CN111469993A - 一种桶形基础锚固的自安装式漂浮式风机基础及自安装方法 - Google Patents

一种桶形基础锚固的自安装式漂浮式风机基础及自安装方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种桶形基础锚固的自安装式漂浮式风机基础及其自安装方法，包括浮式平台和桶形基础，海上风电机组固定于浮式平台，桶形基础的下部嵌入海床，浮式平台通过若干张紧的锚泊缆与下方桶形基础连接，所述浮式平台被设置为海平面处在其顶面和底面之间，浮式平台设置可调压载舱；浮式平台上布置有锚机和锚链舱，可以调节锚泊缆的长度，实现锚泊系统的自安装。本发明可采用自安装施工方法，风电机组、浮式平台和锚泊系统可一步式安装，无需调遣大型吊装船机，且施工效率高，大大降低了海上施工作业的成本和风险；在拖航安装和服役工况下，整体结构的重心均能够低于浮心，具有较好的稳性，抵抗海洋环境风浪流荷载的能力强。

Description

一种桶形基础锚固的自安装式漂浮式风机基础及自安装方法
技术领域
本发明涉及一种自安装式漂浮式风机基础及安装方法，适用于海上风电开发领域，特别是40米以上水深的远海风力发电领域。
背景技术
随着海上风电开发不断向深远海发展，漂浮式基础具有安装速度快、水深适应能力强、可批量化建造的特点。当水深超过一定程度时，采用漂浮式海洋平台的海上风机基础将具有显著的经济效益优势。然而海上风机长期处于恶劣的海洋环境当中，受到波浪、洋流的动力荷载以及风电机组传递来的巨大水平力，要求浮式基础及锚泊系统具有巨大的承载力。且海上风机的服役年限较海洋油气平台更长，一般为25年，传统的锚泊系统无法满足长期服役的需求，后期维护成本很高。现有的漂浮式风机基础的技术应用尚存在着以下几点技术问题：
1)为了抵抗作用于风机轮毂高度位置的水平风力引起的巨大倾覆力矩，浮式风机基础不断增加几何尺寸以增加水线面面积，造成基础的用钢量大、建造成本高、工序复杂，限制了大容量风电机组的应用；
2)永久性锚泊系统通常包括多个锚体和多根锚链，并需在施工前预先完成安装，建造施工成本较高，周期长；
3)为了减少海上作业工序，漂浮式风机一般在码头或船坞完成浮式基础平台和上部风电机组的连接，并湿拖至安装现场。导致拖运过程中整体结构重心较高、稳性较差，增加了运输安装风险，且对天气要求高、施工窗口期短。
4)传统的锚泊系统在海洋动力荷载下易出现循环弱化，在恶劣天气下甚至发生断缆、走锚等危险情况，造成严重后果。
发明内容
本发明的目的是提供一种合理、有效的漂浮式风机基础，以简化施工工序、降低建造施工成本、降低施工期和服役期内的风险，保障其实际工程应用中的可靠性与经济性。
根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种桶形基础锚固的自安装式漂浮式风机基础，其特征在于：包括浮式平台和桶形基础，海上风电机组固定于浮式平台，桶形基础的下部嵌入海床，提供锚泊定位所需的承载力，浮式平台通过若干张紧的锚泊缆与下方桶形基础连接，所述浮式平台被设置为海平面处在其顶面和底面之间，浮式平台设置可调压载舱；浮式平台上布置有锚机和锚链舱，可以调节锚泊缆的长度，可通过绞拉收紧和放松锚链，调整浮式平台与桶形基础之间的间距，张紧后也可调整锚泊缆内的预张力，实现锚泊系统的自安装。本发明的风机基础整体结构可采用自安装施工方法，风电机组、浮式平台和锚泊系统可一步式安装，无需调遣大型吊装船机，且施工效率高，大大降低了海上施工作业的成本和风险；在拖航安装和服役工况下，整体结构的重心均能够低于浮心，具有较好的稳性，抵抗海洋环境风浪流荷载的能力强。
