CN102433890A - 海上漂浮式风机基础及其定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种海上漂浮式风机基础及其定位系统，所述定位系统包括至少三根悬链线，所述至少三根悬链线的一端分别连接到风机基础，所述至少三根悬链线的另一端分别连接到海床，以使风机基础受力平衡，其中，所述定位系统还包括张紧线，所述张紧线从风机基础的底部沿着与风机基础的纵向中心线平行的方向延伸到海床以被连接到海床。带有所述定位系统结构的海上漂浮式风机基础简单可靠、成本低、能够有效地降低海上漂浮式风机的整机运动幅度。

Description

海上漂浮式风机基础及其定位系统

技术领域

本发明属于海上风力发电领域，具体地讲，涉及一种海上漂浮式风机基础及其定位系统。

背景技术

与陆地风电场建设相比，海上风电场要面对风浪流等多重载荷的考验，环境条件更复杂，技术开发难度更大，面临许多新的挑战。目前，潮间带、潮下带滩涂风电场及近海风电场，这些水深不超过50米的海上风电场通常采用固定式基础结构形式，主要包括重力式基础、单桩或多桩基础、导管架基础、负压桶式基础等。

2011年，国家能源局与国家海洋局联合制定并出台了《海上风电开发建设管理暂行办法实施细则》，根据该细则，海上风电场原则上应在离岸距离不少于10公里、滩涂宽度超过10公里时海域水深不得少于10米的海域布局，可见，未来海上风电的发展方向是向远离岸边的深海发展。在远离大陆的深海区域，可开发利用的风资源更多更优质，市场前景也更广阔。要开发这些水深超过50米的深海风电场，按照目前近海风电场普遍采用的用各种贯穿桩结构固定在海底的做法将不具备优势，主要表现为：

1、采用固定式基础的近海风机选址受限制

由于沿海功能区划密集，海上风电场选址往往跟渔业、军管区、环境保护区、港航通道冲突，这给近海风电场选址带来了很大的困难。而深海风电场选址由于离岸距离相对较远，可以有效避开这些功能区，风电场选址自由度更大。

2、随着水深的增加，固定式基础的成本直线上升，不适合在水深50米以上海域开发海上风电

未来几年内，大型海上风电场将向深海区域发展，尤其是德国、北海、日本海区域，随着海域深度的增加，固定式基础(例如，钢制导管架基础)的用钢量及建造和安装成本会成比例地增加，其综合成本将明显高于漂浮式风力发电机。已知传统的固定式基础(例如，钢制导管架基础)的建造和安装成本与水深成正比，而漂浮式基础的建造和安装成本对水深不敏感。固定式基础和漂浮式基础两者的成本分水岭在50米水深左右，如果水深大于50米，则固定式基础的造价将大大高于漂浮式基础的造价。对于水深大于50米这种深度范围的风电场，固定式基础不再具备经济优势。

3、采用固定式基础的深海海上风机的载荷随着单机容量的增加会快速增加

风机大型化是海上风电开发的趋势之一，随着风机越来越巨型化，风机载荷势必越来越大，传统的钢制固定式基础是通过结构将载荷传递到海底，机头传递的能量通过海床提供的阻尼以及基础系统阻尼消耗掉。这要求基础的刚度很大。而漂浮式风机的载荷传递路径与固定式基础的载荷传递路径完全不同，它主要是通过缆索实现定位，整个系统是柔性的，风机基础可以在许可范围内运动。从风机传递来的载荷通过缆索阻尼、海水作用在基础上的附加阻尼消耗掉。通过水消耗能量有两个优点：一方面水与结构紧密联系在一起，因此载荷传递路径较短，那么相对于固定式基础而言，整个漂浮式风机的载荷峰值要低得多；另一方面水体是顺应式，吸能效果比土体要好很多。实际上，从初步仿真计算的结果也验证了这一点：采用漂浮式基础的整机载荷要比固定式基础小很多。降低风机载荷会直接降低巨型风机的设计难度，并提高风机部件的可靠度。

