CN111472379A - 一种海上风机基础、拖航及安装方法 - Google Patents

一种海上风机基础、拖航及安装方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种海上风机基础、拖航及安装方法，该基础中的中空结构的滑动底座与固定底座能够共同提供浮力，上下两个底座叠加可以提供足够的浮力与稳定性能够使包括风机基础、塔筒和风电机组形成的整体结构自浮于海面，整体具有自浮稳性，无需任何专用海上运输设备，仅依靠拖船拖航即可实现海上运输，降低海上拖运风机基础的成本，大大提高海上运输的灵活性，有利于提高海上运输效率；这样基础可以连带上部塔筒和风电机组在陆地完成预制及安装；安装时，环形筒裙下滑至海床面，吸力贯入过程可以精准调节基础整体垂直度，达到安装的整体要求。整个安装过程仅需一套泵撬块系统以及一艘辅助船舶，无需任何浮吊等大型专业施工作业船舶，且无需海床预处理，节省安装成本，提高安装效率。

Description

一种海上风机基础、拖航及安装方法
技术领域
本发明涉及风机基础的运输技术领域，特别涉及一种海上风机基础、拖航及安装方法。
背景技术
在建的海上风电项目主要采用的风机基础形式有：导管架基础和单桩基础两种基础形式。单桩基础适用于20～30m水深区域，而导管架基础适用于20～50m水深区域。
海上风机基础重量非常重，因此无论运载还是海上安装均具有非常大的难度。目前风机基础通过分为几段，每一段通过拖船拖运至海上平台，然后在海上平台组装后再进行现场施工安装。现有拖运和安装形式都存在以下问题，主要体现在：1.因风机基础体积和重量非常大，需要大型拖船进行拖运，安装需要用到重型浮吊船来辅助安装，施工成本高。2.海上安装施工作业工序多，对于热带或者亚热带区域风电现场施工作业海况恶劣，可利用有效施工作业窗口期少，且不连续，因此增加海上施工作业成本。3.对于海上区域水深较深，海况恶劣的环境，海上风机安装作业施工成本高，且由于水深较深，目前可利用船机较少。
因此，如何提高筒型基础海上运输的灵活性，且提高运输效率，是本领域内技术人员始终追求的目的。
发明内容
本发明的目的为实现海上风机基础运输和安装的高效、低成本。
本发明提供一种海上风机基础，包括中央立柱、固定底座和滑动底座；所述中央立柱的根部段固定有所述固定底座，所述固定底座的下表面固定有环形筒裙，所述环形筒裙围成开口朝下的空腔，所述空腔内部通过隔板被分割形成多个隔舱；
所述固定底座和所述滑动底座二者均为中空混凝土结构，所述固定底座的中空内腔和所述滑动底座的中空内腔均形成有多个独立的舱室；
所述滑动底座的中部设置有通孔，且所述滑动底座位于所述固定底座上方，所述中央立柱贯穿且位于所述通孔内部，并且所述滑动底座能够相对所述中央立柱沿轴向移动；
还包括调节装置，浮动运输时，所述滑动底座和所述固定底座二者中空内腔部分中空以提供浮力；所述调节装置用于调节各所述隔舱内部介质量，保持浮动运输时所述海上风机基础整体重心稳定；
还包括填充物，固定安装时，所述填充物置于所述滑动底座的各舱室，以使所述滑动底座沿轴向滑动至所述中央立柱根部的安装位置，并提供向下压力于所述环形筒裙。
当海上风机基础处于拖航状态时，中空结构的滑动底座与固定底座共同提供浮力，上下两个底座叠加可以提供足够的浮力使整个结构(包括风机基础、塔筒和风电机组)自浮于海面，整体具有自浮稳性，无需任何专用海上运输设备，仅依靠拖船拖航即可实现海上运输，降低海上拖运风机基础的成本，大大提高海上运输的灵活性，有利于提高海上运输效率；这样基础可以连带上部塔筒和风电机组在陆地完成预制及安装；并且通过调节装置调节滑动底座和固定底座各舱室内部介质量，可以保持浮动运输时所述海上风机基础整体重心稳定。
