CN102765466B - 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,所述半潜式海上浮动风机基础包括:多个立柱,按照等边形排列;下浮体,将所述多个立柱的底端连接起来;甲板,将所述多个立柱的顶端连接起来;短立柱,位于甲板的中央。根据本发明的半潜式海上浮动风机基础,采用变截面的立柱,且立柱间距设计为半波长与下浮体尺寸进行合理匹配,可以极大的减小整个浮动基础受到的波浪力的作用,该半潜式浮动基础在各个方向的运动性能都比较优异,能满足海上大型风电机组正常运行的需要。

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做法不具备优势,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的关键环节。
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,即,Hywind、BlueH和Windfloat浮动式风机项目。
Hywind是由挪威国家海油海德罗公司(StatoilHydro)、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BlueH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,PrinciplePower、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。
BlueH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
根据本发明提供一种半潜式海上浮动风机基础,所述浮动风机基础采用变截面的立柱,且立柱间距设计为半波长与下浮体尺寸进行合理匹配,可以极大的减小整个浮动基础受到的波浪力的作用,该半潜式浮动风机基础在各个方向的运动性能都比较优异,能满足大型风电机组正常运行的需要。
根据本发明,一种半潜式海上浮动风机基础包括:多个立柱,按照等边形排列;下浮体,将所述多个立柱的底端连接起来;甲板,将所述多个立柱的顶端连接起来;短立柱,位于甲板的中央。
根据本发明,所述半潜式海上浮动风机基础还可包括:支撑件,倾斜地设置在短立柱的外周与甲板之间,以用于支撑短立柱。
根据本发明,所述立柱的横截面可呈正方形、圆形或者椭圆形。
根据本发明,所述立柱可包括变截面部分。
根据本发明,所述变横截面部分可包括多层变截面部分。
根据本发明,所述多个立柱之间的距离可以为波浪的半波长或者一倍波长。
根据本发明,下浮体可呈等边形环。
根据本发明,甲板可呈等边形。
根据本发明,多个立柱可包括三个立柱,所述三个立柱按照正三角形等间距排列;所述下浮体可呈三角环形,且可具有矩形横截面,所述三个立柱的底端分别位于三角环形的下浮体的三个角中的对应的角上;甲板可呈Y形,三个立柱的顶端分别与Y形甲板的三个分端中的对应的一个分端的下表面接触。
根据本发明,下浮体可包括三个浮箱和将所述三个浮箱相互连接起来的支撑杆。
根据本发明,浮箱可呈圆柱形、椭圆柱形或者多边形的环形。
根据本发明,支撑件可倾斜地设置在短立柱的外周与Y形甲板的三个分端中对应的一个分端之间。
根据本发明,多个立柱可包括四个立柱,所述四个立柱按照正方形等间距排列;所述下浮体可呈正方形,所述四个立柱的底端分别位于正方形的下浮体的四个角中的对应的角上;甲板可呈正方形,四个立柱的顶端分别与正方形甲板的四个角中的对应的角的下表面接触。
根据本发明,支撑件可倾斜地设置在短立柱的外周与正方形甲板的四个角中对应的一个角之间。
根据本发明,下浮体可包括两个平行的板以及平行地连接在两个板之间的支撑件。
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是示出根据本发明的半潜式海上浮动风机的示意图;
