CN104632549B - 浮动式风机系泊系统、海上风力发电机组及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种浮动式风机系泊系统、海上风力发电机组及其安装方法，系泊系统包括一个刚性重块和浮动基础，浮动基础上设置有多个第一缆索固定部，刚性重块上设置有多个第二缆索固定部和多个第三缆索固定部，多个第一缆索固定部与多个第二缆索固定部通过第一缆索对应连接，多个第三缆索固定部通过第二缆索与设置在海底的第四缆索固定部连接。本发明实施例采用了将刚性重块通过缆索连接在浮动基础下方的结构，刚性重块本身能够将多个缆索固定部的受力均衡到整个刚性重块上，使得浮动基础能够在风浪中保持平稳，同时刚性重块又设置在浮动基础下方的一定的距离处，从而能够降低整个系泊系统的重心，同样能够大幅提高整体抗风浪能力。

Description

浮动式风机系泊系统、海上风力发电机组及其安装方法

技术领域

本发明涉及一种浮动式风机系泊系统、海上风力发电机组及其安装方法，属于风力发电技术领域。

背景技术

在50米以上深海区域，可开发利用的风资源更多更优质，市场前景也更广阔。要开发这些海域的深海风电场，按照目前近海风电场普遍采用的各种贯穿桩结构固定在海底的做法将不具备优势，因为随着水深的增加，固定式基础成本直线上升，固定式海上风机建造运维成本比浮动式更高。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力发电机，目前，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及其系泊系统成为开发浮动式风机最关键的课题。

应用于海上风电领域的浮动式风机基础，承受的载荷不同于传统的海油工程中的移动式平台，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时所引起的陀螺回转效应，倾覆力矩M_x、M_y以及绕垂直轴的扭矩M_z，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性，为控制浮动式风机的运动，除了对浮动式基础自身的运动性进行提高外，还需要匹配性能优异、成本具有竞争力的系泊系统。

现有的浮动式风机所采用的系泊系统都是继续沿用了海油工程领域的悬链线系泊或者张力腿系泊系统，这些系泊系统的特点是重块与浮动基础之间是刚性连接整体上呈一体结构或者重块内置于浮动基础中，而浮动式基础(或者浮动基础与重块构成的整体)再通过缆索直接连接到海底的第四缆索固定部上。

现有技术的系泊系统具有如下缺陷：整体重心偏高，抗风浪能力差，整体稳定性差。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种浮动式风机系泊系统，以降低整体重心，提高抗风浪能力和稳定性，提高安全性。

为达到上述目的，本发明的实施例提供了一种浮动式风机系泊系统，其包括一个刚性重块和浮动基础，所述浮动基础上设置有多个第一缆索固定部，所述刚性重块上设置有多个第二缆索固定部和多个第三缆索固定部，所述多个第一缆索固定部与所述多个第二缆索固定部通过第一缆索对应连接，所述多个第三缆索固定部通过第二缆索与设置于海底的第四缆索固定部连接。

进一步地，所述第一缆索固定部的数量至少为三个，均位于同一第一平面上且位于同一第一圆周上，所述多个第一缆索固定部均匀分布在所述第一圆周上，

所述第二缆索固定部的数量与所述第一缆索固定部的数量相等，均位于同一第二平面上且位于同一第二圆周上，所述多个第二缆索固定部均匀分布在所述第二圆周上，

在所述第一缆索拉紧且所述浮动基础和所述刚性重块呈水平的状态下，所述第一圆周的圆心和所述第二圆周的圆心均位于所述浮动基础的中心轴线上。

进一步地，第三缆索固定部的数量与所述第一缆索固定部和所述第二缆索固定部的数量相等，多个所述第三缆索固定部均位于同一第三平面上且位于同一第三圆周上，在所述第一缆索拉紧且所述浮动基础和所述刚性重块呈水平的状态下，所述第三圆周的圆心位于所述浮动基础的中心轴线上。

进一步地，所述第四缆索固定部的数量为多个，与所述第三缆索固定部通过第二缆索对应连接，所述第四缆索固定部均位于同一第四平面上且位于同一第四圆周上，在所述第一缆索和所述第二缆索拉紧且所述浮动基础和所述刚性重块呈水平的状态下，所述第四圆周的圆心位于所述浮动基础的中心轴线上。

可选地，所述第二缆索与海底呈30-60度角。

进一步地，所述第一缆索在张紧状态下呈竖直向下状态。

进一步地，所述第一缆索固定部和所述第二缆索固定部之间连接有多根所述第一缆索，所述多根第一缆索彼此平行。

进一步地，多个所述第二缆索整体上以径向辐射的形式与所述第四缆索固定部连接。

优选地，所述刚性重块位于所述浮动基础下方10-20米处。

进一步地，所述刚性重块的重量为所述浮动基础的设计排水量的25％-35％。

优选地，所述浮动基础在水平面上的投影整体上呈三角形，三角形的三个顶点处设置有端部立柱，所述第一缆索固定部位于所述端部立柱上。

进一步地，在所述浮动基础的中心轴线上设置有中心立柱，所述中心立柱与所述立柱之间通过多根杆件连接在一起。

进一步地，所述第一缆索固定部包括设置在所述浮动基础上的卷扬机、导缆滑轮以及止链器，所述导缆滑轮设置在所述端部立柱上，所述第一缆索通过所述导缆滑轮与所述卷扬机连接，所述卷扬机用于调整所述第一缆索的长度，所述止链器用于锁定所述第一缆索。

