CN102758447B - 半潜式海上浮动风机基础 - Google Patents

半潜式海上浮动风机基础 Download PDF

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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：三个圆柱形浮筒，呈正三角形等间距排列；立柱，安装在由所述三个浮筒形成的正三角形的中心位置，立柱的顶端法兰与浮动风机的塔架连接；甲板，将所述三个浮筒的顶端彼此相连，立柱穿过甲板的中心；垂荡板，将所述三个浮筒的底端以及立柱的底端彼此连接。

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结构简单可靠、投资省，具有优异运动性能的配备有新型垂荡板的半潜式海上浮动式风机基础，该基础可以支撑5MW级别以上的风机，保证整个风机结构的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：三个圆柱形浮筒，呈正三角形等间距排列；立柱，安装在由所述三个浮筒形成的正三角形的中心位置，立柱的顶端法兰与浮动风机的塔架连接；甲板，将所述三个浮筒的顶端彼此相连，立柱穿过甲板的中心；垂荡板，将所述三个浮筒的底端以及立柱的底端彼此连接。
垂荡板可包括三个第一垂荡板以及第二垂荡板，三个第一垂荡板分别连接到所述三个浮筒的底端，三个浮筒分别布置在三个第一垂荡板上，第二垂荡板连接到三个第一垂荡板，立柱的底端连接到第二垂荡板。
第一垂荡板可以是圆形垂荡板，第二垂荡板可以是三角形垂荡板。
甲板可呈三角形或Y形，甲板的三个远端分别连接到所述三个浮筒的顶端。
可在第二垂荡板上设置有多个扰流孔，所述多个扰流孔呈圆形或椭圆形。
可在每个浮筒下部的外圆周上设置有一个或多个减摇鳍片，减摇鳍片竖直地连接在浮筒的下部和第一垂荡板上，减摇鳍片呈梯形或矩形。
可在第二垂荡板上设置有网格状结构的多个扁钢，在第一垂荡板上设置有放射状结构的多个扁钢。
可沿着每个浮筒的圆周方向设置有多个短桁撑，每个短桁撑的一端连接到设置在第一垂荡板上的扁钢，每个短桁撑的另一端连接到浮筒下部的筒壁。
可在每个浮筒的下部布置有固定压载，固定压载覆盖浮筒下部的外周表面。
立柱的底端可与浮筒的底端平齐，减摇鳍片的最外侧可与第一垂荡板的外边缘齐平。
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、风力发电机3和由叶片4及轮毂组成的风轮。
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，风力发电机3安装在塔架2上，在风力发电机3前端安装有风轮，风轮由叶片4和轮毂组成。风力带动叶片4旋转，使得在风力发电机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65m)排列的圆柱形浮筒5(直径约10m)。浮筒5为中空结构，使得半潜式海上浮动风机基础1能够浮动在海面上。在由所述三个浮筒5形成的正三角形的中心位置安装有直径较小的立柱6(直径约6m)，立柱6的顶端法兰可与半潜式海上浮动风机的塔架2连接。三个浮筒5的顶端通过甲板8彼此相连，甲板8可以是三角形或Y形，三角形或Y形甲板的三个远端可分别连接到三个浮筒5的顶端。立柱6可穿过甲板8的中心。
三个浮筒5的底端以及立柱6的底端通过垂荡板7彼此相连。垂荡板7可相对于其它部件具有较大重量。具体地，如图5所示，垂荡板7可包括三个第一垂荡板71以及第二垂荡板72。三个第一垂荡板71分别连接到三个浮筒5的底端，三个浮筒5分别布置在三个第一垂荡板71上。第一垂荡板71可以是圆形，可与浮筒5可同心地布置。第二垂荡板72连接到三个第一垂荡板71而形成一体的垂荡板7，立柱6的底端连接到第二垂荡板72。第二垂荡板72可以是三角形。
应该理解，垂荡板71形状不限于圆形，根据实际需要，也可以是正方形、三角形等。类似地，垂荡板72形状不限于三角形，根据实际需要，也可以是圆形、正方形等。
可根据稳性和垂荡固有周期来调整浮筒5的直径，同时应避开卡门涡列共振频率。
在第二垂荡板72上可设置有多个扰流孔9，可保证8％～12％的透空率。扰流孔9可以是圆孔或椭圆形孔。
在每个浮筒5下部的外圆周上可设置有一个或多个减摇鳍片10，减摇鳍片10竖直地连接在浮筒5的下部和第一垂荡板71上，起加强作用。减摇鳍片10可呈梯形或矩形。
可在垂荡板7上设置多个扁钢11，以加强垂荡板7的强度。具体地，可在第二垂荡板72上设置网格状结构的多个扁钢11，可在第一垂荡板71上设置放射状结构的多个扁钢11。
可沿着每个浮筒5的圆周方向设置多个短桁撑12，每个短桁撑12的一端连接到第一垂荡板71(优选地，连接到设置在第一垂荡板71上的扁钢11)，每个短桁撑12的另一端连接到浮筒5下部的筒壁。
可在每个浮筒5的下部布置固定压载13，固定压载13覆盖浮筒5的下部的外周表面，以降低重心。固定压载13可以是混凝土固定压载、矿砂压载以及沙石压载中的一种。
立柱6的底端与浮筒5的底端平齐，减摇鳍片10的最外侧可与第一垂荡板71的外边缘齐平(当然，根据实际尺寸或需要，立柱6的底端与浮筒5的底端也可以不平齐，减摇鳍片10的最外侧与第一垂荡板71的外边缘也可以不齐平)。可通过水动力软件或模型试验优化基础水动力性能，得到上述部件的尺寸最优值。
垂荡板7的主要作用是增加海上浮动风机基础1的横摇阻尼、纵摇阻尼和垂荡阻尼以及附加质量，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；另外，从结构承载上看，垂荡板7承担着从支柱6传递的垂向载荷，可通过结构强度分析最终确定垂荡板7的尺寸。
甲板8的主要作用是支撑立柱6和浮筒5，替代了斜撑杆件，省略了管节点，提高了海上浮动风机基础1的整体抗疲劳性能。
减摇鳍片10的主要作用是增加海上浮动风机基础1的首摇阻尼和附加质量，从而减小海上浮动风机基础1的运动幅度。
扰流孔9的尺寸的大小决定了透空率，可通过流体分析软件对扰流孔9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的垂荡运动的阻尼，使其运动幅度得到减缓。
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，在建造时就可以采取岸边码头整机拼装浮动风机基础，整体拖航，没有日常维护要求。
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、由于浮筒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。
4、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降低得更多。
5、由于在三个浮筒最外缘设置了减摇鳍片，可以有效的增加海上浮动风机基础的首摇阻尼，从而达到减小浮动式风机首摇运动幅度的目的。
6、由于在海上浮动风机基础底部采用固定压载，因此降低了海上浮动风机基础的重心，提高了整个结构的稳性。
7、由于采用中间立柱支撑塔架、风机机舱和叶片，使得海上浮动风机基础所受垂向载荷对称分布，无需通过调整压载水达到平衡；立柱的两端分别与甲板和垂荡板相连，省略了海工领域常用的斜撑连接，绕开了难度较大的管节点疲劳设计，整个基础结构疲劳寿命较高。
8、垂荡板采用纵横扁钢进行加强，且圆形垂荡板通过短桁撑与浮筒外壁固定，有效增加了整个基础结构的可靠性。
9、海上浮动风机基础可在船坞中建造，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，然后整体拖航至安装地点，通过系泊定位，省去了常规海上吊装需要的大型浮吊船，给海上风机安装带来便利，大大节省运输安装成本。因此根据本发明的海上浮动风机基础具备结构形式简单、加工方便、成本较低、易于实现的特点，本发明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。
10、对于采用了根据本发明的浮动风机基础的浮动式风机，当需要大部件更换或遇台风来袭时，可以解缆，借助拖船整体拖航回港进行部件更换或避风，机动灵活性能好，节省了大型浮吊船的高昂费用，避免了台风对风机机组造成的危害。
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 (9)

