一种海洋风机基础冲刷自动化监测装置及方法

技术领域

本发明属于海上风电技术领域，涉及海洋风机基础冲刷监测技术领域，尤其是涉及一种基于密集分布式同轴内加热光缆的海洋风机基础冲刷自动化监测装置及方法。

背景技术

海上风电是极具开发潜力的可再生能源，合理、高效地开发海上风电资源是我国完成“双碳”目标的重要工作内容。然而，海洋风电场地自然条件复杂，在风力、波浪和海流等复杂荷载地作用下，风机基础周围容易产生冲刷，从而影响到海洋风机的安全运行。

采用多波束探测系统和侧扫声呐对风电基础的冲刷情况进行定期检查，是目前常见的海洋风机运维手段。这些方法费用较高且实时性差，无法及时发现问题并进行维护，因此，亟需开发一种更为经济、可靠的风机基础冲刷自动化实时监测装置。

近年来，有学者和技术人员采用主动加热光纤法开展了河床侵蚀程度的监测，其基本原理是：将碳纤维或铜丝绞合在光缆内部作为加热电阻，制成内加热光缆，再将光缆缠绕在PVC管上或制成U型回路，插入河床之中，并对光缆进行加热，通过不同深度的温度响应判断河床的侵蚀程度。这种方法为进行海洋风机基础的冲刷监测提供了新的思路，但传统的内加热光缆需要缠绕在PVC管或形成U型回路，在目前的海洋风机基础施工过程中不易于实施；此外，主动加热光纤通常用分布式温度感测技术（DTS）进行解调，解调技术的空间分辨率和精度有待提高。

发明内容

本发明第一个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种海洋风机基础冲刷自动化监测装置。

为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：

一种海洋风机基础冲刷自动化监测装置，其特征在于：所述海洋风机基础冲刷自动化监测装置基于密集分布式同轴内加热光缆，并包括光缆保护装置、密集分布式同轴内加热光缆、加热控制模块、密集分布式光纤解调模块、监测数据处理模块、监测数据传输模块以及监测数据可视化模块；

所述光缆保护装置固定至海洋风机基础桩身表面，所述光缆保护装置用于对密集分布式同轴内加热光缆形成保护；

所述密集分布式同轴内加热光缆由密集分布式传感光纤、Kevlar纤维编织层、铜网编织层A、聚乙烯绝缘层、铜网编织层B以及中密度聚乙烯护套组成；

所述密集分布式传感光纤上等间距地刻有弱反射光纤光栅；所述密集分布式传感光纤外用Kevlar纤维编织层进行保护；所述铜网编织层A、铜网编织层B分别经多根铜丝绞合形成，所述铜网编织层A和铜网编织层B之间经聚乙烯绝缘层隔开；所述铜网编制层B外用中密度聚乙烯护套进行封装；

处于海洋风机基础桩底部的铜网编织层A与铜网编织层B相连接，处于海洋风机基础桩顶部的铜网编织层A与铜网编织层B分别接入至加热控制模块；

所述密集分布式传感光纤通过跳线密集分布式光纤解调模块；

所述密集分布式光纤解调模块与监测数据处理模块相连接；

所述监测数据处理模块与监测数据传输模块相连接；

所述监测数据传输模块与监测数据可视化模块相连接。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

作为本发明的一种优选技术方案：所述光缆保护装置为条带状金属，所述条带状金属的中间设有用于容纳密集分布式同轴内加热光缆的凹槽。

作为本发明的一种优选技术方案：所述条带状金属的凹槽内经环氧树脂封填。

作为本发明的一种优选技术方案：所述光缆保护装置布置为使得密集分布式同轴内加热光缆的延伸方向与海洋风机基础桩身的延伸方向一致。

本发明还有一个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种海洋风机基础冲刷自动化监测方法。

为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：

一种海洋风机基础冲刷自动化监测方法，其特征在于：所述海洋风机基础冲刷自动化监测方法基于前文所述的海洋风机基础冲刷自动化监测装置，并包括如下步骤：

S1、在风机基础施工前，将光缆保护装置焊接在风机基础的桩身上，将密集分布式同轴内加热光缆拉直铺设在光缆保护装置的凹槽中；将桩底位置的光缆剥开，并将铜网编织层A和铜网编织层B相连，桩顶部预留一定长度的光缆，并做好保护，随后将光缆保护装置的凹槽用环氧树脂封填；胶水固化后，即可进行风电基础的施工；

