提高可再生能源在能源结构中的占比日益成为各国亟须解决的现实问题。美国能源情报署公布的美国电力生产结构数据显示, 美国可再生能源发电量继2021年首次超越核能发电后, 在2022年也超过了煤炭发电量。其在总发电量中的份额从2021年的19%增加到22%, 其中风能和太阳能发电占14%^[1]。由水电水利规划设计总院于2023年6月30日发布的《中国可再生能源发展报告2022》中指出, 2022年中国可再生能源发展成绩斐然, 全年新增可再生能源装机规模1.52×10⁸ kW, 占国内新增发电装机的76.2%, 是新增电力装机的主体, 截至2022年底, 中国可再生能源装机1.213×10⁹ kW, 超过了煤电装机规模^[2]。可见, 面对越来越严峻的能源形势, 调整能源结构、大力发展可再生能源已经逐渐成为各个国家的共识^[3]。

风能没有公害、清洁环保且取之不尽、用之不竭, 是一种可再生的、储量巨大、极有潜力的新能源^[4]。风力发电的原理, 是利用风力带动风车叶片旋转, 再经过增速机将旋转的速度提升, 使发电机发电^[5]。相较于陆上风电, 海上风电具有不占用土地资源、基本不受地形地貌影响、风速更高、风电机组单机容量更大等特点^[6]。因此, 海上风电是可再生能源发展的重要领域, 是推动风电技术进步和产业升级的重要力量, 是促进能源结构调整的重要措施^[7]。

海上风电的建设和运营成本远高于陆上, 因此研究人员认为采用大容量的风电机组是海上风电未来的发展方向^[8-9]。而这必然对海上风电场的选址、建设和维护等工作提出更高的要求^[10-11]。而为了复盘评估风机机组适应性, 确保实测水文环境下机组安全, 挖掘机组设计裕度, 提升机组增发潜能^[12]。亟需针对不同海域海上风电场的环境特点, 有针对性地构建性能可靠、采样频率高的海浪和海流观测系统和观测方案, 以提升观测设备的安全性、资料获取的完整性为目标, 从而实现海上样机型式认证阶段水文参数、机组运行、测试载荷的一致^[13], 以达到准确评估样机测试与设计偏差的目的。

基于上述需求, 本文拟针对现场环境复杂且海上风电场最为集中的苏北浅滩海域^[14-15], 针对传统海床基在上述易淤积区域应用过程中的技术缺陷, 介绍一种新型模块化防淤积海床基的研发与应用过程, 通过详细说明其关键技术与创新点, 介绍在江苏灌云海上风电场的实测经验, 展示其获取的高质量、高分辨率的海浪和海流数据, 以证明该系统在实际应用中的可行性与可靠性。

1 系统设计方案

目前, 在海洋观测现场工作中普遍使用的传统海床基系统, 其主要特征是体积和重量较大, 在近岸尤其是使用渔船作业时不易搬运, 有时需要使用吊车吊装上船, 并要求使用绞车起吊布放, 这在很大程度上提高了使用成本和操作风险。同时, 传统海床基系统通常采用全贴合式底座的设计并使用整体回收的方式, 如果在苏北浅滩等易淤积环境中长期使用, 很容易因泥沙淤积导致释放或回收失败, 从而造成设备和数据的损失^[16-19]。

根据上述问题, 有针对性地研发了一种易于布放回收的模块化防淤积海床基系统, 以求提高近岸定点观测的整体成功率, 降低现场工作成本。

1.1 海床基外形设计

海床基设计的第一步即是确定其整体外形。当海流经过不同形状设计的海床基时, 由于海床基自身的阻碍作用, 其流速大小会根据海床基的形状发生相应的改变, 而这种速度改变即会导致在海床基外壳上形成压强差。为了尽可能减少海床基在海流作用下的下陷现象, 通过CFD软件对圆台、四棱台及八棱台外形的海床基外形设计进行了流场和压力场模拟分析, 以找到负压最大的形状。用于模拟分析的3种海床基外形建模如图 1所示。

