CN102758446B - 半潜式海上浮动风机基础 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半潜式海上浮动风机基础，所述风机基础包括：三个方形立柱，为内部设置有加强构件的中空结构，呈正三角形等间距排列；圆形立柱，安装在由所述三个方形立柱形成的正三角形的中心位置，圆形立柱的顶端法兰与浮动风机的塔架的塔底法兰连接；底浮箱，呈Y形，底浮箱的三个远端分别连接到所述三个方形立柱的下部，圆形立柱的底端安装在底浮箱的中心位置。

Description

半潜式海上浮动风机基础

技术领域

本发明属于风力发电领域，涉及一种综合性能优异的海上浮动风机基础。

背景技术

在远离大陆的深海区域，有很多优质的风力资源可被开发利用，市场前景广阔。要开发这些水深超过50米的深海风电场，按照目前近海风场普遍采用的各种贯穿桩结构固定在海底的方式不具备优势，这是因为：随着水深增加，固定式基础成本直线上升；固定式海上风力发电机(简称风机)施工成本比浮动式海上风力发电机更高。因此，为了使海上风电场的建设可以向深海区发展，需要开发经济实用的浮动式风力发电机，如何开发运动特性优异、结构紧凑、经济实用的浮动式风机基础成为开发浮动式风机关键环节。

应用于海上风电领域的浮动式风机基础所承受的载荷不同于传统的海油工程中的漂浮式平台，浮动式海上风机基础除了承受风浪流的联合作用外，还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、Y和Z轴的轴向移动以及绕轴的摆动，给风机的变桨和偏航控制系统带来很大干扰，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性。

现阶段为了开发深海风电场的需要，将海洋石油行业常用的深海漂浮式石油平台型应用于风电领域，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)的浮动式风机以及其它复合形式的浮动式风机。

到目前为止，已有三个浮动式风机项目建成，如图1至图3所示，分别是Hywind、Blue H和Windfloat浮动式风机项目。

Hywind是由挪威国家海油海德罗公司(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建成。Hywind采用的基础概念为SPAR，漂浮结构是一个约为117m长的细长钢质管，一端是底座，另一端为风机法兰。使用压载水舱填满的钢管被运送至安装地点并立于海面，浮体的整个结构与海底通过三点缆索系锚相连。

2007年，荷兰Blue H公司在意大利沿海安装了一台风力涡轮原型机，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。

2011年底，Principle Power、Vestas与EDP合作，在葡萄牙西海岸合作完成Windfloat项目，该浮动基础为半潜式概念，主体由三个浮筒组成，风机立于其中一个浮筒上，动态压载水可以自动抵消风倾力矩，底部通过四根悬链线系固在水深超过50m的海底。

Hywind项目中采用的SPAR平台由于是传统的单柱式平台，不同于truss-spar，流体的附加阻尼较小，在风机载荷Mx、My、MZ的作用下，整个平台的摇动会很大，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。如果采用SPAR平台形式，则需要附加阻尼器或调整缆索系固方式，这会大大增加设计难度，工程造价也会增加。

Blue H项目采用的是张力腿平台，采用多根张紧的张力腿，这种定位方式较大的张力腿预张力使平台平面外的运动(横摇、纵摇和垂荡)较小，近似于刚性，但是张力腿在平面内的运动(横荡、纵荡和首摇)幅度较大，为了抑制平面内运动同样需要在这些方向上设置阻尼器，这也会增加设计建造难度。

Vestas与Windfloat合作项目采用半潜式结构，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，压载水自动调整以抵御风倾力矩，定位系统采用系泊定位，在每个浮筒底部的设置阻尼板增大垂荡运动的阻尼，能有效降低垂荡运动幅度。然而，该半潜式浮动风机安装在其中一个浮筒上，作用在基础上的重力载荷不对称，需要调整三个浮筒中的压载以抵消这部分载荷，但是在实际风机运行过程中，风向会发生变化，整个风机受到的风倾力矩方向会发生改变，需要动态调整压载水的数量，这样对风机控制策略和压载泵的要求较高，设计难度大且成本高，而且该结构形式管节点较多，对结构疲劳寿命影响较大。

