，保護設施安裝以前，也要有人值班看守直至保護設施安裝。

(6) 儀器設備運輸、保管和使用等過程中，嚴格按廠家儀器設備使用說明要求進行防壓、防擊、防震、防熱、防潮和防凍保護。

(7) 儀器率定和組裝時，嚴格準照儀器使用說明書和規范要求進行，不違反操作規程。

(8) 現場進行儀器安裝時，嚴格按照施工技術規程規定的程序、工藝和技術控制標準進行操作。

(9) 儀器安裝就位后及時掩埋或安裝保護裝置。安全覆蓋前每天24 h對儀器設備進行值班守護，避免施工中損壞。發現異?；螂[患及時檢查處理或排除。

(10) 監測過程中若發現儀器測值異常，及時判斷、查找原因并進行修復或補埋。

(11) 儀器運行期間按照運行期的儀器設備和觀測管理規定進行及時的維護和檢驗，設置警示標志，同時提醒其他現場工作人員，提高對監測儀器重要性的認識。

6 結 語

海上風電機組監測風機作業點多、分布廣、水上作業時間長，有效工作時間短，監測施工既有靜態監測，又有動態監測，既有陸地安裝，又有海上安裝，涉及專業領域廣，技術難度大?，F場監測施工工作安全、有序的推進存在較大的管理難度。施工期，必須做好安全技術交底，必須重視對所有傳感器的安裝埋設位置、編號、走向、時間、埋設前后的數據及時整理，以免遺漏。