CN112009635A - 一种半潜式风力发电基础平台及其安装方法 - Google Patents

一种半潜式风力发电基础平台及其安装方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及半潜式风力发电基础平台，包括基础结构平台、风机塔架、风力发电机组、脐带缆及定位系统；基础结构平台顶部的中心部件为中心浮箱，中心浮箱上方与风机塔架连接，风机塔架顶部设有风力发电机组；在基础结构平台顶部的中心浮箱以外设有垂直于水面的立柱，立柱与中心浮箱之间设有水平浮箱；相邻的立柱下部之间通过连接浮箱连接，立柱底端设置垂荡板；基础结构平台底部呈正三角形结构；中心浮箱底部连接与海底动力线相连的脐带缆。本发明的有益效果是：本发明的基础平台结构简单合理，风力发电机组相对于基础结构平台布置具有对称性，结构部件及锚泊系统的互换性高，有利于基础平台结构的标准化，并降低建造成本。

Description

一种半潜式风力发电基础平台及其安装方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种海上半潜式风力发电基础平台及其安装方法。
背景技术
风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。随着陆地风电资源的开发，现在国内可开发的优质风电资源逐渐减少，海上风电潜在开发量巨大，并且沿海地区经济发达，能源需求大，所以需要积极开展海上风力发电项目。
海上风电具有的优势:一是海上风速较大，年利用率高。二是海上区域广阔，允许风机大型化，单机发电量高。三是减少电力运输成本，沿海城市经济发达，用电量较高，有效减少西部电力产能，可以缓解产能过剩。
现有的海上风力发电装置基本上采用固定式平台基础，在海底打桩后架起来，与陆地上的差别不大。这样的风力发电机大多架设在浅海水域，水深一般不超过30米。但这种技术运用于我国漫长的沿岸浅水水域，很难达到应有的经济效果。
风力强度离岸越远越强。在深远海，风速强，风资源稳定。世界上80％以上潜在的风资源在水深50至60米的海域。随着海上风力发电正在走向深远海，水的深度使得固定式风力发电基础失去经济可行性。早在二十多年前，欧美国家就开始研究用于海上承载风电机的漂浮式平台结构的概念设计。因此，为了把海上丰富的风力资源转化为“绿色的”低成本电能，开展海上漂浮式风力发电基础平台技术的研究有着重要的战略意义。
为了满足发展海上漂浮式风力发电场的需要，风电领域采用了海洋油气行业常用的浮式平台的结构形式，包括单立柱平台(SPAR)、半潜式平台(Semi-Submersible)、张立腿平台(TLP)漂浮式风电基础。目前世界上大约有30个漂浮式风力发电的概念，来自10多个国家。在各种漂浮式海上风力发电基础平台概念中，以半潜式风力发电平台形式为主。
WindFloat是代表性的半潜式风力发电基础平台，由Principle Power、Vestas与EDP合作研发。该平台主体由三个立柱以及连接浮筒之间的桁-梁形式的管结构组成，风机非对称地位于其中一个立柱上，动态压载水可以自动抵消风倾力矩，定位系统采用系泊定位，在每个浮筒底部设置阻尼板增大垂荡运动的阻尼，以降低垂荡运动幅值。不足之处是该风机基础平台结构复杂，且风机相对于发电基础平台的非对称性，立柱浮筒和系泊系统之间的互换性差，建造成本高。
公开号为CN107539433A发明专利，公开了一种半潜式风机平台，其主要的结构形式与WindFloat相似，风机非对称地位于其中一个立柱上。虽然在基础平台顶部的水平连接梁及截面做了一些改变，但它具有跟WindFloat相同的特点。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种半潜式风力发电基础平台及其安装方法。
