海上风电场建设安全生产技术管理及应用

张登科

中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 广东 广州 510663

引言

中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司（以下统称广东院）高度重视海上风电项目安全生产工作，着力聚焦“十二个到位”、“十五条硬措施”和“六个必须”刚性落实，为进一步防范化解海上风电项目安全生产风险，成立了海上风电安全管理工作专班、明确了主要工作任务，制定了安全技术专项行动实施方案，深入推进海上风电安全生产技术管理及应用工作。

1 设计方面

海上风电是我国新能源发展的重大战略举措和必然趋势，亦是实现“双碳”目标的最佳途径。然而，海上风电场所处环境异常复杂，台风灾害问题突出，海上风机结构的安全受到严重威胁。风机基础作为支撑海上风机的关键结构，一直是海上风电设计中的难点和热点，准确预测和有效保障台风多发区海上风机基础的安全和稳定性，已成为海上风电规模化发展的一项重大现实需求和关键技术瓶颈，备受社会各界关注[1]。

1.1 基础设计

广东院聚焦于台风多发区海上风电固定式基础设计领域中的关键科学与技术难题，系统开展了极端台风条件下多荷载耦合模拟、交变载荷下结构桩-土相互作用变形机理、复杂地质下的新型固定式基础研发及工程应用。围绕产学研思路，自主研发了国内首个吸力桶基础、大直径导管架基础、芯柱/植入嵌岩导管架基础、超大直径单桩基础等多种新型固定式基础，实现了不同水深、地质、风况和海况环境的应用，解决了大容量机组基础设计、浅覆盖层嵌岩及深厚软土层大直径单桩应用的难题，实现了海上风电下部支撑结构设计研发领域的跨越性突破，推动了海上风电的规模化发展。

台风多发区海上风电固定式基础设计研究成果已成功应用于三峡新能源阳江沙扒 300MW 海上风电场工程（国内首个吸力桶导管架基础）、三峡沙扒二期海上风电场项目（国内首台芯柱嵌岩导管架基础、国内首台植入嵌岩导管架基础、国内首台大直径非嵌岩导管架基础）等20余个大型海上风电场项目，目前均已并网发电，完成了工程竣工验收[2]。对于其他超过40m水深的近海深水场址，在粤西(阳江为主)和粤东规划的深水区海上风电场址中，目前也有大批项目正在采用新型固定式基础进行研究和设计。

1.2 在线监测

每台风机配置风机振动在线状态监测与分析系统（CMS），形成风机-塔架振动监测；对每台风机的塔筒进行应力监测和垂直度监测。可对风力发电机组的机械的健康状态运行状态进行有效的在线监测，并对设备当前运行状态做出评估(属于正常还是异常) ，当机组处于异常状态时，系统发出警告或报警，并可对报警部位进行进一步的故障分析和处理。加装一套在线全自动的绝缘电阻监测装置，可方便的安装于发电机控制柜内。可在发电机停运状态下自动检测其绕组及线圈的整体绝缘水平，并在绝缘不良时触发闭锁或远程报警信号，避免运行人员将存在绝缘缺陷的发电机投入运行，导致启动故障。检修维护人员可以提早做好检修计划，防止意外事故的发生并避免非必要的停机和支出昂贵的发电机维修费用。

1.3 通信联络

为提高调度的可靠性，适应继电保护、电力系统自动化和数据信息传输的要求，广东院采用光纤通信方案，通过光纤信号将海上升压站各系统业务信息传送至陆上集控中心、厂外主站系统，并配置应急通信系统设备，保障施工作业通信及风电场投运后的应急通信。主要措施如下：通过在海上升压站和陆上集控中心建立运营商基站，实现海域的手机信号全覆盖，有效保障海上风电场运行期间的通信；为保证海缆故障时，仍能对海上升压站进行远方监控，设置一套微波通信设备，作为后备通信方式，海上升压站设置放射点，陆上集控中心内设置接收端；在直升机平台设置直升机导航系统NDB无线信标机和直升机HMS系统，用以引导直升机准确地找到直升机平台的具体方位和检测平台状态及环境状态，为直升机降落提供完整准确的信息数据；设计海上升压站平台海事通信及航警接收系统，承担海上升压站平台内部通讯、平台与周围附近工作船只之间的通讯、平台处于紧急情况下提供紧急通讯，航警接收系统用于自动接收航行警告、气象警告和搜救行动等海上安全信息[3]。