进一步地，所述浮动基础的中心轴线上设置有中心立柱，所述刚性重块的中心轴线上设置有定位孔，所述刚性重块的中心轴线与所述浮动基础的中心轴线在一条直线上，所述中心立柱能够插入到所述定位孔中。

进一步地，所述刚性重块整体上呈Y形，并且刚性重块的三条边结构相同，三条边之间的夹角为120度，在所述第一缆索拉紧且所述浮动基础和所述刚性重块呈水平的状态下，所述刚性重块的中心位于所述浮动基础的中心轴线上。

进一步地，所述第二缆索固定部位于所述刚性重块的Y形的三条边的上表面的端部，所述第三缆索固定部位于所述刚性重块的三条边的下表面的端部。

进一步地，所述刚性重块包括位于中心处的中心重块和三个第一端部重块，所述中心重块通过连接杆与所述三个第一端部重块分别连接，形成整体上为Y形的刚性重块。

可选地，所述中心重块为Y形，所述第一端部重块为矩形。

进一步地，所述刚性重块整体上呈等边三角形，在所述第一缆索拉紧且所述浮动基础和所述刚性重块呈水平的状态下，所述刚性重块的中心位于所述浮动基础的中心轴线上。

进一步地，所述刚性重块包括三个第二端部重块，所述三个第二端部重块之间通过连接杆连接，形成整体上呈三角形的刚性重块。

可选地，所述第四缆索固定部为吸力锚或者打桩锚。

此外，本发明的实施例还提供了一种海上风力发电机组，该风力发电机组具有如上任一所述的浮动式风机系泊系统。

另外，本发明的实施例还提供了一种海上风力发电机组的安装方法，所述海上风力发电机组包括如上任一所述的浮动式风机系泊系统，所述安装方法包括：

组装步骤：在陆地上将所述浮动基础与所述刚性重块之间通过所述第一缆索连接，并且收紧所述第一缆索，使所述浮动基础与所述刚性重块能够一体运输，并且将海上风力发电机组的其它部件进行拼装形成完整的海上风力发电机组；

运输步骤：将所述海上风力发电机组运输到指定的海上位置；

重块下放步骤：将所述浮动基础放置于海上，并且放开所述第一缆索，使所述刚性重块下降至海平面下指定深度；

海底固定步骤：将所述刚性重块通过所述第二缆索固定在海底的第四缆索固定部上。

进一步地，浮动式风机系泊系统为上述的浮动式风机系泊系统，其中，

在所述组装步骤中，通过设置在所述端部立柱上的卷扬机来收紧所述第一缆索，并且将所述浮动基础的中心立柱插入到所述刚性重块的定位孔中，使所述浮动基础与所述刚性重块连接为一体；

在所述重块下放步骤中，通过控制所述卷扬机使所述刚性重块下降至海平面下指定深度；

在所述海底固定步骤之后，微调所述卷扬机，使所述第一缆索以及所述第二缆索达到预紧力的设计值。

本发明实施例的浮动式风机系泊系统、海上风机及其安装方法，采用了将刚性重块通过缆索连接在浮动基础下方的结构，刚性重块本身能够将多个缆索固定部的受力均衡到整个刚性重块上，使得浮动基础能够在风浪中保持平稳，防止了风机大幅度运动甚至倾覆，同时刚性重块又设置在浮动基础下方的一定的距离处，从而能够降低整个系泊系统的重心，同样能够大幅提高整体抗风浪能力，降低安全隐患。

附图说明

图1为本发明实施例的系泊系统的结构示意图之一；

图2为本发明实施例的系泊系统的结构示意图之二；

图3为本发明实施例的系泊系统的结构示意图之三；

图4为本发明实施例的系泊系统的结构示意图之四；

图5为本发明实施例的系泊系统的结构示意图之五。

附图标号说明：

1-刚性重块；11-第二缆索固定部；12-第三缆索固定部；13-定位孔；2-浮动基础；21-第一缆索固定部；22-端部立柱；23-中心立柱；24-杆件；3-第一缆索；4-第二缆索；5-中心重块；6-第一端部重块；7-连接杆；8-第二端部重块；9-风机。

具体实施方式

为了便于区分，在本发明实施例中，将固定在浮动基础以上的部分称为风力发电机组(以下简称风机)，将浮动基础和刚性重块构成的整体称作系泊系统，将包含风力发电机组、浮动基础以及刚性重块在内的整体称作海上风力发电机组。