这种半潜式风力发电基础平台，包括基础结构平台、风机塔架、风力发电机组、脐带缆及定位系统；基础结构平台顶部的中心部件为中心浮箱，中心浮箱上方与风机塔架连接，风机塔架顶部设有风力发电机组；在基础结构平台顶部的中心浮箱以外设有垂直于水面的立柱，立柱与中心浮箱之间设有水平浮箱；相邻的立柱下部之间通过连接浮箱连接，立柱底端设置垂荡板；基础结构平台底部呈正三角形结构；中心浮箱底部连接与海底动力线相连的脐带缆；定位系统包括锚泊系统和锚固装置，锚泊系统一端连接基础结构平台底部三角形各顶点，锚泊系统另一端连接位于海底的锚固装置。
作为优选：位于同一水平面上且两两夹角为120度的三个水平浮箱通过中心浮箱连接在一起，三个水平浮箱外端的三个立柱下部之间通过连接浮箱相连并呈正三角形布置，三个立柱底部分别位于基础结构平台底部正三角形的各个顶点处并垂直于基础结构平台底面。
作为优选：风机塔架和风力发电机组位于基础结构平台几何中心的正上方位置。
作为优选：中心浮箱截面为圆形、三角形或多边形。
作为优选：水平浮箱和连接浮箱的截面为圆形、矩形或多边形。
作为优选：立柱截面为矩形、圆形或多边形。
作为优选：垂荡板为水平板，且垂荡板截面为圆形、三角形、矩形或多边形。
作为优选：懒波或缓波形态的脐带缆上端通过抗弯扶正器与中心浮箱的底部连接，下端与海底动力线相连。
作为优选：锚泊系统由锚链和钢索构成或者由复合纤维缆构成，锚泊系统通过立柱外侧的导向装置并呈悬链线的形态，并与位于海底的锚固装置相连。
这种半潜式风力发电基础平台的安装方法，包括以下步骤：
S1、作为锚链底部的锚固装置，预先采用打入桩或安装吸力锚；
S2、在打入桩或吸力锚安装后，锚链与缆绳沿着预定的路线布置在海底，完成锚链铺设后，做好相应的标志并弃缆；
S3、基础结构平台在坞内建造，造好后将基础结构平台自浮出坞；
S4、在岸边使用吊机安装风机塔架和风力发电机组，与基础结构平台对接形成风机基础；
S5、安装后的风机基础，在吃水某一深度时，采用湿拖的方式拖航将整个风机基础拖至海上安装区域；
S6、将预先铺设好的锚链与基础结构平台连接：每根锚链恢复到水面，然后在安装平台进行锚链连接，最终拉到基础结构平台并连接；
S7、调整基础结构平台底部的连接浮箱和立柱的压载水，将基础结构平台的吃水调整到工作吃水深度。
本发明的有益效果是：
1、本发明的基础平台结构简单合理，风力发电机组相对于基础结构平台布置具有对称性，结构部件及锚泊系统的互换性高，有利于基础平台结构的标准化，并降低建造成本。
2、本发明的半潜式风力发电基础平台安装方法，安装便捷，拖航和工作状态均达到较好的稳定性，减少浮式风机基础安装费用，缩短安装周期，降低对安装机具的要求，后期维护成本低，可广泛适用于不同程度的深水海域。
附图说明
图1为半潜式风力发电基础平台的结构示意图；
图2为基础结构平台顶层结构第一种示例形式的示意图；
图3为基础结构平台顶层结构第二种示例形式的示意图；
图4为基础结构平台顶层结构第三种示例形式的示意图；
图5为基础结构平台顶层结构第四种示例形式的示意图；
图6为图1中沿A-A剖线的第一种示例形式的剖视图；
图7为图1中沿A-A剖线的第二种示例形式的剖视图；
图8为图1中沿A-A剖线的第三种示例形式的剖视图；
图9为半潜式风力发电基础平台安装方法的流程示意图。
附图标记说明：立柱1、水平浮箱2、中心浮箱3、风机塔架4、风力发电机组5、连接浮箱6、垂荡板7、锚泊系统8、脐带缆9、锚固装置10。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。对于本领域的技术人员来说，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。