4、固定式海上风机施工成本比漂浮式海上风机施工成本高

要降低海上风电开发成本，需要考虑两个非常关键的因素：一个是慎用大型浮吊或者其他大型安装设备，另一个是尽量杜绝大部件的更换。减少使用大型浮吊是因为大型浮吊的使用成本相当高，一个海上风电场如果使用浮吊船过于频繁，则会造成整个风电场建造成本大幅增加；而大部件的更换，一是需要大型施工船舶，另外停机更换大部件也会影响发电收益。采用传统固定式基础的风机很难规避这两个问题，这两个问题也是近海风电场开发成本居高不下的重要原因。而采用漂浮式基础可以很好地解决这两个问题。漂浮式风机的安装方法与传统固定式风机的安装方法完全不同：首先可以在港口或者船坞内将基础建造好，再将其与风机整体拼装好，然后整体通过拖船拖至目标海域抛锚定位。整个施工过程不需要任何大型船舶，大大降低了施工成本。另外，遇到大部件的更换，也可以收缆拖至船坞内检修，运行维护成本相对于固定式风机也会大大降低。

基于以上因素，需要研发一种经济实用的漂浮式风机，以克服在海床底部安装基础结构造价受水深影响的缺点，使海上风电场的建设可以向深海区域发展，充分利用我国广阔的海洋风能资源。如何开发性能优异、结构紧凑、经济实用的漂浮式风机基础成为研发海上漂浮式风机最为关键的课题，而设计系固性能良好的定位系统则是提高漂浮式基础运动性能的最直接的手段。

现阶段，为了开发深海风电的需要，人们将海洋石油行业常用的深海漂浮式石油平台型式应用在风电领域，相继开发了采用单立柱平台(SPAR)、半潜式平台(Semi-submersible)、张力腿平台(TLP)的漂浮式风机。采用这三种类型的典型漂浮式风机的定位型式如表1所示：

表1

项目名称	基础结构型式	系泊定位方式
			挪威Hywind项目	单立柱基础	悬链线定位系统
Vestas与Windfloat合作项目	半潜式基础	悬链线定位系统
			荷兰Blue H项目	张力腿平台	张力腿定位系统

表1中示出的三种漂浮式基础型式最早应用在石油行业，石油钻采平台与海上漂浮式风机基础所受上部载荷差异很大，具体表现为：除了承受风浪流等环境载荷作用外，石油钻采平台承受的上部载荷较为单一，主要为组块及设备自重Fz，而海上漂浮式风机基础需要承受风机这一高耸结构运行所引起的陀螺回转效应，倾覆力矩Mx、My以及绕垂直轴的扭矩Mz，整个风机会产生六个自由度的剧烈运动，包括X轴、Y轴和Z轴的轴向运动和绕轴的摆动，给风机的变桨和偏航控制系统带来巨大挑战，会影响到风机的正常运行，影响发电量，甚至会危及整个系统结构的安全。

已知的世界上最早的漂浮式风机样机项目由挪威国家石油海德罗公司(Statoil Hydro)、法国德克尼普公司(Technip)和德国西门子公司联合开发成功，于2009年在挪威附近的北海的Hywind项目中正式启用。该项目采用的基础概念为SPAR平台，漂浮结构是一个约为117m长的细长钢管，其一端为底座，另一端为风机法兰。安装过程中，将用压载水舱填满的钢管被运送至安装地点并立于海面，浮体的整个结构被拉至海水中，浮体在海水中可牵引至100m水深处，与海底三点缆索系锚相连。该项目中采用的SPAR平台由于本身水线面面积较小，提供的水体附加阻尼很小，在风机载荷Mx、My、Mz的作用下，整个平台的转角会很大，风机极限工况下甚至会达到40°以上，这是风机设计所不允许的。因而Hyind项目采用SPAR平台型式时，需要在转角方向设计阻尼器，但这将会额外增加设计难度及工程造价。

Vestas与Windfloat合作项目采用的风机基础形式为半潜式结构，主体由三个相距35m的浮筒组成，风机安装在其中一个浮筒上，基础的定位系统采用系泊定位。为了有效地降低风机基础的升沉、纵摇和首摇方向的运动幅度，该半潜式结构需要在每个浮筒的底部设置阻尼板增大升沉运动的阻尼。