本发明实施例的系泊系统的整体上采用系泊重块与浮动基础的分离式设计，系泊重块采用整体形式的刚性重块，刚性重块与浮动基础之间通过柔性的缆索连接，刚性重块位于浮动基础的下方的一定深度的海水中，并通过缆索固定于海底。通过这样的结构来降低整个系泊系统的重心并且分散各个缆索固定部所承受的海浪的冲击，从而提高整个系泊系统的稳定性。

本发明实施例的浮动式风机系泊系统将刚性重块与浮动基础组合使用，通过整机拖航(湿拖)安装，由于本发明实施例的系泊系统对降低浮动基础运动幅度贡献较大，因此所匹配的半潜式浮动基础尺寸可适当减少，进而降低了浮动基础的重量，使得整个系泊系统的制造成本降低，便于运维、安装，提高了系统的运动性能，满足了风机正常发电工况下的运动要求，并且极端海况下运动幅度不超过5°。

下面结合附图对本发明的实施例进行进一步的详细描述。

实施例一

本实施例主要介绍系泊系统的整体结构。如图1和图2所示，图1为本发明实施例的系泊系统的结构示意图之一，图2为本发明实施例的系泊系统的结构示意图之二。其中，图1仅示出了系泊系统的整体结构，图2示出了包含风力发电机组(以下简称风机9)和系泊系统在内的整体风力发电机组的结构。本发明实施例的浮动式风机系泊系统，包括一个刚性重块1和浮动基础2，浮动基础2上设置有多个第一缆索固定部21，刚性重块1上设置有多个第二缆索固定部11和多个第三缆索固定部12，多个第一缆索固定部21与多个第二缆索固定部11通过第一缆索3对应连接，多个第三缆索固定部12通过第二缆索4与设置在海底的第四缆索固定部(未图示)连接。其中，这里的第四缆索固定部可以为吸力锚或者打桩锚等用于海底缆索固定的部件。

本发明实施例的系泊系统采用了刚性重块1与浮动基础2相分离的结构，刚性重块1通过缆索连接于浮动基础2的下方，降低了整体的重心，减小了整个风力发电机组的运动幅度。

此外，由于是通过缆索连接刚性重块1与浮动基础2，缆索具有柔性并且长度可调，从而能够使得刚性重块1与浮动基础2距离较远(例如，优选为刚性重块1位于浮动基础2下方10-20米处)，而水深处受波浪影响小，不会额外增加波浪作用力，而缆索相对其他刚性连接部件在水平方向受到波浪的冲击较小，同时由于垂向受海流影响较小，这样的结构增大了垂荡、横摇和纵摇的附加阻尼和附加质量，从而使得垂荡周期能够避开波浪能量集中的周期范围(通常3～20s)，垂荡运动减小至少20％；同时由于增大了横/纵摇附加质量和阻尼，使整个基础运动性能更佳，摇摆角度减小至少15％。

此外，刚性重块1对整个浮动式风机9有较大下拉力，当水位突然不均匀下降时，也不会因浮力减小而导致系泊缆索松弛，不会引起整个浮动式系统侧翻，可克服传统张力腿平台由于水位下降，稳性下降，运动性能降低及倾覆等不安全风险。在实际应用中，可以采用大质量的刚性重块1，例如，可以采用刚性重块1的重量为浮动基础2的设计排水量的25％-35％(优选为30％)的大质量重块，从而可以进一步降低整个系统的重心，使得海上风机9的运行更加平稳。

另外，刚性重块1与浮动基础2通过多根第一缆索3连接，刚性重块1又通过多根第二缆索4与海底的第四缆索固定部连接，并且刚性重块1整体上是刚性的，每个缆索连接部所受到的力会通过刚性重块1分散到各个缆索连接部上，从而增大了系泊系统面内刚度，能有效避免由于风机9大叶轮直径左右不对称载荷产生的绕垂直轴的扭矩导致系泊缆索相互扭转缠绕，与传统的张力腿平台相比提高了抗首摇(绕垂直轴的转动方向)能力。

此外，本发明实施例的浮动式风机系泊系统，第一缆索固定部21的数量至少为三个，均可以位于同一第一平面上且位于同一第一圆周上，多个第一缆索固定部21可以均匀分布在第一圆周上。第一缆索固定部21的数量优选为三个，本发明实施例的附图均以三个第一缆索固定部21为例进行说明。上述的多个缆索固定部均匀分布的方式，使得浮动基础2的受力均匀，能够实现对浮动基础2的平稳约束。