图2是示出根据本发明的半潜式海上浮动风机的浮动基础的示意图;
图3是示出根据本发明的半潜式海上浮动风机的浮动基础的第一变型示例的示意图;
图4是示出根据本发明的半潜式海上浮动风机的浮动基础的第二变型示例的示意图。
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1是示出根据本发明的半潜式海上浮动风机的示意图。参照图1,半潜式海上浮动风机包括浮动基础1、塔架2、风机机舱3和叶片4。
浮动基础1可浮动在海面上。塔架2搭载在浮动基础1上,风力发电机组3安装在塔架2上,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。
图2是示出根据本发明的半潜式海上浮动风机的浮动基础的示意图。参照图2,该浮动基础1包括:多个立柱5(例如,3个),呈变截面的方形形状,并且所述3个立柱5按照正三角形等间距排列;下浮体6,具有三角环形形状,其横截面呈矩形,所述3个立柱分别位于三角环形形状的下浮体6的对应的角上,使得所述3个立柱5的底端通过下浮体6相互连接起来;甲板7,呈Y形,所述3个立柱5的顶端分别与Y形甲板7的三个分端中的对应的一个分端的下表面接触,使得所述3个立柱5的顶端通过甲板7相互连接起来;短立柱8,位于甲板7的中央位置,其直径可以是6m,在短立柱8的顶部设置有法兰以与塔架2的底部的法兰连接,以将塔架2固定到短立柱8上;支撑件9,倾斜地设置在短立柱8的外周与Y形甲板7的三个分端中对应的一个分端之间,以用于加强短立柱8的强度。
可选地,可将立柱5之间的间距设计为波浪的半波长或者一倍波长。
另外,立柱5在预定高度(例如,在一半吃水的位置)处截面尺寸可变大(截面积增大约4倍),整个浮动基础1吃水较深(例如,50m左右),通过下浮体6布置混凝土固定压载,以降低重心。
根据本发明的实施例,整个浮动基础1可由钢材制成,并且,各个部件可通过焊接连接在一起。可选地,浮动基础1的部件也可由其他合适的材料制成,并且各个部件也可通过其他合适的连接方式彼此连接。
短立柱8与Y形甲板7的连接,需要配合结构强度分析进行合理的加强,例如,可根据风机极限载荷和极端海洋环境载荷对整个浮动基础进行强度分析,进而调整支撑件9的数量和截面尺寸,此外,短立柱8与Y形甲板7之间可采用锥形变截面过渡或弧形过渡,以减小连接部位的应力集中。立柱5变截面的尺寸和位置以及下浮体6的尺寸在满足浮性、稳性和固有周期的前提下,可以通过水动力软件或模型试验优化基础水动力性能,得到最优尺寸。通常,首先,通过初步设计立柱5的尺寸和变截面位置,以及下浮体6的尺寸,使整个浮动基础具有足够的浮力,以支撑上部的风力发电机组,并具有足够的稳性(面积比大于1.3),固有周期大于20s,以避开波浪共振;然后,通过水动力计算软件或模型试验,模拟整个浮动式风机在极端风浪流条件下的运动响应,通过调整立柱5和下浮体6的位置和尺寸,使浮动基础的运动性能和用钢量达到综合最优。在示出的实施例中,由于立柱5的横截面沿深度方向变化,从而横截面较大部分的上下表面的波浪压力不同,所以部分波浪压力被抵消。由于大直径部分的上面与下面所受的压力不同,波浪引起的水质点运动,距离水面越近,越接近轨圆运动,大直径部分的上面与下面深度不同,被施加的压力也不同,利用这种差别,合理地设计和优化变截面处的尺寸,可使得整个浮动基础对某一特定周期的波浪(目标海域出现概率最高的波浪)下的波浪力为零或接近零,从而运动幅度大大减小。另外,综合考虑建造成本和使用要求,通过使立柱5的横截面变大,附加质量约为1.0~2.0倍的基础重量,附加阻尼约为5%~15%的临界阻尼,从而可实现进一步减小浮动式风机运动幅度的效果。三角环形下浮体6的主要作用是位于水面以下的深处,从而减小波浪作用力。由于下浮体6呈三角环形,并且其横截面呈矩形,所以能够有效地增加整个浮动基础1的垂荡和横/纵摇附加阻尼和附加质量,从而达到降低整个半潜式海上浮动风机运动幅度的目的。通常情况下,附加质量/惯性矩约为2~4倍基础重量,附加阻尼约为10%~20%的临界阻尼。该下浮体6为固定压载提供空间,以降低整个浮动基础1的重心,从而提高稳定性和耐波性。