浮式平台的几何形状为上小下大的圆台型，以改善结构的运动性能。圆台上部用于连接上部结构，圆台下部布置有压载舱，底部连接有锚泊缆。进一步地，浮式平台划分为上部的空舱，中间的可调压载舱和下部的固定压载舱；固定压载舱内可布置铁矿石或高密度混凝土等压载材料，显著降低浮式结构的重心，提高稳性；可调压载舱内置有压载泵，通过向内抽水或向外排水改变浮式结构的排水量，增加或减少舱内压载水，使得浮式平台在不同工况下具备有不同的浮力，以满足不同工况下的吃水深度要求。
所述风机基础的锚泊系统包括所述锚机和锚泊缆、桶形基础；锚泊缆围绕基础中心线呈对称布置，在拖航工况下锚泊缆悬挂下方桶形基础，在运行工况下锚泊缆张紧以提供抵抗海洋环境荷载的回复力，在不同的风向和浪向下均具有良好的稳性，保证了发电效率，提高了海上风资源开发效益。
桶形基础包括下桶壁、上桶壁和中间隔板，桶形基础顶部布置有数量相当的吊耳，用于连接锚泊缆；下桶壁嵌入海床，上桶壁和中间隔板形成容器，其内预装有混凝土配重，以保证锚泊基础的承载力，桶形基础承载力高于一般的锚泊基础，配合混凝土压载使基础具有较高的抗倾覆能力，可安全用于安装大容量海上风电机组；在安装过程中，可采用潜水泵由抽水孔向外抽水，通过内外压差进行安装，完成后进行封闭；在拖航过程中，可由抽水孔向内泵入压缩空气，增加桶形基础的浮力，便于运输。
根据本发明的第二个方面，本发明提供了漂浮式风机基础自安装方法，分为组装、湿拖、下沉、固定几个阶段步骤。它采用上述的桶形基础锚固的自安装式漂浮式风机基础；首先在陆上完成浮式平台和锚泊系统的建造；在码头完成锚泊缆和桶形基础以及浮式平台的连接，以及风电机组的舾装；通过调整浮式平台的压载和通过锚机绞拉锚泊缆减小浮式基础吃水深度以及使桶形基础被悬挂在浮式平台下方，由拖轮拖航整体结构至施工海域；通过锚机放松锚泊缆下放桶形基础后，采用潜水泵对筒形基础的嵌入海床段抽水完成锚泊基础安装，通过锚机张紧锚泊缆并调整浮式平台的压载，使海平面处在浮式平台的顶面和底面之间，即完成一步式自安装工作，缩短了海上作业周期。
并且，风电机组、浮式平台和锚泊系统可一步式安装，所有部件在码头完成吊装连接，无需调遣大型吊装船机，且施工效率高，大大降低了海上施工作业的成本和风险。
在拖航过程中，可对桶形基础由抽水孔向桶形基础的下部内泵入压缩空气，增加桶形基础的浮力，便于运输。在施工海域逐渐放松锚泊缆，待桶形基础接触海床面后向外抽气，并进一步抽水使桶形基础在内外压差作用下贯入海床。
进一步地，通过潜水泵反向抽水进行拆除，便于浮式风机基础的二次利用和运行维护。
综上，本发明技术方案解决的技术问题包括：
1)简化海上浮式风机基础施工安装的施工工序，提高施工效率，从而降低海上作业船机成本。
2)保障锚泊基础在海上风机长期服役期间受复杂动力荷载的安全性，避免浮式基础发生走锚。
3)降低整体海上风机结构的重心高度，减小结构几何尺寸，提高浮式风机在吊装、运输、施工和服役期间的稳性，保障结构安全稳定。