此外，2007年荷兰Blue H公司在意大利沿海单立了一台风力涡轮原型机，其使用了张力腿平台设计，平台的浮力大于重力，张力腿始终处于张紧状态，以保持平台的稳定。该项目采用了多根张紧的张力腿，在这种定位方式下，较大的预张力使张力腿平台在平面外的运动(横摇、纵摇和垂荡)幅度较小，近似于刚性。但是，该定位方式下，张力腿平台在平面内的运动(横荡、纵荡和首摇)幅度却相对较大。因而，为了抑制该漂浮式基础平面内的运动，就需要在各个运动方向上设置阻尼器，这无疑将增加基础的设计建造难度。

就海上漂浮式风机基础的定位系统而言，传统的定位系统采用的是悬链线系泊法。图1示出了传统的悬链线系泊系统的示意性原理图，如图1中所示，通过悬垂的钢链、索和锚与海底接触，由悬链线的几何作用和重力产生回复力实现浮体结构物的定位。海上漂浮式风机平台(即，海上漂浮式风机基础)受到的主要载荷来自于塔架顶端的叶轮气动力作用，其对平台的响应运动影响较大。SPAR平台采用悬链线系泊的方法，对平台的水平偏移有较好的抑制作用，但对平台的垂荡运动、转动响应的抑制作用较小。悬链线式系泊缆在与风机基础连接的位置的顶端倾斜角较大，对平台的水平回复力较小，只有当平台产生较大的水平偏移时，才会产生较大的水平回复力，从而导致钢质悬链线式系泊缆的回复力与位移特性是非线性的，对风机基础回正具有延迟效应。

发明内容

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种结构简单可靠、成本低、能够有效地降低海上漂浮式风机整机运动幅度的组合式定位系统，采用这种定位系统的海上漂浮式风机基础的运动性能优于采用传统定位方式的海上漂浮式风机基础的运动性能，并为漂浮式风机的运行提供了稳定的支撑结构，从而延长整个风机结构的疲劳寿命并保证整个风机的正常运行。

根据本发明的一方面，提供一种海上漂浮式风机基础的定位系统，所述海上漂浮式风机基础的定位系统包括至少三根悬链线，所述至少三根悬链线的一端分别连接到风机基础，所述至少三根悬链线的另一端分别连接到海床，以使风机基础受力平衡，其中，所述海上漂浮式风机基础的定位系统还包括张紧线，所述张紧线从风机基础的底部沿着与风机基础的纵向中心线平行的方向延伸到海床以被连接到海床。

所述风机基础可以是单立柱基础或半潜式基础。

所述张紧线的比重可与海水的比重相近。

所述张紧线可由尼龙材料和聚酯材料制成。

所述悬链线可由钢材料制成。

所述至少三根悬链线的另一端可分别经由锚基础连接到海床，所述锚基础沿着以风机基础的纵向中心线的延长线与海床面的交点为圆心的圆的周向均匀地设置在海底。

所述锚基础可采用吸力锚或法向承力锚。

根据本发明的另一方面，提供一种海上漂浮式风机基础的定位系统，所述海上漂浮式风机基础的定位系统包括至少三根绷紧线，所述至少三根绷紧线的一端分别连接到风机基础，所述至少三根绷紧线的另一端分别连接到海床，以使风机基础受力平衡，其中，所述海上漂浮式风机基础的定位系统还包括张紧线，所述张紧线从风机基础的底部沿着与风机基础的纵向中心线平行的方向延伸到海床以被连接到海床。

所述绷紧线与风机基础的纵向中心线的夹角可以为30°至45°。

所述风机基础可以是单立柱基础或半潜式基础。

所述张紧线的比重可与海水的比重相近。

所述张紧线可由尼龙材料和聚酯材料制成。

所述绷紧线可由纤维材料制成。

所述至少三根绷紧线的另一端可分别经由锚基础连接到海床，所述锚基础沿着以风机基础的纵向中心线的延长线与海床面的交点为圆心的圆的周向均匀地设置在海底。

所述锚基础可采用吸力锚或法向承力锚。

根据本发明的又一方面，提供一种海上漂浮式风机基础，所述海上漂浮式风机基础采用如上所述的海上漂浮式风机基础的定位系统。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的海上漂浮式风机基础引入了张力腿与缆索组合定位系统，能够有效地增强定位系统的系固能力，并大幅减小漂浮式风机的运动幅度。

