CN108407987A - 一种水上张拉的海上风电浮式基础及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海上风电基础技术领域，公开了一种水上张拉的海上风电浮式基础及其施工方法，由浮式平台和系泊系统组成，浮式平台包括连接段和浮箱，系泊系统包括系泊线和锚固基础；施工时将安装有上部风机塔筒的浮式平台和系泊系统分别拖航，锚固基础下沉并嵌入海底；系泊线上端依次穿过浮箱的第二预留孔道和连接段的第一预留孔道，系泊线在浮式平台下沉到位后锚固于连接段。本发明在拖航时能够提供足够浮稳性，在位状态时受波浪荷载影响小；实现水上张拉系统，降低水下安装系泊线的难度；锚固基础利用压载重和摩擦阻力提供抗拔力，并通过堆载和内外压差贯入海床，施工方便。

Description

一种水上张拉的海上风电浮式基础及其施工方法

技术领域

本发明属于海上风电基础技术领域，具体的说，是涉及一种水上张拉的海上风电浮式基础及其施工方法，稳定性较好，施工安装方便，工程造价和安装成本低。

背景技术

漂浮式基础的概念来源于深海油气开发平台，是指基础不与海床直接接触，而通过锚索或缆绳将其与海底相连，使风电机组可在某一相对固定区域内自由移动，该类基础目前主要处于研发和示范阶段，但对海洋环境的适应性较强，与着床式基础相比施工难度较小、运维成本低，因此在发展深海风电方面具有良好的应用前景。

与近海相比，深海环境更加恶劣，存在着海流、波浪、潮汐、内波等多种水文现象以及腐蚀、冲刷、淘空等长期理化作用，对风机基础、海底电缆、海上平台集成等技术无疑提出了更严苛的要求。考虑到技术难度和建设成本的因素，固定式基础已不再适用，深海风电场主要采用浮式基础。

现有海上风电浮式基础的主要型式有：Spar型、TLP型和半潜型基础。Spar型基础水线面小，受波浪荷载影响小，适用于水深较深的海域，安装移动不便；TLP型基础运动性能较好，系泊采用张力筋腱，成本较高，受水深限制大；半潜型基础可浮运拖航，但较大的水线面使其受波浪荷载影响大，稳定性较差。上述基础形式在稳定性和经济性方面各自有不同的弊端，且三种基础型式系泊线均需水下安装，施工难度较大。

发明内容

本发明要解决的是海上风电浮式基础在风浪荷载下运动响应较大，以及水下施工过程复杂成本较高的技术问题，提供了一种水上张拉的海上风电浮式基础及其施工方法，该基础形式水线面较小，稳定性好，其施工安装方便，安装成本低，可使海上风电浮式基础更好的应用于实际工程。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种水上张拉的海上风电浮式基础础，由浮式平台和系泊系统组成；

所述浮式平台包括均为空心结构的连接段和浮箱，所述连接段上端通过法兰环连接风机塔筒，所述连接段下端与所述浮箱固定连接；所述连接段由上部的弧形连接段和下部的柱状连接段构成，所述弧形连接段由上到下变截面设置且其侧壁壁面为内凹弧形；所述连接段侧壁内部周向均匀布置有多个第一预留孔道；所述浮箱内部设置有第一环向分舱板、第二环向分舱板和多道径向分舱板，所述第一环向分舱板、所述第二环向分舱板和多道所述径向分舱板将所述浮箱内部划分多个分舱室，每个分舱室均设有可进行水气置换的阀门系统；所述第一环向分舱板和所述第二环向分舱板之间周向均匀布置有多个第二预留孔道，所述第二预留孔道底部与所述浮箱的底板固定连接；所述第二预留孔道与所述第一预留孔道的数量相同，并且所述第二预留孔道与所述第一预留孔道逐一对应连接并相通；

