CN107690405A - 漂浮式风力涡轮机组件及用于系泊该漂浮式风力涡轮机组件的方法 - Google Patents

漂浮式风力涡轮机组件及用于系泊该漂浮式风力涡轮机组件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及漂浮式风力涡轮机组件(1)以及用于系泊该漂浮式风力涡轮机组件的方法，该漂浮式风力涡轮机组件包括漂浮平台(2)以及设置在漂浮平台的顶部上的风力涡轮机(3)，风力涡轮机具有包括桅杆轴线(X)的桅杆(4)以及设置在桅杆的顶部上的机舱(6)，桅杆的下端(5)连接至漂浮平台，其中，漂浮平台利用多条张紧的系泊缆绳(8)连接至海底(7)，系泊缆绳各自包括在系泊缆绳的纵向方向上延伸的系泊缆绳轴线(A)，系泊缆绳轴线在交叉位置(9)处彼此相交，其中所述交叉位置(9)在桅杆轴线上并且位于机舱的标高处或高于机舱的标高处。

Description

漂浮式风力涡轮机组件及用于系泊该漂浮式风力涡轮机组件 的方法
技术领域
本申请涉及漂浮式风力涡轮机组件，其包括漂浮平台以及设置在漂浮平台的顶部上的风力涡轮机，该风力涡轮机包括具有桅杆轴线的桅杆以及设置在该桅杆的顶部上的机舱，该桅杆的下端连接至漂浮平台，该漂浮平台通过多条张紧的系泊缆绳连接至海底，其中每个系泊缆绳均包括在系泊缆绳的纵向方向上延伸的系泊缆绳轴线。本申请还涉及用于系泊这样的漂浮式风力涡轮机组件的方法。
背景技术
从例如WO2015/048147A1、WO2009/064737A1、KR101488292、WO2014/140653A1、EP2743170A1、WO2013/084632A1、CN102392796A、US2012/103244A1、WO2009/131826A2或者US2008/240864A1可知这样的漂浮式风力涡轮机组件。
通常，支撑漂浮式风力涡轮机的浮子样式有各自受到现有的石油和天然气理念的启发的4种类别：
1.半漂浮类型；
2.柱体式平台(Spar)/深吃水类型；
3.驳船类型；
4.张紧腿平台(TLP)
只能在受限的水深下工作的类型(例如铰接塔)未在上述之列。
然而，支撑风力涡轮机面临的主要挑战随支撑装置顶侧的不同而改变，诸如使用钻井装置或系泊装置的情况。首先，设备被支撑，即，涡轮机细长并且在浮子龙骨之上的较高标高处具有很大质量，从而提升整个物体的重心。这导致浮子不稳定。
在操作条件下(当涡轮机发电时)，巨大推力施加在机舱标高(即，高于海平面)处。这将导致在涡轮机与浮子的连接处产生巨大的倾覆力矩。
迄今为止，所有授权的构思正在试图限制由上述倾覆力矩引起的纵摇(pitch)/横摇(roll)，因为这是由涡轮机制造商施加的最苛刻的限制。
浮子的纵摇/横摇中的复原力矩与浮子的稳心高度GM成正比，GM是重心G和其稳心M之间的距离。GM越高，浮子越稳定。
对于类别1，半漂浮类型，通过使得水线面面积远离旋转中心以提高稳心M而实现稳定性。这将进而给予纵摇/横摇自由度复原力矩。
对于类别2，柱体式平台/深吃水类型，通过降低重心G实现稳定性。这些类型也倾向于通过在接近于水面处呈现小容量以降低波浪引起的载重水平。
对于类别3，驳船类型，是给予它们大的水线面面积的相对大的结构。
对于类别4，TLP，在运动性能和稳定性方面具有明显优势，这是因为上升下潜(heave)、纵摇(pitch)以及横摇(roll)的自由度被抑制。通过在水面下方施加大浮力并且使用系泊系统中的大张力抵消该浮力而获得上升下潜的稳定性。对于旋转稳定性，通过在腿部的张力方面的差异来平衡倾覆力矩。这可能适用于具有3组腿部的TLP，但是相同的推论对于具有4组甚至更多组腿部的TLP也有效。
