CN103979081B - 深吃水海上浮动式风力机整体安装工作船 - Google Patents

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Abstract

一种深吃水海上浮动式风力机整体安装工作船，该风力机包括塔筒和设有硬舱和软舱的深吃水海上浮动式基础，所述安装工作船包括工作船、桁架、若干搁墩、倾倒绞车、倾倒钢丝绳、起升滑轮组、倾倒滑轮组、两起升绞车、两起升钢丝绳和倾倒转轴；其中，桁架、倾倒绞车和搁墩设置在主甲板上，倾倒钢丝绳两端分别与塔筒和倾倒绞车相连，起升滑轮组设于硬舱外壳上，倾倒滑轮组设于深吃水海上浮动式基础的上部，一起升钢丝绳两端分别与起升滑轮组和安装在桁架中部的起升绞车相连；另一起升钢丝绳两端分别与倾倒滑轮组和安装在桁架顶部的起升绞车相连，软舱通过软舱销轴孔和倾倒转轴铰接于工作船尾部的开槽中。本发明具有运输和安装双重功能，节省了作业时间，降低了成本，适合大规模海上浮动式风力发电场的建设。

Description

深吃水海上浮动式风力机整体安装工作船
技术领域
本发明属于海洋工程技术领域，涉及深吃水海上浮动式风力机的整体安装，具体涉及一种深吃水海上浮动式风力机整体安装工作船。
背景技术
风能是目前发展最迅速、最具潜力的可再生能源，全球可利用的风能资源非常丰富，风能总量比地球上可开发利用的水能总量大10倍以上，其中大部分高品质的风能资源集中在海上深水区域。海上风能大国如：美国、中国、日本、挪威等的风能资源都集中在水深超过30m的非浅水区域。深水浮动式风力机作为一种替代传统固定式风机的新装备具有广阔的应用前景，已成为国外海上风能研究的热点领域。美国、欧洲和日本等对此进行了比较广泛的研究，纷纷提出了新型的浮式风机概念，目前处于不同的设计和验证阶段。
浮动式风力机主要由三部分组成，即位于顶部的风力发电机组、底部的浮式基础和用以连接二者的塔筒结构。底部的浮式基础与海洋石油平台下浮体相似，可划分为三种主要类型：单柱式平台、半潜式平台和张力腿式平台。单柱式平台通过压载使重心高度远低于浮心高度以获得稳性和优良的垂荡性能，但由于水线面面积惯性矩过小，其纵摇和横摇运动不佳。半潜式平台通过合理布置水线面以取得较大的水线面惯性矩，从而获得稳性和较好的运动性能。张力腿式平台通过设置张力腿预张力以获得稳性和优良的运动性能。
目前，海上浮动式风力机的安装方式主要分为多体式安装、两体式安装和整体式安装。分体式是指，依次安装机舱、轮毂、叶片、塔筒和浮动式基础等，安装的过程比较复杂，每次安装需要海上吊装的次数较多，需要较长的海上作业时间，因此对安装船的要求高，安装费用也较高。两体式安装是指，在陆地上把顶部的风力发电机组(包括机舱、轮毂和叶片等)和塔筒安装好，再利用安装船吊运至预先安装好的海上浮动式基础上。整体式安装是利用现有技术和装备在陆地上完成海上浮动式风力机所有部件的安装，再利用安装船整体运输至预定安装海域，最后再安装系泊系统。
经对现有技术的文献检索发现，挪威国家石油公司(Statoil)于2009年在挪威北海海域安装了世界上第一台MW级海上浮动式风力机Hywind。Hywind为单柱式海上浮式风力机，风力发电机额定功率2.3MW，其单立柱浮动基础主体型深100m，直径8.3m,排水量5300m3。Hywind采用了两体式安装方法，其单立柱浮动基础采用拖轮拖航至预定安装海域，再通过灌入压载物将其竖起。该安装方式需要大批工程船舶配合，需要较长的海上作业时间，因此若要实现大规模商用发电，其安装成本较高，因此实用性较差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有深吃水海上浮动式风力机安装的不足和缺陷，提供一种深吃水海上浮动式风力机整体安装工作船，该工程船具有整体运输和安装深吃水海上浮动式风力机的功能，从而达到大幅节省海上作业时间、降低安装成本的效果。
