TW201824139A - 離岸風場管理系統及其方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提出一種離岸風場管理系統和方法，系統包含：具有本機儲存裝置、處理器和數據擷取器的本機、具有即時儲存裝置和數據傳輸裝置的嵌入式主機，以及至少一感測器；系統方法包含：(A)由處理器根據第一數據產生第一失效模型、(B)數據擷取器自嵌入式主機取得第二數據、(C)數據擷取器自至少一感測器取得第三數據、(D)由處理器根據第二數據產生第二失效模型、(E)由處理器根據第三數據產生第三失效模型、(F)由處理器根據第一失效模型和第二失效模型產生第一風險指標、以及(G)由處理器根據第二失效模型和第三失效模型產生第二風險指標。

Description

離岸風場管理系統及其方法
本發明係關於離岸風力發電設備維持與營運的管理系統及系統運作方法，特別是針對發電設備整體結構安全性，提出一種能夠長期持續性監控的管理系統和方法。
離岸風力發電設備包含水上的風機、塔架、控制平台，以及水下的支撐結構、基樁、基座等部分，離岸風力發電設備可能被設置於淺水海域，也可能被設置於200公尺深的深水海域，不論設置位置的深淺，離岸風力發電設備長時間落坐於無人駐守的海洋中，受到波浪、海流、地震、狂風、海床鬆動、爆炸與撞船等因素影響，離岸風力發電設備不僅維護難度高，每次出航進行檢查與維護的成本也高，尤其是預期之外的維護作業也會增加成本或停機產生的營運損失，因此必須有效率地進行維運作業。
針對維護離岸風力發電設備的結構安全性，現有技術已經發明了許多種的感測技術，用於偵測環境因子的影響、水上風力發電設備的震動與結構破壞，或是水下結構的應力和疲勞崩壞等，經由不同的感測器，量測不同的項目，分別進行的各種結構監測和訊息傳遞的技術已臻成熟，但卻沒有缺乏能夠針對結構安全性之長時間運作和管理的整合方案。
本發明提出一種用於離岸風場進行長時間維運作業的管理 系統和方法，在系統部分包含：一本機、一嵌入式主機和至少一感測器；本機包含本機儲存裝置、處理器與數據擷取器，且本機儲存裝置與處理器相連接，處理器與數據擷取器相連接；嵌入式主機包含一即時儲存裝置和一數據傳輸裝置，且即時儲存裝置和數據傳輸裝置相連接；其中嵌入式主機透過數據傳輸裝置接收至少一感測器的資料；以及本機與嵌入式主機和至少一感測器遠端連線。
透過在離岸風場設置的至少一個感測器來長時間監控結構安全，同時，即時以數據擷取器擷取並保存感測器數據，再透過數據傳輸裝置傳送至遠端系統本機伺服器進行運算分析，由處理器模擬出離岸風場的環境與結構狀態，並將感測器所測得的數據和模擬分析結果儲存於本機儲存裝置，根據模擬結果能夠預測可能產生的結構損傷和風險成本。
在系統方法的部分，運作步驟包含：(A)由處理器根據一第一數據產生一第一失效模型；(B)數據擷取器自嵌入式主機取得一第二數據；(C)數據擷取器自至少一感測器取得一第三數據；(D)由處理器根據第二數據產生一第二失效模型；(E)由處理器根據第三數據產生一第三失效模型；(F)由處理器根據第一失效模型和第二失效模型產生一第一風險指標；以及(G)由處理器根據第二失效模型和第三失效模型產生一第二風險指標。
系統係根據離岸風場相關的標準協定或建設時的初設參數，首先產生第一數據，即標準數據，由嵌入式主機取得的歷史感測數據做為第二數據，由至少一感測器直接取得的即時數據做為第三數據，並由處理器根據第一數據、第二數據、第三數據分別建立第一失效模型、第二失效模型、第三失效模型，可以分別視作為處理器根據取得的數據模擬出 的標準失效狀態、歷史失效狀態和即時失效狀態，並經過失效狀態的彼此比對分析，可以確認離岸風場的風險程度，進而由系統給予第一風險指標和第二風險指標。
如此經由長時間的數據累積，系統根據風險指標能夠發出離岸風場的安全警示，甚至根據風險等級進行維運作業安排，有利於維運人員判斷結構安全風險與決定維運計畫。