2、采用本发明的海上漂浮式风机基础能够大幅增加浮体各自由度上的阻尼，无需额外设计阻尼器，结构紧凑。

3、本发明采用常规的缆索及张力腿，定位系统选型常规，成本低。

附图说明

通过下面结合附图对示例性实施例进行的描述，本发明的这些和/或其他方面将会变得清楚和更加容易理解，在附图中：

图1是示出传统的悬链线系泊系统的示意性原理图。

图2是示出根据本发明的示例性实施例的海上漂浮式风机基础的定位系统的示意性原理图。

图3A和图3B是示出根据本发明的一个示例性实施例的采用悬链线式系泊缆与张紧式系泊缆的结合的定位系统的示意图。

图4是示出根据本发明的另一示例性实施例的采用绷紧索与张紧式系泊缆的结合的定位系统的示意图。

附图中的标号的具体说明如下：1为悬链线，2为风机基础，3为张紧线，4为海上漂浮式风机，5为海床面，10为悬链线式系泊缆，20为单立柱基础，30为张紧式系泊缆，100为绷紧索，200为半潜式基础，201为浮筒。

具体实施方式

现在，将参照附图来详细描述本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以多种不同的形式实施，并且不应该被解释为限于在此阐述的示例性实施例。在附图中，相同的标号将始终表示相同的部件。

图2是示出根据本发明的示例性实施例的海上漂浮式风机基础的定位系统的示意性原理图。

如图2中所示，根据本发明的示例性实施例的海上漂浮式风机基础的定位系统可包括至少三根悬链线1，所述至少三根悬链线1的一端分别连接到风机基础2，所述至少三根悬链线1的另一端分别连接到海床，以使风机基础2受力平衡，其中，所述海上漂浮式风机基础的定位系统还可包括与风机基础2对应地设置的张紧线3，张紧线3从风机基础2的底部沿着与风机基础2的纵向中心线平行的方向延伸到海床以被连接到海床。

即，本发明结合悬链线系泊方法与张紧式系泊方法的特点，将这两种系泊方法按照一定的权重组合，成为新型的海上漂浮式风机基础的定位系统。

图3A和图3B是示出根据本发明的一个示例性实施例的采用悬链线式系泊缆与张紧式系泊缆的结合的定位系统的示意图。其中，图3A示出了风机基础是单立柱基础的情形，图3B示出了风机基础是半潜式基础的情形。

如图3A中所示，单立柱基础20可以是细长的钢管，海上漂浮式风机4可安装在单立柱基础20的一端。根据图3A中示出的示例性实施例的海上漂浮式风机基础的定位系统可包括三根悬链线式系泊缆10，所述三根悬链线式系泊缆10的一端可分别经由单立柱基础20下部的导缆孔(未示出)连接到单立柱基础20，所述三根悬链线式系泊缆10的另一端可分别经由锚基础(未示出)连接到海床，所述锚基础沿着以单立柱基础20的纵向中心线的延长线与海床面5的交点O为圆心的圆的周向均匀地设置在海底，以使单立柱基础20受力平衡。所述锚基础可采用吸力锚或法向承力锚，悬链线式系泊缆10可由钢材料制成，但本发明不限于此。

根据该示例性实施例的海上漂浮式风机基础的定位系统还可包括张紧式系泊缆30，张紧式系泊缆30可从单立柱基础20底部的导缆孔(未示出)沿着单立柱基础20的纵向中心线延伸到海床以被连接到海床，也就是说，从单立柱基础20底部的导缆孔到海底锚点，张紧式系泊缆30呈直线形。张紧式系泊缆30可由高强度尼龙绳、聚酯绳等构成，以提供较大的回复力。除此之外，张紧式系泊缆30的比重可与海水的比重相近，这样，在水中可有效地降低缆索的内部应力水平。与现有技术的钢缆相比，张紧式系泊缆30具有非常低的轴向刚度和更好的柔性；其几何非线性较弱，与悬链线系泊系统相比，可以减小风机基础偏移量，能减弱海上漂浮式风机基础的垂荡运动响应。但是，张紧式系泊缆30的材料不限于此。