2 施工方面

海上风电场建设施工作业主要有海上吊桩、稳桩、锤击和导管架基础等基础工程施工，以及风机、海上升压站和海底电缆等设备设施安装；施工设备主要有打桩锤、起重船、敷设船、交通船、驳船、锚艇、拖船和海上风电施工平台，存在的安全风险主要有淹溺、溜桩、触电、起重伤害、高处坠落、物体打击和桩靴穿刺，主要采取如下安全生产技术措施。

2.1 基础施工

2.1.1 导管架基础施工阶段，导管架吊装定位时，待施工船舶/平台插桩稳定后或低平潮涌浪较小钩头不晃动时作业；在起吊前用专用绳索将钢丝绳捆绑系挂在吊点上，防止钢丝绳在起吊未受力时滑脱；起吊导管架前对两侧钢丝绳捆绑状态进行检查确认；做好警戒隔离，起重工作区域无关人员不得停留或通过；定期检查导管架吊点无腐蚀和裂纹，确保吊点符合强度要求；定期进行探伤检测；导管架安装稳固，力矩限制器无钩头重量显示方可松钩。

2.1.2 筒型基础施工阶段，施工前应当检查各个操作人员位置状态及相关仪器设备，并根据筒型基础安装角度预先设定船舶停放位置，浮运平台距离指定安装位置约1km处停止航行观测潮位，等待到高潮位前1～2h安装船驶向指定安装位置并调整船舶角度；下沉前通过向筒型基础舱内充气稳定各吊钩受力，下沉过程中实时观测吊钩受力，到达设计数值后停止放气下沉，放松缆绳，调整吊钩受力，多次操作，防止吊钩突然受力损坏；完成基础下沉安装后，应当利用抛锚/拖轮保持浮运平台位置稳定、尽量远离筒型基础，避免发生碰撞。

2.2 风机安装

2.2.1 风机安装平台驻位前，做好施工场区前期地勘及成果资料分析、前期扫海和平台站位选择，严格按照操作手册做好桩腿插桩、保压等技术操作，施工过程派专人关注桩腿压力变化，提前准备应急预案。

2.2.2 根据设备的种类、形状和重量，应选配适宜的起重船机设备、绳扣及吊索具，设备上的杂物应清理干净；设备吊装时，风速不应高于相关规定。

2.2.3 风机采取分体吊装时，安装塔架穿入法兰螺栓过程必须尽可能缓慢，防止施工人员的脚、手被挤压；底部塔架安装完成后必须立即接地，风机及其塔架安装就位后必须立即连接引雷导线；机舱及叶轮吊装时，采用船舶牵带缆风绳时，船舶必须抛锚；设备固定连接螺栓达到技术要求的紧固力矩后，方可松开吊钩、移除吊具。

2.3 海上升压站上部组块安装

2.3.1 海上升压站运输、吊装专项施工方案编制人员应熟悉作业区域的地质条件、海况、航道、水深等情况，并组织专家进行评审，经审核通过后方可实施。

2.3.2 海上升压站海绑和运输前，应当根据船运装载方式及绑扎方案，通过有限元分析软件，建立运输方案的有限元模型，规划航线，确认海缆路由，模拟运输船在给定的航行条件中的航行，分析船舶在多种荷载工况下的钢结构的应力及变形，保证结构在运输过程中的安全，保证运输过程中船舶和货物的安全。

2.3.3 海上升压站整体吊装前，应检查确认所用吊装索具的完好性、可靠性，并按照有关专项施工方案内容要求试吊；应当采用重力加速度测量仪，对吊装时水平和竖向加速度实时监测，确保满足海上升压站吊装有关技术文件要求。