进一步地，第二缆索固定部11的数量与第一缆索固定部21的数量可以相等，均位于同一第二平面上且位于同一第二圆周上，多个第二缆索固定部11可以均匀分布在第二圆周上，在第一缆索拉紧且浮动基础和刚性重块呈水平的状态下，第二圆周的圆心也可以位于浮动基础2的中心轴线上，第一圆周的圆心和第二圆周的圆心均可以位于浮动基础2的中心轴线上。此外，第三缆索固定部12的数量可以与第一缆索固定部21和第二缆索固定部11的数量相等，多个第三缆索固定部均位于同一第三平面上且位于同一第三圆周上，在第一缆索拉紧且浮动基础和刚性重块呈水平的状态下，第三圆周的圆心可以位于浮动基础2的中心轴线上。进一步地，整个系统将最终固定于海底预先设置的第四缆索固定部上，第四缆索固定部的数量可以为多个，第四缆索固定部可以与第三缆索固定部12通过第二缆索4对应连接，第四缆索固定部均位于同一第四平面上且位于同一第四圆周上，在第一缆索和第二缆索拉紧且浮动基础和刚性重块呈水平的状态下，第四圆周的圆心可以位于浮动基础2的中心轴线上。优选地，多个第二缆索4整体上以径向辐射的形式与第四缆索固定部连接。

第一缆索固定部21、第二缆索固定部11、第三缆索固定部12以及第四缆索固定部采用了均匀分布在圆周上的结构，各个缆索固定部受到的各种拉力能够分散到其他的缆索固定部上，从而保证整体系统的平衡，使整个系统的运动性能更佳。另外，各个圆周的圆心均处于浮动基础2的中心轴线上，使得整个系泊系统整体上能够稳定于浮动基础2的中心轴线上，从而使得整个系泊系统能够更好地适应海上多变复杂的环境，进一步提高稳定性。

优选地，如图1和图2所示，第一缆索3在张紧状态下呈竖直向下状态，另外，第二缆索4优选地与海底呈30-60度角，在这样的结构中，系泊系统整体上呈下宽上窄的形式，刚性重块1被第二缆索4固定于第四缆索固定部形成的海底的第四圆周的中部，第二缆索4与海底呈30-60度角，从而对刚性重块1在水平方向和垂直方向均有一定的张紧力，并且能够在竖直方向具有一定的弹性浮动，使得刚性重块1能够更加稳定地位于海水中，承受来自各方向的冲击，而竖向张紧设置的第一缆索3提供了强有力的下拉力，将浮动基础2垂直下拉，降低重心的同时也将浮动基础2稳固在刚性重块1的轴线附近，这样的系统自我调节性能高，能够很好地适应海上复杂的、不稳定的受力环境。

在本发明实施例中所提及的缆索固定部(泛指上述的第一至第三缆索固定部)实际上指集中固定缆索的部分或者部件，可以只固定一根缆索也可以固定多个缆索，即从整体受力的角度来说，缆索固定部集中承担了一个方向的拉力。在实际应用中，每个缆索固定部可以具有多个连接点(图中未详细示出)，而每个固定点上均固定有一根缆索。

具体地，如图1和图2所示，每个第一缆索固定部21和每个第二缆索固定部11可以具有多个固定点，第一缆索固定部21和第二缆索固定部11固定点的相对位置一一对应，第一缆索固定部21和第二缆索固定部11之间连接有多根第一缆索3(图中示例性地示出2根第一缆索3)，多根第一缆索3彼此平行。同理，每个第三缆索固定部12也可以具有多个固定点，每个第三缆索固定部12通过多根第二缆索4(图中示例性地示出2根第二缆索4)与海底的第四缆索固定部连接。

在这种结构下，一个缆索固定部实际上聚集了多个缆索，这些缆索并非连接于同一点，而是彼此平行或者相互之间呈一定的角度，从而使得第一缆索固定部21与第二缆索固定部11、第二缆索固定部11与第三缆索固定部12之间的连接更加牢固和稳定。此外，上述的缆索可使用性价比高的锚链、钢缆或聚酯纤维缆，这样能够提高经济利用价值。

综上所述，本实施例的系泊系统具有如下技术效果：

1)整体上属于约束性系泊系统，对浮动式风机9在水平方向上的移动和相对于竖直方向的摇动具有显著的约束作用，因此，对浮动式基础本身的运动性能要求不高，相应的结构主尺度可适当降低，结构重量将减轻，结构成本会降低。在实现相同运动效果的前提下，可实现比传统的系泊系统成本降低至少20％。

2)由于本发明实施例采用了系泊重块和张紧缆索组合技术，显著的降低了整个浮动风机系统的横/纵摇运动幅度，减小了来流与叶轮的夹角，增加了风机9在额定风速以下的发电量。

3)由于本发明的系泊系统配合浮动式基础2一起，使得整体横/纵摇和垂荡运动周期在3s以下，避开了波浪能量集中的3～20s周期范围，避开了塔架的一阶频率，同时还避开风机9的1P、3P频率范围(1P和3P分别指风机运行时的一倍和三倍的转速范围)，有效的减小了整个浮动式风机系统的共振响应，降低了整机极限载荷和疲劳载荷水平，保证了风机9可以安全可靠的运行。