所述系泊系统包括多组系泊线和锚固基础，所述系泊线的组数与所述第二预留孔道、所述第一预留孔道均相同；每组系泊线包括一根直系泊线和三根斜系泊线，直系泊线在该组系泊线对应的所述第二预留孔道和所述锚固单元之间竖直设置，斜系泊线在该组系泊线对应的所述第二预留孔道和所述锚固单元之间由上至下呈辐射状向外倾斜设置；每组所述系泊线下端均锚固于所述锚固基础，上端依次穿过所述第二预留孔道和所述第一预留孔道，并锚固于所述连接段顶部；所述锚固基础包括锚固板体，该锚固板体上部边沿设置有筒壁，该锚固板体下部设置有四个筒裙。

优选地，所述连接段的弧形连接段与柱状连接段采用混凝土一体浇筑成型。

优选地，所述第二预留孔道与所述第一预留孔道以弧度平滑相接。

优选地，所述系泊线的组数为3-8组。

优选地，所述斜系泊线与竖直方向的夹角为3°～60°。

优选地，所述系泊线上端在锚固前均设置有浮标球，锚固后的每个锚固点均设有维护装置。

优选地，所述系泊线的外露部分均采用橡胶套管包裹。

一种所述水上张拉的海上风电浮式基础的施工方法，按照如下步骤进行：

(1)先将所述浮式平台和所述系泊系统分别在陆地预制完成，将上部风机塔筒在所述浮式平台上安装稳定，将安装有上部风机塔筒的所述浮式平台拖航运输至作业海域，同时将系泊系统拖航运输至作业海域，所述系泊线上端均设置有浮标球；

(2)施加压载使所述锚固基础下沉，并通过堆载和内外压差将所述锚固基础嵌入海底固定；

(3)按照浮标球指示位置将所述系泊线上端依次穿过所述第二预留孔道和所述第一预留孔道，对所述系泊线进行10％～50％的预张拉使其处于张紧状态，以平衡所述浮式平台的浮力；

(4)通过水气置换的阀门系统向所述浮箱内部分舱室注水，使安装有上部风机塔筒的所述浮式平台失去部分浮力下沉，下沉至设计吃水位置时，对所述系泊线完成剩余50％～90％的预张拉以平衡所述浮式平台的浮力，并将所述系泊线上端锚固于所述连接段顶部；

(5)将所述浮箱内部分舱室中的水体通过水气置换的阀门系统排出；

(6)将所述系泊线带入所述第二预留孔道和所述第一预留孔道中的水体通过高压打气排出，并密封所述浮箱底部；

(7)通过所述浮箱内部分舱室调节张紧式系泊潜式浮式基础的重心位置。

本发明的有益效果是：

(一)本发明的海上风电浮式基础及其施工方法，其浮式平台将变截面的连接段和大水线面的浮箱结合设计，确保基础在拖航时由大水线面浮箱提供足够浮稳性，同时风机在位状态浮箱潜入水下，变截面的连接段上部水线面较小受到波浪荷载影响小，保证基础的稳定性。

(二)本发明的海上风电浮式基础及其施工方法，其系泊系统将直系泊线和斜系泊线结合设计，由直系泊线提供较好的垂荡性和转动性能，倾斜状系泊线提供较大水平向约束力，使得基础在各方向的运动响应小，稳定性好；直系泊线和斜系泊线上端锚固于弧形连接段顶部，实现水上张拉系统，降低水下安装系泊线的难度，施工方便；直系泊线和斜系泊线均采用钢绞线材料，经济性好。

(三)本发明的海上风电浮式基础及其施工方法，其系泊系统的锚固基础利用压载重和筒裙提供的摩擦阻力提供抗拔力，为直系泊线和斜系泊线定位，锚固基础为上部可灌砂压载、下部带筒裙的结构，较大的水线面使其可拖航至作业水域，并可通过堆载和内外压差贯入海床，施工方便。