本申请的目的在于提供特别是当巨大推力施加于机舱标高处时具有改进的稳定性的漂浮式风力涡轮机组件，特别是TLP类型的风力涡轮机组件。
发明内容
这里，根据本发明，每个系泊缆绳(8)包括作用于系泊缆绳使得浮箱(13)下沉的附加张紧系统。
通过逐渐张紧系泊腿部，径向浮箱下沉并且由进入水面的浮箱赋予的静水稳定性逐渐转移至系泊腿部。
在漂浮结构固定于海底之前，该漂浮结构的稳定性主要由径向箱赋予。关于双体船类型的船体，浮箱以相距旋转轴线的距离d在水线面面积S上方进入海面的事实引起对旋转的阻力，该阻力与Sxd2成比例。径向浮箱的跨距越大，需要克服的阻力越大。在较小的程度上，如果桁架结构和/或中部箱进入海面，则其也有助于拖动配置的稳定性。该稳定性通常被称为静水稳定性，与当浮子处于操作配置时由张紧的系泊缆绳赋予的系泊稳定性相反。
在实施方式中，系泊缆绳轴线在交叉位置彼此相交，其中所述交叉位置在桅杆轴线上并且在机舱的标高或高于机舱的标高处。
本发明是对支撑风力涡轮机的TLP类型浮子进行系泊的新方式。可由筋腱(tendon)、链、金属线或合成绳索不同地制造的系泊缆绳成角度附接，而不是垂直附接。
本文提出的本发明受到TLP理念的启发，但是解决了由风力涡轮机施加的特定负载和在机舱处的运动性能的特别限制。代替通过垂直的腿部系泊浮子，腿部相对于垂直面成角度设置，使得它们在桅杆轴线上方的交叉点产生于机舱的标高或高于机舱的标高处。
本发明的新颖之处在于腿部相对于结构设置的方式。相比于传统的垂直-腿部TLP，本发明使得能够调整固定点的位置，整个物体围绕该固定点旋转。在这一点上，当横摇和纵摇符合时，纵荡运动和摇摆运动受到抑制，从而使得与TLP的传统行为不同。另外，这使得能够最适当地响应由风力涡轮机施加的特定的载荷和限制。
尽管横摇和纵摇自由度(DOF)符合，但是围绕系泊腿部的交叉点产生旋转。与传统的TLP不同，在本发明中，交叉点定位成靠近机舱或在机舱上方。这保证了，与具有符合的横摇/纵摇DOF的其他系统以及未抑制纵荡运动/摇摆运动的传统TLP的系统相比，由机舱和叶片观看的实际横摇/纵摇-引发的平移运动较小。这提高了风力涡轮机的气动性能，并且降低了对由于浮子运动引起的相对风速所导致的复杂控制的需求。
这还提高用于维护作业的机舱的可达性。甚至在正常的工作海洋状况下，应该通过浮子的低速运动行为和其系泊系统使得利用直升机着陆在位于机舱水平的平台上成为可能。
涉及上述漂浮式风力涡轮机组件的另一实施方式，其中，漂浮平台具有：包括上层和下层的大体水平的桁架结构；至少三个共面的浮箱；在中部位置处的中部结构；以及距离中部结构大体等距的三个径向箱，其中，桁架结构在下层处使浮箱相连，并且在中部结构的上方，桅杆的下端在上层处连接至漂浮平台。这导致特别稳定的漂浮配置，尤其是当漂浮平台被拖至现场并且风力涡轮机已经组装完成时。如果需要，中部结构可以包括中部(浮力)箱。涉及上述漂浮式风力涡轮机组件的另一个实施方式，其中，系泊缆绳包括至少三条系泊缆绳。
涉及上述漂浮式风力涡轮机组件的另一个实施方式，其中，至少三条系泊缆绳具有利用连接装置将漂浮平台连结至海底的下端和上端，连接装置设置为接纳三条系泊缆绳的上端，每个上端均处于桁架结构的在与径向箱对应的下层处的位置。
涉及上述漂浮式风力涡轮机组件的另一个实施方式，其中，系泊缆绳由张紧系统张紧，诸如以保持漂浮平台低于水面，并且仅桁架结构的上层延伸至水面上方。该张紧系统允许工作轴的精确适应性，因此允许精确调整漂浮式风力涡轮机组件的漂浮性能。
涉及上述漂浮式风力涡轮机组件的另一个实施方式，其中，张紧系统包括在上层处设置在桁架结构上的可移除张紧装置