实施例二

由于本发明实施例的系统属于约束性系泊系统，对浮动式风机9的面内和面外运动有显著的约束作用，因此，对浮动基础2本身的运动性能要求不高，相应的结构主尺度可适当降低，减轻了浮动基础2的结构重量，降低了结构成本。

可选地，为了将第一缆索3设置成可以调节的结构，相应地，第一缆索固定部21可以包括设置在浮动基础2上的卷扬机、导缆滑轮以及止链器(图中未示出)，导缆滑轮可以设置在端部立柱22上(具体可以设置在端部立柱22的下端或者侧壁上)，卷扬机可以设置在端部立柱22上，也可以设置在浮动基础的作业平台上，止链器设置在卷扬机与导缆滑轮之间即可，第一缆索3通过导缆滑轮与卷扬机连接，卷扬机能够调整第一缆索3的长度，止链器能够在卷扬机调整完长度后，将第一缆索3锁定，以上的各个卷扬机、导缆滑轮以及止链器可以在每个端部立柱22上设置一套，从而可以对三个方向的第一缆索3进行长度调节，实现第一缆索3的同步拉伸、收缩，以对刚性重块1进行上升和下降的调节，从而实现系泊系统的重心的平稳调节。

此外，刚性重块1的尺寸和外形以及第一缆索3和第二缆索4的选型需要结合风机9的运行工况和极端海况下的结构强度进行分析和计算。在满足浮性、稳定性和强度要求的情况下，同时在避开波浪能量集中频段、塔架一阶频率、风机9的1P和3P频率范围的前提下，可以通过气动-水力-控制-结构整机动力分析软件、水动力软件或模型试验优化浮动基础2的水动力性能，得到最优的结构尺寸。第一缆索3和第二缆索4的具体尺寸，应结合水动力和系泊分析结果，以及水动力模型试验结果进行优化设计，并在满足DNV(挪威船级社)、ABS(美国船级社)、IEEC(国际电工学会)等相关规范要求的条件下进行选取。

优选地，为了方便整个系泊系统的湿拖，浮动基础2的中心轴线上设置有中心立柱23，中心立柱23上端可以用于支撑风机9，相应地，刚性重块1的中心轴线上可以设置有定位孔13，由于刚性重块1的中心轴线与浮动基础2的中心轴线能够在一条直线上，因此中心立柱23能够插入到定位孔13中。

本实施例的系泊系统的整体运动性能优异，结构成本和安装运维成本较低，极端海况下运动幅度也不会超过5°，水平位移不会超过水深的5％。此外，由于采用的变截面半潜式浮动基础2，可以在船坞或船台上建造，不需要复杂的高空作业，并可以在岸边码头通过陆上吊机完成整个浮动式风机9的拼装，并且能够将刚性重块1和浮动基础2进行对接，然后整体拖航(湿拖)至安装地点，进而完成系统的系泊定位。因此具备结构形式简单、加工方便、成本较低、易于实现的特点，可以作为一种开发深海风电场的重要海工装备，用以支撑5MW以上大容量风电机组的安全运行。

具体地，刚性重块1的截面可以为矩形的刚性重块1，中心可以带有圆形定位孔13，定位孔13可以与浮动基础2的圆形中心立柱23底部装配在一起，二者也可以为其他形状，以实现相互配合即可。刚性重块1的中心轴线与浮动基础2的中心轴线可以在一条直线上，中心立柱23能够插入到定位孔13中。其中，中心立柱23可以为圆形中心立柱23，也可以为其他结构，以实现与刚性重块1的定位孔13配合。另外，由于本实施例的系泊系统对浮动基础2本身的运动性能要求不高，浮动基础2不需要采用实心结构。因此，中心立柱23与三个端部立柱22之间可以通过多根(实际产品中采用了十五根)杆件24连接在一起构成了半潜式浮动基础2，这样的结构降低了浮动基础2的质量，从而降低了整体成本。

此外，刚性重块1可连同浮动基础2和风电机组一起整机拖航运输，通过收缩第一缆索3(即第一缆索固定部21与第二缆索固定部11之间的第一缆索3)将刚性重块1提升至浮动基础2的底部，将定位孔13插入中心立柱23并固定，使得刚性重块1紧贴浮动基础2，到达安装地点再放开第一缆索3将刚性重块1调整至设定位置，再连接刚性重块1四周的第二缆索4进行定位，整个过程可实现浮动式风机9的整机以及系泊系统的一体化安装。运输安装方便，避免了复杂的水下作业。整机拖航运输工况下浮动基础2的圆形中心立柱23插入刚性重块1通过中心的定位孔13中，通过收紧端部垂向第一缆索3将刚性重块1固定在浮动基础2的底部，从而更加便于整体运输。另外，由于在运输的过程中将风机部分与浮动基础以及刚性重块一起进行湿托运输，因此，降低了湿拖工况下浮动式风机系统的重心，提高了湿托运输过程中的抗风浪能力和稳定性，也避免了使用昂贵的大型海上安装船，降低了安装成本。

