海上风电工程结构监测技术的应用与发展趋势

——保障深远海风电场安全运行的关键支撑

随着全球能源转型加速推进，海上风电作为清洁能源的重要组成部分，正从近海浅水区向深远海拓展。据国际可再生能源机构（IRENA）统计，截至2024年底，全球海上风电累计装机容量已突破100吉瓦（GW），其中中国占比超30%，位居世界第一。然而，海上环境复杂多变，风浪载荷大、腐蚀性强、运维难度高，对风电设施的长期安全性提出了严峻挑战。

在此背景下，结构健康监测系统（Structural Health Monitoring, SHM） 成为海上风电工程不可或缺的技术手段，其核心目标是实时感知风机基础、塔筒、叶片及电气设备等关键部件的状态变化，实现早期故障预警、寿命预测与科学维护决策。

一、海上风电结构监测的核心需求

相较于陆上风电，海上风电面临更为严苛的服役条件，具体体现在以下几个方面：

监测维度陆上风电特点海上风电挑战环境因素温差小、湿度可控盐雾腐蚀、强风浪冲击、极端气候频发运维难度易接近、成本低远距离作业、天气依赖性强、停机损失大结构复杂性单体结构简单基础形式多样（单桩、导管架、漂浮式）、耦合效应显著数据获取难度传感器部署便捷安装困难、通信受限、供电不稳定

因此，海上风电结构监测不仅需要高精度传感能力，还需具备抗干扰、自供电、远程传输和智能诊断等功能。

二、主流监测技术及其应用场景

当前，海上风电结构监测主要采用以下几类技术组合应用：

1. 应变/位移传感技术

使用光纤光栅（FBG）、MEMS加速度计、激光测距仪等设备，测量塔筒弯曲应力、基础沉降、叶片变形。

典型案例：丹麦Ørsted公司在北海项目中部署FBG阵列，成功识别出因波浪共振导致的塔筒疲劳损伤趋势。

2. 振动模态分析技术

借助分布式振动传感器（如压电陶瓷）进行模态识别，判断结构刚度退化或连接松动。

应用价值：可用于评估风电机组整体动态响应特性，优化控制策略。

3. 声发射与超声检测（AE/UT）

主要用于海底基础焊缝、桩基裂纹等隐蔽缺陷的无损检测。

技术难点：需结合水下机器人（ROV）协同作业，提升定位精度。

4. 人工智能辅助诊断系统

引入机器学习算法（如LSTM、随机森林）对海量监测数据进行模式识别，实现异常工况自动分类。

实践成果：上海电气集团开发的SHM-AI平台，在江苏某海上风电场实现故障误报率下降67%。

小结：单一监测技术难以满足全生命周期管理需求，未来趋势是构建“多源异构融合”的智能监测体系。

三、典型工程实践案例解析

案例一：广东阳江海上风电项目（2023年投运）

该项目采用“光纤+无线传感+边缘计算”三位一体架构：

在风机塔筒布置20个FBG传感器；

基础部分集成声发射探头与温湿度模块；

所有数据通过LoRaWAN上传至云端AI模型；

实现每日自动报告结构状态评分，并生成维护建议清单。

该方案使运维响应时间缩短40%，年均非计划停机减少3次以上。

案例二：英国Dogger Bank风电场（全球最大漂浮式风电项目之一）

针对漂浮式平台特有的六自由度运动特性，引入惯性导航单元（IMU）与GNSS定位系统联合监测：

实时跟踪平台姿态偏移；

结合流体力学仿真模型进行载荷反演；

支撑设计优化与风险预警机制建立。

四、发展趋势与政策导向

1. 标准化进程加快

中国《海上风电结构健康监测系统技术规范》（GB/T 51483-2023）已于2024年实施，标志着我国进入规范化发展阶段。

2. 数字孪生赋能精细化管理

将监测数据与BIM、CFD仿真模型深度融合，打造“虚实映射”的数字孪生体，支持虚拟调试与远程运维。

3. 绿色低碳驱动技术创新

研发低功耗传感器、太阳能/波浪能自供电模块，降低碳足迹，契合“双碳”战略目标。

4. 国际合作日益紧密

欧洲ENECO、德国Fraunhofer研究所与中国国家能源局共建联合实验室，推动跨国标准互认与技术共享。

五、结语：迈向智能化、自主化的监测新时代

海上风电结构监测不仅是技术问题，更是关乎项目经济性、安全性与可持续性的系统工程。随着物联网、大数据与人工智能技术的持续进步，未来的监测系统将更加自动化、智能化和网络化，真正成为海上风电“看得见、听得懂、控得住”的“神经中枢”。

对于从业者而言，掌握结构监测核心技术，不仅是提升运维效率的关键路径，更是参与全球海上能源竞争的战略支点。

延伸阅读推荐：
《海上风电结构健康监测系统设计指南》（中国电力出版社，2024）
IEC TS 61400-25: Wind turbines — Communication for monitoring and control
IEEE Transactions on Industrial Informatics 特刊：“Smart Monitoring in Offshore Wind Energy Systems”