4)优化浮式基础的结构体型和锚泊系统布置，增加浮式基础发生运动时的回复力，减小浮式风机结构的运动幅度。
附图说明
图1为本发明拖航工况的三维示意图。
图2为本发明运行工况的三维示意图。
图3为本发明浮式基础布置图。
图4为本发明锚泊系统布置图。
具体实施方式
为进一步说明本发明内容、特点与功效，兹列举一个实施例，并配合附图说明如下。
(1)如图1所示，本实施例包含以下组成部分：风电机组1、风机塔架2、过渡段3、浮式平台4、锚泊缆5、桶形基础6。
本实施例上部安装有大型海上风电机组1，包括叶片1-1、轮毂1-2、机舱1-3等部件，风电机组1通过顶法兰2-1连接至塔架2。风电机组1的吊装和调试在陆上进行，海上作业时无需调遣大型吊装船机，提高了海上施工效率。塔架2为圆柱形结构，用于支撑风电机组以及存放电气设备；下部布置有底法兰2-2，用于连接过渡段3，塔架2通过过渡段3固定在浮式平台顶部，作为海上风电机组的基础，过渡段3为钢桁架结构或箱型梁结构，上部尺寸与塔架2的外径一致，下部连接浮式平台4的上甲板面4-1。
浮式平台结构体型为上小下大的圆台型，其浮力设计为平均海平面位于顶面和底面之间，以改善结构的运动性能，包括上甲板4-1、锚机4-2、空舱4-3、可调压载舱4-4，固定压载舱4-5、锚链舱4-6、导缆器4-7。锚机4-2布置在上甲板4-1上，单台锚机对应一根或两根锚泊缆5，通过液压绞拉可以收紧或放松锚泊缆5。锚泊缆5绕基础中心对称布置，数量为6～12根。可调压载舱4-4采用海水作为压载物，内置的压载泵可以实现向内抽水或向外排水，从而改变浮式结构的排水量，以满足不同工况下的吃水深度要求；固定压载舱4-5采用高密度混凝土或者铁矿石作为压载物，在陆上完成压载安装，具有较大的质量以降低浮体的重心，增加整体结构的稳性。锚链舱4-6布置在浮式平台内，最佳地处于平台的周边，能够使锚泊缆5提供更大的抗倾覆力矩，同时便于锚泊缆和锚机的布置，锚链舱4-6上端位于锚机4-2末端，下端连接至浮式平台4底部的导缆器4-7，供锚泊缆5穿过。锚泊缆5连接了浮式基础4和桶形基础6，作为将海洋环境荷载传递至基础和海床的介质，在拖航、安装、运行等不同工况下，通过锚机4-2调整锚泊缆5的长度实现不同的功能。桶形基础6包括顶部吊耳6-1、上桶壁6-2、混凝土配重6-3、分隔板6-4、下桶壁6-5、抽水孔6-6。吊耳6-1用于连接锚泊缆5，上桶壁6-2、分隔板6-4、下桶壁6-5为钢结构。上桶壁6-2内预装有混凝土配重6-3，以增加基础承载力；下桶壁在安装完成后嵌入海床，起到锚固作用。抽水孔6-6用于在安装过程中向外抽水，或拆除过程中向内打入海水，安装完成后进行封闭。
(2)本实施例在陆上完成浮式平台4的建造，在固定压载舱4-5内浇筑高密度混凝土或铁矿石作为固定压载，并在甲板面4-1上安装锚机4-2，并将过渡段3焊接在平台顶部。将上段锚泊缆5从锚机4-2穿过锚链舱4-6，连接至导缆器4-7下部。桶形基础6同步在陆上建造，并在桶形基础上桶壁6-2和分隔板6-4之间浇筑混凝土配重6-3；完成建造后，在吊耳位置连接锚泊缆5，由龙门吊吊装至港口，并下放在海床上，使用浮筒将锚泊缆5上端保持在海面上。