当海上风机基础被拖运至海上安装位置时，首先向固定底座内部充注混凝土或者流体，使得固定底座与环形筒裙带动中央立柱向下运动，直至环形筒裙插入海底泥面，此过程中滑动底座在自身浮力的作用下始终漂浮于海面，可以对中央立柱起到维持稳定性的作用，无需大型浮吊船辅助，即可完成环形筒裙及固定底座稳定插入海床面，依靠吸力泵撬块系统以及底部吸力筒结构进行吸力贯入，进行基础安装。吸力贯入过程可以精准调节基础整体垂直度，达到安装的整体要求。整个安装过程仅需一套泵撬块系统以及一艘辅助船舶，无需任何浮吊等大型专业施工作业船舶，且作为无需海床预处理，节省安装成本，提高安装效率，进一步降低海上风机基础安装的使用成本，最后填充填充物的滑动底座下沉至固定底座顶部可以起到进一步提升基础承载力及抗倾覆能力的作用。
可选的，各所述舱室均具有开口，所述调节装置包括压载系统及安装于每一开口的阀门，所述阀门控制所述开口打开或关闭，所述阀门根据所述压载系统信号打开或关闭所述开口，以泵入或泵出相应舱室的介质。
可选的，所述固定底座和所述滑动底座二者内部中舱室的布置与所述环形筒裙的隔舱布置位置相对应。
可选的，所述环形筒裙的空腔设置有与其同轴的环形隔板，所述环形隔板内部形成中央隔舱，还包括多个径向隔板，各所述径向隔板布置于所述环形隔板和所述环形筒裙内壁之间且沿周向均布，以将所述环形筒裙和所述环形隔板之间分割形成多个周边隔舱。
可选的，所述环形筒裙内部的隔舱均设置有连通口，用于连通外界的吸力泵，常态下，所述控制口处于关闭状态；安装时，通过所述吸力泵实现各所述隔舱负压安装并且控制各所述隔舱之间的压力差实现所述海上风机基础整体水平度调节。
可选的，所述填充物为混凝土或者海水；当所述海上风机基础安装时，所述滑动底座的各舱室填充所述填充物，以使所述滑动底座沿所述中央立柱向下滑动并支撑于所述固定底座上。
可选的，当处于安装状态时，所述固定底座的各舱室也充注入混凝土。
可选的，所述滑动底座、所述固定底座和所述环形筒裙均为钢筋混凝土主体。
可选的，所述中央立柱和所述滑动底座其中一者设置有凹槽，另一者设置有与所述凹槽配合滑动的滑块，所述凹槽沿轴向布置；所述凹槽的数量至少为一个。
此外，本发明还提供了一种上述任一项所述海上风机基础的拖航及安装方法，包括以下内容：
预先组装塔筒、风电机组和海上风机基础形成整体结构，并置于海上中；
拖航过程中，调节滑动底座和固定底座二者各舱室内部介质量，保持浮动运输时所述海上风机基础整体重心稳定；
当拖运至安装位置后，向固定底座充流体介质或混凝土，在自重作用下，所述固定底座和所述环形筒裙带动中央立柱下沉至海底泥面，所述环形筒裙和泥面形成密封环境，通过吸力泵撬块系统，将所述环形筒裙内的海水抽出，所述环形筒裙在负压作用下贯入土壤以至所述环形筒裙顶部和泥面完全接触，实现基础与海底的稳定结合。
本发明的方法是在上述海上风机基础的基础上实施的，故该方法也具有海上风机基础的上述技术效果。
附图说明
图1为本发明一种实施例中海上风机基础处于安装状态的结构示意图；
图2为本发明一种实施例中海上风机基础完全安装固定后的结构状态示意图；
图3为本发明一种实施例中环形筒裙内部结构示意图；
图4为本发明一种实施例中包括海上风机基础的整体结构的拖航及安装方法的示意图。
其中，图1至图4中：
10-中央立柱；20-滑动底座；30-固定底座；40-环形筒裙；41-环形隔板；42-径向隔板；40a-中央隔舱；40b-周边隔舱；50-风机。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1至图4，图1为本发明一种实施例中海上风机基础处于安装状态的结构示意图；图2为本发明一种实施例中海上风机基础完全安装固定后的结构状态示意图；图3为本发明一种实施例中环形筒裙内部结构示意图；图4为本发明一种实施例中包括海上风机基础的整体结构的拖航及安装方法的示意图，其中图4中的S1、S2和S3分别表示拖航状态、安装固定过程其中一状态、安装固定结束状态。