实施例三

本实施例主要说明刚性重块1的一种可选结构。如图1和图2刚性重块1可以设置为整体呈Y型的结构，并且刚性重块的三条边结构相同，三条边之间的夹角为120度，在第一缆索3拉紧且浮动基础2和刚性重块1呈水平的状态下，刚性重块1的中心位于浮动基础2的中心轴线上。进一步地，上述的Y形结构具有向三个方向上延伸的长度相等的三条边，第二缆索4固定部位于刚性重块1的Y形的三条边的上表面的端部，第三缆索固定部12位于刚性重块1的三条边的下表面的端部。此外，Y形刚性重块1的三条边的端点正好可以对应于实施例二中的浮动基础2的三个端部立柱22。具体地，Y形的刚性重块1的三个上端部通过3×2＝6根垂向第一缆索3与端部立柱22的底部相连，六根垂向第一缆索3可沿垂向伸缩到端部立柱22内。

本实施例的刚性重块1，通过采用中心对称的Y形结构，将系泊系统受到的外力冲击均衡地分布到了Y形结构的三条边上，并且能够使整体的系泊系统保持平衡，同时Y形结构本身也节省了刚性重块1的材料，节约了成本。上述的刚性重块1可以是混凝土实心块，也可以是空心内部填充砂石或海水，还可以是钢制加筋壳体，在壳体内部灌注砂石或海水的结构。

此外，作为Y形刚性重块1的改进，如图3所示，其为本发明实施例的系泊系统的结构示意图之三。刚性重块1包括位于中心处的中心重块5和三个第一端部重块6，中心重块5通过连接杆7与三个第一端部重块6分别连接，形成整体上为Y形的刚性重块1。优选地，中心重块5为Y形，第一端部重块6为矩形。这种类似分体式的结构，将分离的重块分布在Y形结构的中心以及端部，并通过刚性的连接杆7连接，能够实现在保持作为系泊重块的基本要求的前提下，进一步节省了材料，降低了成本。

实施例四

本实施例主要说明刚性重块1的另一种可选结构。如图4和图5所示，图4为本发明实施例的系泊系统的结构示意图之四，图5为本发明实施例的系泊系统的结构示意图之五。与实施例三的不同之处在于，图4中的刚性重块1整体上呈等边三角形，在第一缆索3拉紧且浮动基础2和刚性重块1呈水平的状态下，刚性重块1的中心位于浮动基础2的中心轴线上。

进一步地，与实施例三类似，第二缆索固定部11位于刚性重块1的三角形的三个顶点的上表面的端部，第三缆索固定部12位于刚性重块1的三角形的三个顶点的下表面的端部。第二缆索固定部11以及第三缆索固定部12具体结构以及与缆索的连接方式可以参见上述实施例三。

此外，作为对三角形刚性重块1的改进，图5所示的刚性重块1由三个第二端部重块8和连接杆7组成，三个第二端部重块8之间通过连接杆连接(图中示出为相邻两个第二端部重块8之间通过2根连接杆连接)，形成整体上呈等边三角形刚性重块1，其他连接方式与图4相同。

以上通过实施例一至实施例四详细介绍了本发明实施例的系泊系统。除了上述实施例之外，本发明实施例还提供了一种海上风力发电机组，其具有上述任一实施例介绍的浮动式风机系泊系统。

实施例五

本实施例涉及基于上述实施例的浮动式风机系泊系统的安装方法，具体包括：

组装步骤：在向海上运输之前，可以先在陆地上将浮动基础2与刚性重块1之间通过第一缆索3连接，并且可以收紧浮动基础2与刚性重块1之间的第一缆索3，以使浮动基础2与刚性重块1能够一体运输.并且将海上风力发电机组的其它部件进行拼装形成完整的海上风力发电机组。

运输步骤：将完整的海上风力发电机组运输(可以通过湿拖运输)到指定的海上位置。

重块下放步骤：可以将浮动基础2放置于海上，并且可以通过设置在浮动基础2上的卷扬机放开浮动基础2与刚性重块1之间的第一缆索3，使刚性重块1下降至海平面下的指定深度。

海底固定步骤：将刚性重块1通过第二缆索4固定在海底的第四缆索固定部上。

进一步地，在组装步骤中，优选地，可以通过设置在端部立柱22上的卷扬机来收紧浮动基础2与刚性重块1之间的第一缆索3，并且可以将浮动基础2的中心立柱23插入到刚性重块1的定位孔13中，使浮动基础2与刚性重块1连接为一体，从而更加便于湿托运输。

相应地，在重块下放步骤中，可以通过同步控制卷扬机使刚性重块1平稳地水平下降至海平面下指定深度。

相应地，在海底固定步骤之后，可以微调卷扬机，使浮动基础2与刚性重块1之间的第一缆索3以及刚性重块1与第四缆索固定部之间的第二缆索4达到预紧力的设计值，从而使得系统各方向的载荷力达到平衡，实现整体系统的稳定系泊。

