三维前瞻声纳：海上风电场应用，提高海上风电场的安全可靠性
摘要：目前的文章讨论了如何使用三维前瞻声纳（3D FLS）技术来提高海上风电场（OWF）周围导航的安全性。 作者认为，尽管目前3D FLS的使用并不普及，海上风力发电机的数量和规模也在迅猛增长，对海运业来说是一个巨大的挑战。 为了为日益拥挤的海域做好准备，利益攸关方必须调查这些技术的潜在应用领域，以提高海上设施附近海上作业的安全性。 3D FLS应用可以是多种多样的，如当前工作的讨论所示; 这些应用包括提高安全性，提高可靠性并减少OWF的停机时间 - 海事和海上风电行业的重要问题。
关键词：离岸；风；能源；前瞻性声纳；安全；可靠性；导航；可再生能源
- 引言
1．背景
近几十年来，社会对化石燃料的潜在负面影响越来越有意识。结果是，可再生能源的使用急剧增加 - 不仅是一个更加注意的社会，而且是强有力的政策手段。
最受欢迎的可再生能源计划之一是风能。随着能源需求的增长，越来越多的风力发电机正在海上安装。离岸风力发电场（OWFs）提供了优于其陆上等同物的优势。有更好的风力资源，风速在海上更加一致。潜在的风力发电机也可以扩大到比陆上更大的尺寸，从而提高能源发电效率。平均而言，在欧洲，海上风力发电机的容量为3.6MW，年产能为12,961兆瓦时;相比之下，陆上涡轮机的平均容量为2.2MW，仅产生约4,702MWh的能量。
OWF也可以建造得足够靠近人口稠密的海岸，以减少能源运输成本，但远远不足以引起视觉和噪音污染。这些因素在一定程度上结合在一起，在陆地空间有限的情况下，导致海洋区域对风能发电的利用增加。因此，海上风力发电机的规模和数量正在快速增长。风电场也越来越大，进一步上岸，更好地开发风资源。
然而，OWF还有一些缺点也需要考虑。缺点包括施工和维护的恶劣环境条件，深水安装技术的局限性以及对海洋环境的影响。这些缺点加上资本投入的高昂成本，维护和可靠性意味着OWF不像现在的在岸当地那样具有成本效益或效率。事实上，根据某些估计，OWF的运行和维护成本（O＆M）可能比陆上风力高出2-6倍。
建造OWF也可能对附近的船只作业产生影响。风力发电场导致船舶阻塞更多的水，以避免船舶;航运公路附近的风力发电场的存在有效地缩小了船只能够运行的区域，从而增加了交通密度。当然，由于与OWF相关的活动，由于海上交通量的增加，事故风险也增加。在运行时，风力涡轮机也可能导致船上车载导航设备出现问题：特别是对使用多普勒信号处理的移动目标指示的X波段相干雷达的OWF干扰担忧;还有关于可能导致对通信和AIS广播的干扰的涡轮机电磁异常的担忧。
OWF也可能会有其他不太明显的方法证明对船只业务有害。例如，由于建筑残骸或风暴破坏，漂浮在塔架上的渔网以及其他浮动和淹没的危险，涡轮机基础结构附近可能存在水下障碍物。同样地，也可能是风暴引起的底部地形变化，特别是在浅滩水轮机的安装。因此，由于OWF不仅增加了碰撞和联合攻击风险，而且还会增加接地和绞合的风险。
海上风电场造成的潜在事故可分为5类。
bull;涉及通过船只的航海事故（动力和漂移）
bull;涉及风电场支援船的导航事故
bull;OWF安装和退役操作中的事故
bull;SAR等紧急海上作战事故
bull;处理海上活动的港口和港口事故
除了上述事故类别外，OWF也可能影响渔业和休闲业务的安全。然而，目前的文件只关注支持船只，安装和退役船只以及应急船只类别。
上述任何海上事故，如果发生在OWF附近，可能导致农场停电，或导致安装，维修或维护服务严重延迟，从而导致更高的能源成本。在最坏的情况下，海上事故可能不仅会损坏船只，还会损坏涡轮机，从而导致更多的停机时间和更高的维修成本。这些上述风险领域可能会严重，对海运和OWF行业 - 在安全性和可靠性方面都可能造成巨大的后果。
2．案例研究：岛屿风电场
OWF带来的风险可以通过现实案例研究来最好地证明。
目前，美国第一个OWF，即30MW的Block Island风电场（BIWF）正在建设中，预计将于2016年夏末完成.BBWF位于美国罗德岛州Block Island东南约3英里处，如图所示。 BIWF是一个相当小的OWF的例子。该项目包括五台6MW风力发电机组，一台连接涡轮机的海底电缆，以及从最北端的涡轮机到Block Island的互连点的海底电缆。固定在海底支撑上的钢结构，风力涡轮机从驳船中提升，并且当通过基础桩被驱动通过每个基础的4条腿中的每一根固定在海床上时。