附图说明

图1是本发明所提供的海上风电浮式基础的立体结构示意图；

图2是本发明所提供的海上风电浮式基础的系泊线分布示意图；

图3是本发明所提供的海上风电浮式基础的主视图；

图4是本发明所提供的海上风电浮式基础的俯视图。

图中：1、法兰环，2、弧形连接段，3、柱状连接段，4、浮箱，5、系泊线，6、锚固基础，7、第一预留孔道，8、第二预留孔道，9、第一环向分舱板，10、第二环向分舱板，11、径向分舱板。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1至图4示，本实施例公开了一种水上张拉的海上风电浮式基础，由浮式平台和系泊系统组成。

浮式平台包括连接段和浮箱4，连接段由弧形连接段2和柱状连接段3构成，弧形连接段2上端通过法兰环1与风机塔筒相连，柱状连接段3下端与浮箱4相连。考虑到海上风机的机舱和叶片的重量较大且在水面以上80～100m，为使风机正常发电，必须保证基础在风浪联合作用下的稳性和抵抗风浪载荷的能力。弧形连接段2与柱状连接段3选用混凝土一体浇筑成型，可承载较大的风电荷载。变截面的连接段和大水线面浮箱4相结合的设计，由大水线面浮箱4提供足够浮稳性实现浮式平台-塔筒-风机整体浮运拖航，安装运输方便；而在位状态时浮箱4潜入水面以下，变截面的连接段上部位于水面上，水线面较小，减小波浪荷载的影响。

上部法兰环1的直径为6.6m，高度为4m，壁厚为50mm。弧形连接段2为具有一定壁厚且壁面为内凹弧形的空腔筒状结构，其由上到下变截面设置，上部直径6.6m，下部直径20m，高度16.8m，壁厚800mm。柱状连接段3为具有空腔的圆筒状结构，其直径为20m，高度为1.2m，壁厚为800mm。弧形连接段2和柱状连接段3由混凝土一体浇筑成型构成连接段，连接段侧壁内部周向均匀布置有四个第一预留孔道7。

浮箱4为具有空腔的扁形圆柱状结构，其直径为32m，高度为10m，壁厚为15mm。浮箱4具有较大的横截面积，可增大垂荡运动的附加质量和势流阻尼，提供良好的运动性能。浮箱4内部设置有直径为20m的第一环向分舱板9和直径为18m的第二环向分舱板10，第一环向分舱板9和第二环向分舱板10将浮箱4内部划分为内圈、外圈和中间段。第一环向分舱板9和第二环向分舱板10之间的环空内设置有四个第二预留孔道8，第二预留孔道8底部与浮箱4底板固定连接。四个第二预留孔道8与四个第一预留孔道7一一位置对应且相连通，用于系泊线5穿过。第二预留孔道8与第一预留孔道7以一定的弧度平滑相接，避免系泊线5张拉受力时应力集中导致受损，影响系统正常工作。第二预留孔道8与第一预留孔道7可以防止系泊线5与水接触，保证系泊锚点不受损坏。浮箱4内部还设置有四道径向均布的径向分舱板11，径向分舱板11将浮箱4的内圈和外圈各划分为四个分舱室，每个分舱室均设有可进行水气置换的阀门系统，浮箱4可通过各分舱室内加水压载调节重心位置，保证基础拖航稳性。