本发明提供了一种海上风机基础，其包括中央立柱10、固定底座30和滑动底座20；固定底座30和滑动底座20二者为中空混凝土结构。也就是说，固定底座30和滑动底座20的内部具有中空内腔，可以在海上运输时打排压载水，以提供一定的浮力。
具体地，固定底座30的中空内腔和滑动底座20的中空内腔均形成有多个独立的舱室。海上风机基础还包括调节装置，能够调节舱室内部的介质，以使浮动运输时海上风机基础整体中心稳定。
中央立柱10的顶部用于安装风电机组50，即中央立柱10的顶部通常设置有安装平台用于安装设备舱、风电机组50等部件。中央立柱10的根部段固定有固定底座30，需要说明的是，本文以安装固定状态的海上风机基础为参考，中央立柱10靠近与海底安装平台的一端定义根部，相应地安装风电机组的一端为顶部。
本发明中的海上风机基础还包括填充物，固定安装时，填充物置于滑动底座20的各舱室，以使滑动底座20沿轴向滑动至中央立柱10根部的安装位置，并提供向下压力于环形筒裙40。填充物可以是流体介质或混凝土以及任何低成本起到压重作用的物质。流体介质可以为海水。同理，固定底座30内部也可以充注混凝土或者流体介质带动固定底座下移并且可以起到加固结构稳固性。
本发明中的滑动底座20的中部设置有通孔，中央立柱10贯穿且位于通孔内部，滑动底座20位于固定底座30的上方，并且滑动底座20能够相对中央立柱10沿轴向移动；也就是说，滑动底座20可以沿中央立柱10的上下滑动。
在上述结构的基础上，本发明还提供了一种海上风机基础的拖航及安装方法，包括：
预先组装塔筒、风电机组50和海上风机基础形成整体结构，并置于海上中；请参见图4中S1所示状态；
拖航过程中，调节滑动底座20和固定底座30二者各舱室内部介质量，保持浮动运输时所述海上风机基础整体重心稳定；具体地，当海上风机基础处于拖航状态时，中空的固定底座30和滑动底座20共同提供预定的浮力，上下两个底座叠加可以提供足够的浮力使整个结构(包括风机基础、塔筒和风电机组)自浮于海面，整体具有自浮稳性，无需任何专用海上运输设备，仅依靠拖船拖航即可实现海上运输，降低海上拖运风机基础的成本，大大提高海上运输的灵活性，有利于提高海上运输效率；这样基础可以连带上部塔筒和风电机组在陆地完成预制及安装；并且通过调节装置调节滑动底座20和固定底座30各舱室内部介质量，可以保持浮动运输时所述海上风机基础整体重心稳定。
当拖运至安装位置后，安装过程如下：
因固定底座30的下表面固定有环形筒裙40，环形筒裙40围成开口朝下的空腔，空腔内部通过隔板被分割形成多个隔舱；安装时，首先固定底座30充流体介质或混凝土，在自重作用下，固定底座30和环形筒裙40带动中央立柱10下沉至海底泥面，环形筒裙40和泥面形成密封环境，通过吸力泵撬块系统，将环形筒裙40内的海水抽出，环形筒裙40在负压作用下贯入土壤以至环形筒裙40顶部和泥面完全接触，实现基础与海底的稳定结合，请参见图4中S2所示状态；
第二步滑动底座20充入填充物，在自重作用下，下滑至固定底座30顶部，实现对基础的压重起到提升基础承载力及抗倾覆能力的作用，请参见图4中S3所示状态。
海上风机基础安装时，因滑动底座20此时依然大部分位于海面上，滑动底座20可以起到维持中央立柱稳定性的作用，这样无需大型浮吊船辅助即可完成环形筒裙40及固定底座30稳定插入海底。吸力贯入过程可以精准调节基础整体垂直度，达到安装的整体要求。整个安装过程仅需一套泵撬块系统以及一艘辅助船舶，无需任何浮吊等大型专业施工作业船舶，且作为无需海床预处理，节省安装成本，提高安装效率，进一步降低海上风机基础安装的使用成本。
