一种海洋温差能发电平台海水管振动监测系统的制作方法

本发明属于海洋能发电领域，具体涉及一种海洋温差能发电平台的温海水管和冷海水管振动监测系统。

背景技术：

海洋温差能是一种极具开采价值的海洋能源，它是一种利用表面温暖海水和深冷海水之间的热梯度进行发电的热电转换技术。海洋温差能发电系统以海洋中受太阳能加热的表层海水作为热机系统的高温热源，以深处冷海水作为热机系统低温热源，形成热力循环系统，驱动透平进行发电，系统主要由蒸发器、冷凝器、透平发电机、温海水泵和冷海水泵组成，如图1所示。

为了获取作为冷热源的海水，海洋温差能发电装置运行过程中，需要利用泵和海水管分别把位于大约20米水深的温水和位于约1千米水深的冷水吸取上来。因此利用漂浮式结构作为海洋温差能发电系统的载体，形成浮式海洋温差能发电站，成为海洋温差能开发的主要形式之一。特别是为了获取位于海面下约1千米的冷海水，需要在海洋温差能发电浮式平台上悬挂长度约1千米的冷海水管。

悬垂的温海水和冷海水管路作为一种细长结构，会在波浪(波致流)、海流、内波流等环境载荷作用或运动的浮动平台作用下产生振动，特别是由海水流动引发的涡激振动，会加剧管线的疲劳损伤,对冷水管的安全及稳定性造成很大的影响。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种海洋温差能发电平台海水管振动监测系统，用于实海况下测量浮式海洋温差能发电平台的温冷海水管的振动状态。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种海洋温差能发电平台海水管振动监测系统，其包括：平台运动监测子系统、冷海水管运动监测子系统、温海水管运动监测子系统和数据采集处理单元；所述平台运动监测子系统设置在海洋温差能发电平台上，用于对环境载荷下海洋温差能发电平台在x方向和y方向的运动状态进行监测；所述冷海水管运动监测子系统设置在与所述海洋温差能发电平台连接的冷海水管上，用于对所述冷海水管的振动状态进行监测；所述温海水管运动监测子系统设置在与所述海洋温差能发电平台连接的温海水管上，用于对所述温海水管的振动状态进行监测；所述数据采集处理单元通过通信缆与所述平台运动监测子系统、冷海水管运动监测子系统、温海水管运动监测子系统相连，用于对各子系统监测数据进行处理，得到所述海洋温差能发电平台、温海水管和冷海水管的振动状态。

进一步地，所述平台运动监测子系统包括对称设置在所述海洋温差能发电平台中心两侧的第一双轴加速度传感器和第一单轴加速度传感器；所述第一双轴加速度传感器的x轴和y轴分别与所述海洋温差能发电平台的x轴和y轴平行，所述第一单轴加速度传感器的x轴与所述海洋温差能发电平台的x轴平行。

进一步地，所述冷海水管运动监测子系统包括由上向下依次设置在所述冷海水管不同水深处管线外部的多个传感器组；每一所述传感器组均包括设置在同一管线圆切面的第二双轴加速度传感器、第二单轴加速度传感器和海流传感器；所述第二双轴加速度传感器和第二单轴加速度传感器分别位于圆切面的两侧，并关于圆切面中心对称；且所述第二双轴加速度传感器的y轴指向该圆切面的径向，在只受重力而无其他外力作用的自然状态下，与所述海洋温差能发电平台的y轴平行，所述第二双轴加速度传感器的x轴指向该圆切面的切向，在只受重力而无其他外力作用的自然状态下，与所述海洋温差能发电平台的x轴平行；所述第二单轴加速度传感器的x轴指向该圆切面的切向，在只受重力而无其他外力作用的自然状态下，与所述海洋温差能发电平台的x轴平行。

进一步地，各所述传感器组的间距范围为50-100米。

进一步地，所述海流传感器采用带有倾角测量功能的双波束声学多普勒海流剖面仪。

进一步地，所述双波束声学多普勒海流剖面仪的双波束组成的平面垂直于该段冷海水管的轴向。

进一步地，所述温海水管监测子系统包括设置在温海水管外壁同一圆切面上的第三双轴加速度传感器和第三单轴加速度传感器；所述第三双轴加速度传感器的y轴指向该圆切面的径向，在只受重力而无其他外力作用的自然状态下，与所述海洋温差能发电平台的y轴平行；所述第三双轴加速度传感器的x轴指向该圆切面的切向，在只受重力而无其他外力作用的自然状态下，与所述海洋温差能发电平台的x轴平行；所述第三单轴加速度传感器位于该层面管线圆切面的另一侧，处于与所述第三双轴加速度传感器关于圆心对称的位置，其x轴指向该圆面的切向，在只受重力而无其他外力作用的自然状态下，与所述海洋温差能发电平台的x轴平行。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过在海洋温差能发电浮式平台上安装位移、速度及加速度传感器，同步监测温、冷海水管线的振动、海洋温差能发电浮式平台的运动以及海水流速，并将测量结果传送至数据采集处理单元,为后续分析提供基础实测数据。2、本发明通过设置平台运动监测子系统实现了对平台浮体在环境载荷下在x方向和y方向的振动，同时通过比较两个加速度传感器在x方向的加速度信号的相位，确定了平台浮体是否存在扭振，测量结果更加全面。3、本发明通过设置冷海水管运动监测子系统，由上至下在冷海水管线不同层深位置安装加速度传感器和海流传感器，实现了不同层深处冷海水管的运动状态的监测。因此，本发明可以广泛应用于海洋能发电领域。