系泊系统包括四组系泊线5和锚固基础6。

四组系泊线5分别对应于四个第二预留孔道8连接在浮箱3和锚固基础之间，每组系泊线5包括一根直系泊线和三根斜系泊线，直系泊线在该组系泊线5对应的第二预留孔道8和锚固单元6之间竖直设置，斜系泊线在该组系泊线5对应的第二预留孔道8和锚固单元6之间由上至下呈辐射状向外倾斜设置(以浮箱3中心方向为内，浮箱3壁面方向为外)；斜系泊线与竖直方向的夹角在范围为3°～60°范围内选择。四组系泊线5下端均锚固于锚固基础6，四组系泊线5上端依次穿过浮箱4的第二预留孔道8和连接段的第一预留孔道7，并锚固于弧形连接段2顶部，由此形成水上张拉系统，降低水下安装系泊线的难度。直系泊线提供良好的垂荡性和转动性能，斜系泊线提供较大的水平约束力。系泊线5的直径均为167mm，可采用钢绞线、聚酯纤维线等；外部均采用橡胶套管包裹，避免其在海水中腐蚀破损。系泊线5上端在锚固前均设置有浮标球，方便其穿过第二预留孔道8和第一预留孔道7；锚固后的锚固点设有维护装置。

锚固基础6包括四角倒圆角的矩形锚固板体，该锚固板体上部边沿均设置有高度为2m的环形筒壁，该锚固板体下部设置有四个呈两行两列排布的筒裙，筒裙直径为14m，中心距为18m。锚固板体用于提供系泊线5下端的锚固点，锚固板体与筒壁构成的上部结构可灌砂压载，筒裙通过压载重和内外压差贯入海床。锚固基础6通过堆载和内外压差贯入海床后，利用压载重和筒裙提供的摩擦阻力提供抗拔力为系泊线5定位。

这样，系泊系统可以有效的控制住浮式平台在垂荡、纵荡、横荡、艏摇、横摇、纵摇六个自由度的运动，确保该张紧式系泊潜式浮式基础具有较小的运动响应，从而表现出良好的动力性能，从而大大降低了对风电机组的设计要求。

上述海上风电浮式基础的施工方法，按照如下步骤进行：

(1)先将浮式平台和系泊系统分别在陆地预制完成，将上部风机塔筒在浮式平台上安装稳定，将上部风机塔筒和浮式平台拖航运输至作业海域，利用大水线面的浮箱4提供浮稳性实现浮式平台-塔筒-风机整体浮运拖航；同时将系泊系统拖航运输至作业海域，系泊线5上端设置有浮标球；

(2)安装有上部风机塔筒的所述浮式平台和所述系泊系统分别拖航运输至作业海域后，施加压载使所述系泊系统中的所述锚固基础6下沉，通过堆载和内外压差将锚固基础6嵌入海底固定；

(3)按照浮标球指示位置将四组系泊线5上端依次穿过第二预留孔道8和第一预留孔道7，对系泊线5进行一定比例(10％～50％)的预张拉使其处于张紧状态，以平衡浮式平台的浮力；

(4)通过水气置换的阀门系统向浮箱4的内圈分舱室注水，使安装有上部风机塔筒的浮式平台失去部分浮力下沉，下沉过程中浮箱4的外圈分舱室内空气提供给基础一定的浮力，保证海上风电浮式基础的稳定性；所述浮式平台下沉至设计吃水位置时，系泊线5达到预设长度，对系泊线5完成剩余比例(50％～90％)的预张拉，以平衡浮式平台的浮力；将系泊线5上端锚固于弧形连接段2顶部；

(5)将浮箱3内圈分舱室中的水体通过水气置换的阀门系统排出，保证海上风电浮式基础具有一定的浮稳性；

(6)将系泊线5带入第二预留孔道8和第一预留孔道7的水体通过高压打气排出，密封浮箱4底部，保证第二预留孔道8和第一预留孔道7处于干燥状态；

(7)就位状态后，通过向浮箱4的外圈分舱室注水调节海上风电浮式基础的重心位置，保证海上风电浮式基础安全稳定运行。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种水上张拉的海上风电浮式基础础，其特征在于，由浮式平台和系泊系统组成；

