35 kV海纜施工優(yōu)化與創(chuàng)新探索

【關(guān)鍵詞】35 kV海纜；海上風(fēng)電；施工優(yōu)化；技術(shù)創(chuàng)新

引言

近年來，全球海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，我國海上風(fēng)電裝機容量已躍居世界第一。海上風(fēng)電已成為推動能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要力量，海上風(fēng)電機組日益向大容量、遠(yuǎn)距離方向發(fā)展，對風(fēng)電場內(nèi)集電與送出系統(tǒng)提出了更高要求。35 kV海纜作為連接風(fēng)電機組與升壓站的重要紐帶，其施工質(zhì)量的優(yōu)劣影響著風(fēng)電場的發(fā)電效率與運維成本。但海纜鋪設(shè)建設(shè)面臨著海況復(fù)雜多變、作業(yè)工況惡劣等諸多不利因素，施工效率低、故障率高等問題日益凸顯，傳統(tǒng)的施工模式和方法已難以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的需求。

一、35 kV海底電纜施工優(yōu)化與創(chuàng)新的重要意義

（一）提升海上電力傳輸系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性

35 kV海底電纜是海上風(fēng)電場電力收集與傳輸?shù)闹匾d體。電纜施工質(zhì)量的優(yōu)劣，關(guān)系到風(fēng)電場電力傳輸?shù)姆€(wěn)定性與可靠性，海纜鋪設(shè)施工不當(dāng)易引發(fā)電纜故障，導(dǎo)致發(fā)電機組無法并網(wǎng)或電力傳輸中斷，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。海纜維修更換受海況條件制約，搶修周期長、成本高昂。提升海纜施工水平，是確保海上風(fēng)電安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵所在，通過施工工藝優(yōu)化創(chuàng)新，精準(zhǔn)把控鋪設(shè)過程中的每個細(xì)節(jié)，提高電纜防護(hù)等級，能降低海纜故障率，維護(hù)電力傳輸系統(tǒng)高效穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，為風(fēng)電場發(fā)電保駕護(hù)航[1]。

（二）降低海纜工程建設(shè)與維護(hù)成本

海纜工程建設(shè)是海上風(fēng)電開發(fā)的重要組成部分，工程造價在整個風(fēng)電場投資中占比可觀。鋪設(shè)完成后的海纜運維成本也十分可觀，而提升海纜施工水平，能有效降低工程建設(shè)和運維成本。施工優(yōu)化能縮短施工工期、減少材料損耗，節(jié)約工程投入。高質(zhì)量的施工有助于降低海纜故障率，避免高昂的運維與更換費用，尤其是海纜施工領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，能顯著提升海纜防護(hù)能力與使用壽命，在降本增效中發(fā)揮重要作用?？梢哉f，施工優(yōu)化創(chuàng)新是降低海纜全生命周期成本的關(guān)鍵舉措，對于提升海上風(fēng)電項目的經(jīng)濟(jì)性、推動風(fēng)電平價上網(wǎng)具有重要意義。

（三）促進(jìn)海洋可再生能源開發(fā)與利用

海上風(fēng)電是我國實施海洋強國戰(zhàn)略、建設(shè)海洋能源強國的重要抓手，海底電纜建設(shè)是推動海上風(fēng)電規(guī)?；_發(fā)的關(guān)鍵一環(huán)。我國正大力推進(jìn)以海上風(fēng)電為代表的海洋可再生能源開發(fā)，而電纜施工水平的高低，在很大程度上制約著海上風(fēng)電開發(fā)的步伐。高質(zhì)高效的海纜施工能加快風(fēng)電項目建設(shè)進(jìn)度，推動大容量風(fēng)電基地建成投產(chǎn)。電纜施工水平的提升，能為更大規(guī)模、更遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電開發(fā)奠定技術(shù)基礎(chǔ)，助力我國海上風(fēng)電由近海向深遠(yuǎn)海拓展。海纜施工領(lǐng)域的優(yōu)化創(chuàng)新，是破解制約我國海上風(fēng)電發(fā)展的“卡脖子”難題的關(guān)鍵所在，對于加快建設(shè)海洋能源強國具有重大戰(zhàn)略意義。

二、35 kV海纜施工面臨的主要挑戰(zhàn)

