CN110594076A - 基于浮式平台的内嵌式减振发电系统及减振发电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及一种基于浮式平台的内嵌式减振发电系统及减振发电方法，所述系统包括：浮式平台子系统、吸能减振子系统、振荡发电子系统以及智能控制子系统，智能控制子系统分别与浮式平台子系统、吸能减振子系统、振荡发电子系统连接，浮式平台子系统与吸能减振子系统连接，吸能减振子系统与振荡发电子系统连接；浮式平台子系统，包括浮式平台浮体结构，系泊系统，顶部甲板以及相关的作业生产设备；吸能减振子系统，包括一个或者多个内嵌式调谐液柱阻尼器；振荡发电子系统，包括振荡气室、气流通道和自整流涡轮；智能控制子系统，包括用于自动化和机电过程的处理器、传感器及其数据采集、通信和人机界面。
Description
技术领域
本发明实施例涉及浮式结构减振技术和海洋新能源技术领域，尤其涉及一种基于浮式平台的内嵌式减振发电系统及减振发电方法。
背景技术
深海浮式平台在外部载荷环境、系索张力变化以及平台本体浮力变化的作用下会产生大幅整体运动，对平台的安全性与工作效率造成不利影响。如何对浮式平台整体运动进行有效抑制是业界亟待解决的难题。
相关技术中，已有的减振技术主要涉及调谐质量阻尼器、摩擦式阻尼器、调谐液柱阻尼器、磁流变阻尼器、电流变阻尼器等。其中，调谐液柱阻尼器属于简单有效的被动控制装置。但是目前调谐液柱阻尼器存在的不足之处包括：1、调谐液柱阻尼器体积大，占用平台结构大量空间，影响浮式平台的正常功能，可行性差；2、调谐液柱阻尼器仅能实现平台运动抑制，功能过于单一，工程推广应用价值低，且自振周期固定，控制效果难以保证，设计优化不足。
发明内容
鉴于此，为解决现有技术中的问题，本发明实施例提供了一种基于浮式平台的内嵌式减振发电系统及减振发电方法。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于浮式平台的内嵌式减振发电系统，所述系统包括：浮式平台子系统、吸能减振子系统、振荡发电子系统以及智能控制子系统，其中，所述智能控制子系统分别与所述浮式平台子系统、吸能减振子系统、振荡发电子系统连接，所述浮式平台子系统与所述吸能减振子系统连接，所述吸能减振子系统与所述振荡发电子系统连接；
所述浮式平台子系统，包括深海浮式平台或者浮式基础，所述深海浮式平台或者浮式基础包括浮式平台浮体结构，系泊系统，顶部甲板以及相关的作业生产设备；
所述吸能减振子系统，包括一个或者多个内嵌式调谐液柱阻尼器；
所述振荡发电子系统，包括振荡气室、气流通道和自整流涡轮；
所述智能控制子系统，包括用于自动化和机电过程的处理器、传感器及其数据采集、通信和人机界面。
在一个可能的实施方式中，所述内嵌式调谐液柱阻尼器包括水平液柱通道、两端等截面的垂直液柱通道和填充在内嵌式调谐液柱阻尼器内部的工作流体。
在一个可能的实施方式中，所述水平液柱通道和垂直液柱通道设置于所述顶部甲板下方，所述浮式平台浮体结构内部。
在一个可能的实施方式中，所述工作流体包括海水。
在一个可能的实施方式中，所述内嵌式调谐液柱阻尼器配备水泵，用于根据具体的海洋工况调整工作流体的体积，其中确保内嵌式调谐液柱阻尼器的固有周期与工作海况中波浪荷载谱峰周期一致。
在一个可能的实施方式中，所述内嵌式调谐液柱阻尼器配备节流装置，并配备相应的控制设备，用于根据具体的海洋工况调整所述节流装置的阻尼性能。
在一个可能的实施方式中，所述节流装置包括节流孔板或者阀门。
在一个可能的实施方式中，所述多个内嵌式调谐液柱阻尼器根据所述浮式平台浮体结构的特点对称布置。
在一个可能的实施方式中，所述振荡气室位于每一个内嵌式调谐液柱阻尼器垂直液柱通道顶部，用于上下移动调整气室体积；
所述振荡气室与所述垂直液柱通道相通，气室高度应大于工作流体发生的最大振幅。
在一个可能的实施方式中，所述气流通道设置于所述振荡气室顶部，并在所述气流通道出口处设置操作间；
所述操作间与外部大气相通，用于人员安装、操作和维护设备；
所述自整流涡轮安装于所述气流通道中，其中，所述自整流涡轮为用于振荡水柱式波能发电装置的威尔斯涡轮或者冲击式涡轮。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于浮式平台的内嵌式减振发电方法，所述方法包括：