根据图3A中示出的示例性实施例的海上漂浮式风机基础的定位系统能够有效地降低漂浮式风机基础的六个自由度的运动响应，保证风机的正常运行。

图3B中示出了图3A中的定位系统应用于半潜式基础的情形。如图3B中所示，半潜式基础200包括彼此之间的距离相同的三个浮筒201，海上漂浮式风机4可安装在半潜式基础200的中央，当然，海上漂浮式风机4也可安装在其中一个浮筒上。根据图3B中示出的示例性实施例的海上漂浮式风机基础的定位系统可包括三根悬链线式系泊缆10，所述三根悬链线式系泊缆10的一端可分别连接到三个浮筒201，所述三根悬链线式系泊缆10的另一端可分别经由锚基础(未示出)连接到海床，所述锚基础沿着以半潜式基础200的纵向中心线的延长线与海床面的交点为圆心的圆的周向均匀地设置在海底，以使半潜式基础200受力平衡。所述锚基础可采用吸力锚或法向承力锚，悬链线式系泊缆10可由钢材料制成，但本发明不限于此。

根据该示例性实施例的海上漂浮式风机基础的定位系统也可包括张紧式系泊缆30，与图3A不同的是，在图3B中示出的示例性实施例中，张紧式系泊缆30的数目为三根。具体地讲，每根张紧式系泊缆30可从浮筒201的底部沿着浮筒201的纵向中心线(即，沿着与半潜式基础200的纵向中心线平行的方向)延伸到海床以被连接到海床，也就是说，从浮筒201的底部到海底锚点，张紧式系泊缆30呈直线形。

根据图3B中示出的示例性实施例的海上漂浮式风机基础的定位系统同样能够有效地降低漂浮式风机基础的六个自由度的运动响应，保证风机的正常运行。

图4是示出根据本发明的另一示例性实施例的采用绷紧索与张紧式系泊缆的结合的定位系统的示意图。

与图3A中示出的定位系统不同的是，图4中示出的根据本发明的另一示例性实施例的海上漂浮式风机基础的定位系统以绷紧索100代替图3A中示出的悬链线式系泊缆10。

具体地讲，根据图4中示出的示例性实施例的海上漂浮式风机基础的定位系统可包括至少三根绷紧线(图4中示例性示出了三根绷紧索100)，三根绷紧索100的一端可分别连接到风机基础(图4中示例性示出了单立柱基础20)，三根绷紧索100的另一端可分别连接到海床，以使单立柱基础20受力平衡。更加详细地讲，三根绷紧索100的另一端可分别经由锚基础(未示出)连接到海床，所述锚基础沿着以单立柱基础20的纵向中心线的延长线与海床面的交点为圆心的圆的周向均匀地设置在海底，所述锚基础可采用吸力锚或法向承力锚，但本发明不限于此。

绷紧线可以以一定的角度(一般为30°至45°)到达海底，也就是说，绷紧索100与单立柱基础20的纵向中心线的夹角可以为30°至45°。绷紧索100在海底锚点处既要承受水平力，又要承受竖直向上的力，其回复力由绷紧索100的轴向刚度提供。绷紧索100可由纤维材料制成，使其回复刚度大，从而可以减小风机基础平台的水平偏移量；同等水深条件下使用绷紧索系泊系统，所需要的纤维材料系缆较短，节约成本；绷紧索系泊系统具有更小的系泊半径，系泊基础占用的海床面积小，从而减小了与附近其他水下设施相碰撞的危险。

此外，与图3A类似，图4中示出的海上漂浮式风机基础的定位系统还可包括与单立柱基础20对应地设置的张紧线(例如，张紧式系泊缆30)，张紧式系泊缆30从单立柱基础20的底部沿着单立柱基础20的纵向中心线延伸到海床以被连接到海床。图4中示出的张紧式系泊缆的形状、结构及效用与图3A中示出的张紧式系泊缆相同，这里不再赘述。