如前所述，在施工期间可能发生的事故可能导致涡轮机，支撑结构和/或船舶设备的损失，从而在水线以下形成不可见的导航危险。支持OWF建设和维护所需的各种船只类型和特派团进一步使这些问题复杂化，因为深水和高速船舶更容易受到这种危害。其他较不敏感的血管通常可以保持不受影响，为未知危险提供虚假的安全感。参与开发BIWF的海上施工船舶包括大型井架驳船，起重驳船，拖船和供应船只。
BIWF位置的底部通常是岩石，但是在一个区域的东部，可能会在海岸和持续变化的区域，在航海图上不会被准确地表示，并且可能会影响在风暴活动之后往返现场的过境流量。
干扰X波段雷达系统的风力发电场的影响，已有文献证明了陆基空中安全和多普勒天气观测雷达。这种现象也影响了海上相干雷达系统，其具有由各种海军和搜索和救援船舶使用的类型的多普勒信号处理提供的移动目标指示能力。这是由旋转涡轮机反射的返回能量引起的，其中叶片尖端可以达到170mph（274kph）的速度，其被解释为降水并且在雷达屏幕上显示为杂波。这种效应是非常持久的，并且与雷达现场距离很远，促使美国国家气象局和联邦航空局建议风力涡轮机不位于雷达视线中。在靠近OWF内的船只操作这种雷达系统可能会导致显着的干扰，从而降低这些雷达的有用性，并降低能见度低的情况。
干扰也可能是由兆瓦发电机引起的，这些发电机可能会对OWF附近的船上通信和导航系统产生不利影响，例如超高频（VHF）无线电，自动识别系统（AIS），全球导航卫星系统（GNSS）和卫星通信系统。这也可能导致涡轮机叶片发射的信号的反射并导致同时的，延迟的干扰信号。所涉及的因素包括转子叶片几何形状和转速，信号极化和调制类型，涡轮叶片与发射器和接收器之间的方向和高度。大多数研究调查了干扰对一般和广泛地区的电视，广播，海事和航空广播的影响，但不一定在OWF附近。研究表明，甚高频传输的潜在干扰可能在风力发电机5公里内经历。这可能会对海上VHF通信和AIS无线电导航有帮助。同样，如果多个涡轮机阻碍到卫星的信号路径，特别是在较高的纬度地区，GNSS导航信号可能会受到负面影响。使用在1.5GHz频谱范围内工作的低功率地面站的卫星通信系统也可能对位于较高纬度地区的附近OWF的船只产生负面影响。
虽然BIWF案例研究是一个非常小的OWF之一，但它展示了海运业务面临的各种挑战，而且还明确强调了需要增加或改进的导航工具。
目前的文章提出了通过增加风力涡轮机导航，新型使用前瞻性声纳来减轻OWF带来的一些风险;因此，目前的讨论有助于使海上风能潜力更具竞争力和可靠性的更广泛目标，从而缩小陆上和海上风力发电之间的安全和可靠性差距。
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三维向前看声音
- 关于3D FLS的一些基础知识
主动声纳由国际海事组织（IMO）通常称为回声测深仪，用于确定龙骨和底部之间的深度。回声测深仪的一个变体是3D FLS，可用于检测弓柱前方水柱的底部特征和物体。尽管这种技术在商业市场上具有实用性和可用性，但很少包括在导航传感器的船舶补充中。
用于通过确定范围，方位和仰角信息来检测底部特征，物体和探测的方法通常可以被描述为沿着船舶的路径向前发送可引导声纳信号的变化，或者传输从该环境的快照的单个ping获得。随着船舶进程的进一步形成底部地形和具体目标的马赛克。
FLS产品可以提供2维和3维表示，后者提供了更加现实的写照。
3D FL声纳可以增加船只在运输路线前方的海底环境的状况意识，以检测航海中没有描绘的导航危险。这包括岩石，浅滩，礁石和壁架以及未知的沉船和其他在最近的水文测量中不存在或被发现的物体。也可检测到水中悬挂的航行危险，例如运输集装箱漂浮，大型渔网，浮标，冰山，种植者和鲸鱼。对OWF支持最重要的是它能够检测风力发电机塔架和安装这些结构所需的施工设备。这种能力可以补充视觉和雷达线索在正常运行期间检测和导航到塔架，并且在低能见度和恶劣天气情况下可能是至关重要的。
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- 能力
已经开发了具有不同能力的3D FLS系统，支持无人海底车辆和船舶应用。 那些设计用于船只的人，大多数是为了快乐和小型渔船而设计的。 然而，有三维可视化功能的系统具有范围和高分辨率，使其适用于大型船舶，如工作船，海上服务船，商船和客船。 表1中提供了两种这样的系统的规格。
其他具有可比性能的商用系统也可用，包括R2Sonar 2024，Teledyne-Reson 7128和Sonardyne NOAS。 在浅水区，根据底部和目标条件，3D FLS的范围可以从前面的深度的八到二十倍延伸。 当底部地形向上倾斜时，当目标较大并且由提供良好声学特征的硬岩和/或珊瑚组成时，这是最有效的。