根据现场经验, 苏北浅滩海域平均海流速度多在0.4~0.6 m/s, 因此本文选定用于模拟的海流速度为0.5 m/s, 模拟结果如图 2所示。

可以看出, 海流通过海床基时由于海床基的阻碍作用使海水流速发生改变。海床基迎流面底部处流速下降, 而顶部及两侧速度明显上升。三种外形海床基迎流面最大速度分别为0.810 m/s、1.010 m/s和0.932 m/s。由此可见, 四棱台外形的海床基对海水流速改变最大。

相应的, 不同海床基外形压力模拟结果如图 3所示, 经过计算, 3种外形的海床基所受最大正压强均处在海水流速最小处, 大小分别为117.0 Pa, 156.1 Pa和140.6 Pa。最大负压强均分布于海流流速最大处, 其压强分别为–259 Pa、–472 Pa和–320 Pa。

将上述实验的数据整理成表 1, 可以很明显看出, 四棱台型海床基在相同流速的情况下产生的压强差最大, 为–315.9 Pa, 其中负号表示总体压强方向向上, 即在水流的影响下, 在对海床基表面产生一个向上的力。这也就说明了在持续性海流的影响下, 且海床基底部与海底不直接接触时, 四棱台型的海床基外形设计方案将能产生最大的方向向上的压力, 因此其在相同整装重量和环境条件下也最不容易发生下陷, 因此, 最终选定了采用四棱台作为新型海床基的基础外形。

1.2 海床基总体结构

在确定了新型海床基的外形后, 需要将模块化和防淤积两种功能作为两个分系统进行设计。其中, 模块化分系统主要针对近海作业船只较小、设备搬运不便的问题, 将新型海床基系统拆分成流线型主浮体部分、一体式仪器舱部分和可组合钢支架部分, 通过模块化设计, 使得该分系统的每一个组成部分仅靠人力便能顺利搬运, 且系统的整体尺寸仅为1.52 m×1.52 m×0.62 m, 这在岸边或小型码头等不具备吊机使用条件的环境中非常实用, 系统上下船转运过程极为方便。在将所有的部件搬运到船上后, 可在甲板上有限区域内方便快捷地进行系统各部件的组装和搭载仪器的安装工作, 极大提高了近岸现场作业的便利性; 防淤积分系统由抛弃式主壳体、弹性助力装置和可组合钢支架共同构成, 这3个部分均针对防淤积功能特别设计, 其中抛弃式主壳体放弃了常规海床回收中最容易出现问题的绳仓设计, 极大提高了新型海床基系统上搭载仪器设备的回收成功率。弹性助力装置通过在一体式仪器舱和抛弃式主壳体之间加装弹性机构, 有效避免了因泥沙干扰和生物附着等导致的在系统释放后仪器舱和主壳体分离困难的问题。悬空式支架则是有效解决了因海床基系统对海流的阻挡, 导致泥沙在海床基周围淤积以及海床基单侧可能出现的因底质泥沙被海流掏空而导致的倾斜下陷的问题, 同时也与1.1中的分析契合。

新型海床基系统组成框图及各组件名称如图 4所示。

1.3 流线型主浮体设计

海床基的主浮体(图 5)用于在海床基回收过程中提供基础浮力, 当海床基释放成功后, 主浮体与海床基主壳体的连接切断, 在浮力的作用下可升至水面, 从而完成系统的回收。为了使海床基符合近岸抗拖网要求, 主浮体采用流线型对称设计以及醒目的橘红色, 以便在其浮出水面后更容易被发现。主浮体上内置了声学海流计安装孔位, 可以实现对声学海流计的非突出牢固安装, 增加其抗拖网性能。同时, 考虑到主浮体浮出水面后的姿态, 将其与其下方的一体式仪器舱组合后进行了重心测试, 结果表明, 在其搭载常用设备浮出水面后, 可保证主浮体2/3的部分露出水面, 方便开展回收作业。