本發明提出的離岸風場管理系統和方法，可以長時間收集並分析離岸風場的結構安全數據，進而預測可能產生的風險，完善維運計畫的實施，有效降低維運作業成本。
10‧‧‧本機
12‧‧‧本機儲存裝置
14‧‧‧處理器
16‧‧‧數據擷取器
20‧‧‧嵌入式主機
22‧‧‧即時儲存裝置
24‧‧‧數據傳輸裝置
30‧‧‧感測器
40‧‧‧基座
41‧‧‧淘刷保護裝置
45、75‧‧‧柱
46、56、66、76、86‧‧‧轉接段
47、57、67、77、87‧‧‧塔架
48、58、68、78、88‧‧‧風機機艙
49、59、69、79、89‧‧‧風機葉片
50、55、60、70‧‧‧基樁
62‧‧‧K接點
63‧‧‧X接點
64、74‧‧‧對角支柱
65‧‧‧支柱
80‧‧‧錨
81‧‧‧錨鍊
82、85‧‧‧支撐裝置
A‧‧‧塔架平台
B‧‧‧海平面
C‧‧‧海床
第1圖為本發明之系統示意圖；第2圖為本發明之離岸風場示意圖；第3圖為本發明之系統方法流程圖；第4圖為本發明之另一系統方法流程圖。
本發明是關於一種用於維護離岸風力發電廠長時間營運作業的管理系統和系統運作方法，首先關於離岸風場管理系統的部分，請參考第1圖，其為本發明之系統示意圖，離岸風場管理系統包含三大部分：一本機10、一嵌入式主機20和至少一感測器30。
本機10作為本地伺服器，包含用於儲存大量數據的一本機儲存裝置12、用於執行數據分析運算的一處理器14，處理器14可以具有可編 程式硬體部件，與用於取得來自嵌入式主機20或至少一感測器30的各種檔案類型的數據的一數據擷取器16，且數據擷取器16具有將類比訊號轉為數位訊號的功能，透過本機儲存裝置12與處理器14和數據擷取器16相連接，來自嵌入式主機20或至少一感測器30的各種檔案類型的數據將經過數據擷取器16轉換並擷取資訊以分類存入本機儲存裝置12，再由處理器14進一步作數據的分析運算。
其中本機儲存裝置12內還可以建置有一海事資料庫，可以將至少一感測器30取得的海事數據，包含浪高、浪向、波浪週期、風力、風向、海溫、氣溫、海流流向與流速等海況資訊，另存至系統內建的海事資料庫。
又或是本機儲存裝置12可與建置於其他地點或裝置的海事資料庫連線，將海事數據儲存於系統外部的海事資料庫。
海事資料庫的建立可以提供大量長期累積的海事大數據，方便同業人員或研究人員獲取並進行後續統計分析。
嵌入式主機20則包含用於即時儲存至少一感測器30所測得數據的一即時儲存裝置22和用於與至少一感測器30和本機10雙向傳輸數據的一數據傳輸裝置24，且即時儲存裝置22和數據傳輸裝置24相連接。
嵌入式主機20相較於本機10將設置在較靠近至少一感測器30的位置，並透過數據傳輸裝置24接收至少一感測器30的資料，且與本機10遠端連線，因此嵌入式主機20可以將儲存於即時儲存裝置22的至少一感測器30的數據，定期或定時經數據傳輸裝置24傳送給本機10，同時本機10也與至少一感測器30遠端連線，用於接收即時數據。
如此，嵌入式主機20將成為至少一感測器30的歷史數據提供管道，尤其是當任一至少一感測器30受到環境影響，發生暫時訊號中斷而無法遠端傳遞時，嵌入式主機20仍可以維持儲存至少一感測器30的數據的功能，有助於維持離岸風場長時間且遠距離的資訊收集與管理。
本發明之系統可以應用於各種離岸風力發電設備，請參考第2圖，其為本發明之離岸風場示意圖，離岸風力發電設備都具有設置於海平面B之上的水上部分和設置於海平面B之下的水下部分，一般水上部分至少包含風機葉片(49、59、69、79、89)、風機機艙(48、58、68、78、88)、塔架(47、57、67、77、87)和塔架平台A。