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- 性能
使用3D FLS作为避免导航危害的手段已经在M / V Costa Concordia，Rena，Exxon Valdez和其他灾害的模拟中得到证实，其中11/2到2分钟前预先与地形进行联合预警已经可以在10和15节之间的速度。在结果符合国际水文局（IHO）特别订单1A标准的要求的同时，还讨论了使用3D FLS进行水文测量。已经记录了3D FLS，用于检测代表浮标（如图2所示）的鲸鱼和大型鱼类，鱼类捕获器，码头和其他危害的各种水中特征。这种表现表明这种技术在实现各种海上任务方面的多功能性和实用性。FarSounder 3D FLS的用户界面如图2所示，说明该系统能够实时显示露天水域（红色圈出），靠近岸边的淹没岩石（黄色圈出）和海岸线本身的浮标。这些都显示在3D表示以及ECDIS显示屏上的叠加。该信息可以用于例如在正常操作期间补充雷达和GNSS传感器数据以证实风力涡轮机基础的位置。然而，在其他系统功能减弱的情况下，3D FLS的实际应用被证明是不利的。例如，雷达的能力由于干扰或故障而受到影响，特别是在可见度差的情况下，3D FLS仍可用于定位风力发电机基础的水下部分。这也适用于全球导航卫星系统欺骗，AIS无线电对GNSS和AIS服务的导航混叠和拒绝服务攻击的支持。图3图示了3D FL声纳的能力，以检测和显示在船前面的突击。
三、3D FLS在OWFs附近的应用
3D FLS技术在OWF的背景下具有几个潜在的应用领域。 本节讨论一些潜在的应用。
- OWF安装和退役操作
OWF的安装和退役是复杂的安全关键操作，涉及专用船舶和设备，如自升式起重机。在起重机起重机起重之前，需要牢固地“附着在海底”。为了做到这一点，了解海洋地区的水文特征是非常重要的。这也适用于自升式船舶和起重机，经常用于维护和维护涡轮机舱。同样重要的是确保船只以安全，平稳和有效的方式进入正确的位置。在BIWF的情况下 - 水文学中的频繁变化是常见的 - 3D FLS可能被证明是非常重要的。
3D FLS还有助于改善船舶从岸到岸的安全过渡。当涡轮机不一定安装时，安装船舶通常在项目中很早或非常晚的时间使用。测量涡轮机子结构的位置并避免涡轮机的子结构成为非常重要的任务。安装船舶必须从岸到岸进行多次往返，特别是随着大量风力发电机组的OWF越来越普遍。而不是采取不必要的长路线来避免水下危险和子结构，安装船可能会使用3D FLS更有效和安全地导航。这不仅会显着降低燃油成本，还可能会显着加快安装过程。目前，在安装过程中至关重要的自升式船只可能每天的价格在45,000英镑到29万英镑之间，具体取决于特许的长度和类型;因此，通过使用3D FLS在安全和财务方面显然有很大的好处。
- 降低风力发电机组（WSV）/船员转运船（CTV）的运行负荷
安装在WSV和CTV上的3D FLS可以在减少由于船舶 - 涡轮机接触造成的损坏方面发挥重要作用。虽然大多数风力涡轮机都具有专门设计的损伤吸收式着陆结构，但支撑船只可能与子结构 - 或涡轮机塔架本身接触的可能性很小。最近一篇文章强调了这一关切。在本文中，作者还进行了有限元分析（FEA），以证明它将需要非常低的速度来对涡轮造成潜在的显着损害。根据上述文件的结果，一艘与0.38m1s的速度相撞的船只与起落架结构相撞也足以引起建筑物的局部收获; 0.84m1s的速度将导致全球产量。相反，与塔直接碰撞的船只将导致局部产量和全球产量分别为0.34m1s和0.55m / s的速度。
涡轮机要求具有“碰撞友好型”结构的国家，例如在碰撞的情况下，必须保持船体的完整性，船舶的状况优先于以上国家，涡轮机的状况。事实上，在德国许可OWF的BSH（Bundesamtfuuml;rSeeschifffahrt und Hydrographie - Federal Maritime and Hydrographic Agency）所要求的明确标准是：涡轮机比参考案例船更“灵活”这基本上意味着涡轮塔被设计成在它们可能损坏船体之前坍塌。这从长远来看当然可能是反直觉的，因为它可能导致机舱（现代机舱可以重达600吨），并且叶片坍塌到船只的甲板上 - 造成比预期的更多的损害。从可靠性的角度来看，这不是理想的情况，因为修理涡轮机的成本可能很大。
TUV-SUD等机构的研究引起了人们的关注，即从工作船定期运行高达200kN的水平力可能会降低涡轮机的结构完整性，导致维修费
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