为了提高海床基系统的便携性, 同时保证主浮体的耐压安全性能, 主浮体主要材料采用空心玻璃微珠。空心玻璃微珠的密度较小, 堆积密度为0.10~ 0.30 g/cm³, 这一特性使其在液体树脂中的充模性能优异, 可以有效降低复合材料的密度。同时, 由于其球形的特点, 空心玻璃微珠在液体树脂中具有较好的流动性, 优于片状、针状或不规则形状的填料。加之其各向同性属性, 不会产生因取向造成不同部位收缩率不一致的问题, 从而保证了主浮体的尺寸稳定性。主浮体在制造过程中, 采用国际先进的成型工艺, 浮体材料内部无空隙, 可降低吸水率, 提高机械强度和安全性。

1.4 一体式仪器舱设计

为了达到模块化和防淤积的技术要求, 海床基的仪器舱采用一体式框架型的开放式设计, 根据系统小型化设计理念, 整个仪器舱使用轻质铝制框架, 最大程度减轻自身重量, 以便搬运及回收。仪器舱内部设计有声学海流计电池舱、声学释放器、潮位仪等设备的夹具, 各仪器的摆放交错布置, 充分利用仪器舱内部空间, 在不造成空间浪费的前提下将所有需搭载的仪器都统一安装其中。仪器舱与主浮体通过4个塑料螺栓相连接, 现场安装方便且在海水中不易被腐蚀。在系统回收时, 两者会一同自由上浮, 水下仅剩下不需要回收的抛弃式底座。

传统型海床基的设计思路是主浮体首先自行或携带部分仪器上浮, 然后再通过与之连接的安放在主壳体绳舱(图 6)中的绳索回收底座及剩余仪器。新型海床基采用一体式仪器舱和低成本抛弃式底座设计, 在很大程度上避免了实际工作中经常发生的因绳索在海流的作用下发生缠绕无法正常展开, 导致主浮体无法正常浮出水面的情况, 从而提高了仪器回收的成功率, 适用于在苏北浅滩等强淤积环境。同时, 在设计中系统的抛弃式不回收部分均采用价格较低的铝材和普通钢材制造, 兼顾安全和成本。

1.5 可组合钢支架设计

依托于在苏北浅滩易淤积区海上风电场多次布放传统海床基经验, 发现海水中丰富的泥沙会在海流的作用下移动, 并由于座底的海床基的阻挡慢慢堆积在海床基底部, 不断淤积。另外, 由于海床基对海流的阻挡, 当其投放后稳定姿态不水平时, 还很容易导致其中一个方向上的泥沙产生掏空现象, 从而造成其倾斜加剧, 更容易被泥沙掩埋, 导致回收失败。

针对这一问题, 在海床基主壳体下安装了用于加高系统的钢制支架(图 7), 支架的高度可根据观测现场底质条件灵活调整。该支架采用4部分的可组合的易搬运设计, 各部分之间使用螺母现场连接, 一方面可以保证海床基下方的海流不受阻挡, 一定程度上避免泥沙淤积和局部掏空。另一方面, 还可作为海床基系统的配重, 使其在强流的作用下工作保持稳定。同时, 在支架的四角采用了支柱式设计, 海床基固定在支撑框架上, 地脚上焊接有四分之一圆形防陷板, 此结构有效防止海床基底座陷入泥沙。同时, 四棱台的设计也能有效平衡浮力与重力, 使得海床基既不易发生翻滚, 也不易被泥沙掩埋。

1.6 抛弃式主壳体设计

如前文所述, 为了提高淤积环境下的系统回收的成功率, 新型海床基系统采用了抛弃式主壳体的设计(图 8), 该主壳体由轻质铝材料制成, 符合模块化易搬运的设计理念。主壳体为密封设计, 可有效防止海流中泥沙的进入, 其下方通过螺母连接可组合钢支架。主壳体内部设计有牢固的卡扣, 以通过弹性绳与一体式仪器舱中声学释放器的释放钩连接。当系统连接完毕后, 可回收的主浮体和一体式仪器舱将在弹性绳的作用下与主壳体和钢支架紧密结合, 从而进入稳定的现场工作状态。