水下部分根據基礎或支撐結構的差異而有不同的態樣，例如：具有重力基礎(Gravity foundation)結構者，常見型態為具有呈三角的基座40以及淘刷保護裝置41，水上的塔架47與水下的柱45透過轉接段46相連接；單樁式(Monopile)結構者，水上的塔架57與水下的基樁55，透過轉接段56相連接，其中基樁50表示安裝於海床C的部分結構；套管式(Jacket)結構者，通常為設置於海床C的基樁60上與支撐結構(例如可以由支柱65、對角支柱64、X接點63、K接點62所組成)相連接，水上的塔架67與水下的支撐結構主要透過轉接段66相連接，具體而言，在支撐結構構件支柱65之間，設置有對角支柱64，且由於對角支柱64的設置，在對角支柱64與支柱65相連接處形成K接點62，在對角支柱64與相鄰的對角支柱64之間形成X接點63；三腳式(Tripod)結構者，顧名思義就是具有三個基樁70，而基樁70與支柱75之間通常以對角支柱74相連接，水上的塔架77與水下的柱75透過轉接段76相連接；而設置於較深水域的離岸風機，還可以利用漂浮式的結構改變其 水下結構的設置，例如透過錨80與錨鍊81連接，錨鍊81的長度隨需要改變，錨鍊81在與浮力裝置以及支撐裝置(82、85)相連接，水上的塔架87與水下支撐裝置85透過轉接段86相連接。
本發明之系統可以應用於至少上述幾種的離岸風力發電設備上，例如可以將嵌入式主機20設置於塔架平台A，用於近距離接收至少一感測器30的數據。
可以將至少一感測器30設置於風機葉片(49、59、69、79、89)或風機機艙(48、58、68、78、88)，用於量測風機本身運轉時產生的振動、風阻、受環境影響產生的應力破壞和海水造成的腐蝕破壞。
也可以將至少一感測器30設置於塔架(47、57、67、77、87)、支撐結構(65、64、63、62)、柱(45、75、85)、基樁(50、55、60、70、80)、或淘刷保護裝置41，用於量測因環境變化，如洋流、淘刷、海床鬆動等造成沉陷或坍塌、風機間接振動、動態變化，如爆炸、撞船、地震等產生的應力破壞和海水造成的腐蝕破壞。
至少一感測器30還可以設置於轉接段(46、56、66、76、86)、K接點62、X接點63或對角支柱(64、74)；或是至少一感測器設置於支撐裝置82或錨鍊81，同樣可以用於量測因環境變化，如洋流、淘刷、海床鬆動等、風機間接振動、動態變化，如爆炸、撞船、地震等產生的應力破壞和海水造成的腐蝕破壞，其中又在轉接段(46、56、66、76、86)的部分，由於轉接段(46、56、66、76、86)常見是透過灌漿固著的方式設置，已有許多案例指出此位置容易率先產生結構破壞，為至少一感測器30進行安全監控的重要位置。
其中至少一感測器30也可以設置於支撐裝置82或錨鍊81，以用於監控漂浮式水下結構的安全性。
由於至少一感測器30扮演結構安全監控的重要角色，因此至少一感測器30可以包含用於量測應變與力量的應變規或其他感測器，例如是：電阻式應變規(Electrical resistance strain gauges)、荷重元(Load cells)、振弦應變規(Vibrating wire strain gauges)、光纖式應變規(Fiber optic strain gauges)等。
至少一感測器30可以包含用於量測振動的加速規，例如是：壓電式加速規(Integrated electronic piezoelectric(IEPE)accelerometers)、壓電阻式(Piezoresistance)、電容式微型加速規(Capacitive micro-electromechanical systems(MEMS))、伺服式力平衡加速規(Servo force balance accelerometers)等。
至少一感測器30可以包含用於量測位移的位移計，例如是：拉線式位移計(Cable extension；String potentiometers)、LVDT位移計(Linear variable differential transformer(LVDT))、高解析度GPS接受器(High-resolution GPS receiver)等。
