新型海上風電智能陰極保護系統研究與應用

李光達 趙 巖 李 杰 駱忠江

（1. 中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518000；2. 浙江鈺烯腐蝕控制股份有限公司，浙江 寧波 315000）

0 引言

隨著世界范圍內可持續發展和綠色能源越來越受到重視，近些年來，我國海上風電發展迅速。與內陸型風電機組基礎相比，海上風電裝備處于腐蝕環境惡劣的海洋環境下，腐蝕問題尤其嚴重[1]。如果不能有效控制海上風電機組設備的腐蝕，將對風電機組的安全運行和經濟效益造成重大損失。海上風電機組基礎鋼樁一般長達數十米（依水深不同），其泥下段通常為沒有涂裝的裸露金屬直接楔于海床中；水上段與空氣接觸，主要依靠涂層防腐；而處于海水和海泥中介質的部分更加容易發生腐蝕，因此，除進行涂層保護外還需要采取額外的方式來減緩樁體的腐蝕。

目前，“涂層+陰極保護”技術是風電基礎鋼樁最為有效的防腐手段。陰極保護包括外加電流法和犧牲陽極法[2-4]。海上風機基樁的陰極保護以往多采用犧牲陽極保護方式，但是隨著近年來陰極保護行業技術的進步和環保要求的提高，外加電流方法應用開始獲得增長[5]，其優勢包括：外加電流陰極保護系統只需要配置很少的輔助陽極和直流恒電位儀等配套元件即可，其原料成本和施工成本總計約為犧牲陽極系統的80%；對于一個1000兆瓦風電場，只需要750克的金屬混合氧化物（MMO）涂層，這些氧化物由銥，鉑，釕等貴金屬制成，年消耗率只有幾毫克，大幅度降低對海洋環境和生物的危害；外加電流系統安裝只涉及到陰極和零位接陰兩個點的焊接，焊點數量少，而且可以在平臺上鋼結構上進行焊接，易進行涂層修復，對風機整體結構影響小；外加電流陰極保護系統可以根據季節變化、海洋環境變化、結構表面特征來調節電流輸出，以實現陰極保護系統的可調可控和監測[6]。此外，智能化、信息化和高性能化已經成為國內外各工業行業的發展方向，據此，開發了新一代面向信息化、智能化和數字運營需求的智能陰極保護系統，并在某海上風電項目兩臺風機上進行了實際工程應用。

本文以廣東某海上風電項目28#、39#風機內外壁鋼管樁為研究對象，實際工程驗證了開發的新型智能陰極保護系統設備，采用外加電流系統對處于海水和一定海泥深度環境中的風電樁基礎進行保護，并在設計過程中采用陰極保護仿真模擬技術實現優化設計[7]。此外，根據相關標準和規范的要求[8]：對海上風電的腐蝕狀態需要實行每3個月巡視、每5年檢測。而目前海上風電腐蝕狀態檢查全靠人工完成，整個壽期內防腐運維費用高昂，因此通過陰極保護系統的智能化，來實現腐蝕狀態的實時監控與運維。

1 系統設計

針對某海上風電項目，海上風電智能陰極保護系統主要包括：輔助陽極系統、參比測量系統、線纜系統、智能恒電位儀設備及監測控制系統，系統示意圖如圖1所示。

圖1 海上風電智能強制電流陰極保護系統組成示意圖

風電基礎鋼樁內外壁均采用外加電流方式進行保護。

鋼樁外壁采用盤狀MMO輔助陽極，以法蘭式結構安裝，單個輔助陽極最大輸出電流18A，單臺風機樁外壁設計4套輔助陽極；鋼樁內壁采用懸吊式MMO管狀輔助陽極串，輔助陽極串由4根MMO/Ti管狀陽極組成，單支MMO/Ti輔助陽極最大輸出電流24A。