系统回收时, 首先使用甲板单元, 通过测距模式大致判断系统所在的位置, 将船只停放到系统斜上方时, 通过甲板单元向安装在一体式仪器舱内的声学释放器发出释放信号。释放器收到信号后, 内部电机主动旋转, 将与弹性绳连接的硬质塑料卡扣向外推出, 一体式仪器舱与主浮体一同上浮, 从而完成所有仪器的回收。

1.7 弹性助力装置设计

新型海床基系统主要应用于近海, 这种环境泥沙较多, 投放后生物附着情况较为严重, 尤其是夏季。为了提高回收成功率, 避免一体式仪器舱和抛弃式主壳体之间在系统回收时因泥沙或生物附着无法顺利分离, 在方形一体式仪器舱四个端点所对应的抛弃式主壳体上设计了弹力结构。

这种弹力结构的在一体式仪器舱正常安装到位后处于压缩待命状态, 并持续向一体式仪器舱施加向上的弹力。待声学释放器收到释放命令, 将连接有弹性释放绳的硬质塑料卡扣推出后, 一体式仪器舱与可抛弃式主壳体之间的连接中断, 弹性助力装置积累的弹力被瞬间释放, 从而给连接在一起的一体式仪器舱和主浮体一个初始速度, 有效地使它们与抛弃式主壳体分离。

1.8 双布放方式设计

传统海床基系统通常采用吊装的方式布放。在吊缆上先安装一个声学释放器, 然后使用回头绳将其与待布放的海床基系统连接, 缓慢释放吊缆直至海床基到达海底后, 使用甲板单元发送信号打开吊缆上的声学释放器, 收回回头绳, 完成布放。这种布放方式的优点是在海床基入水直至布放完毕的过程中通过吊缆可大体上维持其姿态稳定。缺点是回头绳连接复杂, 吊缆释放过程繁琐, 如现场潮流或海浪较强, 不易判断海床基是否到达海底, 从而无法准确预估打开释放器的时机; 在释放器开启后, 回头绳从海床基上脱离也有一定困难。因此, 传统的吊装布放方式更适用于海况较好时。

为了进一步提高布放适应能力, 对新型海床基结构进行重新设计, 使其同时支持传统的吊装以及自重式布放方式。自重式布放方式是将海床基吊到海面后直接在空气中释放, 使其自由下落至海底。该方法不需要吊缆和回头绳, 受布放深度和现场环境的影响比较小。结构设计方面需合理调整海床基系统重心和浮心的位置, 避免其在下落至海底的过程中发生横移和翻转。新型海床基充分考虑到这一问题, 将重心和浮心分别放置在海床基的底部和上部, 且其自重和主浮体净浮力分别达到1和0.55 kN, 以确保在恶劣海况下也能正常布放和回收(图 9)。

2 系统岸基测试

为测试新型海床基系统的布放回收性能, 待其组装完成后在位于青岛的自然资源部北海局码头进行了岸基入水测试(图 10)。现场加装安全绳, 使用吊车和释放器将新型海床基系统布放于水深约5 m的码头港池中。新型海床基系统上安装了多种设备, 包括电池舱、浅水型声学释放器、潮位仪和信标机。当系统到达海底, 布放绳松弛后, 使用甲板单元打开系统布放用的声学释放器并使用吊车回收布放绳, 至此系统投放完毕。

经过10 min, 使用甲板单元开启安装在一体式仪器舱中的推出式浅水释放器, 在甲板单元提示释放成功后, 稍候即可见到主浮体附带一体式仪器舱一同浮出水面。在将它们打捞上岸后, 使用安全绳将抛弃式主壳体和可组合钢支架一同回收上岸。

为提高实验结果的可靠性, 上述操作重复进行了3次。经确认每一次系统都能顺利释放, 岸基实验取得圆满成功。

3 系统现场应用

新型海床基系统的现场应用依托于自然资源部第一海洋研究所与金风科技股份有限公司合作完成的“江苏灌云水文观测技术服务项目”, 该项目观测点位于江苏省连云港市灌云县近海(119°48′E, 34°36′N)附近, 距燕尾港直线距离约14 km, 观测总有效时长60 d (图 11)。