至少一感測器30可以包含用於量測運動的裂縫規(Crack gauges；Crack meters)，或傾斜計(Tiltmeter)，例如是振弦傾斜計(Vibrating wire inclinometers)等。
至少一感測器30可以包含用於量測金屬，例如是鋼筋，結構腐蝕的腐蝕感測器(Corrosion sensors)。
另外，還可以應用音洩法(Acoustic emissions)、超音波偵測 (Ultrasonic detection)、透地雷達(Ground-penetrating radar)、核磁共振成像(MRI)、飛行時間繞射法(Time of flight diffraction method(TOFD))等方式進行非破壞檢測。
以及利用熱電偶與電阻溫度偵測器(RTD)量測溫度，或是其他環境感測器用於偵測濕度、風速與方向等環境變化因子。
由於對離岸風場結構安全造成威脅的因子種類繁多，因此至少一感測器30的數據類別或格式也相對複雜，所以不論至少一感測器30的數據是直接傳遞至本機10，或是經過嵌入式主機20收集後再傳送至本機10，先透過數據擷取器16進行訊息的擷取、分類和轉換，再存入本機儲存裝置12，將有助於提升處理器14對於數據的分析運算效率。
關於本發明的一種用於離岸風場管理系統的方法，請參考第3圖，其為本發明之系統方法流程圖，方法步驟包含：(A)由處理器14根據一第一數據產生一第一失效模型；(B)數據擷取器16自嵌入式主機20取得一第二數據；(C)數據擷取器16自至少一感測器30取得一第三數據；(D)由處理器14根據第二數據產生一第二失效模型；(E)由處理器14根據第三數據產生一第三失效模型；(F)由處理器14根據第一失效模型和第二失效模型產生一第一風險指標；以及(G)由處理器14根據第二失效模型和第三失效模型產生一第二風險指標。
其中，第一數據係來自相關離岸風場標準協定，例如是來自ISO/TC 67/SC 7對於離岸風場結構設施的標準規範；第一數據也可以是根據離岸風場施工建設完成時，將所測得的初設參數作為標準數據，因此步驟(A)可以解釋為由處理器14根據標準數據規範的安全範圍，進而建立的第一失 效模型。
詳細而言，步驟(B)是由本機10的數據擷取器16遠端連線至嵌入式主機20的即時儲存器裝置22取得一第二數據，遠端連線的方式可以是透過水下電纜或是水下無線傳輸，第二數據是來自於至少一感測器30隨時存入即時儲存器裝置22的數據，隨著離岸風場的運作時間而定時不斷更新和累積的歷史數據。
步驟(C)是數據擷取器16遠端直接連線到至少一感測器30取得一第三數據，遠端連線的方式同樣可以是透過水下電纜或是水下無線傳輸，由於第三數據是直接來自至少一感測器30的即時數據，其有可能因為海洋環境因素而傳輸失敗，缺失的數據在經過一系統約定時間後可以由第二數據遞補。
步驟(D)是由處理器14根據第二數據產生的一第二失效模型，第二失效模型用於闡述一定時間的離岸風場結構狀態。
步驟(E)是由處理器14根據第三數據產生的一第三失效模型，第三失效模型用於闡述當前的離岸風場結構狀態。
步驟(F)是由處理器14根據第一失效模型和第二失效模型比對分析產生的一第一風險指標，用於評估在一定時間內的離岸風場結構預期風險。
步驟(G)是由處理器14根據第二失效模型和第三失效模型比對分析產生的一第二風險指標，用於評估離岸風場結構立即可能發生的重大風險。
通過前述失效模型和風險指標的建立，則可以進一步對維運 作業人員提出風險警示，請參考第4圖，其為本發明之另一系統方法流程圖，與前述方法的差異在於在步驟(G)之後還包含一步驟(H)，步驟(H)為由處理器14根據第一風險指標或第二風險指標，提供一風險警告或一風險任務程序圖表。
風險警告可能表示為高度可能發生、可能發生或不可能發生等類別，提供相關人員作業安排；也可以由系統發布風險任務程序的圖表，根據第一風險指標或第二風險指標來產生，即風險可能發生的機率、時間、人員維護作業時間與成本，考量與調配相關人員或運送人員進行維運作業的載具的任務程序圖表。
