海上风电环境监测控制系统

海上风电环境监测控

制系统

一、项目基本情况

项目背景与必要性

海上风电机组时刻运行于高盐雾、高湿度和硫化氢气体积累的恶劣海洋环境。盐雾指含氯化钠等氯化物的大气，氯离子会穿透金属表面的氧化层发生电化学反应，使机舱内的机械和电子元件受到腐蚀；硫化氢气体由风机基础周围海泥物质分解产生而来，容易在底塔积累，溶于水后对钢结构有电化学腐蚀性，且剧毒。因此，海上风机的正常运行，需要一套严格的环境监测与有害指标控制系统，用以监测和控制各类有害成分，保护风机工作人员的安全健康和风机重要设备、结构的安全运行。

公司以此前研发的油品监测系统为基本框架，开发了针对海上风电环境气体、盐雾和湿度的监测系统，并对气体与湿度的排放和去除手段做了完善的配套。海上风电环境监测与控制系统应用于海上风电塔筒和机舱，通过对塔筒和机舱的有害有毒气体硫化氢、腐蚀性盐雾和过大的湿度进行实时监测，并在线控制排风风机、除湿风机等执行机构，将硫化氢和盐雾湿气等排放至塔筒和机舱外部，保障海上风机工作人员和设备的正常运行。

国内外市场分析

风能行业作为绿色清洁能源，在中国发展迅猛，我国近海10米水深的风能资源约1亿千瓦，近海20米水深的风能资源约3亿千瓦，近海30米水深的风能资源约4．9亿千瓦。仅2019年，我国海上风电装机量新增量就达到了1.71GW （400套）。海上风电场的造价约为陆上风电场的2－3倍，平均发电成本也远远高于陆上风电，海上单台机组平均运维费用也达到了30万/年（5MW机组）。

随着装机量的大幅提升，保养维修的成本和难度以及折旧费用将会占运营成本的

大部分比例。因此，海上风电的设备安全长期运行和保养工作人员的安全健康将会逐步占有更多比重，维护保障产品也将会逐步提升配套设备的市场占比。

国内外相关技术和产业现状、发展趋势

据统计，海上风电机组中所有故障中20-25％是由湿气和腐蚀直接或间接造成的，且硫化氢造成的人员中毒事件也屡见不鲜，针对性的抗盐雾和除硫化氢手段在目前的海上风电产业中至关重要。通常的防盐雾涂层在电容器、变流器或电气接线等部位的应用技术难度很高；通常的抽水、密封等防硫化氢的方案也存在工作量巨大，效果一般留有隐患等缺陷。因此一套通过监测、排放手段进行除盐雾除硫化氢的系统将会在海水风电产业中有很高的市场前景。通过通风排放的手段去除有害气体（烟雾等），已有应用先例。本系统通过使用防爆设计通风机（防爆等级dIIB T3）进行硫化氢排放，并辅以吸附式轮转除湿排风机构进行盐雾的排放和湿度的去除。

二、主要内容和技术指标

总体目标和主要内容

妨碍海上风机的正常运行各因素中，以风机基础海泥产生的硫化氢气体，和高湿度高盐雾浓度为主。海上风电环境监测与控制系统以各采集器和设备控制终端、报警装置等组成的SCADA为主，加入对执行机构的远程实时控制，做到对有害环境指标的实时监测和智能净化。

数据采集器有硫化氢、盐雾浓度、温湿度传感器；执行机构为硫化氢排放风机、吸附式轮转除湿机等。通过基于RS485的高速数据传输结构和基于以太网的RTU远程终端进行远程在线分析和控制。分别将风电机组机舱内部和塔架内部的空气含盐量传输至监测中心服务器，根据设备运行环境要求范围设定报警值，当机舱环境超过设定报警值时，系统可发出报警提示，同时自启动空气排放过滤系统，控制环境中的盐雾、硫化氢含量和空气湿度。系统报警通过取单位时间内的平均值，从而降低虚警率，准确高效地净化有害气体等。

方案设计：

本系统是通过建立一套SCADA系统，对海上风机机组塔筒和机舱内部的硫化氢和盐雾进行实时在线监测，并通过系统智能诊断结果，控制防爆和除湿通风机构进行各类有害气体含量的远程控制。根据塔筒和机舱的情况测算传感器的布置点位，传感器数据和通风机构的控制单元（继电器熔断器等）通过数据采集器进行数据和指令的打包及收发；通过RS485转工业以太网模块将数据传输至集控单元。根据具体要求可以进行数据无线远程和声光报警等配套。

图1 系统流程图

传感器原理：

硫化氢浓度传感器用以监测塔筒内的硫化氢浓度，其电化学原理如图2所示。硫化氢气体在工作电极发生氧化反应而氧气同时在对电极上发生还原反应，两极间产生极间电流遵循法拉第定律。由于参比电极不产生氧化还原反应中，因此工作电极将会保持在一个相对稳定的电位上，且由于氧气在还原反应时产生的法拉

第电流很小可以忽略不计，因此硫化氢气体

电化学反应产生的法拉第电流与其浓度成

正比。

图2 硫化氢浓度传感器原理

盐雾沉降量监测原理为电化学原理，海上盐雾沉积在金属表面会因吸潮水解而形成薄液膜，测定薄液膜的导纳/阻抗可以获知液膜中盐的浓度，根据其变化规律即可以计算盐雾浓度和盐粒沉降速率。

通风机构的设计：

机舱：机舱有害环境成分以盐雾和湿度为主，设计采用吸附式轮转除湿机构和盐雾过滤装置进行盐雾的排放和湿度去除。主体结构是一个不断旋转的蜂窝转干燥转轮，转轮主要被分成两个区域：270°的除湿区和90°的再生区。在除湿机处理进风口和再生进风口安装G4等级的初效过滤袋和为F9等级的中效过滤网，以过滤掉盐雾中的含氯有害成分。在除湿机工作时，潮湿空气被风机送入转轮上的除湿区，空气中的水分被转轮上的硅胶吸湿剂吸附，从而经过转轮后潮湿气流变为干燥，吸附了水分的转轮缓缓地转入再生区。在再生区转轮被电加热器产生的热空气烘干，将吸湿剂内的水分解吸出来，并通过风机排到塔筒外，恢复吸湿能力的硅胶再重新转入除湿区，如此循环

。

塔筒：塔筒部分有害气体以硫化氢为主。硫化氢为易燃易爆气体，因此通风机应采用防爆设计，防爆等级超过dIIB T3的离心风机即可完成塔筒通风机构的主体设计。

解决的关键问题：

（1）实时获取盐雾、硫化氢、湿度等关键指标，及时对恶劣环境进行报警与处理；

（2）降本增效。以合理的成本和高效的处理方式解决需求，降低风机运维在防腐和人员安保方面的巨大技术难度和成本；

（3）在线监测、智能净化。全面符合海上风电产业要求的SCADA系统，实现风机监测和数据处理平台的国产化，解决部分关键系统的进口依赖。

主要技术和性能指标