发明内容

本发明在于提供一种新型半潜式海上浮动式风机基础，该风机基础融合了多种控制基础运动的技术，适合在岸边浅水港口码头整机拼装，建造施工方便，成本较低，且具有优异运动性能，该风机基础可以支撑5MW级别以上的风机，能保证整个风机结构的强度和疲劳寿命以及保障风机正常运行发电。

根据本发明的一方面，提供一种半潜式海上浮动风机基础，所述风机基础包括：包括：三个方形立柱，为内部设置有加强构件的中空结构，呈正三角形等间距排列；圆形立柱，安装在由所述三个方形立柱形成的正三角形的中心位置，圆形立柱的顶端法兰与浮动风机的塔架的塔底法兰连接；底浮箱，呈Y形，底浮箱的三个远端分别连接到所述三个方形立柱的下部，圆形立柱的底端安装在底浮箱的中心位置。

可在每个方形立柱中设置有多个舱壁，所述多个舱壁将方形立柱的内部空间分割多个子空间，在每个舱壁上设置有水平排列和竖直排列的多个加强筋，所述多个舱壁和所述多个加强筋构成方形立柱中的加强构件。

可在底浮箱中设置有多个舱壁，所述多个舱壁将底浮箱的内部空间分割多个子空间，在每个舱壁上设置有水平排列和竖直排列的多个加强筋。

半潜式海上浮动风机基础还可包括：三个第一撑杆，每个第一撑杆连接在每个方形立柱与圆形立柱之间。

半潜式海上浮动风机基础还可包括：三个第二撑杆，分别连接在两个相邻的方形立柱之间。

半潜式海上浮动风机基础还可包括：三个三角形垂荡板，每个三角形垂荡板连接在两个相邻的方形立柱之间且连接到底浮箱。

可在每个三角形垂荡板上设置有多个扰流孔。

所述多个扰流孔可呈圆形或椭圆形。

底浮箱可呈Y形，底浮箱的三个远端分别连接到所述三个方形立柱的下部。

底浮箱的截面宽度可与方形立柱的截面的边长相等。

每个三角形垂荡板的下表面、每个方形立柱的下表面以及底浮箱的下表面可彼此平齐。

可在每个方形立柱的下部布置有固定压载，固定压载覆盖方形立柱下部的外周表面。

底浮箱中可充满压载水。

附图说明

通过结合附图，从下面的实施例的描述中，本发明这些和/或其它方面及优点将会变得清楚，并且更易于理解，其中：

图1至图3是根据现有技术的浮动风机的总体结构；

图4是根据本发明的半潜式海上浮动风机的总体结构；

图5是根据本发明的半潜式海上浮动风机基础的详细结构。

具体实施方式

以下参照附图来详细描述本发明的实施例。

图4是根据本发明的半潜式海上浮动风机的总体结构。参照图4，半潜式海上浮动风机包括半潜式海上浮动风机基础1、塔架2、风机机舱3和叶片4。

半潜式海上浮动风机基础1可浮动在海面上。塔架2支撑在半潜式海上浮动风机基础1上，风机机舱3安装在塔架2上，在风机机舱3中安装有风力发电机组，叶片4安装在风机机舱3的轮毂上。风力带动叶片4旋转，使得在风机机舱3内部进行切割磁力线的运动，将风能转换为电能，由此进行发电。

下面参照图5来具体描述根据本发明的半潜式海上浮动风机基础的详细结构。

图5是根据本发明的半潜式海上浮动风机基础的详细结构。参照图5，半潜式海上浮动风机基础1包括三个呈正三角形等间距(约60～70m)排列的方形立柱5(其方形截面的边长约10～12m)。方形立柱5的四个角可被倒圆。方形立柱5的下部通过底浮箱6连接在一起。方形立柱5可为内部设置有加强构件的中空结构，使得半潜式海上浮动风机基础1能够浮动在海面上。具体地，可在方形立柱5中设置有多个舱壁，多个舱壁将方形立柱5的内部空间分割多个子空间，在每个舱壁上设置有水平排列和竖直排列的多个加强筋(舱壁和加强筋构成所述加强构件)，以加强方形立柱5的强度，防止方形立柱5变形。