本发明解决其技术问题的技术方案是：
一种深吃水海上浮动式风力机整体安装工作船，所述深吃水海上浮动式风力机包括塔筒和深吃水海上浮动式基础，该深吃水海上浮动式基础的中部设有硬舱，下部设有软舱，其特征在于：所述安装工作船包括工作船、桁架、若干搁墩、倾倒绞车、倾倒钢丝绳、起升滑轮组、倾倒滑轮组、两起升绞车、两起升钢丝绳和倾倒转轴；其中，工作船的尾部设有开槽，倾倒转轴设置于该开槽中，桁架设置在工作船的尾部甲板上，若干搁墩设置在工作船的主甲板上以支撑所述深吃水海上浮动式风力机，倾倒绞车安装在工作船的首部的主甲板上，倾倒钢丝绳一端与所述塔筒相连，另一端与倾倒绞车相连，起升滑轮组安装在所述硬舱的外壳体上，倾倒滑轮组安装在所述深吃水海上浮动式基础的上部，一起升绞车安装在桁架的顶部，另一起升绞车安装在桁架的中部，一起升钢丝绳一端与起升滑轮组相连，另一端与桁架中部的起升绞车相连；另一起升钢丝绳一端与倾倒滑轮组相连，另一端与桁架顶部的起升绞车相连，所述深吃水海上浮动式基础的软舱设有软舱销轴孔且通过倾倒转轴与工作船尾部的开槽铰接。
进一步地，所述的倾倒绞车和起升绞车采用电力驱动或液压驱动。
进一步地，所述的桁架设有垂直导向系统。
进一步地，所述的工作船为自航船舶，配备有推进系统、导航系统、操纵系统、锚泊系统、压载系统和动力系统。
进一步地，所述的倾倒转轴为可伸缩式。
进一步地，所述的搁墩为桁架式结构，共三组，分别设置在工作船的主甲板尾部、中部和首部。
进一步地，所述的起升滑轮组和倾倒滑轮组包含多组滑轮，该滑轮的轴承采用滚动轴承或滑动轴承。
进一步地，所述的硬舱的外侧设置有与系泊系统相连的系泊眼板。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
所述安装工作船集运输和安装深吃水海上浮动式风力机的功能于一体，大幅节省了海上作业时间，从而降低了安装成本，适合于建设大规模海上浮动式风力发电场。
附图说明
图1是本发明的安装状态侧视图。
图2是本发明的运输状态侧视图。
图3是本发明的运输状态俯视图。
图4(a)是本发明运输深吃水海上浮动式风力机至预定安装海域的侧视图。
图4(b)是本发明竖起深吃水海上浮动式风力机的侧视图。
图4(c)是本发明垂直下放深吃水海上浮动式风力机至设计吃水的侧视图。
图4(d)是本发明驶离预定安装海域的侧视图。
图中，1—风轮，2—机舱，3—塔筒，4—深吃水海上浮动式基础，5—起升滑轮组，6—倾倒绞车，7—倾倒钢丝绳，8—起升绞车，9—起升钢丝绳，10—桁架，11—工作船，12—搁墩，13—倾倒转轴，14—系泊系统，15—倾倒滑轮组。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步描述，本实施例在本发明技术方案的前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1、图2和图3所示，本实施例包括：由风轮1、机舱2、塔筒3和深吃水海上浮动式基础4构成的深吃水海上浮动式风力机、起升滑轮组5、倾倒绞车6、倾倒钢丝绳7、两起升绞车8、两起升钢丝绳9、桁架10、工作船11、若干搁墩12、倾倒转轴13、系泊系统14和倾倒滑轮组15。
