宋守勇

摘 要：在風電場運營階段，如何對海上風電機組進行有效維護，特別是在惡劣天氣下如何準確判斷風機等海上建筑物及機電設(shè)備的運行狀況，需要在風電場建設(shè)階段設(shè)置針對樁基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測項目，埋設(shè)合適的電測傳感器，根據(jù)海上建筑物的實際運行狀態(tài)進行針對性的維護，達到事半功倍的有效運維策略，因此，對海上風電工程的監(jiān)測技術(shù)進行分析和研究，有利于準確了解結(jié)構(gòu)運行期內(nèi)部與外部的變形，進而為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：海上風電；工程結(jié)構(gòu)；監(jiān)測技術(shù)；應(yīng)用

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）16-0168-02

1 工程監(jiān)測的必要性

海上風電工程結(jié)構(gòu)承受強風、大浪、海流、浮冰等復(fù)雜的海洋環(huán)境荷載及海上鹽霧、潮寒、臺風等惡劣天氣影響，且風、浪荷載具有交變性和隨機性，在這些復(fù)雜荷載聯(lián)合作用下結(jié)構(gòu)可能會產(chǎn)生整體傾覆、斷裂失效、屈曲失穩(wěn)、振動疲勞損傷、地基沖刷、液化和弱化等破壞或風險，嚴重影響和威脅海上風電工程的安全性和耐久性。

我國現(xiàn)階段海上風電場運行監(jiān)控和狀態(tài)評價主要參考陸上風機，只進行風機的運行狀態(tài)監(jiān)測，僅在試驗風機的基礎(chǔ)和塔筒的少量部位進行了應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，遠未實現(xiàn)針對海上風電場結(jié)構(gòu)體系的狀態(tài)監(jiān)測，不能滿足對海上風電場結(jié)構(gòu)體系進行狀態(tài)評價的要求。通過振動監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，海上風機在風、浪等海洋環(huán)境荷載以及風機運行振動作用下，會出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)振動，因此對包括結(jié)構(gòu)振動、受力特性和位移變形等在內(nèi)的海上風機結(jié)構(gòu)體系的運行狀態(tài)進行監(jiān)測非常重要。

對于近海高承臺樁風機運行期的安全監(jiān)測國內(nèi)外尚無系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析。為了監(jiān)控風機運行期樁基礎(chǔ)、基礎(chǔ)承臺的應(yīng)力應(yīng)變、塔筒過渡段的傾斜情況及塔筒的振動狀態(tài)。通過對風機樁基礎(chǔ)及承臺的應(yīng)力狀態(tài)、塔筒傾斜及振動分析，可以得出施工期及運行期風機基礎(chǔ)的受力狀態(tài)及運行期風機塔筒振動情況對基礎(chǔ)承臺的影響。

2 監(jiān)測項目設(shè)置

本文以多樁承臺基礎(chǔ)的風電場監(jiān)測項目為例設(shè)置監(jiān)測項目，其它基礎(chǔ)型式和構(gòu)筑物可參考設(shè)置監(jiān)測項目。

2.1 差異沉降監(jiān)測

一般布置在混凝土承臺頂部，均勻布置4個監(jiān)測點，其中一對監(jiān)測點布置在主風向上。人工監(jiān)測通常采用高精度的幾何水準測量法，自動化監(jiān)測通常安裝靜力水準儀，將傳感器納入自動化監(jiān)測系統(tǒng)。

2.2 傾斜監(jiān)測

一般布置在混凝土承臺頂部、每節(jié)塔筒頂部及機艙內(nèi)，監(jiān)測儀器采用雙向傾角儀，其中一個測試方向為順主風向，另一個測試方向為垂直于主風向。

2.3 振動監(jiān)測

一般布置在混凝土承臺頂部、每節(jié)塔筒頂部及機艙內(nèi)，與傾角儀配套布置，監(jiān)測儀器采用二向加速度計，其中一個測試方向為順主風向，另一個測試方向為垂直于主風向，機艙內(nèi)的加速度計可考慮采用三向加速度計。