S2、风电基础施工完成后，将桩顶的密集分布式同轴内加热光缆剥开，并将铜网编织层A和铜网编织层B通过电线接入加热控制模块，密集分布式传感光纤通过跳线与密集分布式光纤解调模块相连，并设置好监测数据采集时间间隔和频率；

S3、进行监测数据采集时，通过加热控制模块给密集分布式同轴内加热光缆供电，铜网编织层A和铜网编织层B形成同轴电路给光缆进行加热；加热的同时，密集分布式光纤解调模块对密集分布式同轴内加热光缆中的光信号进行解调；

S4、密集分布式光纤解调模块将步骤S3中解调得的光信号传输至监测数据处理模块，监测数据处理模块将光信号处理为温度数据，并计算出加热过程中光缆温升值，根据光缆温升曲线的空间差异判断基础的冲刷深度；

S5、监测数据传输模块将处理好的数据传输至监测数据可视化模块，监测数据可视化模块对风机基础的温度分布、加热过程的温升分布和冲刷深度等监测数据进行展示。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤S3中，加热控制模块供电的功率和时长根据现场环境进行确定。

作为本发明的一种优选技术方案：所述光缆保护装置为条带状金属，所述条带状金属的中间设有用于容纳密集分布式同轴内加热光缆的凹槽。

作为本发明的一种优选技术方案：所述光缆保护装置布置为使得密集分布式同轴内加热光缆的延伸方向与海洋风机基础桩身的延伸方向一致。

本发明提供一种基于密集分布式同轴内加热光缆的海洋风机基础冲刷自动化监测装置及方法，该装置基于密集分布式光纤感测技术和热传递理论，将采集到的数据转化成温度和温升；根据加热过程的温度数据，判断风机基础的冲刷程度，可以对风机基础的冲刷过程进行自动化监测，可实时获取风机基础的冲刷程度，降低了海洋风机的运维成本。

具体地，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1）、本发明提供一种密集分布式同轴内加热光缆，利用双层铜网编织形成同轴电路为光缆供热，无需缠绕成测管或形成U型回路，极大地提高了安装的便利性，也降低了光缆的用量，节约监测成本；

2）、此外，密集分布式同轴内加热光缆内部使用密集分布式传感光纤作为感测元件，可以将空间分辨率提升至分米级，温度检测精度达到0.1℃；

3）、本发明装置操作简单，自动化程度高，实时性好，且成本较低，方便运维管理部门及时发现并排除风电基础的风险，节约运维成本。

4）、不进行主动加热时，本发明所提供的装置可对海洋空气、海水和海底沉积物的温度变化进行实时监测，为海域环境和气候演化等方面的研究提供宝贵数据。

附图说明

图1为本发明的监测装置结构示意图；

图2为光缆保护装置横截面；

图3为密集分布式同轴内加热光缆结构示意图；

图4为侵蚀前后光缆加热过程温升变化图；

图中：1-光缆保护装置；2-密集分布式同轴内加热光缆；201-密集分布式传感光纤；202-Kevlar纤维编织层；203-铜网编织层A；204-聚乙烯绝缘层；205-铜网编织层B；206-中密度聚乙烯护套；3-加热控制模块；4-密集分布式光纤解调模块；5-监测数据处理模块；6-监测数据传输模块；7-监测数据可视化模块。

具体实施方式

参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。

一种基于密集分布式同轴内加热光缆2的海洋风机基础冲刷自动化监测装置，主要包括：光缆保护装置1、密集分布式同轴内加热光缆2、加热控制模块3、密集分布式光纤解调模块4、监测数据处理模块5、监测数据传输模块6和监测数据可视化模块7。

光缆保护装置1为条带状金属，中间留有凹槽；

密集分布式同轴内加热光缆2主要由密集分布式传感光纤201、Kevlar纤维编织层202、铜网编织层A203、聚乙烯绝缘层204、铜网编织层B205和中密度聚乙烯护套206组成.

