CN111469992B - 一种具有阻尼效应的漂浮式海上风电结构基础及控制稳定性方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有阻尼效应的漂浮式海上风电结构基础及控制稳定性方法，包括浮式基础，所述浮式基础由同轴的多段式柱体钢制结构组成，包括上部甲板工作平台、中心立柱、下部压载平台；所述上部甲板工作平台的中心安装风机塔筒，所述上部甲板工作平台设置多个贯穿上部甲板工作平台的阻尼池，阻尼池围绕安装风机塔筒的中间部位布置；所述中心立柱在高度方向上被分隔有若干个独立的用于注水的水密分舱，各分舱中的水量可调。本发明的结构相较于传统立柱式平台吃水更浅，可以同时适用于浅水与深水，且方便拖航与安装，及便于在工作时的稳定性控制。

Description

一种具有阻尼效应的漂浮式海上风电结构基础及控制稳定性 方法

技术领域

本发明涉及一种具有阻尼效应的多段圆柱体漂浮式海上风电结构基础，适用于海上风电开发领域，水深适用范围广。

背景技术

海上风电结构的基础可以归纳为固定式基础和漂浮式基础两类，现阶段建成的大多数近海风电场均采用的是固定式基础技术。然而，随着海上风电的不断发展，海上风电场的开发正在逐步由近海向深远海领域发展。当水深超过一定深度后，固定式基础的用钢量大，造价昂贵，且安装、施工较为困难。对比而言，漂浮式结构基础的用钢量少，造价更低，将拥有更好的经济效益。此外，许多海上风电场的海底地质条件并非十分理想，为使固定式基础拥有可靠的稳定性，往往需要很深的桩基深度，此时的安装施工费用陡增。在这种情况下，即便是风电场址所处水域的水深较浅，漂浮式基础亦将是更为合理的工程解决方案。因此，开发出一种能同时适用于深水和浅水，具有较强的抗风浪能力，并更为经济的漂浮式海上风电结构基础，具有极大的工程意义。

现有的漂浮式海上风电基础主要有：半潜式、单柱式和张力腿式。然而，这些现有的漂浮式基础在应用于实际工程时存在着以下几项技术瓶颈：

1.半潜式基础具有较大的水线面积和良好的稳定性，但是基础建造费用高，易产生疲劳问题，使得维修成本增高。

2.单柱式基础利用底部的压载可使得整体重心低于浮心，以保证平台的稳定性。但是，单柱式基础无法使用在水深较浅的近海风电场，其较大的主尺度和吃水深度为建造和安装都带来了困难，其垂荡运动较大，影响发电效率。

3.张力腿式基础为顺应式基础，其张力筋使平台垂荡方向的运动性能较好，但是，张力腿式基础无法适应我国近海的潮位变化，其对环境的高频载荷也非常敏感，易发生铃振现象，且张力筋易疲劳，成本高。

综上所述，现今工程中典型的漂浮式基础在实际应用时或多或少地存在一些不足，无法同时为浅水和深水两种情形提供较为合理的工程解决方案。基于此，亟需提出一种合理、有效的漂浮式风电结构的基础型式，使得其在浅水和深水情况下都能为上部风电机组在发电期间提供优秀的稳定性，同时还具有较好的经济性。