在海洋载荷的作用下，浮式平台发生运动响应，激发内嵌式调谐液柱阻尼器内部工作流体吸收浮式平台的振动能量，以产生激烈的往复振荡运动；
内嵌式调谐液柱阻尼器工作流体的振荡运动，将增大或者减小位于两侧垂直液柱通道顶部的振荡气室的体积，以使振荡气室的内气压与外部大气压存在压差；
在气压差的作用下，振荡气室内的气体或者外部大气将通过气流通道进入到振荡气室或者由振荡气室排出，形成气体的往复振荡运动；
自整流涡轮利用往复振荡气流工况，将振荡气流的机械能转化为自身的转动动能，进而转化为电能。
本发明实施例提供的技术方案，针对相关技术中的不足，对浮式平台中调谐液柱阻尼器进行优化，同步应用海洋新能源技术，同时实现深海浮式平台减振控制和吸能发电。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的一种基于浮式平台的内嵌式减振发电系统的结构示意图；
图2为本发明实施例的一种基于浮式平台的内嵌式减振发电方法的实施流程示意图；
图3为本发明实施例的另一种基于浮式平台的内嵌式减振发电系统的结构示意图；
图4为本发明实施例的另一种基于浮式平台的内嵌式减振发电系统的俯视示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明，实施例并不构成对本发明实施例的限定。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种基于浮式平台的内嵌式减振发电系统的结构示意图，该系统具体可以包括：浮式平台子系统、吸能减振子系统、振荡发电子系统以及智能控制子系统，其中，所述智能控制子系统分别与所述浮式平台子系统、吸能减振子系统、振荡发电子系统连接，所述浮式平台子系统与所述吸能减振子系统连接，所述吸能减振子系统与所述振荡发电子系统连接。
针对浮式平台子系统，包括较为常见的深海浮式平台或者浮式基础，为了叙述方便，后续深海浮式平台或者浮式基础统称为浮式平台，该浮式平台包括浮式平台浮体结构，系泊系统，顶部甲板以及相关的作业生产设备等。
针对吸能减振子系统，包括一个或者多个内嵌式调谐液柱阻尼器。内嵌式调谐液柱阻尼器包括水平液柱通道、两端等截面的垂直液柱通道和填充在内嵌式调谐液柱阻尼器内部的工作流体，其中，水平液柱通道和垂直液柱通道设置于所述顶部甲板下方，所述浮式平台浮体结构内部，工作流体包括海水。
另外，对于内嵌式调谐液柱阻尼器配备水泵，该水泵用于根据具体的海洋工况调整工作流体的体积。优选的，确保内嵌式调谐液柱阻尼器的固有周期与工作海况中波浪荷载谱峰周期一致。
再者，对于内嵌式调谐液柱阻尼器配备节流装置，并配备相应的控制设备，用于根据具体的海洋工况调整所述节流装置的阻尼性能。其中，节流装置包括较为常见的节流孔板或者阀门。由于海洋环境的随机性，多个内嵌式调谐液柱阻尼器根据所述浮式平台浮体结构的特点对称布置。
针对振荡发电子系统，包括振荡气室、气流通道和自整流涡轮。振荡气室位于每一个内嵌式调谐液柱阻尼器垂直液柱通道顶部，可以上下移动调整气室体积。优选的，振荡气室与所述垂直液柱通道相通，气室高度应大于工作流体发生的最大振幅。
另外，对于气流通道设置于所述振荡气室顶部，并在所述气流通道出口处设置足够宽敞的操作间。其中，操作间与外部大气相通，用于人员安装、操作和维护设备。
再者，对于自整流涡轮安装于所述气流通道中，其中，所述自整流涡轮为用于振荡水柱式波能发电装置的威尔斯涡轮或者冲击式涡轮。
针对智能控制子系统，包括用于自动化和机电过程的处理器、传感器及其数据采集、通信和人机界面。
对于智能控制子系统的控制对象，包括节流装置和自整流涡轮，控制内容包括节流装置的开启、关闭和阻尼大小，自整流涡轮的开启、关闭和转速大小。
对于智能控制子系统处理的数据信号包括浮式平台的运动响应、节流装置的阻尼、内嵌式调谐液柱阻尼器内工作流体的振荡流速、自整流涡轮的发电功率和荷载等。智能控制子系统相关设备可布置在操作间。
如图2所示，为本发明实施例提供的一种基于浮式平台的内嵌式减振发电方法的实施流程示意图，该方法具体可以包括以下步骤：
S201，在海洋载荷的作用下，浮式平台发生运动响应，激发内嵌式调谐液柱阻尼器内部工作流体吸收浮式平台的振动能量，以产生激烈的往复振荡运动；
