海上風電場建設安全生產技術管理及應用

張登科

中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司 廣東 廣州 510663

引言

中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司（以下統(tǒng)稱廣東院）高度重視海上風電項目安全生產工作，著力聚焦“十二個到位”、“十五條硬措施”和“六個必須”剛性落實，為進一步防范化解海上風電項目安全生產風險，成立了海上風電安全管理工作專班、明確了主要工作任務，制定了安全技術專項行動實施方案，深入推進海上風電安全生產技術管理及應用工作。

1 設計方面

海上風電是我國新能源發(fā)展的重大戰(zhàn)略舉措和必然趨勢，亦是實現(xiàn)“雙碳”目標的最佳途徑。然而，海上風電場所處環(huán)境異常復雜，臺風災害問題突出，海上風機結構的安全受到嚴重威脅。風機基礎作為支撐海上風機的關鍵結構，一直是海上風電設計中的難點和熱點，準確預測和有效保障臺風多發(fā)區(qū)海上風機基礎的安全和穩(wěn)定性，已成為海上風電規(guī)模化發(fā)展的一項重大現(xiàn)實需求和關鍵技術瓶頸，備受社會各界關注[1]。

1.1 基礎設計

廣東院聚焦于臺風多發(fā)區(qū)海上風電固定式基礎設計領域中的關鍵科學與技術難題，系統(tǒng)開展了極端臺風條件下多荷載耦合模擬、交變載荷下結構樁-土相互作用變形機理、復雜地質下的新型固定式基礎研發(fā)及工程應用。圍繞產學研思路，自主研發(fā)了國內首個吸力桶基礎、大直徑導管架基礎、芯柱/植入嵌巖導管架基礎、超大直徑單樁基礎等多種新型固定式基礎，實現(xiàn)了不同水深、地質、風況和海況環(huán)境的應用，解決了大容量機組基礎設計、淺覆蓋層嵌巖及深厚軟土層大直徑單樁應用的難題，實現(xiàn)了海上風電下部支撐結構設計研發(fā)領域的跨越性突破，推動了海上風電的規(guī)模化發(fā)展。

臺風多發(fā)區(qū)海上風電固定式基礎設計研究成果已成功應用于三峽新能源陽江沙扒 300MW 海上風電場工程（國內首個吸力桶導管架基礎）、三峽沙扒二期海上風電場項目（國內首臺芯柱嵌巖導管架基礎、國內首臺植入嵌巖導管架基礎、國內首臺大直徑非嵌巖導管架基礎）等20余個大型海上風電場項目，目前均已并網發(fā)電，完成了工程竣工驗收[2]。對于其他超過40m水深的近海深水場址，在粵西(陽江為主)和粵東規(guī)劃的深水區(qū)海上風電場址中，目前也有大批項目正在采用新型固定式基礎進行研究和設計。

1.2 在線監(jiān)測

每臺風機配置風機振動在線狀態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)（CMS），形成風機-塔架振動監(jiān)測；對每臺風機的塔筒進行應力監(jiān)測和垂直度監(jiān)測。可對風力發(fā)電機組的機械的健康狀態(tài)運行狀態(tài)進行有效的在線監(jiān)測，并對設備當前運行狀態(tài)做出評估(屬于正常還是異常) ，當機組處于異常狀態(tài)時，系統(tǒng)發(fā)出警告或報警，并可對報警部位進行進一步的故障分析和處理。加裝一套在線全自動的絕緣電阻監(jiān)測裝置，可方便的安裝于發(fā)電機控制柜內。可在發(fā)電機停運狀態(tài)下自動檢測其繞組及線圈的整體絕緣水平，并在絕緣不良時觸發(fā)閉鎖或遠程報警信號，避免運行人員將存在絕緣缺陷的發(fā)電機投入運行，導致啟動故障。檢修維護人員可以提早做好檢修計劃，防止意外事故的發(fā)生并避免非必要的停機和支出昂貴的發(fā)電機維修費用。

1.3 通信聯(lián)絡

為提高調度的可靠性，適應繼電保護、電力系統(tǒng)自動化和數據信息傳輸的要求，廣東院采用光纖通信方案，通過光纖信號將海上升壓站各系統(tǒng)業(yè)務信息傳送至陸上集控中心、廠外主站系統(tǒng)，并配置應急通信系統(tǒng)設備，保障施工作業(yè)通信及風電場投運后的應急通信。主要措施如下：通過在海上升壓站和陸上集控中心建立運營商基站，實現(xiàn)海域的手機信號全覆蓋，有效保障海上風電場運行期間的通信；為保證海纜故障時，仍能對海上升壓站進行遠方監(jiān)控，設置一套微波通信設備，作為后備通信方式，海上升壓站設置放射點，陸上集控中心內設置接收端；在直升機平臺設置直升機導航系統(tǒng)NDB無線信標機和直升機HMS系統(tǒng)，用以引導直升機準確地找到直升機平臺的具體方位和檢測平臺狀態(tài)及環(huán)境狀態(tài)，為直升機降落提供完整準確的信息數據；設計海上升壓站平臺海事通信及航警接收系統(tǒng)，承擔海上升壓站平臺內部通訊、平臺與周圍附近工作船只之間的通訊、平臺處于緊急情況下提供緊急通訊，航警接收系統(tǒng)用于自動接收航行警告、氣象警告和搜救行動等海上安全信息[3]。