连接关系为：风轮1和机舱2安装在塔筒3上部；塔筒3下部与深吃水海上浮动式基础4相连；起升滑轮组5安装在深吃水海上浮动式基础4中部的硬舱外壳体上；倾倒绞车6安装在工作船11的首部主甲板上；桁架7设置在工作船11的尾部甲板上；若干搁墩12设置在工作船11的主甲板上；倾倒转轴13设置在工作船11的尾部开槽中；倾倒滑轮组15安装在深吃水海上浮动式基础4的上部；倾倒钢丝绳7一端与塔筒3相连，另一端与倾倒绞车6的卷筒相连；起升绞车8共两组，一组安装在桁架10的顶部，一组安装在桁架10的中部；一起升钢丝绳9一端与安装在深吃水海上浮动式基础4硬舱上的起升滑轮组5相连，另一端与桁架10中部的起升绞车8的卷筒相连；另一起升钢丝绳9一端与安装在深吃水海上浮动式基础4上部的倾倒滑轮组15相连，另一端与桁架10顶部的起升绞车8的卷筒相连；深吃水海上浮动式基础4下部的软舱通过倾倒转轴13与工作船11尾部的开槽铰接。
所述的风轮1包含3组叶片和轮毂，其中叶片直径为126m，叶片安装在轮毂上。
所述的机舱2内布置一组5MW风力发电机组及传动系统，风轮1与5MW风力发电机组通过传动系统相连。
所述的塔筒3为圆锥形壳体式结构，底部直径6m，顶部直径4m，塔筒3上部与机舱2通过法兰相连。
所述的深吃水海上浮动式基础4包括周向立柱、硬舱、垂荡板和软舱，4组周向立柱沿周向布置，周向立柱为圆形结构，直径为3.5m，长度为100m，周向立柱间间距约为8.8m；硬舱位于深吃水海上浮动式基础4的中部，内部设置有浮力舱，硬舱高度为15m，硬舱外侧设置有8组系泊眼板和起升滑轮组5；软舱位于深吃水海上浮动式基础4的下部，内部设置有压载舱，软舱10高度为7m，并设置有软舱销轴孔。
所述的起升滑轮组5共四组，每组4柄滑轮，滑轮的轴承采用滚动轴承。
所述的倾倒绞车6可采用电力驱动或液压驱动，如采用变频电机驱动，共一组，倾倒绞车6通过倾倒钢丝绳7将深吃水海上浮动式风力机倾倒至运输位置，倾倒绞车6的额定拉力为500kN，额定绳速为0-20m/min。
所述的起升绞车8可采用电力驱动或液压驱动，如采用变频电机驱动，共二组，起升绞车8通过起升钢丝绳9将深吃水海上浮动式风力机竖起至垂直状态，并下放深吃水海上浮动式风力机至其设计吃水位置，起升绞车8的额定拉力为750kN，额定绳速为0-15m/min。
所述的桁架10用以布置两起升绞车8，总高度为120m，宽度42m，并设有垂直导向系统。
所述的工作船11为自航船舶，垂线间长210m，总长230m，型宽42m，型深13m，吃水8m；尾部设有开槽，开槽区域长50m，宽15m；配备推进系统、导航系统、操纵系统、锚泊系统、压载系统、动力系统等。
所述的搁墩12为桁架式结构，共三组，分别设置在工作船11的主甲板尾部、中部和首部上，用以支撑深吃水海上浮动式风力机。
所述的倾倒转轴13为可伸缩式，直径600mm，设置在工作船11尾部的开槽中。
所述的系泊系统14为张紧式系泊系统，共8组，与深吃水海上浮动式基础4的硬舱外侧设置的8组系泊眼板相连。
所述的倾倒滑轮组15共两组，每组4柄滑轮，滑轮的轴承采用滚动轴承。
本实施例的安装和工作过程如下：
1)深吃水海上浮动式基础4在船厂建造完毕后，通过陆上吊机分别将风轮1、机舱2、塔筒3、起升滑轮组5和倾倒滑轮组15安装在深吃水海上浮动式基础4上；
2)利用陆上吊机将组装完毕后的深吃水海上浮动式风力机整体吊装在工作船11上，倾倒转轴13伸出至深吃水海上浮动式风力机的软舱销轴孔内；
3)将倾倒钢丝绳7一端和塔筒3相连，另一端和倾倒绞车6的卷筒相连，如图1所示；