将立柱5之间的间距设计为目标海域遭遇的波的半波长,同时合理地设置下浮体6的尺寸,可使作用在浮动基础1的立柱5、下浮体6上的波浪惯性力大小几乎相等,方向相反,使得波浪作用在浮动基础1上的惯性力非常小(理论上为零),从而浮动基础1的整体运动幅度减小。
Y形甲板7呈板形,如上所述,Y形甲板7具有三个分端,Y形甲板7的主要作用是连接立柱5,并支撑短立柱8所传递的风机载荷,提高了整个浮动基础1的结构疲劳性能。
虽然在示出的实施例中,甲板呈Y形,但是根据需要,甲板也可呈三角形等其他合适的形状。
另外,在示出的实施例中,整个浮动基础1可有钢材制成,针对不同容量的风力发电机组,在建造时可以选择深水码头整机拼装,整体湿拖,也可以利用半潜驳干拖至安装地点,本发明的浮动基础1没有日常维护要求。
图3是示出根据本发明的半潜式海上浮动风机的浮动基础的第一变型示例的示意图。参照图3,除了下浮体之外,根据本发明的半潜式海上浮动风机的浮动基础的第一变型示例的其他部件与图2中示出的根据本发明的半潜式海上浮动风机的浮动基础的其他部件完全相同。下面仅描述根据本发明的半潜式海上浮动风机的浮动基础的第一变型示例的下浮体。
如图3所示,下浮体可被设置成独立的多个圆柱形浮箱10(例如,3个)和将所述3个圆柱形浮箱10相互连接起来的支撑杆11。在这种情况下,多个立柱5分别设置在对应的圆柱形浮箱10上。
虽然在示出的实施例中,示出了圆柱形浮箱10,但是浮箱也可以呈椭圆柱形或者多边形的环形。
图4是示出根据本发明的半潜式海上浮动风机的浮动基础的第二变型示例的示意图。参照图4,在示出的该示例中,浮动基础包括4个变截面立柱5。另外,下浮体可被设置成包括两个平行的板12,立柱5分别位于对应的板12的两端,使得4个立柱5按照矩形形状排列,优选地,按照正方形等间距排列。另外,在两个板12之间水平地设置两个支撑件13,并且所述两个支撑件13位于同一水平面,以加强整个浮动基础的强度。
可选地,两个支撑件13也可水平并且平行地设置在对应的立柱之间,使得两个支撑件13垂直于两个板12。
对应于4个立柱5的排列,例如,矩形或者正方形,甲板也可大致呈矩形或者正方形。可选地,为了减轻重量,甲板的四个边可被局部切除,从而甲板可具有四个分端。
与图2示出的浮动基础1类似,短立柱可位于甲板的中央位置,在短立柱的顶部设置有法兰以与塔架2的底部的法兰连接,以将塔架2固定到短立柱上。支撑件可倾斜地设置在短立柱的外周与甲板的四个分端中对应的一个分端之间,以用于加强短立柱的强度。
通过合理地设置立柱的截面尺寸和间距(例如,波浪的半波长或者一倍波长),配合下浮体的长度和宽度进行优化设计,可以得到具有优异运动性能的深吃水半潜式浮动基础。
虽然在示出的实施例中,立柱呈方形,但是立柱也可呈其他合适的形状,例如,如圆形,椭圆形等。
虽然在示出的实施例中,立柱的变截面只有一层,但是立柱也可被设置成多层,例如,两层、三层等。
虽然在示出的实施例中,立柱的数量为三个和四个,但是立柱也可是更多个,例如,五个、六个等。
可选地,可使用海水、沙石等作为压载。
根据本发明的浮动基础,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/纵摇固有周期均大于20s,大于波浪能量集中的周期(3~20s),不会发生共振。
根据本发明的浮动基础,整个浮动基础重心低,且水线面惯性矩大,兼备了传统的Spar(单立柱)和半潜式平台的优点,从而该发明的稳定性和耐波性能俱佳。
根据本发明的浮动基础,由于浮动基础吃水较深,且在浮动基础的底部采用混凝土固定压载,降低了基础的重心,提高了整个结构的稳定性。