本发明实施例的安装方法，将浮动基础2和刚性重块1与整机组装后一起拖航，使得运输和安装方便。本实施例涉及的海上风力发电机组、系泊系统以及安装方法适合于中等到深水海域的大型浮动式海上风机9的安装，由于采用整机湿拖，能够有效的保证风机9的结构强度和疲劳寿命，同时保障了风机9在全生命周期内正常运行发电。此外，通过将连接有刚性重块1的整个浮动式风机9湿拖安装，避免了使用昂贵的大型海上运输船和安装船，降低了安装成本。

以上通过实施例对本发明的浮动式风机系泊系统、海上风力发电机组以及安装方法进行了详细说明，下面从整体上说明一下本发明实施例的技术效果：

1)由于用于系泊的刚性重块和张紧式的系泊缆索的作用，使得整体系泊性能介于悬链式系泊和张力腿系泊之间，兼具有两者的优点，比传统的悬链式系泊对横纵摇和垂荡约束大，浮动风机运动幅度较小，但是系泊缆索张紧力比传统张力腿小，系泊缆索选型要求降低，连接部位设计较简单，疲劳特性降低，相应的成本降低。

2)本发明实施例的系泊系统，相比传统的悬链式系泊系统在海底布置直径较小，提高了海域的利用率，同时也降低了由于船舶航行和水下作业，对系泊系统的损伤风险。

3)上述实施例的系泊系统连同配套的浮动式基础，运动性能优异，特别适于水深50m以上的海域，比传统的悬链式系泊和张力腿系泊成本都低，而且可实现风机-浮动式基础-系泊系统整体一体化安装，整体机动性好，运维方便，回收可利用性好。

4)本发明实施例的系泊系统以及整机，能够将连接有刚性重块的整个浮动式风机湿拖安装，避免了使用昂贵的大型海上运输船和安装船，进一步显著降低了安装成本。

5)本发明实施例的系泊系统，其加工制造方便，用材简单，系泊重块可用钢筋混凝土预制而成，可在一般船坞中或船台上建造，在岸边码头实行整机拼装，通过垂向系泊缆索牢固的固定在基础底部，可整体湿拖，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，大大节省了运输安装成本。

6)采用本发明实施例的系泊系统的海上风力发电机，当需要大部件更换或遇台风来袭时，可以解缆，只需要一条普通拖船即可整体拖航回港进行部件更换或避风，机动灵活性能好，节省了大型浮吊船和运输船的高昂费用，避免了台风对机组造成的危害。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (24)

1.一种浮动式风机系泊系统，其特征在于，包括一个刚性重块和浮动基础，所述浮动基础上设置有多个第一缆索固定部，所述刚性重块上设置有多个第二缆索固定部和多个第三缆索固定部，所述多个第一缆索固定部与所述多个第二缆索固定部通过第一缆索对应连接，所述多个第三缆索固定部通过第二缆索与设置于海底的第四缆索固定部连接。

2.根据权利要求1所述的浮动式风机系泊系统，其特征在于，所述第一缆索固定部的数量至少为三个，均位于同一第一平面上且位于同一第一圆周上，所述多个第一缆索固定部均匀分布在所述第一圆周上，

所述第二缆索固定部的数量与所述第一缆索固定部的数量相等，均位于同一第二平面上且位于同一第二圆周上，所述多个第二缆索固定部均匀分布在所述第二圆周上，

在所述第一缆索拉紧且所述浮动基础和所述刚性重块呈水平的状态下，所述第一圆周的圆心和所述第二圆周的圆心均位于所述浮动基础的中心轴线上。

3.根据权利要求2所述的浮动式风机系泊系统，其特征在于，第三缆索固定部的数量与所述第一缆索固定部和所述第二缆索固定部的数量相等，多个所述第三缆索固定部均位于同一第三平面上且位于同一第三圆周上，在所述第一缆索拉紧且所述浮动基础和所述刚性重块呈水平的状态下，所述第三圆周的圆心位于所述浮动基础的中心轴线上。

4.根据权利要求3所述的浮动式风机系泊系统，其特征在于，所述第四缆索固定部的数量为多个，与所述第三缆索固定部通过第二缆索对应连接，所述第四缆索固定部均位于同一第四平面上且位于同一第四圆周上，在所述第一缆索和所述第二缆索拉紧且所述浮动基础和所述刚性重块呈水平的状态下，所述第四圆周的圆心位于所述浮动基础的中心轴线上。