2 施工方面

海上風電場建設施工作業(yè)主要有海上吊樁、穩(wěn)樁、錘擊和導管架基礎等基礎工程施工，以及風機、海上升壓站和海底電纜等設備設施安裝；施工設備主要有打樁錘、起重船、敷設船、交通船、駁船、錨艇、拖船和海上風電施工平臺，存在的安全風險主要有淹溺、溜樁、觸電、起重傷害、高處墜落、物體打擊和樁靴穿刺，主要采取如下安全生產技術措施。

2.1 基礎施工

2.1.1 導管架基礎施工階段，導管架吊裝定位時，待施工船舶/平臺插樁穩(wěn)定后或低平潮涌浪較小鉤頭不晃動時作業(yè)；在起吊前用專用繩索將鋼絲繩捆綁系掛在吊點上，防止鋼絲繩在起吊未受力時滑脫；起吊導管架前對兩側鋼絲繩捆綁狀態(tài)進行檢查確認；做好警戒隔離，起重工作區(qū)域無關人員不得停留或通過；定期檢查導管架吊點無腐蝕和裂紋，確保吊點符合強度要求；定期進行探傷檢測；導管架安裝穩(wěn)固，力矩限制器無鉤頭重量顯示方可松鉤。

2.1.2 筒型基礎施工階段，施工前應當檢查各個操作人員位置狀態(tài)及相關儀器設備，并根據筒型基礎安裝角度預先設定船舶停放位置，浮運平臺距離指定安裝位置約1km處停止航行觀測潮位，等待到高潮位前1～2h安裝船駛向指定安裝位置并調整船舶角度；下沉前通過向筒型基礎艙內充氣穩(wěn)定各吊鉤受力，下沉過程中實時觀測吊鉤受力，到達設計數值后停止放氣下沉，放松纜繩，調整吊鉤受力，多次操作，防止吊鉤突然受力損壞；完成基礎下沉安裝后，應當利用拋錨/拖輪保持浮運平臺位置穩(wěn)定、盡量遠離筒型基礎，避免發(fā)生碰撞。

2.2 風機安裝

2.2.1 風機安裝平臺駐位前，做好施工場區(qū)前期地勘及成果資料分析、前期掃海和平臺站位選擇，嚴格按照操作手冊做好樁腿插樁、保壓等技術操作，施工過程派專人關注樁腿壓力變化，提前準備應急預案。

2.2.2 根據設備的種類、形狀和重量，應選配適宜的起重船機設備、繩扣及吊索具，設備上的雜物應清理干凈；設備吊裝時，風速不應高于相關規(guī)定。

2.2.3 風機采取分體吊裝時，安裝塔架穿入法蘭螺栓過程必須盡可能緩慢，防止施工人員的腳、手被擠壓；底部塔架安裝完成后必須立即接地，風機及其塔架安裝就位后必須立即連接引雷導線；機艙及葉輪吊裝時，采用船舶牽帶纜風繩時，船舶必須拋錨；設備固定連接螺栓達到技術要求的緊固力矩后，方可松開吊鉤、移除吊具。

2.3 海上升壓站上部組塊安裝

2.3.1 海上升壓站運輸、吊裝專項施工方案編制人員應熟悉作業(yè)區(qū)域的地質條件、海況、航道、水深等情況，并組織專家進行評審，經審核通過后方可實施。

2.3.2 海上升壓站海綁和運輸前，應當根據船運裝載方式及綁扎方案，通過有限元分析軟件，建立運輸方案的有限元模型，規(guī)劃航線，確認海纜路由，模擬運輸船在給定的航行條件中的航行，分析船舶在多種荷載工況下的鋼結構的應力及變形，保證結構在運輸過程中的安全，保證運輸過程中船舶和貨物的安全。

2.3.3 海上升壓站整體吊裝前，應檢查確認所用吊裝索具的完好性、可靠性，并按照有關專項施工方案內容要求試吊；應當采用重力加速度測量儀，對吊裝時水平和豎向加速度實時監(jiān)測，確保滿足海上升壓站吊裝有關技術文件要求。