附图说明

图1是现有浮式海洋温差能发电系统结构示意图；

图2是本发明监测系统构成图；

图3是本发明海洋温差能发电浮式平台上的加速度传感器安装布置示意图；

图4是本发明冷海水管上的传感器监测设备安装布置示意图；

图5是本发明冷海水管传感器安装布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图2～图5所示，为了既能同时测量海洋温差能发电浮式平台和温、冷海水管运动状态又能同步测量海水流速的实时监测系统，以便用于分析和验证温、冷海水管的设计参数并评估其安全状态，本发明提供了一种海洋温差能发电平台海水管振动监测系统，其包括：平台运动监测子系统、冷海水管运动监测子系统、温海水管运动监测子系统和数据采集处理单元四部分。其中，平台运动监测子系统设置在海洋温差能发电平台上，用于对环境载荷下海洋温差能发电平台在x和y方向的运动状态进行监测；冷海水管运动监测子系统设置在与海洋温差能发电平台连接的冷海水管上，用于对冷海水管的振动状态进行监测；温海水管运动监测子系统设置在与海洋温差能发电平台连接的温海水管上，用于对温海水管的振动状态进行监测；数据采集处理单元通过通信缆与平台运动监测子系统、冷海水管运动监测子系统、温海水管运动监测子系统相连，用于对各子系统的监测数据进行处理，得到海洋温差能发电平台温海水管和冷海水管的振动状态。

进一步地，如图3所示，平台运动监测子系统包括对称设置在海洋温差能发电平台中心两侧的双轴加速度传感器和单轴加速度传感器，其中，双轴加速度传感器的x轴和y轴分别与海洋温差能发电平台的x轴和y轴平行，单轴加速度传感器的x轴与海洋温差能发电平台的x轴平行。

进一步地，如图4所示，冷海水管运动监测子系统包括由上向下依次设置在冷海水管不同层深处管线外部的多个传感器组，每一传感器组均包括设置在同一管线圆切面的一个双轴加速度传感器、一个单轴加速度传感器和一个海流传感器。其中，双轴加速度传感器和单轴加速度传感器分别位于圆切面的两侧，并关于圆切面中心对称，且双轴加速度传感器的y轴指向该圆切面的径向，在只受重力而无其他外力作用的自然状态下，与海洋温差能发电平台的y轴平行，x轴指向该圆切面的切向，在只受重力而无其他外力作用的自然状态下，与海洋温差能发电平台的x轴平行；单轴加速度传感器的x轴指向该圆切面的切向，在只受重力而无其他外力作用的自然状态下，与海洋温差能发电平台的x轴平行。

进一步地，各传感器组的间距范围优选为50-100米。

进一步地，海流传感器采用带有倾角测量功能的双波束声学多普勒海流剖面仪，且安装时应确保该双波束声学多普勒海流剖面仪的双波束组成的平面垂直于该段冷海水管的轴向。该设备通过测量该水深层面沿两个测量轴的海流流速分量，获得该层面海流流速及流向。

进一步地，温海水管监测子系统包括设置在温海水管外壁同一圆切面上的双轴加速度传感器和单轴加速度传感器，且双轴加速度传感器的y轴指向该圆切面的径向，在只受重力而无其他外力作用的自然状态下，与海洋温差能发电平台的y轴平行，x轴指向该圆切面的切向，在只受重力而无其他外力作用的自然状态下，与海洋温差能发电平台的x轴平行；单轴加速度传感器位于该层面管线圆切面的另一侧，处于与双轴加速度传感器关于圆心对称的位置，其振动测量轴x轴指向该圆面的切向，在只受重力而无其他外力作用的自然状态下，与海洋温差能发电平台的x轴平行。

本发明的工作原理为：

平台运动监测子系统的两套加速度传感器用于监测平台浮体在环境荷载下的在x和y方向的水平加速度分量,测量平台在甲板平面上的振动。同时,通过求解和比较两个x方向加速度信号的相位，即可以确定平台是否存在围绕其中心轴的扭振。

同上，温海水管和冷海水管各层深的两套加速度传感器用于监测该层段管线在环境荷载下的在x和y方向的水平加速度分量，测量该层深管线在其横截面内的振动。同时，通过求解和比较两个x方向加速度信号的相位，可以确定该段海水管线是否存在围绕其中心轴的扭振。

冷水管上各层深位置安装的海流剖面仪通过测量该水深层面沿两个测量轴的海流流速分量，获得该层面背景流场的流速及流向。考虑到管线对背景流场的干扰，应选择距离管线大于至少4倍管径位置处的剖面流速作为所测得的背景流场，所选海流剖面测量设备的最大测流距离应大于至少4倍管径。

结合管线结构参数、背景流场数据及管线振动数据，可以用于进一步分析管线是否产生涡激振动。

以上给出一种具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。