滑动底座20和固定底座30的具体形状可以根据需要设置，两底座的外表壁可以耐腐蚀，以提高使用寿命，本文给出了滑动底座20、固定底座30以及环形筒裙40均为混凝土钢结构主体的具体实施方式，当然三者的材料还可以为其他，对于具体形状和材质本文不做限定。
另外，滑动底座20的中空内腔大小根据所需提供的浮力而定，本文不公开内腔的大小并不妨碍本领域内技术人员对本文技术方案的理解和实施。
当然，为了实现固定底座30和滑动底座20内部介质的充注，二者必然设置有能够打开和关闭的开口。在这一种具体实施例中，上述各实施例中，各所述舱室均具有开口，调节装置包括压载系统及安装于每一开口的阀门，阀门控制开口打开或关闭。阀门根据所述压载系统信号打开或关闭所述开口，以泵入或泵出相应舱室的介质。
压载系统本文不做过多介绍，可参考现有技术。
如上所述，滑动底座20和固定底座30的内腔被分割成多个独立的腔室，这样方便根据运输和安装的实际情况，调节相应舱室内部流体介质，实现稳定运输。
进一步地，固定底座30和滑动底座20二者内部中舱室的布置与环形筒裙40的隔舱布置位置相对应。即固定底座30、滑动底座20和环形筒裙40三者中舱室的划分大小、形状和位置均相同。这样方便风机基础安装调节。
在一种具体实施方式中，环形筒裙40的空腔设置有与其同轴的环形隔板41，环形隔板41内部形成中央隔舱40a，并且环形筒裙40的空腔内部还包括多个径向隔板42，各径向隔板42布置于环形隔板41和环形筒裙40内壁之间且沿周向均布，以将环形筒裙40和环形隔板41之间分割形成多个周边隔舱40b。各周边隔舱40b大小相同，图中给出了分割形成六个周边隔舱40b的具体实施方式，当然隔舱的数量不限于本文所记载，本领域内技术人员可以根据实际风机基础进行合理设置。
中央隔舱40a和多个周边隔舱40b的结构进一步方便了安装风机基础时水平度的调整。
进一步地，每一隔舱均设置有控制口，用于连通外界的吸力泵，常态下，控制口处于关闭状态；安装时，通过吸力泵实现各隔舱负压安装并且控制各隔舱之间的压力差实现所述海上风机基础整体水平度调节。
即当风机基础安装时，不仅可以通过吸力泵实现环形筒裙40中各隔舱负压，以实现环形筒裙40与海底的可靠结合，并且多个隔舱设置同时可以避免某一隔舱漏气影响风机基础安装稳定性现象出现，另外通过吸力泵调节各隔舱之间压力差可以实现风机基础的水平安装。
当海上风机基础安装时，自滑动底座20的每一个舱室的开口充注填充物至滑动底座20的中空内腔，以使滑动底座20沿所述中央立柱10向下滑动并支撑于所述固定底座30上。也就是说，待环形筒裙40与海底泥面稳定结合后，将滑动底座20中空内腔中充满混凝土或其他介质，使滑动底座20沉入固定底座30上，同时滑动底座20此时给环形筒裙40提供向下的压力，进一步增加风机基础安装固定可靠性。
同理，当处于安装状态时，通过固定底座30的各舱室的第一口充注混凝土以填充满固定底座30的中空内腔，进一步增加风机基础安装固定可靠性。
上述各实施例中，中央立柱10和滑动底座20其中一者设置有凹槽，另一者设置有与凹槽配合滑动的滑块，凹槽沿轴向布置；凹槽的数量至少为一个。图中给出了中央立柱10上设置凸起滑块，滑动底座20设置凹槽的具体实施方式，当然，中央立柱10上也可以设置凹槽，滑动底座20上设置滑块。
凸起滑块的数量可以为两个，当然也可以为三个或者更多，各凸起滑块沿周向均匀布置。
关于海上风机基础的其他结构请参考现有技术，本文不做一一赘述。
以上对本发明所提供的一种海上风机基础进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种海上风机基础，其特征在于，包括中央立柱(10)、固定底座(30)和滑动底座(20)；所述中央立柱(10)的根部段固定有所述固定底座(30)，所述固定底座(30)的下表面固定有环形筒裙(40)，所述环形筒裙(40)围成开口朝下的空腔，所述空腔内部通过隔板被分割形成多个隔舱；