类似地，底浮箱6也可为内部设置有加强构件的中空结构。具体地，底浮箱6也可为可在底浮箱6中设置有多个舱壁，多个舱壁将底浮箱6的内部空间分割多个子空间，在每个舱壁上设置有水平排列和竖直排列的多个加强筋(舱壁和加强筋形成加强构件)，以加强底浮箱6的强度，防止底浮箱6变形。

在由所述三个方形立柱5形成的正三角形的中心位置安装有直径较小的圆形立柱8(直径约6.5m)，圆形立柱8的顶端法兰可与半潜式海上浮动风机的塔架2的塔底法兰连接，以支撑塔架2和风机机舱3。

三个方形立柱5的下部可通过底浮箱6彼此相连。三个方形立柱5的下部可连接到底浮箱6，圆形立柱6的底端可安装在底浮箱6的中心位置。方形立柱5的下表面可与底浮箱6的下表面平齐。底浮箱6可为中空结构，并且可呈Y形，底浮箱6可从所述三个方形立柱5形成的正三角形的中心位置分别延伸并连接到三个方形立柱5，即，底浮箱6的三个远端可分别连接到所述三个方形立柱5的下部。底浮箱6的截面宽度可与方形立柱5的截面的边长相等。底浮箱6的高度可为2m-5m。

半潜式海上浮动风机基础1还可包括三个第一撑杆7(直径约2m)，每个第一撑杆7可连接在每个方形立柱5与圆形立柱8之间。

半潜式海上浮动风机基础1还包括三个第二撑杆9(直径约2m)，三个第二撑杆9分别连接在两个相邻的方形立柱5之间。

在半潜式海上浮动风机基础1的底部还设置有三个三角形垂荡板10。三角形垂荡板10的下表面、方形立柱5的下表面以及底浮箱6的下表面可彼此平齐。每个三角形垂荡板10连接在两个相邻的方形立柱5之间且连接到底浮箱6。每个三角形垂荡板10可大致覆盖两个相邻的方形立柱5与由所述三个方形立柱5形成的正三角形的中心形成的三角形区域(除了底浮箱6自身所占据的区域之外)，即，覆盖两个相邻的方形立柱5与底浮箱6形成的三角形区域。在每个三角形垂荡板10上可均匀地设置有多个扰流孔11，可保证8％-12％的透空率。扰流孔11可呈圆形或椭圆形。

可在每个方形立柱5的下部布置固定压载12，固定压载12可覆盖方形立柱5的下部的外周表面，以降低重心。固定压载12可以是混凝土固定压载、矿砂压载以及沙石压载中的一种。底浮箱6中可充满压载水，以降低重心。

圆形立柱8与方形立柱5之间的连接，需要配合结构强度分析进行合理的加强。在满足浮性、稳性、固有周期和港口水深条件的前提下，可以通过水动力软件或模型试验优化基础水动力性能，得到方形立柱5和底浮箱6的最优尺寸。

垂荡板10的主要作用是增加海上浮动风机基础1的横摇、纵摇、垂荡阻尼和附加质量，从而减小海上浮动风机基础1的运动幅度，同时还可以降低海上浮动风机基础1的重心，提高稳性。扰流孔11的尺寸的大小决定了透空率，可通过流体分析对扰流孔11的尺寸进行优化，使流体的垂向流动受到扰动，以增加海上浮动风机基础1的垂荡运动的粘性阻尼，使其运动幅度得到减缓。

底浮箱6的位于水面以下的深处，可大大减小波浪作用力。底浮箱6可具有矩形截面并呈辐射状分布，有效增加了整个浮动风机基础的垂荡、横摇、纵摇和首摇的附加阻尼和附加质量，从而达到降低整个浮动风机基础运动幅度的目的。在岸边拼装时，三个方形立柱5中装载固定压载，但底浮箱6中不灌注压载水，浮动基础主要靠三个方形立柱5和底浮箱6提供浮力支撑整个浮动风机，使浮动风机基础的吃水较浅(吃水不超过8米)，国内绝大部分港口满足施工的水深要求；在目标海域正常发电工况下，底浮箱6中充满压载水，使浮动风机基础达到设计吃水，既降低了整个浮动风机基础重心，又提高了稳性和耐波性。