涉及上述漂浮式风力涡轮机组件的另一个实施方式，其中，漂浮平台包括张紧缆绳，该张紧缆绳在连接装置和张紧装置之间沿桁架结构延伸并能够与系泊缆绳和张紧装置连接。涉及上述漂浮式风力涡轮机组件的另一个实施方式，其中，系泊缆绳从海底延伸至较低的径向箱之后沿桁架结构偏离，使得连接装置可以位于水面上方并接近张紧装置。
本发明另一方面涉及系泊上述漂浮式风力涡轮机组件的方法，该方法可以包括以下步骤：
-在码头区组装(或在坞边组装)漂浮平台和风力涡轮机以形成漂浮式风力涡轮机组件；
-将多条系泊缆绳的下端锚固至期望的海底连接位置处的海底；
-将漂浮式风力涡轮机组件拖至海底连接位置和锚固于该处的系泊缆绳上方的期望风力涡轮机位置；
-将系泊缆绳的上端连接至漂浮平台上的连接装置，使得系泊缆绳轴线在交叉位置彼此相交，其中所述交叉位置在桅杆轴线上并且在机舱的标高处或高于机舱的标高处。
涉及上述方法的另一个实施方式，其中，当存在张紧系统时，多条系泊缆绳中的每一个利用张紧系统张紧，使得漂浮平台低至下沉位置。贯穿该降低步骤的初始阶段，径向箱和/或中部箱以及桁架结构沉入水中，这导致系泊缆绳的张力增加。一旦径向箱在海面下方消失，它们便不再通过流体静力学恢复力矩保证浮子和涡轮机组件的稳定性。但是，该稳定功能已经逐渐转移至系泊系统。该方法的新颖之处在于不需要任何外部装置(暂时的浮力、主要水平拉至浮子上的拖船)来在整个下沉步骤中保持稳定性。但是，在下沉步骤期间也可以使用外部装置来补充稳定性。
该特别的安装方法使得能够在整个张紧步骤中保持稳定，从而允许由径向箱赋予的水力弹性刚度到由系泊缆绳赋予的弹性刚度之间的平稳过渡。
附图说明
下文将通过非限制性示例的方式参照附图详细描述根据本发明的漂浮式风力涡轮机组件的实施方式。在附图中：
图1示出根据本发明的漂浮式风力涡轮机的示例性实施方式的示意性侧视图；
图2示出图1所示的漂浮式风力涡轮机组件的漂浮平台的俯视图；
图3a示出由拖船拖至期望的风力涡轮机位置的漂浮平台的侧视图；
图3b示出由拖船拖至期望的风力涡轮机位置的漂浮平台的俯视图。
具体实施方式
将在一起讨论图1和图2。图1示出漂浮式风力涡轮机组件1，其包括漂浮平台2以及设置在漂浮平台2的顶部上的风力涡轮机3。风力涡轮机3具有包括桅杆轴线X的桅杆4，该桅杆4的下端5连接至漂浮平台2。机舱6布置在桅杆4的顶部上，例如在60-80米(诸如，大约70米)的标高处。漂浮平台2通过多条张紧的系泊缆绳8连接至海底7。系泊缆绳8，诸如所示出的张紧腿或系泊腿，各自包括在系泊缆绳8的纵向方向上延伸的系泊缆绳轴线A。根据本发明，系泊缆绳轴线A在交叉位置9彼此相交，其中所述交叉位置9在桅杆轴线X上且在机舱6的标高处或高于机舱6的标高处。
漂浮平台2具有大体水平的桁架结构10，该桁架结构10具有上层11和下层12。设置有4个浮箱13。中部结构14在中部位置处具有中部箱14，并且三个共面的径向箱15位于距离中部箱14大体等距处。桁架结构10将浮箱13连接至下层11并且桅杆4的下端5在中部箱14上方在上层12处连接至漂浮平台2。优选地，系泊缆绳8包括至少三条系泊缆绳8。这至少三条系泊缆绳8具有利用连接装置18将漂浮平台2连结至海底7的下端16和上端17，该连接装置18设置为接纳三条系泊缆绳8的上端17，在与径向箱15对应的下层12处每个上端17均处于桁架结构10上的位置处。系泊缆绳8由张紧系统(未示出)张紧，诸如以保持漂浮平台2低于水面，并且仅仅桁架结构10的上层11延伸至水面之上。张紧系统包括设置在桁架结构的上层处的可移除张紧装置(未示出)。漂浮结构1可以包括张紧缆绳(未示出)，该张紧缆绳在连接装置18和张紧装置之间沿桁架结构10延伸，并可以与系泊缆绳8和张紧装置连接。系泊缆绳8可以在例如相对于垂直面成5-30°(诸如10-20°)的角度延伸。可以想象，各自相对于垂直面成一角度延伸的各个系泊缆绳8与其他系泊缆绳8的延伸角度不同。这取决于当地的天气/海洋情况、漂浮平台2的结构等。