所述固定底座(30)和所述滑动底座(20)二者均为中空混凝土结构，所述固定底座(30)的中空内腔和所述滑动底座(20)的中空内腔均形成有多个独立的舱室；
所述滑动底座(20)的中部设置有通孔，所述中央立柱(10)贯穿且位于所述通孔内部，且所述滑动底座(20)位于所述固定底座(30)上方，并且所述滑动底座(20)能够相对所述中央立柱(10)沿轴向移动；
还包括调节装置，浮动运输时，所述滑动底座(20)和所述固定底座(30)二者中空内腔部分中空以提供浮力；所述调节装置用于调节各所述隔舱内部介质量，保持浮动运输时所述海上风机基础整体重心稳定；
还包括填充物，固定安装时，所述填充物置于所述滑动底座(20)的各舱室，以使所述滑动底座(20)沿轴向滑动至所述中央立柱(10)根部的安装位置，并提供向下压力于所述环形筒裙(40)。
2.如权利要求1所述的海上风机基础，其特征在于，各所述舱室均具有开口，所述调节装置包括压载系统及安装于每一开口的阀门，所述阀门控制所述开口打开或关闭，所述阀门根据所述压载系统信号打开或关闭所述开口，以泵入或泵出相应舱室的介质。
3.如权利要求1所述的海上风机基础，其特征在于，所述固定底座(30)和所述滑动底座(20)二者内部中舱室的布置与所述环形筒裙(40)的隔舱布置位置相对应。
4.如权利要求3所述的海上风机基础，其特征在于，所述环形筒裙的空腔设置有与其同轴的环形隔板(41)，所述环形隔板(41)内部形成中央隔舱(40a)，还包括多个径向隔板(42)，各所述径向隔板(42)布置于所述环形隔板(41)和所述环形筒裙(40)内壁之间且沿周向均布，以将所述环形筒裙和所述环形隔板(41)之间分割形成多个周边隔舱(40b)。
5.如权利要求1至4任一项所述的海上风机基础，其特征在于，所述环形筒裙(40)内部的隔舱均设置有连通口，用于连通外界的吸力泵，常态下，所述控制口处于关闭状态；安装时，通过所述吸力泵实现各所述隔舱负压安装并且控制各所述隔舱之间的压力差实现所述海上风机基础整体水平度调节。
6.如权利要求2所述的海上风机基础，其特征在于，所述填充物为混凝土或者流体介质；当所述海上风机基础安装时，所述滑动底座(20)的各舱室填充所述填充物，以使所述滑动底座(20)沿所述中央立柱(10)向下滑动并支撑于所述固定底座(30)上。
7.如权利要求2所述的海上风机基础，其特征在于，当处于安装状态时，所述固定底座(30)的各舱室也充注入混凝土或者流体介质。
8.如权利要求1所述的海上风机基础，其特征在于，所述滑动底座(20)、所述固定底座(30)和所述环形筒裙均为钢筋混凝土主体。
9.如权利要求1至4任一项所述的海上风机基础，其特征在于，所述中央立柱(10)和所述滑动底座(20)其中一者设置有凹槽，另一者设置有与所述凹槽配合滑动的滑块，所述凹槽沿轴向布置；所述凹槽的数量至少为一个。
10.一种权利要求1至9任一项所述海上风机基础的拖航及安装方法，其特征在于，包括以下内容：
预先组装塔筒、风电机组(50)和海上风机基础形成整体结构，并置于海上中；
拖航过程中，调节滑动底座(20)和固定底座(30)二者各舱室内部介质量，保持浮动运输时所述海上风机基础整体重心稳定；
当拖运至安装位置后，向固定底座(30)充流体介质或混凝土，在自重作用下，所述固定底座(30)和所述环形筒裙(40)带动中央立柱(10)下沉至海底泥面，所述环形筒裙(40)和泥面形成密封环境，通过吸力泵撬块系统，将所述环形筒裙(40)内的海水抽出，所述环形筒裙(40)在负压作用下贯入土壤以至所述环形筒裙(40)顶部和泥面完全接触，实现基础与海底的稳定结合。
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