圆形立柱8除了支撑塔架2和风机机舱3以外，还可以在圆形立柱8内部放置电气柜等，增大了布置空间。

连接方形立柱5和圆形立柱8的撑杆9除了支撑方形立柱5和圆形立柱8以保证浮动风机基础的结构强度外，还可以在撑杆9上设置护栏形成过道，连通方形立柱5的顶部和中间圆形立柱8，便于维护船只在方形立柱5一侧停靠后，现场操作人员通过此过道对风机进行维护。

海上浮动风机基础1是全钢制结构，所有部件可焊接在一起。针对不同容量的风力发电机组，在建造时可以选择较浅水深的港口码头，将海上浮动风机基础1整体湿拖至安装地点，然后通过系泊定位，没有日常维护要求。

整个浮动风机基础1吃水较深(25m左右)，排水量大，重心低，运动性能优异，尤其是在垂荡和横摇/纵摇/首摇方向，可减小运动幅度达15％。

上面描述了根据本发明的海上浮动风机基础，应该理解，本发明不限于此，可作出多种改变。例如，立柱5不限于方形立柱，也可以是圆形立柱、椭圆形立柱等；立柱5的数量不限于3个，也可以是4个、5个或更多，可根据实际情况选择立柱5的数量，相应地，多个立柱5可沿圆周方向等间隔地排列，底浮箱6可呈辐射状分布以连接到每个立柱5的下部；底浮箱6也可具有椭圆形截面；如果立柱5与底浮箱6的连接强度足够大，则可以省略第一撑杆7和/或第二撑杆9。

采用根据本发明的海上浮动风机基础，可至少实现以下优点：

1、由于在海上浮动风机基础底部布置了较大面积的垂荡板，因此可以有效增加海上浮动风机基础的横摇、纵摇和垂荡运动的附加质量和附加阻尼，从而达到了减小浮动式风机运动幅度的目的。

2、由于海上浮动风机基础吃水较深，因此具有较大重量的垂荡板布置在海上浮动风机基础，使得垂荡板不但受波浪力影响较小，而且还降低了整个结构的重心，提高了海上浮动风机基础的稳性。

3、由于在垂荡板上设置了均匀的扰流孔，因此不但可以减轻垂荡板的重量，而且还使流体的垂向流动受到扰动，有效增加了海上浮动风机基础的垂荡运动的阻尼，使浮动式风机的垂荡运动幅度更小。

4、由于立柱较小的水线面面积和较大的间距以及大面积的垂荡板，使得静水力刚度较小，附加质量和附加转动惯量较大，因而满足垂荡和横摇/纵摇固有周期均大于20s，大于波浪能量集中的周期，不会发生共振。

5、浮动风机基础吃水较深，且在浮动风机基础的立柱底部采用固定压载，大排水量的底浮箱充满压载水，这大大的降低了整个浮动风机基础的重心，提高了整个系统的稳性。

6、底浮箱中充满压载水，不会承受较大水深处的静水压力，内部不需要很强的加强构件，因此可以节省结构的钢料重量，从而降低建造成本。

7、三个方形立柱和中间的圆形立柱间必需的撑杆连接较少，减小了复杂的管节点设计，降低了结构出现疲劳断裂的风险，可靠性高，能适应大型海上风电机组整个寿命周期内正常操作的要求。

8、采用了三个方形立柱和矩形截面的底浮箱，可显著增大整个浮动风机基础的首摇附加质量和附加阻尼，能有效降低整个系统的首摇运动，保证了整个浮动风机基础偏航控制的稳定性。

9、底浮箱位于水面以下的深处，大大减小了波浪作用力，而且底浮箱为扁长的矩形截面呈中心辐射状布置，有效增加了整个浮动风机基础的垂荡、横摇/纵摇和首摇的附加质量、附加阻尼，从而有助于实现降低整个浮动风机基础运动幅度的目的。