(3)本实施例的设备舾装在船坞或港口完成，使用龙门吊将浮式平台4吊装至水面上。将海面上的锚泊缆5提升，并与浮式平台4上的上段锚泊缆连接。由锚机4-2绞拉锚泊缆5，使其具有一定的预张力以保证浮式基础的稳定性。通过吊机依次吊装塔架2、风电机组1，并通过底法兰2-2和顶法兰2-1进行连接。
(4)本实施例的拖航工况如图1所示，此时排空可调压载舱4-4内压载水，向桶形基础6下部舱体(分隔板6-4和下桶壁6-5形成的舱体)内打入部分空气，以增加浮式基础的浮力，减小吃水深度。并绞拉收紧锚泊缆5，使桶形基础6悬挂在浮式平台4下方，并由2～3艘拖轮拖曳浮式基础，由港口至海上风电场进行现场施工。
(5)本实施例现场安装效率较高，首先由锚机4-2放松锚泊缆5，使桶形基础6下放至海床，嵌入一定深度后通过潜水泵从排水口6-6向外抽水，在桶形基础内形成内外压差，使基础下桶壁6-5充分嵌入海床土，此时关闭抽水口。在浮式平台4的可调压载舱4-4内注入部分压载水，增加浮式基础的运动稳性。由锚机4-2张紧锚泊缆5直至达到要求的预张力水平，使浮式平台4的吃水深度达到设计的运行要求，即完成现场安装工作。
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 (6)

1.一种桶形基础锚固的自安装式漂浮式风机基础，其特征在于：包括浮式平台和桶形基础，海上风电机组固定于浮式平台，桶形基础的下部嵌入海床，浮式平台通过若干张紧的锚泊缆与下方桶形基础连接，所述浮式平台被设置为海平面处在其顶面和底面之间，浮式平台设置可调压载舱；浮式平台上布置有锚机和锚链舱，可以调节锚泊缆的长度，实现锚泊系统的自安装。
2.如权利要求1所述的一种桶形基础锚固的自安装式漂浮式风机基础，其特征在于：浮式平台的几何形状为上小下大的圆台型，并划分为上部的空舱，中间的可调压载舱和下部的固定压载舱；可调压载舱内置有压载泵，通过向内抽水或向外排水改变浮式结构的排水量，以满足不同工况下的吃水深度要求。
3.如权利要求1所述的一种桶形基础锚固的自安装式漂浮式风机基础，其特征在于：其锚泊系统包括所述锚机和锚泊缆、桶形基础；锚泊缆围绕基础中心线呈对称布置。
4.如权利要求1所述的一种桶形基础锚固的自安装式漂浮式风机基础，其特征在于：桶形基础包括下桶壁、上桶壁和中间隔板，桶形基础顶部布置有数量相当的吊耳，用于连接锚泊缆；下桶壁嵌入海床，上桶壁和中间隔板形成容器，其内预装有混凝土配重，保证锚泊基础的承载力。
5.如权利要求1所述的漂浮式风机基础自安装方法，其特征在于采用权利要求1所述的桶形基础锚固的自安装式漂浮式风机基础；首先在陆上完成浮式平台和锚泊系统的建造；在码头完成锚泊缆和桶形基础以及浮式平台的连接，以及风电机组的舾装；通过调整浮式平台的压载和通过锚机绞拉锚泊缆减小浮式基础吃水深度以及使桶形基础被悬挂在浮式平台下方，由拖轮拖航整体结构至施工海域；通过锚机放松锚泊缆下放桶形基础后，采用潜水泵对筒形基础的嵌入海床段抽水完成锚泊基础安装，通过锚机张紧锚泊缆并调整浮式平台的压载，使海平面处在浮式平台的顶面和底面之间，即完成一步式自安装工作。
6.如权利要求1所述的漂浮式风机基础自安装方法，其特征在于在拖航过程中，可对桶形基础由抽水孔向桶形基础的下部内泵入压缩空气，增加桶形基础的浮力，便于运输。
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