2.4 應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測

一般布置在應(yīng)力計算值較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄弱和易損傷的部位，主要有樁基礎(chǔ)、承臺、過渡段及塔筒。監(jiān)測儀器根據(jù)監(jiān)測對象和安裝位置確定，分別是鋼板應(yīng)變計、鋼筋計、混凝土應(yīng)變計等。

2.5 腐蝕監(jiān)測

一般是在浪濺區(qū)、水位變動區(qū)和水下區(qū)選擇具有代表性的位置，在鋼結(jié)構(gòu)和混凝土承臺中布置相應(yīng)的監(jiān)測儀器。

2.6 環(huán)境量監(jiān)測

主要是監(jiān)測影響海上建筑物安全的外因，如風向、風速、氣溫、濕度、海浪波高、海浪波周期、海浪沖擊力、水下地形、冰壓力等，根據(jù)研究或管理的需要選擇有代表性的位置布置監(jiān)測點。風向、風速監(jiān)測，一般是采用風速風向儀，安裝部位通常在風機機艙頂部；氣溫及海浪等監(jiān)測，一般是采用海洋水文綜合觀測系統(tǒng)。

2.7 自動化監(jiān)測系統(tǒng)

在海上塔筒過渡段內(nèi)設(shè)置自動化采集設(shè)備，在岸上集控中心內(nèi)設(shè)置采集計算機，自動化采集設(shè)備與采集計算機之間利用海底光纜進行通訊。自動化采集設(shè)備，根據(jù)傳感器原理與信號分類，不同類型的傳感器采用不同的自動化采集設(shè)備。各傳感器根據(jù)儀器類型接入相應(yīng)的自動化采集設(shè)備，采集計算機內(nèi)安裝采集軟件，對各自動化采集設(shè)備進行控制與管理，如需對監(jiān)測數(shù)據(jù)進一步整理、分析或共享，可開發(fā)監(jiān)測管理軟件，或?qū)⒈O(jiān)測成果納入到風電場SCADA系統(tǒng)中。

3 監(jiān)測成果

筆者在幾個海上風電工程安裝埋設(shè)了一定數(shù)量的電測傳感器，獲取了風機基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)的變形、振動、傾斜成果，并對部分實測數(shù)據(jù)進行了分析研究。

3.1 差異沉降監(jiān)測

觀測時，以測點1為基準點，觀測其他3個監(jiān)測點的相對于測點1的高差，后續(xù)工況所觀測高差與初始高差之差即為測點1、2、3相對測點的差異沉降。如圖1所示，風機自吊裝完成后，各測點的差異沉降量較小，基本在±2.0mm之內(nèi)；從測值過程線上看，未發(fā)現(xiàn)不均勻沉降量在某一方向有持續(xù)增大的趨勢。

3.2 風機傾斜及振動監(jiān)測

通過2015年8～11月期間的傾斜度監(jiān)測數(shù)據(jù)診斷風機塔筒在該月是否存在較大的傾斜變化。當日傾斜度為記錄的24h平均值，當月傾斜度變化值為月末日傾斜度與月初傾斜度之差值。見表1，風機塔筒在2015年8～11月期間的永久傾斜值累計值，最大為0.055°。為分析日常工作狀態(tài)下各風機塔的振動強度，統(tǒng)計了2015年8～11月期間的最大加速度幅值、有效值、振動烈度、報警次數(shù)等參量情況，統(tǒng)計結(jié)果見表2。此風機塔筒在2015年8～11月期間的振動比較大，如圖2所示。最大振動加速度接近或超過了3.5m/s2，每月超過8°的烈度報警次數(shù)較多，8月的報警次數(shù)達到了3098次，主要因8月份臺風頻次高，風機塔筒振動明顯。