当然，图4中示出的根据本发明的另一示例性实施例的定位系统同样可应用于图3B中，仅需以图4中示出的绷紧索100来代替图3B中示出的悬链线式系泊缆10即可，关于其具体结构，这里不再赘述。

尽管本发明以单立柱基础和半潜式基础为例描述了海上漂浮式风机基础，但是海上漂浮式风机基础的型式不限于单立柱基础和半潜式基础两种型式。另外，悬链线或绷紧线的数目不限于三根，张紧线的数目不限于一根或三根，可以根据需要对它们进行改变和调整。

综上所述，根据本发明的海上漂浮式风机基础的定位系统结构简单可靠、成本低、能够有效地降低海上漂浮式风机的整机运动幅度。采用这种定位系统的海上漂浮式风机基础的运动性能优于采用传统定位方式的漂浮式风机基础的运动性能，而且，该定位系统还为漂浮式风机的运行提供了稳定的支撑结构，从而延长了整个风机结构的疲劳寿命并保证整个风机的正常运行。

尽管已经结合附图示出并描述了本发明的示例性实施例，但是本领域技术人员应该理解的是，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对示例性实施例进行多种变型。

Claims (16)

1.一种海上漂浮式风机基础的定位系统，包括至少三根悬链线，所述至少三根悬链线的一端分别连接到风机基础，所述至少三根悬链线的另一端分别连接到海床，以使风机基础受力平衡，其中，所述海上漂浮式风机基础的定位系统还包括张紧线，所述张紧线从风机基础的底部沿着与风机基础的纵向中心线平行的方向延伸到海床以被连接到海床。

2.根据权利要求1所述的海上漂浮式风机基础的定位系统，其中，所述风机基础是单立柱基础或半潜式基础。

3.根据权利要求1所述的海上漂浮式风机基础的定位系统，其中，所述张紧线的比重与海水的比重相近。

4.根据权利要求3所述的海上漂浮式风机基础的定位系统，其中，所述张紧线由尼龙材料和聚酯材料制成。

5.根据权利要求1所述的海上漂浮式风机基础的定位系统，其中，所述悬链线由钢材料制成。

6.根据权利要求1所述的海上漂浮式风机基础的定位系统，其中，所述至少三根悬链线的另一端分别经由锚基础连接到海床，所述锚基础沿着以风机基础的纵向中心线的延长线与海床面的交点为圆心的圆的周向均匀地设置在海底。

7.根据权利要求6所述的海上漂浮式风机基础的定位系统，其中，所述锚基础采用吸力锚或法向承力锚。

8.一种海上漂浮式风机基础的定位系统，包括至少三根绷紧线，所述至少三根绷紧线的一端分别连接到风机基础，所述至少三根绷紧线的另一端分别连接到海床，以使风机基础受力平衡，其中，所述海上漂浮式风机基础的定位系统还包括张紧线，所述张紧线从风机基础的底部沿着与风机基础的纵向中心线平行的方向延伸到海床以被连接到海床。

9.根据权利要求8所述的海上漂浮式风机基础的定位系统，其中，所述绷紧线与风机基础的纵向中心线的夹角为30°至45°。

10.根据权利要求8所述的海上漂浮式风机基础的定位系统，其中，所述风机基础是单立柱基础或半潜式基础。

11.根据权利要求8所述的海上漂浮式风机基础的定位系统，其中，所述张紧线的比重与海水的比重相近。

12.根据权利要求11所述的海上漂浮式风机基础的定位系统，其中，所述张紧线由尼龙材料和聚酯材料制成。

13.根据权利要求8所述的海上漂浮式风机基础的定位系统，其中，所述绷紧线由纤维材料制成。

14.根据权利要求8所述的海上漂浮式风机基础的定位系统，其中，所述至少三根绷紧线的另一端分别经由锚基础连接到海床，所述锚基础沿着以风机基础的纵向中心线的延长线与海床面的交点为圆心的圆的周向均匀地设置在海底。

15.根据权利要求14所述的海上漂浮式风机基础的定位系统，其中，所述锚基础采用吸力锚或法向承力锚。

16.一种海上漂浮式风机基础，所述海上漂浮式风机基础采用权利要求1至15中任一项所述的海上漂浮式风机基础的定位系统。

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