4)将一起升钢丝绳9一端与安装在深吃水海上浮动式基础4硬舱上的起升滑轮组5相连，另一端与桁架10中部的起升绞车8的卷筒相连；另一起升钢丝绳9一端与安装在深吃水海上浮动式基础4上部的倾倒滑轮组15相连，另一端与桁架10顶部的起升绞车8的卷筒相连；
5)驱动倾倒绞车6和两起吊绞车8，深吃水海上浮动式风力机将绕倾倒转轴13旋转至工作船11上的搁墩12上，如图2和图3所示；
6)深吃水海上浮动式风力机固定在搁墩12上以后，工作船11将其运输至预定安装海域，如图4(a)所示；
7)通过驱动起吊绞车8，使深吃水海上浮动式风力机绕倾倒转轴13旋转至竖直状态，如图4(b)所示；
8)通过驱动起吊绞车8，使深吃水海上浮动式风力机竖直下放至海水平面MSL到达设计吃水位置，如图4(c)所示；
9)分别将8组系泊系统14与深吃水海上浮动式基础4的硬舱外侧设置的8组系泊眼板相连，如图4(c)所示；
10)完成深吃水海上浮动式风力机安装后，工作船11驶离预定安装海域，如图4(d)所示。
本实施例所提供的整体安装深吃水海上浮动式5MW风力机的工作船与挪威国家石油公司(Statoil)于2009年在挪威北海海域安装的海上浮动式风力机Hywind相比，本安装工作船集运输和安装深吃水海上浮动式风力机的功能于一体，大幅节省了海上作业时间，从而降低了安装成本，适合于建设大规模海上浮动式风力发电场。

Claims (8)

1.一种深吃水海上浮动式风力机整体安装工作船，所述深吃水海上浮动式风力机包括塔筒和深吃水海上浮动式基础，该深吃水海上浮动式基础的中部设有硬舱，下部设有软舱，其特征在于：所述安装工作船包括船体、桁架、若干搁墩、倾倒绞车、倾倒钢丝绳、起升滑轮组、倾倒滑轮组、两起升绞车、两起升钢丝绳和倾倒转轴；其中，船体的尾部设有开槽，倾倒转轴设置于该开槽中，桁架设置在船体的尾部甲板上，若干搁墩设置在船体的主甲板上以支撑所述深吃水海上浮动式风力机，倾倒绞车安装在船体的首部的主甲板上，倾倒钢丝绳一端与所述塔筒相连，另一端与倾倒绞车相连，起升滑轮组安装在所述硬舱的外壳体上，倾倒滑轮组安装在所述深吃水海上浮动式基础的上部，一起升绞车安装在桁架的顶部，另一起升绞车安装在桁架的中部，一起升钢丝绳一端与起升滑轮组相连，另一端与桁架中部的起升绞车相连；另一起升钢丝绳一端与倾倒滑轮组相连，另一端与桁架顶部的起升绞车相连，所述深吃水海上浮动式基础的软舱设有软舱销轴孔且通过倾倒转轴与工作船尾部的开槽铰接。
2.根据权利要求1所述的深吃水海上浮动式风力机整体安装工作船，其特征在于，所述的倾倒绞车和起升绞车采用电力驱动或液压驱动。
3.根据权利要求1所述的深吃水海上浮动式风力机整体安装工作船，其特征在于：所述的桁架设有垂直导向系统。
4.根据权利要求1所述的深吃水海上浮动式风力机整体安装工作船，其特征在于：所述的安装工作船为自航船舶，配备有推进系统、导航系统、操纵系统、锚泊系统、压载系统和动力系统。
5.根据权利要求1所述的深吃水海上浮动式风力机整体安装工作船，其特征在于：所述的倾倒转轴为可伸缩式。
6.根据权利要求1所述的深吃水海上浮动式风力机整体安装工作船，其特征在于：所述的搁墩为桁架式结构，共三组，分别设置在船体的主甲板尾部、中部和首部。
7.根据权利要求1所述的深吃水海上浮动式风力机整体安装工作船，其特征在于：所述的起升滑轮组和倾倒滑轮组包含多组滑轮，该滑轮的轴承采用滚动轴承或滑动轴承。
8.根据权利要求1所述的深吃水海上浮动式风力机整体安装工作船，其特征在于：所述的硬舱的外侧设置有与系泊系统相连的系泊眼板。
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