2.4 海缆敷设

2.4.1 海缆敷设船舶应当进行运输稳性计算、坐底强度计算、系泊计算等，确保船机性能、状态参数满足安全要求。

2.4.2 施工前，应对设计海缆路由区域进行扫海预调查并绘制路由路径区域详细地貌图；必须针对船舶抛锚、起锚作业制订安全技术措施，船舶锚泊期间，应严格管理，防止船舶因走锚危及海缆安全。

2.4.3 在施工过程中应严格监控海缆牵拉拉力和速度等数据，通过海缆敷设系统中的牵引机拉力检测系统实时检测海缆张力情况，适时调整绞锚速度以及牵引机放缆速度来调整海缆的张力，确保在规范、标准设计范围内安全施工。

2.5 防台风方面

海上风电场建设涉及的船舶种类和数量多，防台风工作要根据风场海域位置实行“一船一预案”，特别是南海生成的“土台风”，台风一旦生成命名，再进行船舶疏散和人员撤离，时间是十分紧张的，而且疏散和撤离风险是极大的，很容易陷入被动局面。因此，在台风季节，需要加强关注热带扰动，并预判热带扰动未来的生成过程和移动趋势，提前确定施工暂停、船舶疏散和人员撤离节点。

3 信息化建设方面

广东院以正在执行的青洲一、二海上风电项目和揭阳神泉二海上风电项目为依托，以安全生产技术管理及应用为出发点，自主开发了海上风电项目安全生产智慧系统，主要包括海上人员多维动态管控、远距离海上风电建设综合通信网络建设、海上风电建设安全生产标准化数字管理、海上风电建设过程数字孪生指挥调度系统等多个方面。

3.1 海上人员多维动态管控

结合登离船一体机、智慧安全帽、AIS人员落水示位标实现多手段融合的方式实现人员出海状态、防疫信息、人员实时定位、落水营救的综合管控，并通过可视化方式实现人员的分类管控和动态管理。

3.2 远距离海上风电建设综合通信网络建设

搭建一套满足海上风电建设实时通信网络建设方案：将基于海上风电场船载微波通信技术，融合AIS系统、VHF海事电台等多种设备相融合的方式实现海上风电建设过程中的多维通信网络布设。满足海上施工作业现场视频实时回传、人员即时通讯和办公的需要的同时，保障现场船舶通讯的稳定性和可靠性。通过船载微波通信技术，最远通讯距离达110kM时仍能够稳定回传船载视频信号。满足深海、远海情景下的安全技术管控需求。

3.3 海上风电建设安全生产标准化数字管理

立足现有的电力企业安全生产一级标准化的管理理念，融合海上风电项目建设过程中的安全生产目标管理需求，并结合建设方、监理方和现场施工管理的需求定制化配置安全生产管理流程，形成了一套具有广东院总承包项目管理特色的海上风电场建设安全生产标准化及数字化管理技术。

3.4 海上风电建设过程数字孪生指挥调度系统

搭建了一套基于B/S+M/S的海上风电建设过程数字孪生指挥调度系统建设，立足地理信息技术、通信技术、物联网技术、人工智能技术、BIM技术、大数据分析技术，实现了海上风电场厂址范围内的气象及海底地质三维可视化，真实还原了风电场厂址范围内的气象及海底地质情况，实现利用AIS通讯进行船舶状态监控，综合人员动态管控、船舶管理、综合通信网络，并集成海上风电建设安全生产标准化管理流程，为海上风电场建设提供应急指挥和调度功能，为船舶和人员安全提供可靠保障。

4 结束语

综上所述，海上风电场建设应充分运用安全生产技术手段全过程管控风险，在项目设计阶段，充分考虑项目实施的风险性，进而确定安全技术方案，从设计角度为项目的实施及运行安全尽可能降低安全风险；在项目实施过程中，组织技术力量从安全生产技术角度梳理作业过程每一环节的风险，形成风险分级管控资源库，不断推广应用先进安全生产技术，促进“安全是技术”理念深入人心。