（一）復(fù)雜海底環(huán)境條件下的施工技術(shù)難題

由于海上風(fēng)電場多建設(shè)于水深大、水流急、地質(zhì)條件復(fù)雜的海域，海纜鋪設(shè)施工面臨諸多技術(shù)難題。一是精確的路由測量與布設(shè)，海床地形復(fù)雜多變，存在沙波、溝槽、暗礁等障礙，給海纜路由規(guī)劃和布放帶來挑戰(zhàn)。二是對復(fù)雜地質(zhì)條件的適應(yīng)性差，當(dāng)前海纜鋪設(shè)設(shè)備大多針對軟土、沙土等單一地質(zhì)設(shè)計，在巖石、礫石海床上施工困難重重，埋設(shè)精度難以保證。三是纜體防護(hù)困難，受海底地形起伏、水下障礙物等影響，海纜防護(hù)措施如埋設(shè)、拋石壓護(hù)等難以到位，海纜長期裸露于海床，極易遭受損傷。復(fù)雜海洋環(huán)境對海纜施工技術(shù)提出了更高要求，亟需在精確測量、設(shè)備適應(yīng)性、防護(hù)措施等方面尋求突破。

（二）海纜敷設(shè)與保護(hù)工藝的局限性

目前海纜鋪設(shè)施工主要采用水下拖曳、水下機器人輔助等方式，施工效率和埋設(shè)質(zhì)量有待提升。傳統(tǒng)的海纜防護(hù)措施大多采用鋪設(shè)沙袋、安裝混凝土壓塊等人工作業(yè)方式，耗時費力且防護(hù)性能有限，尤其當(dāng)海纜需穿越礁石區(qū)、水下管線密集區(qū)等復(fù)雜路段時，現(xiàn)有敷設(shè)保護(hù)工藝難以勝任。隨著海上風(fēng)電向大容量、遠(yuǎn)距離方向發(fā)展，以及高電壓等級海纜的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)有施工工藝局限性日益凸顯，亟需開發(fā)高效、精準(zhǔn)、可靠的海纜鋪設(shè)設(shè)備和防護(hù)材料，從而破解制約海纜施工水平提升的瓶頸。工藝流程優(yōu)化、多種施工方式協(xié)同應(yīng)用等，也是提升海纜施工綜合效能的重要路徑[2]。

（三）施工質(zhì)量管控與安全風(fēng)險防范困境

由于海上施工受海況影響大、不確定性強，加之缺乏行之有效的質(zhì)量監(jiān)管手段，海纜施工質(zhì)量管控面臨諸多困境，傳統(tǒng)的質(zhì)檢模式過于依賴人工抽檢，存在質(zhì)檢頻次低、發(fā)現(xiàn)問題滯后等不足。缺乏有效的數(shù)字化管理手段，施工數(shù)據(jù)分散，質(zhì)量問題難以追溯，而海況惡劣、施工船舶密集等因素，也使海上施工安全風(fēng)險居高不下，海纜與海底障礙物纏繞、施工船舶碰撞等事故時有發(fā)生，嚴(yán)重威脅作業(yè)人民生命安全和施工進(jìn)度，傳統(tǒng)的安全管理靠人工經(jīng)驗判斷，預(yù)警和處置能力不足。如何實現(xiàn)質(zhì)量安全管理手段的創(chuàng)新，構(gòu)建數(shù)字化、精細(xì)化的質(zhì)量安全防控體系，是當(dāng)前海纜施工管理急需破解的難題。

三、35 kV海纜施工優(yōu)化與創(chuàng)新的策略與方法

（一）基于多維數(shù)據(jù)的海底環(huán)境精準(zhǔn)施工技術(shù)

針對復(fù)雜海底地形地貌給海纜鋪設(shè)帶來的挑戰(zhàn)，可利用水下機器人、側(cè)掃聲吶等先進(jìn)探測設(shè)備，高精度采集海底地形、地質(zhì)、障礙物等多維數(shù)據(jù)，構(gòu)建海底環(huán)境三維可視化模型。通過對海底地形起伏、溝谷分布、海床質(zhì)地等數(shù)據(jù)的精細(xì)刻畫，全面掌握海纜路由區(qū)域的地貌特征，在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化海纜路由方案，科學(xué)選擇纜線走向，避開海底障礙物密集區(qū)和地質(zhì)條件惡劣區(qū)，最大程度降低施工難度，做到因地制宜、精準(zhǔn)布設(shè)。利用三維可視化模型對鋪纜設(shè)備的作業(yè)參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化，如拋石部署位置、鋪設(shè)張力大小、埋設(shè)深度分布等，提高設(shè)備對復(fù)雜海床條件的適應(yīng)性，確保施工過程的平穩(wěn)可控，通過設(shè)備與環(huán)境的匹配性設(shè)計，因材施工，在不同區(qū)段采取差異化的鋪纜方式和防護(hù)措施，提高海纜埋設(shè)深度與防護(hù)水平[3]。