2.4 海纜敷設

2.4.1 海纜敷設船舶應當進行運輸穩(wěn)性計算、坐底強度計算、系泊計算等，確保船機性能、狀態(tài)參數滿足安全要求。

2.4.2 施工前，應對設計海纜路由區(qū)域進行掃海預調查并繪制路由路徑區(qū)域詳細地貌圖；必須針對船舶拋錨、起錨作業(yè)制訂安全技術措施，船舶錨泊期間，應嚴格管理，防止船舶因走錨危及海纜安全。

2.4.3 在施工過程中應嚴格監(jiān)控海纜牽拉拉力和速度等數據，通過海纜敷設系統(tǒng)中的牽引機拉力檢測系統(tǒng)實時檢測海纜張力情況，適時調整絞錨速度以及牽引機放纜速度來調整海纜的張力，確保在規(guī)范、標準設計范圍內安全施工。

2.5 防臺風方面

海上風電場建設涉及的船舶種類和數量多，防臺風工作要根據風場海域位置實行“一船一預案”，特別是南海生成的“土臺風”，臺風一旦生成命名，再進行船舶疏散和人員撤離，時間是十分緊張的，而且疏散和撤離風險是極大的，很容易陷入被動局面。因此，在臺風季節(jié)，需要加強關注熱帶擾動，并預判熱帶擾動未來的生成過程和移動趨勢，提前確定施工暫停、船舶疏散和人員撤離節(jié)點。

3 信息化建設方面

廣東院以正在執(zhí)行的青洲一、二海上風電項目和揭陽神泉二海上風電項目為依托，以安全生產技術管理及應用為出發(fā)點，自主開發(fā)了海上風電項目安全生產智慧系統(tǒng)，主要包括海上人員多維動態(tài)管控、遠距離海上風電建設綜合通信網絡建設、海上風電建設安全生產標準化數字管理、海上風電建設過程數字孿生指揮調度系統(tǒng)等多個方面。

3.1 海上人員多維動態(tài)管控

結合登離船一體機、智慧安全帽、AIS人員落水示位標實現(xiàn)多手段融合的方式實現(xiàn)人員出海狀態(tài)、防疫信息、人員實時定位、落水營救的綜合管控，并通過可視化方式實現(xiàn)人員的分類管控和動態(tài)管理。

3.2 遠距離海上風電建設綜合通信網絡建設

搭建一套滿足海上風電建設實時通信網絡建設方案：將基于海上風電場船載微波通信技術，融合AIS系統(tǒng)、VHF海事電臺等多種設備相融合的方式實現(xiàn)海上風電建設過程中的多維通信網絡布設。滿足海上施工作業(yè)現(xiàn)場視頻實時回傳、人員即時通訊和辦公的需要的同時，保障現(xiàn)場船舶通訊的穩(wěn)定性和可靠性。通過船載微波通信技術，最遠通訊距離達110kM時仍能夠穩(wěn)定回傳船載視頻信號。滿足深海、遠海情景下的安全技術管控需求。

3.3 海上風電建設安全生產標準化數字管理

立足現(xiàn)有的電力企業(yè)安全生產一級標準化的管理理念，融合海上風電項目建設過程中的安全生產目標管理需求，并結合建設方、監(jiān)理方和現(xiàn)場施工管理的需求定制化配置安全生產管理流程，形成了一套具有廣東院總承包項目管理特色的海上風電場建設安全生產標準化及數字化管理技術。

3.4 海上風電建設過程數字孿生指揮調度系統(tǒng)

搭建了一套基于B/S+M/S的海上風電建設過程數字孿生指揮調度系統(tǒng)建設，立足地理信息技術、通信技術、物聯(lián)網技術、人工智能技術、BIM技術、大數據分析技術，實現(xiàn)了海上風電場廠址范圍內的氣象及海底地質三維可視化，真實還原了風電場廠址范圍內的氣象及海底地質情況，實現(xiàn)利用AIS通訊進行船舶狀態(tài)監(jiān)控，綜合人員動態(tài)管控、船舶管理、綜合通信網絡，并集成海上風電建設安全生產標準化管理流程，為海上風電場建設提供應急指揮和調度功能，為船舶和人員安全提供可靠保障。

4 結束語

綜上所述，海上風電場建設應充分運用安全生產技術手段全過程管控風險，在項目設計階段，充分考慮項目實施的風險性，進而確定安全技術方案，從設計角度為項目的實施及運行安全盡可能降低安全風險；在項目實施過程中，組織技術力量從安全生產技術角度梳理作業(yè)過程每一環(huán)節(jié)的風險，形成風險分級管控資源庫，不斷推廣應用先進安全生產技術，促進“安全是技術”理念深入人心。