本专利提供一种半潜式风力发电基础平台及其安装方法。该平台结构简单合理，风力发电机组相对于基础结构平台布置的对称性，结构部件及锚泊系统的互换性高，有利于标准化，适合我国海洋工程制造能力，降低建造成本，易于安装；风力发电机组与平台安装和调试均可在干船坞完成，不受波浪环境条件的影响；风力发电机组与基础平台整体可用拖航运输至目的地；所有的安装操作，包括平衡调整、锚链定位、动态缆线的连接等，均是可逆的；基础平台和风力发电机组在必要的情况下，可以拖回到干船坞进行维修活动；本专利大大降低漂浮式风力发电半潜平台的整体建造、安装、以及运维成本，为漂浮式风力发电平台的大规模商业化提供了可行性方案。
实施例一
如图1所示，所述半潜式风力发电基础平台，包括基础结构平台、风机塔架4、风力发电机组5、脐带缆9及定位系统；基础结构平台包括立柱1、水平浮箱2、中心浮箱3、连接浮箱6和垂荡板7，基础结构平台顶部的中心浮箱3与风机塔架4连接，并且基础结构平台顶部支持控制平衡装置的设施，三个立柱1垂直于水面，立柱1与中心浮箱3之间设有水平浮箱2，三个立柱1下部之间通过连接浮箱6相连，基础结构平台底部呈正三角形结构形式，中心浮箱3底部连接与海底动力线相连的脐带缆9；定位系统包括锚泊系统8和锚固装置10，锚泊系统8一端连接基础结构平台底部三角形各顶点，锚泊系统8另一端连接位于海底的锚固装置10。
位于同一水平面上且两两夹角为120度的三个水平浮箱2通过中心浮箱3连接在一起，与中心浮箱3上端固接的中心结构以用于支撑风机塔架4，三个水平浮箱2外端设有立柱1，且三个立柱1彼此间隔开并垂直于水面，两两相邻的立柱1下部之间通过连接浮箱6连接并呈正三角形布置，立柱1底部即三角形每个顶点设置垂荡板7，用以降低垂荡运动的响应幅度。其中，三个立柱1之间间距足够大可以满足平台稳定性的要求。
风机塔架4和风力发电机组5位于基础结构平台几何中心的正上方位置，具有对平台基础结构的对称性。
基础结构平台的顶层结构形式取决于中心浮箱3的截面形状、立柱1的截面形状以及水平浮箱2与中心浮箱3和立柱1的连接方式。图2至图5是基础结构平台顶层结构的四种示例形式示意图，中心浮箱截面可以是圆形或多边形。
基础结构平台的顶层结构中三个位于同一水平面上且两两夹角为120度的水平浮箱2的截面可以是圆形、矩形或多边形，且中心浮箱3和立柱1的连接方式可以多样化。因此，基础结构平台的顶层结构形式不限于图2至图5的四种示例结构形式。
三个立柱1底端分别位于基础结构平台底部正三角形的各个顶角处，垂直于基础结构平台底面，各立柱1的顶部与基础结构平台顶部的水平浮箱2相连，三个立柱1组合成的彼此相邻的几何夹角为60度。立柱1的截面可以是矩形、圆形或多边形等。
基础结构平台的底部结构形式取决于立柱1的截面形状、连接浮箱6的截面形状、垂荡板7的截面形状以及连接浮箱6与立柱1的连接形式。相邻两个连接浮箱6的夹角为60度。位于基础结构平台的立柱1底部的垂荡板7为水平板，且垂荡板7的截面可以是圆形、三角形、矩形或多边形。连接浮箱6的截面为圆形、矩形或多边形。图6至图8是沿A-A剖线的三种示例形式的剖视图，但不限于图6至图8的三种示例结构形式。
脐带缆9上端通过抗弯扶正器与中心浮箱3的底部连接，下端与海底动力线相连，呈懒波或缓波形态以缓解平台运动对脐带缆系统的影响。脐带缆9的具体形态需考虑平台的运动以及立柱1与水平浮箱2、连接浮箱6、中心浮箱3等的相对空间布置，以避免与平台结构发生可能的相互干涉。
锚泊系统8可以由锚链-钢索-锚链构成或复合纤维缆构成，通过立柱1外侧的导向装置，呈悬链线的形态，与海底的锚固装置10相连。锚泊系统8上端的预张紧力由整个半潜式风机平台基础的总体性能确定。
实施例二
如图9所示，所述半潜式风力发电基础平台的安装方法，包括以下步骤：
S1、作为锚链(锚泊系统8)底部的锚固装置10，预先采用打入桩或安装吸力锚。
S2、在打入桩或吸力锚安装后，锚链与缆绳沿着预定的路线布置在海底，完成锚链铺设后，做好相应的标志并弃缆。