例如，某海上風(fēng)電工程海纜鋪設(shè)面臨復(fù)雜水文地質(zhì)條件，海床高差值達(dá)30米，且分布有多處沉船殘骸、礁石等障礙物。施工單位采用了多波束測深、淺地層剖面、水下機器人等設(shè)備，對全線200平方公里海域開展了高密度地形地貌調(diào)查與障礙物探測，獲取了亞米級分辨率的地形地貌數(shù)據(jù)和障礙物分布圖。在海底地形三維模型的支持下，技術(shù)人員對原設(shè)計路由進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，繞開了2處沉船殘骸密集區(qū)和3處裸露礁石區(qū)，鋪設(shè)總里程縮短5.2公里，節(jié)約投資3 800余萬元。根據(jù)不同路段的海床條件，對水下鋪設(shè)設(shè)備的鋪放速度、導(dǎo)纜架傾角、埋設(shè)深度等參數(shù)進(jìn)行了針對性優(yōu)化，攻克了復(fù)雜地質(zhì)下的鋪纜難題。通過“測繪-設(shè)計-施工”一體化，項目實現(xiàn)了4條35 kV海纜的精準(zhǔn)鋪設(shè)，最大埋深達(dá)到3.2米，電纜防護(hù)水平得到大幅提升，為風(fēng)電場安全穩(wěn)定運行提供了堅實保障。

（二）海纜敷設(shè)與保護(hù)工藝的創(chuàng)新應(yīng)用

針對傳統(tǒng)海纜施工工藝效率不高、可靠性不足等問題，大力研發(fā)新型海纜鋪設(shè)與防護(hù)設(shè)備，并優(yōu)化施工工藝流程，提升海纜鋪設(shè)質(zhì)量和效率。一是研制全自動化水下布放設(shè)備，集成水下定位、路由跟蹤、張力監(jiān)測等功能，通過智能感知與自適應(yīng)控制技術(shù)，實現(xiàn)設(shè)備一鍵式操控和自主作業(yè)，減少人為干預(yù)，提高施工精度和效率。二是應(yīng)用新型海纜防護(hù)材料，如高強度防沖刷混凝土外護(hù)層、智能監(jiān)測光纜等，增強電纜的物理屏蔽和故障診斷能力，全面提升海纜抗風(fēng)險能力，延長使用壽命，外護(hù)材料的柔韌性、抗疲勞特性等也需經(jīng)過精心設(shè)計，以適應(yīng)海底復(fù)雜多變的應(yīng)力環(huán)境。三是創(chuàng)新工藝流程，優(yōu)化作業(yè)時序，如采用“鋪設(shè)-檢測-防護(hù)”一體化工藝，在鋪設(shè)過程中同步開展纜體狀態(tài)檢測和外護(hù)層鋪設(shè)，減少海纜裸露時間，提高防護(hù)到位率。針對特殊路段施工，如海纜登陸段，可采用定向鉆、頂管、敞開槽等多種方式結(jié)合，因地制宜制定施工方案，確保登陸段的施工安全和電纜防護(hù)等級[4]。

例如，在某海上風(fēng)電項目中，施工單位采用了新研發(fā)的自航式海纜敷設(shè)船和高強度防沖刷混凝土外護(hù)層，提升了海纜鋪設(shè)質(zhì)量和效率。該敷設(shè)船配備了自動巡航、路由跟蹤、張力反饋控制等系統(tǒng)，可實現(xiàn)船速和索具放纜速度的精確匹配，確保纜線始終處于設(shè)計路由上，索具張力始終在安全范圍內(nèi)。采用了新型環(huán)保混凝土外護(hù)材料，通過特殊配方，使其抗壓強度達(dá)到C60，抗沖刷系數(shù)比常規(guī)材料提高1倍，大幅增強了電纜的防護(hù)能力。施工中，依托船載聲吶、磁力儀等設(shè)備，在鋪設(shè)過程中同步開展管溝開挖質(zhì)量檢測，發(fā)現(xiàn)偏差并調(diào)整，實現(xiàn)了海纜鋪設(shè)與防護(hù)的一體化作業(yè)。在長達(dá)15公里的登陸路段，項目采取了定向鉆與敞開槽相結(jié)合的方案，成功攻克了塑性淤泥層頂管施工、砂石層保護(hù)套管就位等難題，確保了登陸段防護(hù)等級與外海段一致。通過裝備創(chuàng)新和工藝優(yōu)化，項目單日敷設(shè)速度最高達(dá)到6.8公里，比常規(guī)工藝提速30%以上，整體工期縮短15天，創(chuàng)造了同類項目的最優(yōu)紀(jì)錄。