3.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測

某多樁承臺風機在鋼管樁、鋼管樁填芯混凝土、承臺內(nèi)鋼筋及混凝土、過渡段塔筒等位置均設(shè)置了監(jiān)測點，分類說明監(jiān)測成果。

（1）承臺底面混凝土應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測。受上部塔筒、風機及風葉荷載影響，承臺混凝土底面鋼筋應(yīng)力初期表現(xiàn)為較小的拉應(yīng)力，后隨上部荷載增長而增長，過程中出現(xiàn)的拉應(yīng)力最大值約為21.1MPa；當樁身位移基本完成后，樁頂對承臺底部形成一定約束，承臺底部鋼筋應(yīng)力逐漸減小，達到平衡后逐漸穩(wěn)定，末期測值基本在零值附近。應(yīng)變計所測壓應(yīng)變較前期有所增長；監(jiān)測后期，非構(gòu)造荷載出現(xiàn)的應(yīng)變數(shù)值不大，最大值約為-100με。將無應(yīng)力計自動化監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行應(yīng)變-溫度擬合，得到混凝土的溫度線膨脹系數(shù)為8.14×10-6/℃，對所測承臺混凝土底面鋼筋應(yīng)力進行了修正，扣除了非外部荷載應(yīng)變對鋼筋應(yīng)力測值影響。（2）承臺頂面混凝土應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測。風機吊裝前，承臺頂面水平向鋼筋拉應(yīng)力不大，測值大部分在15.6MPa以下，該工況承臺鋼筋應(yīng)力主要受外部溫度影響，澆筑時環(huán)境溫度高，隨著溫度減低表現(xiàn)出混凝土收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，1#CR3-3曾經(jīng)出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力約為31.5MPa，測值不合理，可能與埋設(shè)工藝不當有關(guān)；后續(xù)鋼筋拉應(yīng)力減小且趨于平穩(wěn)，末期測值基本在-10～10MPa之間；頂面豎向應(yīng)變計測值繼續(xù)增大，末期最大壓應(yīng)變約為400με；水平向應(yīng)變出現(xiàn)減小趨勢，末期壓應(yīng)變約為100με。（3）承臺結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)管樁外壁及旁側(cè)混凝土應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測。鋼管樁外壁和旁側(cè)混凝土初期受壓，主要由自重荷載作用所致，后續(xù)壓應(yīng)變的變化表現(xiàn)出季節(jié)特性，冬季收縮壓應(yīng)變增大，夏季膨脹壓應(yīng)變減小，自重荷載的壓應(yīng)變大致在-100～-200με之間，其余部位為溫度應(yīng)變。鋼管樁外壁和旁側(cè)的混凝土應(yīng)變相差不大，變形基本協(xié)調(diào)，末期環(huán)境溫度降低，壓應(yīng)變處于增長狀態(tài)。（4）風機過渡段塔筒應(yīng)變。對于過渡段頂部，一條連線上（1#G2-2、1#G2-3）出現(xiàn)明顯的壓應(yīng)變情形，壓應(yīng)變約為230με；另外一條連線上（1#G2-1、1#G2-4）應(yīng)變值基本在零值附近，估計監(jiān)測時段出現(xiàn)的風向主要為E向所致。對于過渡段底部，一條連線上（1#G3-1、1#G2-3，順主導方向風向NNE）應(yīng)變值基本在零值附近，另外一條連線上的1#G2-4（垂直于主導方向NE）應(yīng)變值在監(jiān)測后期出現(xiàn)明顯的壓應(yīng)變情形，估計與基礎(chǔ)頂面對過渡段的約束有關(guān)。監(jiān)測時段內(nèi)塔筒振動烈度多次出現(xiàn)報警現(xiàn)象，但過渡段塔筒頂部與底部基本表現(xiàn)為壓應(yīng)變，說明過渡段塔筒應(yīng)變主要由自重荷載影響，風荷載影響甚微，過渡段塔筒在混凝土約束下自身具有較大的剛度。

4 結(jié)語

海上風電場開發(fā)建設(shè)符合我國能源發(fā)展政策和社會發(fā)展需求，魯能新能源公司將繼續(xù)總結(jié)現(xiàn)有海上風電開發(fā)建設(shè)經(jīng)驗，持續(xù)深入加大海上風電科技研發(fā)，降低海上風電開發(fā)建設(shè)成本，進一步優(yōu)化海上風電場運營策略，努力提升海上風電經(jīng)營效益，做海上風電開發(fā)領(lǐng)跑者。

參考文獻

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