1.一种半潜式海上浮动风机基础，包括：
三个圆柱形浮筒，呈正三角形等间距排列；
立柱，安装在由所述三个浮筒形成的正三角形的中心位置，立柱的顶端法兰与浮动风机的塔架连接；
甲板，将所述三个浮筒的顶端彼此相连，立柱穿过甲板的中心；
垂荡板，将所述三个浮筒的底端以及立柱的底端彼此连接,垂荡板相对于所述浮动风机基础的除了垂荡板之外的部件具有较大重量，
其中，垂荡板包括三个第一垂荡板以及第二垂荡板，三个第一垂荡板分别连接到所述三个浮筒的底端，三个浮筒分别布置在三个第一垂荡板上，第二垂荡板连接到三个第一垂荡板，立柱的底端连接到第二垂荡板。
2.根据权利要求1所述的半潜式海上浮动风机基础，其中，第一垂荡板是圆形垂荡板，第二垂荡板是三角形垂荡板。
3.根据权利要求1所述的半潜式海上浮动风机基础，其中，甲板呈三角形或Y形，甲板的三个远端分别连接到所述三个浮筒的顶端。
4.根据权利要求1所述的半潜式海上浮动风机基础，其中，在第二垂荡板上设置有多个扰流孔，所述多个扰流孔呈圆形或椭圆形。
5.根据权利要求1所述的半潜式海上浮动风机基础，其中，在每个浮筒下部的外圆周上设置有一个或多个减摇鳍片，减摇鳍片竖直地连接在浮筒的下部和第一垂荡板上，减摇鳍片呈梯形或矩形。
6.根据权利要求1所述的半潜式海上浮动风机基础，其中，在第二垂荡板上设置有网格状结构的多个扁钢，在第一垂荡板上设置有放射状结构的多个扁钢。
7.根据权利要求1所述的半潜式海上浮动风机基础，其中，沿着每个浮筒的圆周方向设置有多个短桁撑，每个短桁撑的一端连接到设置在第一垂荡板上的扁钢，每个短桁撑的另一端连接到浮筒下部的筒壁。
8.根据权利要求1所述的半潜式海上浮动风机基础，其中，在每个浮筒的下部布置有固定压载，固定压载覆盖浮筒下部的外周表面。
9.根据权利要求1所述的半潜式海上浮动风机基础，其中，立柱的底端与浮筒的底端平齐，减摇鳍片的最外侧与第一垂荡板的外边缘齐平。
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