（三）數(shù)字化質(zhì)量管控與風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建

面向海纜工程建設(shè)全過程，融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一代信息技術(shù)，構(gòu)建數(shù)字化質(zhì)量管控和安全風(fēng)險預(yù)警體系，實現(xiàn)質(zhì)量安全的精細(xì)化管理。在此過程中，通過在海纜和鋪設(shè)設(shè)備上植入各類傳感器，對電纜溫度、應(yīng)變等狀態(tài)參數(shù)以及設(shè)備位移、速度等作業(yè)參數(shù)進(jìn)行全天候采集和無線回傳，結(jié)合視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)等，搭建施工過程智能化監(jiān)測系統(tǒng)。通過邊緣計算和智能分析算法，對質(zhì)量缺陷的發(fā)生概率、程度進(jìn)行實時評估，做到質(zhì)量問題的早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警、早處置，引入質(zhì)量安全大數(shù)據(jù)分析模型，基于施工參數(shù)閾值判斷質(zhì)量缺陷，對各工序質(zhì)量進(jìn)行量化評估，預(yù)警質(zhì)量風(fēng)險，監(jiān)控整改落實情況，建立質(zhì)量問題溯源機制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)串聯(lián)、責(zé)任到人。對施工船舶航行狀態(tài)、海況變化趨勢等進(jìn)行智能分析，構(gòu)建施工安全風(fēng)險評估模型，提前識別和告警危險因素，確保安全施工，將各環(huán)節(jié)的安全風(fēng)險分級管控，制定差異化的安全管理策略，重點區(qū)段、關(guān)鍵節(jié)點嚴(yán)防死守，其他區(qū)段做好安全提示和應(yīng)急準(zhǔn)備[5]。

例如，在某海上風(fēng)電項目220 kV海纜鋪設(shè)過程中，施工單位應(yīng)用了一套集物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能于一體的智慧海纜管理系統(tǒng)。在系統(tǒng)支持下，工程全過程質(zhì)量安全管理實現(xiàn)了“感知化網(wǎng)絡(luò)化智能化”的躍升，海纜鎧裝和外護(hù)層內(nèi)置光纖測溫、聲發(fā)射等傳感器，對電纜運行狀態(tài)進(jìn)行24小時監(jiān)測，相關(guān)數(shù)據(jù)實時回傳至岸上數(shù)據(jù)中心。系統(tǒng)利用邊緣計算單元，對海量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行多維關(guān)聯(lián)分析，通過與設(shè)計閾值、運行閾值的實時比對，對纜溫異常、鎧裝開裂等質(zhì)量缺陷及早發(fā)現(xiàn)，并自動生成質(zhì)量預(yù)警，指導(dǎo)運維人員快速處置。施工船舶配備了基于北斗高精度定位船載終端，對船位、船速、海況等信息進(jìn)行全天候上報。云端風(fēng)險評估引擎通過對歷史數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)形成安全風(fēng)險知識圖譜，對當(dāng)前作業(yè)面臨的觸礁、錨損等風(fēng)險進(jìn)行智能預(yù)判，結(jié)合海況趨勢預(yù)報，提前5小時甚至更長時間發(fā)出安全預(yù)警，為現(xiàn)場安全防范決策提供了數(shù)字化助手。在本系統(tǒng)加持下，人-船-纜的全時共聯(lián)、業(yè)-財-安的“數(shù)-實”交互得以實現(xiàn)，工程質(zhì)量安全數(shù)字化管控水平實現(xiàn)了跨越式提升，海纜鋪設(shè)一次驗收合格率從92%提升至98%以上，質(zhì)量缺陷發(fā)現(xiàn)率從0.2條/公里降至0.05條/公里；有效預(yù)警和規(guī)避了多起海況惡化、船舶失控、海纜外力破壞等安全風(fēng)險，為工程如期優(yōu)質(zhì)履約奠定了堅實基礎(chǔ)。

結(jié)語

35 kV海纜工程建設(shè)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，對施工技術(shù)與管理水平提出了更高要求。面對新時期的海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展需求，必須以創(chuàng)新引領(lǐng)海纜施工領(lǐng)域變革。通過加強頂層設(shè)計，強化多元主體協(xié)同，加大資金投入和人才培養(yǎng)，全面提升海纜建設(shè)的技術(shù)裝備、施工工藝、管理模式等，破解制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。要大力推動數(shù)字化、智能化技術(shù)與海纜全生命周期管理深度融合，推動形成一批先進(jìn)適用的海纜建設(shè)新技術(shù)、新工藝、新裝備，為更大規(guī)模開發(fā)利用海洋能源提供有力支撐。加強研發(fā)創(chuàng)新平臺建設(shè)，完善海纜建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，營造開放協(xié)同、鼓勵創(chuàng)新的良好發(fā)展生態(tài)，不斷提升海纜工程的建設(shè)水平和綜合效益，為我國加快建設(shè)海洋強國、能源強國，實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)貢獻(xiàn)更大力量。

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