5.根据权利要求4所述的浮动式风机系泊系统，其特征在于，所述第二缆索与海底呈30-60度角。

6.根据权利要求2所述的浮动式风机系泊系统，其特征在于，所述第一缆索在张紧状态下呈竖直向下状态。

7.根据权利要求4所述的浮动式风机系泊系统，其特征在于，所述第一缆索固定部和所述第二缆索固定部之间连接有多根所述第一缆索，所述多根第一缆索彼此平行。

8.根据权利要求4所述的浮动式风机系泊系统，其特征在于，多个所述第二缆索整体上以径向辐射的形式与所述第四缆索固定部连接。

9.根据权利要求1所述的浮动式风机系泊系统，其特征在于，所述刚性重块位于所述浮动基础下方10-20米处。

10.根据权利要求1所述的浮动式风机系泊系统，其特征在于，所述刚性重块的重量为所述浮动基础的设计排水量的25％-35％。

11.根据权利要求1至10任一所述的浮动式风机系泊系统，其特征在于，所述浮动基础在水平面上的投影整体上呈三角形，三角形的三个顶点处设置有端部立柱，所述第一缆索固定部位于所述端部立柱上。

12.根据权利要求11所述的浮动式风机系泊系统，其特征在于，在所述浮动基础的中心轴线上设置有中心立柱，所述中心立柱与所述端部立柱之间通过多根杆件连接在一起。

13.根据权利要求11所述的浮动式风机系泊系统，其特征在于，所述第一缆索固定部包括设置在所述浮动基础上的卷扬机、导缆滑轮以及止链器，所述导缆滑轮设置在所述端部立柱上，所述第一缆索通过所述导缆滑轮与所述卷扬机连接，所述卷扬机用于调整所述第一缆索的长度，所述止链器用于锁定所述第一缆索。

14.根据权利要求13所述的浮动式风机系泊系统，其特征在于，所述浮动基础的中心轴线上设置有中心立柱，所述刚性重块的中心轴线上设置有定位孔，所述刚性重块的中心轴线与所述浮动基础的中心轴线在一条直线上，所述中心立柱能够插入到所述定位孔中。

15.根据权利要求11所述的浮动式风机系泊系统，其特征在于，所述刚性重块整体上呈Y形，并且刚性重块的三条边结构相同，三条边之间的夹角为120度，在所述第一缆索拉紧且所述浮动基础和所述刚性重块呈水平的状态下，所述刚性重块的中心位于所述浮动基础的中心轴线上。

16.根据权利要求15所述的浮动式风机系泊系统，其特征在于，所述第二缆索固定部位于所述刚性重块的Y形的三条边的上表面的端部，所述第三缆索固定部位于所述刚性重块的三条边的下表面的端部。

17.根据权利要求16所述的浮动式风机系泊系统，其特征在于，所述刚性重块包括位于中心处的中心重块和三个第一端部重块，所述中心重块通过连接杆与所述三个第一端部重块分别连接，形成整体上为Y形的刚性重块。

18.根据权利要求17所述的浮动式风机系泊系统，其特征在于，所述中心重块为Y形，所述第一端部重块为矩形。

19.根据权利要求12所述的浮动式风机系泊系统，其特征在于，所述刚性重块整体上呈等边三角形，在所述第一缆索拉紧且所述浮动基础和所述刚性重块呈水平的状态下，所述刚性重块的中心位于所述浮动基础的中心轴线上。

20.根据权利要求19所述的浮动式风机系泊系统，其特征在于，所述刚性重块包括三个第二端部重块，所述三个第二端部重块之间通过连接杆连接，形成整体上呈三角形的刚性重块。

21.根据权利要求1所述的浮动式风机系泊系统，其特征在于，所述第四缆索固定部为吸力锚或者打桩锚。

22.一种海上风力发电机组，其特征在于，该风力发电机组具有如权利要求1至21任一所述的浮动式风机系泊系统。

23.一种海上风力发电机组的安装方法，其特征在于，所述海上风力发电机组包括权利要求1至21任一所述的浮动式风机系泊系统，所述安装方法包括：

组装步骤：在陆地上将所述浮动基础与所述刚性重块之间通过所述第一缆索连接，并且收紧所述第一缆索，使所述浮动基础与所述刚性重块能够一体运输，并且将海上风力发电机组的其它部件进行拼装形成完整的海上风力发电机组；

运输步骤：将所述海上风力发电机组运输到指定的海上位置；

重块下放步骤：将所述浮动基础放置于海上，并且放开所述第一缆索，使所述刚性重块下降至海平面下指定深度；

海底固定步骤：将所述刚性重块通过所述第二缆索固定在海底的第四缆索固定部上。

24.根据权利要求23所述的安装方法，其特征在于，浮动式风机系泊系统为权利要求14所述的浮动式风机系泊系统，其中，

在所述组装步骤中，通过设置在所述端部立柱上的卷扬机来收紧所述第一缆索，并且将所述浮动基础的中心立柱插入到所述刚性重块的定位孔中，使所述浮动基础与所述刚性重块连接为一体；

在所述重块下放步骤中，通过控制所述卷扬机使所述刚性重块下降至海平面下指定深度；

在所述海底固定步骤之后，微调所述卷扬机，使所述第一缆索以及所述第二缆索达到预紧力的设计值。