发明内容

本发明的目的是针对漂浮式海上风电基础存在的问题，提供一种具有阻尼效应的漂浮式海上风电结构基础及控制稳定性方法。

根据本发明的第一个方面，本发明提供一种具有阻尼效应的漂浮式海上风电结构基础，采用以下方案：

一种具有阻尼效应的漂浮式海上风电结构基础，包括浮式基础，其特征在于：所述浮式基础由同轴的多段式柱体钢制结构组成，包括上部甲板工作平台、中心立柱、下部压载平台；

所述上部甲板工作平台的中心安装风机塔筒，所述上部甲板工作平台设置多个贯穿上部甲板工作平台的阻尼池，阻尼池围绕安装风机塔筒的中间部位布置；

所述中心立柱在高度方向上被分隔有若干个独立的用于注水的水密分舱，各分舱中的水量可调。

本发明的结构相较于传统立柱式平台吃水更浅，可以同时适用于浅水与深水，且方便拖航与安装、及便于在工作时的稳定性控制。

上部甲板工作平台、中心立柱和下部压载平台均为外形为圆柱筒形的钢制结构，呈多段式的圆柱体基础。上部甲板工作平台、中心立柱和下部压载平台的具体尺寸均可根据工程实际要求进行具体设计。位于水线面处最上段圆柱半径较大，以确保足够的水线面半径，保证该浮式基础拥有较大的惯性矩，进而为整个漂浮式风电机组提供足够转动惯量，保证横摇和纵摇的运动响应较小，确保上部风电机组的高效发电。最上段圆柱的中部圆形台面用于安装上部的风机的塔架结构，围绕着塔架结构于平台上布置有多个扇环形的阻尼池。这些阻尼池贯穿最上部的圆柱体平台，并与中部圆柱体相接。

中心立柱的圆柱半径最小，一方面起连接作用，必要时要作为储备压载舱来调整结构吃水。中段圆柱在高度方向上被平行划分成了若干个(比如3个)独立的可调节水量的水密分舱。每个分舱都可以单独灌注压载水，进而可以有效地、灵活地控制结构吃水和重心位置。如有必要，也可在中段圆柱的部分水密分舱中填充固定压载。

最下段的圆柱直径比中段圆柱大，是主要的压载舱所处位置。通过填充铁矿石、混凝土来调节该处压载以达到降低浮式风电机组重心的目的，从而获得较大的稳心高度，确保结构拥有优异的水动力性能和抗风浪能力。一个较佳的实例是，最下段圆柱的直径比最上段圆柱的直径小。在能够保证结构稳性安全的前提下(重心高度低于浮心高度)，这样的设计减少了结构用料。事实上，针对于实际的应用情形，最下段圆柱的直径亦可以大于等于最上段圆柱的直径，这样的设计势必可以获得更低的结构重心位置，进而使得结构拥有更大的稳性高度。此外，更大的下部平台直径亦会使得结构拥有更好的结构稳性和系泊力臂(系泊缆孔位于下部压载平台上)。

本发明提出的三段式的圆柱结构具有“两头大中间小”的特征，在结构垂荡的过程中，该结构特征类似于阻尼板，可提供大量的额外垂荡阻尼，可有效降低结构垂荡方向上的运动响应，解决了传统立柱式Spar平台存在的垂荡方向上运动响应大的问题，为上部风机机组的发电提供更为稳定的工作环境。必要时，还可以在这些圆柱形结构外设置环形阻尼板。并且，这种圆柱结构拥有较大的水线面半径，可以为结构提供充足的恢复力，满足远海大功率海上风电机组的运行需求。而且，圆柱体结构完全对称，针对于不同风向、浪向均有优异的水动力性能，无需额外调整压载，进而降低了实际工程中控制系统的设计难度；同时便于风电机组调整偏航角捕捉风向，提高发电效率。

所述阻尼池呈扇形。扇环形阻尼池在的大小和布置的个数、位置均可以根据工程实际要求进行具体设计。阻尼池可以有效地降低浮式在平面内运动的幅值，为上部风机机组提供稳定的工作环境。扇环形设计，使得阻尼池对于不同波长的波浪均有良好的适应性，在不同波浪条件下均可以提供运动阻尼。阻尼池设计节约了钢材，提高了浮式基础的经济性。

本发明的系泊系统可根据实际工作情况选用悬链线式系泊或张紧式系泊。导缆孔布置于最下段圆柱体平台外侧，降低了系泊点位置，以获得较大的系泊复原力臂，且让系泊缆避开了水线面处较大的波浪荷载。

根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种漂浮式海上风电结构基础的控制稳定性方法，其特征在于：

通过调整上部甲板工作平台、中心立柱、下部压载平台的直径、高度，所述浮式基础可以同时适用于浅水和深水的工作环境；针对于浅水工作海域，在设计中增大上部甲板工作平台半径，以获得较大水线面半径，确保浮式基础具有较大的稳心高度；针对于深水的工作海域，减小上部甲板工作平台半径，以减小浮式基础遭受的波浪荷载，且增加上部甲板工作平台、中心立柱和下部压载平台的高度，增加吃水，降低重心，获得较大的稳心高度。