在风、浪、流等海洋载荷的作用下，浮式平台发生运动响应，激发内嵌式调谐液柱阻尼器内部工作流体吸收浮式平台的振动能量，以产生激烈的往复振荡运动。此时，浮式平台的能量被吸收，内嵌式调谐液柱阻尼器提供的阻尼力能够有效减缓浮式平台的运动响应。
S202，内嵌式调谐液柱阻尼器工作流体的振荡运动，将增大或者减小位于两侧垂直液柱通道顶部的振荡气室的体积，以使振荡气室的内气压与外部大气压存在压差；
S203，在气压差的作用下，振荡气室内的气体或者外部大气将通过气流通道进入到振荡气室或者由振荡气室排出，形成气体的往复振荡运动；
S204，自整流涡轮利用往复振荡气流工况，将振荡气流的机械能转化为自身的转动动能，进而转化为电能。
通过上述对本发明实施例提供的技术方案的描述，本方案存在以下有益效果：
1、本发明综合海洋平台减振技术和海洋新能源技术，提供一种同时实现浮式平台减振控制和吸能发电功能的内嵌式减振发电系统及减振发电方法，能够提高浮式平台的安全性能，改善工作条件，同时开发海洋新能源，具有良好的经济效益和工程应用价值。
2、本发明内嵌式调谐液柱阻尼器结构构造简单，阻尼和频率可调，采用海水作为工作流体，就地取材，成本低，操作简单，对已有浮式平台设计或者已造浮式平台进行简单修改即可应用。
3、本发明中的内嵌式减振发电系统安装于浮式平台内部，不占用浮式平台甲板空间，不仅对浮式平台的传统功能不产生影响，还能在实现减振控制的同时增加发电功能。
4、本发明中的振荡发电子系统所创造的振荡流动较传统的振荡水柱式波能发电装置更为规律平稳，且内嵌式装置中包括两个工作流体的自由液面与左右两个振荡气室，单个装置比传统的振荡水柱波能发电装置能够更高效率地产生电能,而且依托于浮式平台，便于操作维护与推广应用。
为了对本发明实施例提供的技术方案进行说下，提供下列实施例：
如图3至图4所示，作为具体实施例的张力腿平台1，包括张力腿3，平台立柱5和沉箱6。除此之外，浮式平台还配有顶部甲板、上层建筑和相关的生产作业设备。
吸能减振子系统包括4个内嵌式调谐液柱阻尼器9。内嵌式调谐液柱阻尼器9设置为矩形截面，水平液柱通道沿沉箱6中轴线布置，垂直液柱通道沿平台立柱5布置。
内嵌式调谐液柱阻尼器9内部的工作流体为海水，水平液柱通道中间设置节流装置7，比如常见的节流孔板或者阀门。
节流装置7根据具体的海洋工况调整内嵌式调谐液柱阻尼器9的阻尼大小。由于海洋环境的随机性，内嵌式调谐液柱阻尼器9对称布置。内嵌式调谐液柱阻尼器9配备有水泵，能够根据具体的海洋工况调整工作流体的体积。优先的，内嵌式调谐液柱阻尼器与海洋荷载保持共振条件。
共振条件通过调整内嵌式调谐液柱阻尼器9的自振周期实现，具体方法为：
其中，T为浮式平台作业海况中环境载荷谱峰周期，Lv和Av为静止状态下调谐液柱阻尼器9的垂直液柱通道内的液柱长度和截面积，Lh和Ah为静止状态下调谐液柱阻尼器9的水平液柱通道内的液柱长度和截面积，g为重力加速度。优选的，对于张力腿平台1，Av和Ah的比值取0.4-0.8。
振荡发电子系统，包括振荡气室8、气流通道10和自整流涡轮11。振荡气室8位于内嵌式调谐液柱阻尼器9垂直液柱通道顶部，通过气流通道10与操作间4连通，自整流涡轮11安装在气流通道10中。优选的，本发明实施例选用结构简单，较为经济的威尔斯涡轮作为自整流涡轮11。
智能控制子系统为内嵌式减振发电系统的智能控制系统，包括用于自动化和机电过程的处理器、传感器及其数据采集、通信和人机界面组成。
智能控制子系统的控制对象为节流装置7和自整流涡轮11，控制内容为节流装置7的开启、关闭和阻尼大小，自整流涡轮11的开启、关闭和转速大小。
智能控制子系统处理的数据信号包括张力腿平台1的运动响应、节流装置7的阻尼、内嵌式调谐液柱阻尼器9内工作流体的振荡流速、自整流涡轮11的发电功率和荷载等。智能控制子系统相关设备布置在操作间4。
在风、浪、流等海洋载荷的作用下，张力腿平台1发生运动响应，激发内嵌式调谐液柱阻尼器9内部工作流体吸收张力腿平台1的振动能量产生大振幅稳定的往复振荡流动。此时，张力腿平台1的能量被吸收，内嵌式调谐液柱阻尼器9提供的阻尼力能够有效减缓张力腿平台1的运动响应。
当作业海况发生变化时，将根据新的谱峰周期调节内嵌式调谐液柱阻尼器9中垂直液柱长度或流量，并通过节流装置7调整装置阻尼的大小，进而保证工作流体可产生大振幅且稳定的往复振荡。