10、根据本发明的浮动风机基础具有明显的安装施工优势：在岸边港口码头整机拼装时，底浮箱中无压载水，但在三个方形立柱底部安装固定压载以降低重心，保证了整个浮动结构的稳性，这时吃水较浅(不超过8m)，可适应大部分港口码头浅吃水的条件；当将浮动风机基础湿拖至安装地点就位时，可打开连通底浮箱内部的阀门，灌入压载水，当浮动风机基础的吃水达到设计吃水时，可关闭阀门，整个施工安装过程中对港口码头水深要求低，操作简单方便。

11、方形立柱和底浮箱均为矩形截面，工艺简单，加工方便、易于实现，可在一般的船坞或船台上建造，在岸边码头实行整机拼装，对港口水深要求不高，可整体湿拖，省去了常规海上吊装需要的大型浮吊船，不需要复杂的高空作业，并可在岸边码头通过陆上吊机完成整个浮动式风机的拼装，然后整体拖航(湿拖)至安装地点，通过系泊定位。因此，根据本发明的浮动风机基础具有结构形式简单、加工方便、成本较低、易于实现的特点。根据本发明的浮动风机基础作为一种开发深海风电场的重要海工装备，可用于支撑5MW以上大容量风电机组的安全运行。

12、对于传统的海上风机，当电机及齿轮箱等大部件出现故障时，往往需要动用大型浮吊船或自升式船舶进行更换，费用高昂。采用根据本发明的浮动风机基础，当需要大部件更换或遇台风来袭时，可以解缆，借助拖船将风机整体拖航回港进行大部件更换或避风，机动灵活性能好，减少了大型工程船舶的使用，节省了大型浮吊船的高昂费用，降低风机运行维护成本。

虽然本发明是参照其示例性的实施例被具体描述和显示的，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。

Claims (11)

1.一种半潜式海上浮动风机基础，包括：

三个方形立柱，为内部设置有加强构件的中空结构，呈正三角形等间距排列；

圆形立柱，安装在由所述三个方形立柱形成的正三角形的中心位置，圆形立柱的顶端法兰与浮动风机的塔架的塔底法兰连接；

底浮箱，具有矩形截面，呈Y形的辐射状分布，底浮箱的三个远端分别连接到所述三个方形立柱的下部的侧面，圆形立柱的底端安装在底浮箱的中心位置，

三个三角形垂荡板，每个三角形垂荡板连接在两个相邻的方形立柱之间且连接到底浮箱，每个三角形垂荡板大致覆盖两个相邻的方形立柱与所述正三角形的中心形成的三角形区域。

2.根据权利要求1所述的半潜式海上浮动风机基础，其中，在每个方形立柱中设置有多个舱壁，所述多个舱壁将方形立柱的内部空间分割多个子空间，在每个舱壁上设置有水平排列和竖直排列的多个加强筋，所述多个舱壁和所述多个加强筋构成方形立柱中的加强构件。

3.根据权利要求2所述的半潜式海上浮动风机基础，其中，在底浮箱中设置有多个舱壁，所述多个舱壁将底浮箱的内部空间分割多个子空间，在每个舱壁上设置有水平排列和竖直排列的多个加强筋。

4.根据权利要求3所述的半潜式海上浮动风机基础，还包括：三个第一撑杆，每个第一撑杆连接在每个方形立柱与圆形立柱之间。

5.根据权利要求4所述的半潜式海上浮动风机基础，还包括：三个第二撑杆，分别连接在两个相邻的方形立柱之间。

6.根据权利要求1所述的半潜式海上浮动风机基础，其中，在每个三角形垂荡板上设置有多个扰流孔。

7.根据权利要求6所述的半潜式海上浮动风机基础，其中，所述多个扰流孔呈圆形或椭圆形。

8.根据权利要求1所述的半潜式海上浮动风机基础，其中，底浮箱的截面宽度与方形立柱的截面的边长相等。

9.根据权利要求6所述的半潜式海上浮动风机基础，其中，每个三角形垂荡板的下表面、每个方形立柱的下表面以及底浮箱的下表面彼此平齐。

10.根据权利要求6所述的半潜式海上浮动风机基础，其中，在每个方形立柱的下部布置有固定压载，固定压载覆盖方形立柱下部的外周表面。

11.根据权利要求6所述的半潜式海上浮动风机基础，其中，底浮箱中充满压载水。