进一步地，所述中心立柱在高度方向上被分割为若干个独立的用于注水的水密分舱被独立注入和抽排水，水密分舱中至少部分分舱不注满水。

本发明中，下部压载平台用于填充固定压载来调整浮式基础达到设计吃水。中心立柱的水密分舱，可以独立灌注压载水来调整结构吃水，在实际工作中，可根据安装于风电机舱的运动传感器的反馈来调整中心立柱的压载情况，使上部风电机组获得稳定的工作环境。

综上，本发明以上技术方案涉及解决的问题包括：

1).增大漂浮式基础的运动阻尼，减小在风浪作用下的运动响应，进而提高漂浮式基础的抗风浪能力，为上部风机提供稳定的工作环境。

2).减小浮式基础的吃水深度，避免传统结构型式在应用过程中受制于水深的限制，能够同时适用于浅水和深水。

3).拥有较大的水线面半径，较传统的半潜式基础有更小的用钢量，拥有更好的稳性和经济性。

4).无需针对浪向、风向额外调整舱内压载，方便实际生产。

5).对于多变的风浪方向能保证基础的稳性和发电效率。

附图说明

图1是本发明一种实施例的正视图；

图2是本发明一种实施例的侧视图；

图3是本发明一种实施例的俯视图；

图4是本发明一种实施例的立体示意图；

图5是本发明一种实施例的压载水舱系统布置示意图。

具体实施方式

以下是本发明的一种较佳实施例的详细说明。

如图1-4所示，一种新型的具有阻尼效应的多段圆柱体海上风电机组漂浮式基础，主要包含：多段式的圆柱体基础，多个扇环状的阻尼池以及系泊系统，具体地，从上到下包括风电机组(风机机舱1和风机叶片2)、风机塔筒3、上部甲板工作平台4，中心立柱5，下部压载平台6，锚泊装置7以及多个扇环形阻尼池8。

如图1所示，浮式基础由上部甲板工作平台4，中心立柱5，下部压载平台6组成，水线面处于上部甲板工作4的中部。该浮式基础是多段外轮廓为圆柱形的钢制结构，其中上部平台4最大，下部平台6较上部平台4的直径小，中心立柱5的直径最小，各段之间通过焊接的方式相连。

如图1-4所示，风机塔筒3上端安装风机机舱1，风机叶片2安装于风机机舱1上。风机塔筒3下端固定在浮式基础的上部甲板工作平台4的中心处。

多个扇环形阻尼池8围绕风机塔筒3进行均匀布置，扇环形阻尼池8贯穿上部甲板工作平台4。实际应用中，扇环形阻尼池8的个数和大小均可根据实际工程要求来进行具体设计。在一个实施例中，如图1-3中所示，围绕风机塔筒3等间距布置有三个圆心角为90度的扇环形阻尼池8。三个扇环形阻尼池8之间的间距圆心角为30度。如图1-4所示，三个扇环形阻尼池8的内环壁与中心立柱5相接。

如图1-4所示，锚泊装置7连接在浮式基础的下部压载平台6上，将该浮式基础系泊于海床上，每个系泊装置7包括锚机和锚链，锚机设置在下部压载平台6内。在一个实施例中，如图1-1和图1-3所示，采用了悬链线的三点系泊，系泊点之间的夹角为120度，每个系泊点处有两根钢制锚链，两根钢制锚链间的夹角为30度。

如图1-5所示，下部压载平台6为第一分舱，主要用于填充固定压载。中心立柱5沿竖直方向等分成三个分舱，编号为第二分舱、第三分舱和第四分舱。第二、三、四分舱之间相互独立，完全水密，可以独立灌注压载水。各舱的压载水均可不灌满，此时中心立柱5内的三个分舱都相当于减摇水舱，可以有效降低浮式基础的横摇、纵摇响应。在一个实施例中，可以于风机机舱1处布置若干传感器，监测风机机舱的运动响应，并将监测信息实时传送到上部甲板工作平台4的控制区，进而调整中心立柱5内三个分舱的压载水，来改善结构运动状态。