而關於失效模型的部分，第一失效模型、第二失效模型或第三失效模型可以是氣彈力學模型、有限元模型、SACS模型(Offshore structural analysis and design software，源自賓利(Bentley)公司的海洋結構設計分析軟體)或其組合，例如由氣彈力學模型可以獲知支撐結構的受力狀況；有限元模型呈現灌漿固著結構的力學行為與破壞模式；SACS模型可以評估結構的疲勞壽命。
如此，本發明的系統運作方法可以由離岸風場的相關標準協定或建立之初設參數的基礎標準數據，以及至少一感測器提供的長期數據，透過選定模擬方式並建立預測的失效模型，再一併考慮因應失效產生的營運成本風險，即可以對離岸風力發電的水上以及水下結構進行長時間的安全監控，並推估出可能產生的結構失效問題與營運風險，進而提出長期完整的維運計畫，降低現行維運作業管理成本與提升作業效率。
本發明離岸風場管理系統及其運作方法，提出了有效維持長 時間對離岸風力發電設備的水上以及水下結構進行安全監控和資料收集的系統，以及涉及營運成本和預防結構發生風險危害的方法，適用於完成建設的離岸風場進行後續的維運作業管理。

Claims (15)

  1. 一種離岸風場管理系統，包含：一本機、一嵌入式主機和至少一感測器；該本機包含一本機儲存裝置、一處理器與一數據擷取器，且該本機儲存裝置與該處理器和該數據擷取器相連接；該嵌入式主機包含一即時儲存裝置和一數據傳輸裝置，且該即時儲存裝置和該數據傳輸裝置相連接；其中該嵌入式主機透過該數據傳輸裝置接收該至少一感測器的資料；以及該本機與該嵌入式主機和該至少一感測器遠端連線。
  2. 如請求項1所述的離岸風場管理系統，其中該嵌入式主機設置於塔架平台。
  3. 如請求項1所述的離岸風場管理系統，其中該至少一感測器設置於風機葉片或風機機艙。
  4. 如請求項1所述的離岸風場管理系統，其中該至少一感測器設置於塔架、支柱、柱、基樁、或淘刷保護裝置。
  5. 如請求項1所述的離岸風場管理系統，其中該至少一感測器設置於轉接段、K接點、X接點或對角支柱。
  6. 如請求項1所述的離岸風場管理系統，其中該至少一感測器設置於支撐裝置、錨或錨鍊。
  7. 如請求項1所述的離岸風場管理系統，其中該至少一感測器為應變規或加速規。
  8. 如請求項1所述的離岸風場管理系統，其中該至少一感測器為位移計、裂 縫規或傾斜計。
  9. 如請求項1所述的離岸風場管理系統，其中該至少一感測器為腐蝕感測器。
  10. 如請求項1所述的離岸風場管理系統，其中該本機儲存裝置內還建置有一海事資料庫。
  11. 一種用於請求項1所述的離岸風場管理系統的方法，其步驟包含：(A)由該處理器根據一第一數據產生一第一失效模型；(B)該數據擷取器自該嵌入式主機取得一第二數據；(C)該數據擷取器自該至少一感測器取得一第三數據；(D)由該處理器根據該第二數據產生一第二失效模型；(E)由該處理器根據該第三數據產生一第三失效模型；(F)由該處理器根據該第一失效模型和該第二失效模型產生一第一風險指標；以及(G)由該處理器根據該第二失效模型和該第三失效模型產生一第二風險指標。
  12. 如請求項11所述的離岸風場管理系統的方法，在步驟(G)之後還包含一步驟(H)，該步驟(H)為由該處理器根據該第一風險指標或該第二風險指標，提供一風險警告或一風險任務程序圖表。
  13. 如請求項11所述的離岸風場管理系統的方法，其中該第一數據係來自離岸風場標準協定或離岸風場初設參數。
  14. 如請求項11所述的離岸風場管理系統的方法，其中該第二數據係來自該至少一感測器透過該數據傳輸裝置存入該即時儲存裝置的歷史數據。
  15. 如請求項11所述的離岸風場管理系統的方法，其中該第一失效模型、該第二失效模型或該第三失效模型包含氣彈力學模型、有限元模型和SACS模型。
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