S3、基础结构平台在坞内建造，造好后将基础结构平台自浮出坞。
S4、在岸边使用吊机安装风机塔架4、机舱和风轮(风力发电机组5)，与基础结构平台对接形成风机基础。
S5、安装后的风机基础，在吃水某一深度时，采用湿拖的方式拖航将整个风机基础拖至海上安装区域。
S6、将预先铺设好的锚链与基础结构平台连接：每根锚链需要恢复到水面，然后在安装平台进行锚链连接，最终拉到基础结构平台。
S7、调整基础结构平台底部的连接浮箱6和立柱1的压载水，将平台的吃水调整到工作吃水深度。
本实施例的半潜式风力发电基础平台安装方法，安装便捷，拖航和工作状态均达到较好的稳定性，减少浮式风机基础安装费用，缩短安装周期，降低对安装机具的要求，后期维护成本低，可广泛适用于不同程度的深水海域。

Claims (10)

1.一种半潜式风力发电基础平台，其特征在于：包括基础结构平台、风机塔架、风力发电机组、脐带缆及定位系统；基础结构平台顶部的中心部件为中心浮箱，中心浮箱上方与风机塔架连接，风机塔架顶部设有风力发电机组；在基础结构平台顶部的中心浮箱以外设有垂直于水面的立柱，各立柱上部与中心浮箱之间设有水平浮箱，相邻的立柱下部之间通过连接浮箱连接，各立柱底端设置垂荡板；基础结构平台底部呈正三角形结构；中心浮箱底部连接与海底动力线相连的脐带缆；定位系统包括锚泊系统和锚固装置，锚泊系统一端连接基础结构平台底部三角形各顶点，锚泊系统另一端连接海底的锚固装置。
2.根据权利要求1所述的半潜式风力发电基础平台，其特征在于：位于同一水平面上且两两夹角为120度的三个水平浮箱通过中心浮箱连接在一起，与三个水平浮箱外端相连的三个立柱下部之间通过连接浮箱连接并呈正三角形布置形式，三个立柱底部分别位于基础结构平台底部正三角形的各个顶点处，并垂直于基础结构平台底面。
3.根据权利要求1所述的半潜式风力发电基础平台，其特征在于：风机塔架和风力发电机组位于基础结构平台几何中心的正上方位置。
4.根据权利要求1所述的半潜式风力发电基础平台，其特征在于：中心浮箱截面为圆形、三角形或多边形。
5.根据权利要求1所述的半潜式风力发电基础平台，其特征在于：水平浮箱和连接浮箱的截面为圆形、矩形或多边形。
6.根据权利要求1所述的半潜式风力发电基础平台，其特征在于：立柱截面为矩形、圆形或多边形。
7.根据权利要求1所述的半潜式风力发电基础平台，其特征在于：垂荡板为水平板，且垂荡板截面为圆形、三角形、矩形或多边形。
8.根据权利要求1所述的半潜式风力发电基础平台，其特征在于：懒波或缓波形态的脐带缆上端通过抗弯扶正器与中心浮箱的底部连接，下端与海底动力线相连。
9.根据权利要求1所述的半潜式风力发电基础平台，其特征在于：锚泊系统由锚链和钢索构成或者由复合纤维缆构成，锚泊系统通过立柱底部外侧的导向装置并呈悬链线的形态，与位于海底的锚固装置相连。
10.一种如权利要求1所述的半潜式风力发电基础平台的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、作为锚链底部的锚固装置，预先采用打入桩或安装吸力锚；
S2、在打入桩或吸力锚安装后，锚链与缆绳沿着预定的路线布置在海底，完成锚链铺设后，做好相应的标志并弃缆；
S3、基础结构平台在坞内建造，造好后将基础结构平台自浮出坞；
S4、在岸边使用吊机安装风机塔架和风力发电机组，与基础结构平台对接形成风机基础；
S5、安装后的风机基础，在吃水某一深度时，采用湿拖的方式拖航将整个风机基础拖至海上安装区域；
S6、将预先铺设好的锚链与基础结构平台连接：每根锚链恢复到水面，然后在安装平台进行锚链连接，最终拉到基础结构平台并连接；
S7、调整基础结构平台底部的连接浮箱和立柱的压载水，将基础结构平台的吃水调整到工作吃水深度。
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