该浮式基础是大型钢结构且具有对称性，为加快施工进度并减少高空作业，在投入生产前，可以在船坞内先完成各个柱形分段的建造，然后在陆上进行整体的焊接拼装。漂浮式基础的主体结构完成后，再安装相应的爬梯，锚机等装置。工作平台模块也可以预先在工厂建造好。风电机组和风机塔筒在船坞外组装就绪，待浮式基础制作完成后，将风电机组(风机机舱1和叶片2)和风机塔筒3整体吊装到甲板工作平台上方，而后吊装工作模块。整个装置建造完成后，打开船坞闸门放入海水，浮式风机基础在自身浮力作用下浮起，用拖船将整个装置拖出船坞，拖到指定海域。拖航过程中，水线应当处于中心立柱5的位置，此时，水线面面积小，拖航阻力小，方便拖航。抵达指定海域后，对下部压载平台6和中心立柱5内的压载舱灌注压载，浮式基础下沉到设计吃水，而后用系泊装置7中的锚链将整个装置系泊于海床上。由于在船厂已经完成了顶部风电机组与工作平台的安装，因此避开了海上安装这个难题，省却了大量的安装费用和海上施工时间。

生产过程中，顶部风电机组产生的电能小部分供工作平台4及传感器等使用，主要的电能将通过布置于风机塔筒3、工作平台4、中心立柱5以及下部压载平台6内的电缆管线(工作平台4、中心立柱5以及下部压载平台6在建造时预留走线路径与孔洞)由海底电缆途径升压站等输送到沿海城市。海上风电维护船会定期对风电机组进行维护。海上风电维护船可通过水线面附近设置的靠船构件和系缆桩进行靠泊，维护工作人员通过爬梯从海上风电维护船上登到工作平台上，对风机进行维护。

以上实施例仅为本发明的一种较优技术方案，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的原理和本质情况下可以对实施例中的技术方案或参数进行修改或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.漂浮式海上风电结构基础的控制稳定性方法，其特征在于：

所述漂浮式海上风电结构基础，包括浮式基础，所述浮式基础由同轴的多段式柱体钢制结构组成，包括上部甲板工作平台(4)、中心立柱(5)、下部压载平台(6)；

所述上部甲板工作平台(4)的中心安装风机塔筒(3)，所述上部甲板工作平台(4)设置多个贯穿上部甲板工作平台(4)的阻尼池(8)，阻尼池(8)围绕安装风机塔筒(3)的中间部位布置；

所述中心立柱(5)在高度方向上被分隔有若干个独立的用于注水的水密分舱，各分舱中的水量可调；

所述上部甲板工作平台(4)、中心立柱(5)和下部压载平台(6)均为外形为圆柱筒形的钢制结构；

上部甲板工作平台(4)半径最大，下部压载平台(6)次之，中心立柱(5)最小，具有“两头大中间小”特征；水线面位于上部甲板工作平台(4)的中部；

所述阻尼池(8)呈扇环形，环向布置于上部甲板工作平台(4)；扇环形阻尼池在的大小和布置的个数、位置均根据工程实际要求进行具体设计；扇环形设计，使得阻尼池对于不同波长的波浪均有良好的适应性，在不同波浪条件下均可以提供运动阻尼；

通过调整上部甲板工作平台(4)、中心立柱(5)、下部压载平台(6)的直径、高度，所述浮式基础可以同时适用于浅水和深水的工作环境；针对于浅水工作海域，在设计中增大上部甲板工作平台(4)半径，以获得较大水线面半径，确保浮式基础具有较大的稳心高度；针对于深水的工作海域，减小上部甲板工作平台(4)半径，以减小浮式基础遭受的波浪荷载，且增加上部甲板工作平台(4)、中心立柱(5)和下部压载平台(6)的高度，增加吃水，降低重心，获得较大的稳心高度。

2.如权利要求1所述的控制稳定性方法，其特征在于所述中心立柱(5)在高度方向上被分割为若干个独立的用于注水的水密分舱被独立注入和抽排水，水密分舱中至少部分分舱不注满水。

3.如权利要求2所述的控制稳定性方法，其特征在于根据安装于风电机舱(1)运动传感器的反馈来调整中心立柱(5)的注水压载情况。

Images