根据本发明的浮动基础,立柱的顶端以Y形甲板相连,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,整个浮动基础疲劳寿命较高。
根据本发明的浮动基础,下浮体位于水面以下的深处,大大减小了波浪作用力。而且下浮体为矩形截面呈三角环形分布,有效的增加了整个浮动基础的垂荡和横/纵摇附加阻尼和附加质量,从而达到降低整个浮动风机运动幅度的目的。
根据本发明的浮动基础,中立柱和下浮体均为矩形截面,工艺简单,加工方便、易于实现,本发明作为一种降低浮动式风机整机运动幅度的半潜式浮动基础,可以用于支撑5MW级别以上的大型海上风电机组的正常运行。
根据本发明的浮动基础,采用变截面的立柱,且立柱间距设计为半波长与下浮体尺寸进行合理匹配,采用这两项技术,可以极大的减小整个基础受到的波浪力的作用,该半潜式浮动基础在各个方向的运动性能都比较优异,能满足大型风电机组正常运行的需要。
根据本发明的浮动基础,结构简单紧凑,省略了海工领域常用的斜撑及管节点,结构疲劳性能好,可靠度高,能适应大型海上风电机组整个寿命周期内正常服役的要求。
根据本发明的浮动基础,加工制造方便,可在一般船坞中建造,在岸边深水码头实行整机拼装,整体湿拖,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。
根据本发明的浮动基础,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 (13)

1.一种半潜式海上浮动风机基础,包括:
多个立柱,按照等边形排列;
下浮体,将所述多个立柱的底端连接起来;
甲板,将所述多个立柱的顶端连接起来;
短立柱,位于甲板的中央,
其中,所述立柱包括变截面部分,
其中,所述多个立柱之间的距离为波浪的半波长或者一倍波长,
其中,所述变截面部分包括大直径部分,所述大直径部分的上表面和下表面的面积相同,且均大于立柱的其他部分的横截面积。
2.根据权利要求1所述的半潜式海上浮动风机基础,包括:
支撑件,倾斜地设置在短立柱的外周与甲板之间,以用于支撑短立柱。
3.根据权利要求1所述的半潜式海上浮动风机基础,其中,所述立柱的横截面呈正方形、圆形或者椭圆形。
4.根据权利要求1所述的半潜式海上浮动风机基础,其中,所述变横截面部分包括多层变截面部分。
5.根据权利要求1所述的半潜式海上浮动风机基础,其中,下浮体呈等边形环。
6.根据权利要求1所述的半潜式海上浮动风机基础,其中,甲板呈等边形。
7.根据权利要求1所述的半潜式海上浮动风机基础,其中,多个立柱包括三个立柱,所述三个立柱按照正三角形等间距排列;所述下浮体呈三角环形,且具有矩形横截面,所述三个立柱的底端分别位于三角环形的下浮体的三个角中的对应的角上;甲板呈Y形,三个立柱的顶端分别与Y形甲板的三个分端中的对应的一个分端的下表面接触。
8.根据权利要求7所述的半潜式海上浮动风机基础,其中,下浮体包括三个浮箱和将所述三个浮箱相互连接起来的支撑杆。
9.根据权利要求8所述的半潜式海上浮动风机基础,其中,浮箱呈圆柱形、椭圆柱形或者多边形的环形。
10.根据权利要求7所述的半潜式海上浮动风机基础,其中,支撑件倾斜地设置在短立柱的外周与Y形甲板的三个分端中对应的一个分端之间。
11.根据权利要求1所述的半潜式海上浮动风机基础,其中,多个立柱包括四个立柱,所述四个立柱按照正方形等间距排列;所述下浮体呈正方形,所述四个立柱的底端分别位于正方形的下浮体的四个角中的对应的角上;甲板呈正方形,四个立柱的顶端分别与正方形甲板的四个角中的对应的角的下表面接。
12.根据权利要求11所述的半潜式海上浮动风机基础,其中,支撑件倾斜地设置在短立柱的外周与正方形甲板的四个角中对应的一个角之间。
13.根据权利要求11所述的半潜式海上浮动风机基础,其中,下浮体包括两个平行的板以及平行地连接在两个板之间的支撑件。
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