项目要求每10 min测1次的海流数据, 每20 min测1次的波浪数据。为了保证现场观测数据的质量, 最佳的观测方式是使用声学海流波浪仪搭配海床基的座底式固定平台。同时, 该观测海区位于苏北浅滩淤积严重区域, 在之前的观测中经常发生因泥沙淤积导致传统海床基被掩埋而无法正常回收的情况。

因此, 在本项目观测过程中, 全程使用了新型模块化防淤积海床基。新型海床基上安装了1套Signature 1000型声学多普勒海流波浪仪、1台铱星信标机、一台潮位仪和1台浅水型声学释放器, 各要素的观测指标如表 2所示。

观测于2021年4月25日至7月14日期间开展, 在观测现场完成了包括观测设备准备、仪器设定、设备投放、设备定位、设备回收、观测数据读取等工作(图 12)。因观测点距离岸边较近, 观测系统维护工作采用小型木质渔船完成。得益于新型海床基系统的模块化易搬运设计, 观测期间的多次布放回收工作顺利完成, 取得了完整的现场观测数据(图 13)。

从现场应用结果来看, 新型海床基能有效减缓因泥沙淤积导致的系统下陷甚至掩埋。目前的观测中最长维护时间为42 d, 所搭载的各仪器设备在整个时间段内均能正常取得观测数据。与此相比, 前期在苏北浅滩风电场使用传统海床基观测时, 系统通常在15~20 d后就会发生明显的掩埋现象, 导致现场回收困难, 甚至不得不依靠潜水员对泥沙进行清淤后才能将设备正常回收, 从而大大增加了观测成本和预期风险。更严重的问题是, 在海床基系统连同附带的多种仪器被掩埋后, 直接导致压力数据异常, 海流和波浪数据缺测, 严重影响观测数据质量。为了进一步说明该问题, 图 14展示了某次观测海床基系统被淹没的过程中, 其搭载潮位仪上的压力传感器观测到的数据。

由图 14可以看出, 系统下陷过程始于1月9日, 此后仪器所测得的水深趋势明显增大, 由于测量水深的仪器与海床基系统是刚性连接的, 因而可以得知该变化是海床基系统在缓慢下降引起的。系统经过1天多的时间, 在下降了约1 m后停止。因为其下降深度已经超出了海床基的高度, 导致海床基被掩埋, 其后获取的数据已不可用。

而在采用了新系统后, 我们多次分析了搭载潮位仪上的压力传感器观测到的数据, 均未观察到上述缓慢下降现象, 系统整体较为稳定。为了进一步验证系统工作的稳定性、可靠性, 保证观测数据的有效性, 我们分析了声学多普勒海流剖面仪中搭载的姿态传感器(pitch、roll)数据。该传感器灵敏度较高, 可很好地反映观测过程中设备的姿态, 由图 15可以看出, 在观测过程中, 系统的姿态整体较为稳定, 故其获取的海流和波浪等数据有效性和可靠性均有保证。

综上所述, 新型模块化防淤积海床基系统, 可以避免或延缓海床基被泥沙淤积, 有利于节约观测成本、降低观测风险、获取稳定可靠的观测数据。

4 结论

苏北浅滩海域海上风电场集中, 环境复杂, 且具有强淤积性。为此有针对性地开发了一种新型模块化防淤积海床基系统。该系统基于可回收的一体式主浮体和仪器舱, 采用推出式浅水释放器和弹力助力释放装置, 搭配可抛弃式底座和可组合的悬空式钢制支架, 使整个系统在模块化结构易搬运的前提下具有良好的防淤积性能。系统经过岸基测试和现场应用, 顺利完成了多次布放和回收, 可以保证在强淤积和强生物附着环境下, 使用小型渔船进行布放和回收条件下的观测成功率。系统经过了现场环境的可行性与稳定性验证, 可广泛应用于我国近海, 尤其是苏北浅滩区域海上风电场水文要素的高精度定点连续监测工作。