没有详细描述附加的张紧系统，但是其可以包括与系泊缆绳8的顶链部分相互作用的锚链舱(chain locker)，可以包括作用于每个系泊缆绳的绞缆机，或可以包括使用了液压千斤顶的张紧系统。在WO2013124717、EP2729353、EP0831022、EP1106779或US9139260中描述了合适的张紧系统。
系泊上述漂浮式风力涡轮机组件1可以包括以下步骤：
-在码头区组装漂浮平台1和风力涡轮机3以形成漂浮式风力涡轮机组件1；
-将多条系泊缆绳8的下端在期望的海底连接位置19处锚固至海底7；
-将漂浮式风力涡轮机组件1拖至海底连接位置19和锚固于该处的系泊缆绳8上方的期望风力涡轮机位置；
-将系泊缆绳8的上端17连接至漂浮平台2上的连接装置18，使得系泊缆绳8的轴线A在交叉位置9彼此相交，其中所述交叉位置9在桅杆轴线上并且在机舱6的标高处或高于机舱6的标高处。
优选地，多条系泊缆绳8中的每一条利用附加的张紧系统张紧，使得漂浮平台2低于下沉(submerged)位置而无需借助外部装置来确保系泊缆绳8在整个张紧步骤中的稳定性。当径向箱15进入海面时，首先由流体静力学保证稳定性。之后，在系泊缆绳拉拽过程中，稳定性逐渐转移至系泊缆绳18，由于增加径向箱15、中部箱14以及桁架结构10的下沉使得系泊缆绳18的张力逐渐增加。
当推力施加在机舱水平处时，作为反应，腿部8中张力也将发生改变。但是，由于合力都穿过推力所施加的点，因此该点不移动。因此，机舱6处的纵荡运动和摇摆运动也得到抑制。当在漂浮平台2上产生波浪载荷时，将使得造成来自锚固/系泊腿部8的反应，但是机舱6将几乎保持固定。系泊腿部8也可以倾斜，但是并非恰好穿过机舱6的标高。之后，在交点9处建立固定点。最佳的交叉点需要基于特定场地气象情况和/或海洋情况(这将决定漂浮平台2上的波浪载荷以及风力涡轮机3上的波浪载荷)以及风力涡轮机3的设计限制来确定。根据本发明，交叉点9可以位于机舱6或高于机舱6的位置处以保证在极端情况下的稳定行为。
与现有的TLP不同，大跨距允许漂浮平台2特别是在拖动和自由漂浮情况下自然地稳定。因此，风力涡轮机3可以在码头区组装并且整个漂浮式风力涡轮机组件1可以被拖至现场。图3a和图3b实际地示出漂浮平台2被拖船20拖至风力涡轮机位置。每艘拖船20利用拖缆连接至桁架结构10的拐角，并且2艘拖船20朝向风力涡轮机位置拖动漂浮平台2，另一艘拖船20提供反作用力。
因此，通过参考上文讨论的实施方式描述了本发明。将意识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，容许对该实施方式进行本领域技术人员熟知的各种修改和代替形式。因此，虽然已经描述了具体的实施方式，但是这些实施方式仅是示例而不限制本发明的范围。

Claims (12)

1.漂浮式风力涡轮机组件(1)，包括具有多个径向浮箱(13)的漂浮平台(2)以及设置在所述漂浮平台的顶部上的风力涡轮机(3)，所述风力涡轮机具有包括桅杆轴线(X)的桅杆(4)以及设置在所述桅杆的顶部上的机舱(6)，所述桅杆的下端(5)连接至所述漂浮平台，其中，所述漂浮平台利用多条张紧的系泊缆绳(8)连接至海底(7)，所述系泊缆绳各自具有在所述系泊缆绳的纵向方向上延伸的系泊缆绳轴线(A)，
其特征在于，每条系泊缆绳(8)包括作用于所述系泊缆绳上使得所述浮箱(13)下沉的附加张紧系统。