密集分布式传感光纤201上等间距地刻有弱反射光纤光栅。密集分布式传感光纤201外用Kevlar纤维编织层202进行保护。用多根铜丝绞合形成铜网编织层A203。铜网编织层A203和铜网编织层B205之间用聚乙烯绝缘层204隔开。铜网编制层B外用中密度聚乙烯护套206进行封装。

光缆保护装置1焊接在风机基础的桩体表面，密集分布式同轴内加热光缆2铺设在保护装置的凹槽中，桩底部分的光缆剥开，并将铜网编织层A203和铜网编织层B205相连，桩顶预留一顶长度光缆，用胶水封填将保护装置凹槽封填；密集分布式同轴内加热光缆2需在桩顶剥开，将铜网编织层A203和铜网编织层B205用电线接入加热控制模块3。密集分布式传感光纤201通过跳线密集分布式光纤解调模块4；密集分布式光纤解调模块4与监测数据处理模块5连接；监测数据处理模块5与监测数据传输模块6连接；监测数据传输模块6与监测数据可视化模块7连接。

基于密集分布式同轴内加热光缆2的海洋风机基础冲刷自动化监测方法，包括以下步骤：

S1、在风机基础施工前，将光缆保护装置1焊接在风机基础的桩身上，将密集分布式同轴内加热光缆2拉直铺设在光缆保护装置1的凹槽中；将桩底位置的光缆剥开，并将铜网编织层A203和铜网编织层B205相连，桩顶部预留一定长度的光缆，并做好保护，随后将光缆保护装置1的凹槽用环氧树脂封填；胶水固化后，即可进行风电基础的施工。

S2、风电基础施工完成后，将桩顶的密集分布式同轴内加热光缆2剥开，并将铜网编织层A203和铜网编织层B205通过电线接入加热控制模块3，密集分布式传感光纤201通过跳线与密集分布式光纤解调模块4相连，并设置好监测数据采集时间间隔和频率。

S3、进行监测数据采集时，通过加热控制模块3给密集分布式同轴内加热光缆2供电，铜网编织层A203和铜网编织层B205形成同轴电路给光缆进行加热；加热的同时，密集分布式光纤解调模块4对密集分布式同轴内加热光缆2中的光信号进行解调。

S3中加热控制模块3供电的功率和时长要根据现场环境进行确定。

S4、密集分布式光纤解调模块4将步骤S3中解调得的光信号传输至监测数据处理模块5，监测数据处理模块5将光信号处理为温度数据，并计算出加热过程中光缆温升值，根据光缆温升曲线的空间差异判断基础的冲刷深度。

S5、监测数据传输模块6将处理好的数据传输至监测数据可视化模块7，监测数据可视化模块7对风机基础的温度分布、加热过程的温升分布和冲刷深度等监测数据进行展示。

利用本发明的装置和方法对某风电基础的冲刷情况进行监测，场地所用桩型为大直径钢管桩，桩长92 m，施工前预先按上述步骤沿桩身布设了一条监测路线，所用密集分布式同轴内加热光缆2的光栅间距为40 cm，基础施工完成时，钢管桩入土60.5 m。

本实施例在监测过程中，步骤S3中通电加热时长为20 min，加热功率为12W/m。具体地，根据场地自然条件，确定加热时长、功率、监测时间和监测频率。

由完工当天的加热温升数据可以看出，温升数据可明显分为3段：0-2 m范围内温升最高，且有一些波动，此段为基础在海面以上部分；2-32 m，温升最低，温升比较均匀，此段对应海面以下至海底部分；32 m以下，温升略高于2-32 m的，且呈一定的梯度，为桩身入土部分。由温升数据即可识别出空气-海水-海床的分界面，对基础冲刷的监测主要关注温升曲线中海水-海床这一界面高度的变化，以判断冲刷的深度。18个月后的温升数据与完工时的数据对比见图4中（a）和（b）所示，图中（a）为完工当天的光缆加热过程温升变化图，（b）为18个月后的光缆加热过程温升变化图。监测线路上的海水-海床界面下降了约11 m，可以得出基础周边侵蚀深度已达11 m。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。