參比電極采用Ag/AgCl-Zn雙參比電極，同時引入銅棒來防止海洋生物附著在參比電極上。外壁參比電極以盤狀結構安裝，內壁參比電極復合到懸吊式輔助陽極結構上。

系統電源設備采用開發的新型智能抽屜式雙路恒電位儀，采用LCD工業觸摸屏顯示，帶數字通訊接口，支持485和光纖通訊；智能監測控制系統軟件采用本地部署的工業組態軟件。

2 陰極保護數值模擬

為了驗證陰極保護設計的有效性和輔助陽極布置的合理性，采用有限元分析和數值模擬對被保護鋼管樁表面的電位分布進行計算分析。陰極保護數值模擬技術可以針對不同復雜程度的被保護結構，通過基本模型導入建立，極化曲線、平衡電位、交換電流密度等參數的設置，有限元分析以及瞬態、穩態運行計算得到被保護結構體表面的電位分布[9]。

本項目采用專業數值模擬軟件COMSOL對陰極保護系統進行計算，COMSOL由瑞典COMSOL 公司開發，是一款用于陰極保護設計與分析的專業三維仿真軟件，計算精度高，完夠滿足現場工程需要，在業界有較高的聲譽。

設計初期結合模擬仿真通過大量的更改輔助陽極分布位置，計算各個模型的電位分布，最終獲得最優異的陽極分布模型（如圖2所示）。

圖2 風電鋼管樁內外壁電位分布

3 智能化監測與控制管理系統

智能監測控制系統采用本地部署的工業組態軟件，可接入風機恒電位儀實現全功能遠程控制與調節，此外還可開放接入現場各種腐蝕傳感器，本項目中接入了以下腐蝕傳感器：

（1）陽極電流傳感器：實現各陽極輸出電流測量，可實時監控各陽極工作情況；

（2）保護電位傳感器：實現保護鋼樁某些部位的保護電位測量，評價保護效果；

（3）陰極保護數據采集儀：實現通斷電電位、交直流電流密度測量，全面評價陰極保護效果；

（4）電器元件大氣腐蝕探針：監測環境大氣腐蝕性；

（5）環境溫濕度傳感器：監測環境溫濕度；

（6）其他工業傳感器。

通過以上系統設計，可對海上風電可實現高效的遠程數據采集與控制管理，系統具備標準規范的自動化合規管理功能，實現自動化系統監視與管理。

通過智能化監控系統可以實時顯示風電鋼管樁內外壁各輔助陽極輸出電流，鋼樁保護電位，風機內外壁交直流干擾狀態，風機內部塔筒設備間腐蝕環境程度以及對恒電位儀運行狀態的監控和遠程控制，智能監控運行界面如圖3所示。

圖3 39#風機智能化監控畫面

4 應用情況

本風電項目28#、39#風機的陰極保護智能系統于2023年3月完成安裝調試，并投入運行。

在陸地主控室可以通過智能監控系統實時讀取兩臺風機內外壁恒電位儀的運行狀態和內外壁鋼結構的保護情況，以及相關傳感器的監測數據情況，也可以通過監控平臺遠程調控恒電位儀的運行模式和運行數據，以實現更加高效可靠的陰極保護。

迄今為止，兩臺風機陰極保護系統運行穩定，狀態良好，風機內外壁鋼結構保護電位均滿足標準要求，圖4為近二個月兩臺風機內外壁保護電位的數據記錄曲線。

圖4 28#、39#風機內外壁保護電位分布狀況

5 結語

隨著海上風電產業的快速發展，陰極保護系統的智能化是必然發展趨勢。海上智能陰極保護系統以數字化、智能化方式對陰極保護數據進行采集和管理，代替傳統的人工采集方式，可有效減少人力和物力投入，降低陰極保護系統的管理和運維費用。此外，智能陰極保護系統可對風電陰極保護系統還可根據需求集成多種腐蝕傳感器，實現對保護對象、腐蝕環境的實時監測，及時發現系統運行過程中存在的腐蝕安全隱患并進行預警和診斷，為海上風電長期、安全、穩定運行提供有力保障。實踐表明，本智能化陰極保護系統穩定可靠，具備較好的推廣價值。