2.根据权利要求1所述的漂浮式风力涡轮机组件，其中，所述系泊缆绳轴线在交叉位置(9)处彼此相交，所述交叉位置(9)在所述桅杆轴线上并且位于所述机舱的标高处或高于所述机舱的标高处。
3.漂浮式风力涡轮机组件(1)，包括漂浮平台(2)以及设置在所述漂浮平台的顶部上的风力涡轮机(3)，所述风力涡轮机具有包括桅杆轴线(X)的桅杆(4)以及设置在所述桅杆的顶部上的机舱(6)，所述桅杆的下端(5)连接至所述漂浮平台，其中，所述漂浮平台利用多条张紧的系泊缆绳(8)连接至海底(7)，所述系泊缆绳各自包括在所述系泊缆绳的纵向方向上延伸的系泊缆绳轴线(A)，
其特征在于，所述系泊缆绳轴线在交叉位置(9)处彼此相交，其中所述交叉位置(9)在所述桅杆轴线上并且位于所述机舱的标高处或高于所述机舱的标高处。
4.根据权利要求1、2或3所述的漂浮式风力涡轮机组件，其中所述漂浮平台具有：
大体水平的桁架结构(10)，具有上层(11)和下层(12)；
至少三个共面的浮箱(13)；
中部结构(14)，处于中部位置处；以及
三个径向箱(15)，距离所述中部结构大体等距，
其中，所述桁架结构在所述下层处使所述浮箱相连，并且在所述中部结构的上方，所述桅杆的下端在所述上层处连接至所述漂浮平台。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的漂浮式风力涡轮机组件，其中，所述系泊缆绳包括至少三条系泊缆绳。
6.根据权利要求5所述的漂浮式风力涡轮机组件，其中，所述至少三条系泊缆绳具有利用连接装置(18)将所述漂浮平台连结至海底的下端(16)和上端(17)，所述连接装置设置为接纳所述三条系泊缆绳的上端，每个上端均处于所述桁架结构上在与所述径向箱对应的下层处的位置。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的漂浮式风力涡轮机组件，其中，所述系泊缆绳由张紧系统张紧，诸如，以保持所述漂浮平台低于水面并且仅所述桁架结构的上层延伸至水面之上。
8.根据权利要求7所述的漂浮式风力涡轮机组件，其中，所述张紧系统包括在所述上层处设置在所述桁架结构上的可移除张紧装置。
9.根据权利要求7或8所述的漂浮式风力涡轮机组件，其中，所述漂浮结构包括张紧缆绳，所述张紧缆绳在所述连接装置和所述张紧装置之间沿所述桁架结构延伸并且能够连接至所述系泊缆绳和所述张紧装置。
10.根据前述权利要求中任一项所述的漂浮式风力涡轮机组件，所述中部结构包括中部箱(14)。
11.用于系泊漂浮式风力涡轮机组件的方法，包括以下步骤：
设置漂浮平台，所述漂浮平台具有大体水平的桁架结构(10)、至少三个共面的浮箱(13)、处于中部位置处的中部结构(14)以及三个径向箱(15)，其中所述桁架结构使所述浮箱相连，
组装所述漂浮平台和所述风力涡轮机，以形成能够被拖动的漂浮式风力涡轮机组件；
-将多条所述系泊缆绳的下端在期望的海底连接位置(19)处锚固至海底；
-将所述漂浮式风力涡轮机组件拖至处于所述海底连接位置和锚固于所述海底连接位置的系泊缆绳上方的期望风力涡轮机位置；
-将所述系泊缆绳的上端连接至所述漂浮平台上的连接装置；以及
-利用附加张紧系统张紧多条所述系泊缆绳中的每一条，使得所述漂浮平台降低并且所述浮箱13置于下沉位置。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述系泊缆绳轴线在交叉位置彼此相交，其中所述交叉位置在所述桅杆轴线上并且在所述机舱的标高处或高于所述机舱的标高处。
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