所述浮式平台包括均为空心结构的连接段和浮箱，所述连接段上端通过法兰环连接风机塔筒，所述连接段下端与所述浮箱固定连接；所述连接段由上部的弧形连接段和下部的柱状连接段构成，所述弧形连接段由上到下变截面设置且其侧壁壁面为内凹弧形；所述连接段侧壁内部周向均匀布置有多个第一预留孔道；所述浮箱内部设置有第一环向分舱板、第二环向分舱板和多道径向分舱板，所述第一环向分舱板、所述第二环向分舱板和多道所述径向分舱板将所述浮箱内部划分多个分舱室，每个分舱室均设有可进行水气置换的阀门系统；所述第一环向分舱板和所述第二环向分舱板之间周向均匀布置有多个第二预留孔道，所述第二预留孔道底部与所述浮箱的底板固定连接；所述第二预留孔道与所述第一预留孔道的数量相同，并且所述第二预留孔道与所述第一预留孔道逐一对应连接并相通；

所述系泊系统包括多组系泊线和锚固基础，所述系泊线的组数与所述第二预留孔道、所述第一预留孔道均相同；每组系泊线包括一根直系泊线和三根斜系泊线，直系泊线在该组系泊线对应的所述第二预留孔道和所述锚固单元之间竖直设置，斜系泊线在该组系泊线对应的所述第二预留孔道和所述锚固单元之间由上至下呈辐射状向外倾斜设置；每组所述系泊线下端均锚固于所述锚固基础，上端依次穿过所述第二预留孔道和所述第一预留孔道，并锚固于所述连接段顶部；所述锚固基础包括锚固板体，该锚固板体上部边沿设置有筒壁，该锚固板体下部设置有四个筒裙。

2.根据权利要求1所述的一种水上张拉的海上风电浮式基础，其特征在于，所述连接段的弧形连接段与柱状连接段采用混凝土一体浇筑成型。

3.根据权利要求1所述的一种水上张拉的海上风电浮式基础，其特征在于，所述第二预留孔道与所述第一预留孔道以弧度平滑相接。

4.根据权利要求1所述的一种水上张拉的海上风电浮式基础，其特征在于，所述系泊线的组数为3-8组。

5.根据权利要求1所述的一种水上张拉的海上风电浮式基础，其特征在于，所述斜系泊线与竖直方向的夹角为3°～60°。

6.根据权利要求1所述的一种水上张拉的海上风电浮式基础，其特征在于，所述系泊线上端在锚固前均设置有浮标球，锚固后的每个锚固点均设有维护装置。

7.根据权利要求1所述的一种水上张拉的海上风电浮式基础，其特征在于，所述系泊线的外露部分均采用橡胶套管包裹。

8.一种如权利要求1-7中任一项所述水上张拉的海上风电浮式基础的施工方法，其特征在于，按照如下步骤进行：

(1)先将所述浮式平台和所述系泊系统分别在陆地预制完成，将上部风机塔筒在所述浮式平台上安装稳定，将安装有上部风机塔筒的所述浮式平台拖航运输至作业海域，同时将系泊系统拖航运输至作业海域，所述系泊线上端均设置有浮标球；

(2)施加压载使所述锚固基础下沉，并通过堆载和内外压差将所述锚固基础嵌入海底固定；

(3)按照浮标球指示位置将所述系泊线上端依次穿过所述第二预留孔道和所述第一预留孔道，对所述系泊线进行10％～50％的预张拉使其处于张紧状态，以平衡所述浮式平台的浮力；

(4)通过水气置换的阀门系统向所述浮箱内部分舱室注水，使安装有上部风机塔筒的所述浮式平台失去部分浮力下沉，下沉至设计吃水位置时，对所述系泊线完成剩余50％～90％的预张拉以平衡所述浮式平台的浮力，并将所述系泊线上端锚固于所述连接段顶部；

(5)将所述浮箱内部分舱室中的水体通过水气置换的阀门系统排出；

(6)将所述系泊线带入所述第二预留孔道和所述第一预留孔道中的水体通过高压打气排出，并密封所述浮箱底部；

(7)通过所述浮箱内部分舱室调节张紧式系泊潜式浮式基础的重心位置。