另外一方面，内嵌式调谐液柱阻尼器9工作流体的振荡运动将增大或者减小位于两侧垂直液柱通道顶部的振荡气室8的体积，进而振荡气室8的内气压与外部大气压存在压差。
在气压差的作用下，振荡气室8内的气体或者外部大气将通过气流通道10进入到振荡气室8或者由振荡气室8排出，形成气体的往复振荡流动。自整流涡轮11适用这样的往复振荡气流工况，能够将振荡气流的机械能转化为自身的转动动能，进而转化为电能。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于浮式平台的内嵌式减振发电系统，其特征在于，所述系统包括：浮式平台子系统、吸能减振子系统、振荡发电子系统以及智能控制子系统，其中，所述智能控制子系统分别与所述浮式平台子系统、吸能减振子系统、振荡发电子系统连接，所述浮式平台子系统与所述吸能减振子系统连接，所述吸能减振子系统与所述振荡发电子系统连接；
所述浮式平台子系统，包括深海浮式平台或者浮式基础，所述深海浮式平台或者浮式基础包括浮式平台浮体结构，系泊系统，顶部甲板以及相关的作业生产设备；
所述吸能减振子系统，包括一个或者多个内嵌式调谐液柱阻尼器；
所述振荡发电子系统，包括振荡气室、气流通道和自整流涡轮；
所述智能控制子系统，包括用于自动化和机电过程的处理器、传感器及其数据采集、通信和人机界面。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述内嵌式调谐液柱阻尼器包括水平液柱通道、两端等截面的垂直液柱通道和填充在内嵌式调谐液柱阻尼器内部的工作流体。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述水平液柱通道和垂直液柱通道设置于所述顶部甲板下方，所述浮式平台浮体结构内部。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述内嵌式调谐液柱阻尼器配备水泵，用于根据具体的海洋工况调整工作流体的体积，其中确保内嵌式调谐液柱阻尼器的固有周期与工作海况中波浪荷载谱峰周期一致。
5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述内嵌式调谐液柱阻尼器配备节流装置，并配备相应的控制设备，用于根据具体的海洋工况调整所述节流装置的阻尼性能。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述节流装置包括节流孔板或者阀门。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个内嵌式调谐液柱阻尼器根据所述浮式平台浮体结构的特点对称布置。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述振荡气室位于每一个内嵌式调谐液柱阻尼器垂直液柱通道顶部，用于上下移动调整气室体积；
所述振荡气室与所述垂直液柱通道相通，气室高度应大于工作流体发生的最大振幅。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气流通道设置于所述振荡气室顶部，并在所述气流通道出口处设置操作间；
所述操作间与外部大气相通，用于人员安装、操作和维护设备；
所述自整流涡轮安装于所述气流通道中，其中，所述自整流涡轮为用于振荡水柱式波能发电装置的威尔斯涡轮或者冲击式涡轮。
10.一种基于浮式平台的内嵌式减振发电方法，其特征在于，所述方法包括：
在海洋载荷的作用下，浮式平台发生运动响应，激发内嵌式调谐液柱阻尼器内部工作流体吸收浮式平台的振动能量，以产生激烈的往复振荡运动；
内嵌式调谐液柱阻尼器工作流体的振荡运动，将增大或者减小位于两侧垂直液柱通道顶部的振荡气室的体积，以使振荡气室的内气压与外部大气压存在压差；
在气压差的作用下，振荡气室内的气体或者外部大气将通过气流通道进入到振荡气室或者由振荡气室排出，形成气体的往复振荡运动；
自整流涡轮利用往复振荡气流工况，将振荡气流的机械能转化为自身的转动动能，进而转化为电能。
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