CN112523964B - 一种利用浮式起重船安装风电机组的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用浮式起重船安装风电机组的方法，涉及海上风电施工领域，解决现有安装船作业受水文、地质等条件限制，施工可行性覆盖面窄，施工效率低。该方法包括：分析当前的浮式起重船稳定性，使其稳定性满足施工需求；在所述浮式起重船上对风机底塔浮式安装；在所述浮式起重船上对风机中塔和顶塔浮式安装；在所述浮式起重船上对风机机舱和轮毂浮式安装；采用坐底船和支腿船安装叶片。本发明控制浮式起重船的稳定性，在浮式起重船上风电机组的安装垂直构件，在坐底船和支腿船安装风电机组的叶片。利用浮式起重船分体安装风电机组，有效克服现有风机安装船严重紧缺的困境。

Description

一种利用浮式起重船安装风电机组的方法
技术领域
本发明涉及海上风电施工领域，尤其涉及一种利用浮式起重船安装风电机组的方法。
背景技术
海上风电建设发展迅速，风机安装呈现抢装潮，市场上现有的支腿船和坐底船无法满足市场需求，同时，两种安装船作业受水文、地质等条件限制，施工可行性覆盖面窄，施工效率低。
发明内容
本发明提供了一种利用浮式起重船安装风电机组的方法，控制浮式起重船的稳定性，在浮式起重船上风电机组的安装垂直构件，在坐底船和支腿船安装风电机组的叶片。利用浮式起重船分体安装风电机组，有效克服现有风机安装船严重紧缺的困境。
实现本发明目的的技术方案如下：
一种利用浮式起重船安装风电机组的方法，风电机组包括风轮、风机机舱、支撑风轮的塔架，塔架包括风机底塔、风机中塔和风机顶塔，风轮包括轮毂和叶片，该方法包括：
分析当前的浮式起重船稳定性，使其稳定性满足施工需求；
在所述浮式起重船上对风机底塔浮式安装；
在所述浮式起重船上对风机中塔和顶塔浮式安装；
在所述浮式起重船上对风机机舱和轮毂浮式安装；
采用坐底船和支腿船安装叶片。
作为本发明的进一步改进，所述分析当前的浮式起重船稳定性，使其稳定性满足施工需求，包括：
选择型深大、吃水深、稳性好的大型起重船作为浮式起重船；
计算所述浮式起重船在海洋环境下的自由运动响应；
根据所述自由运动响应调整所述浮式起重船的位置，直至所述浮式起重船的稳定性满足施工需求。
作为本发明的进一步改进，所述选择型深大、吃水深、稳性好的大型起重船作为浮式起重船，包括：
结合风电机组的厂家安装技术要求，选择符合在该海域进行浮式吊装的大型起重船。
作为本发明的进一步改进，所述计算所述浮式起重船在海洋环境下的自由运动响应，包括：
通过建立几何模型以及应用水动力计算的浸水表面边界元模型进行稳性分析；
模拟船舶的运动振幅；
计算所述浮式起重船的自由运动响应。
作为本发明的进一步改进，所述在所述浮式起重船上对风机底塔浮式安装，包括：
清理用于安装所述风机底塔的基础环；
确定基础环的塔筒门方向；
移动所述风机底塔至所述基础环的上方140～160mm处；
调整所述风机底塔的安装方位，确保所述风机底塔的塔架门朝向塔筒门；
所述风机底塔缓慢、垂直下落就位；
连接基础环和所述风机底塔。
作为本发明的进一步改进，在所述浮式起重船上对风机中塔浮式安装；包括：
选择风机中塔的作业工况；
吊机就位并将风机中塔吊起离地面约100mm，卸下与风机中塔连接的运输支架；
吊机先把风机中塔吊至垂直状态，再把风机中塔吊至风机底塔上方约 150mm处；
利用风机中塔内爬梯作为参照，确保风机中塔安装方位正确；
安装风机中塔和风机底塔。
作为本发明的进一步改进，在所述浮式起重船上对风机顶塔浮式安装；包括：
选择风机顶塔和风机顶塔的作业工况；
吊机就位并将风机顶塔吊起离地面约100mm，卸下与风机顶塔连接的运输支架；
吊机先把风机顶塔吊至垂直状态，再把风机顶塔吊至风机中塔上方约 150mm处；
利用风机顶塔内爬梯作为参照，确保风机顶塔安装方位正确；
安装风机顶塔和风机中塔。
作为本发明的进一步改进，在所述浮式起重船上对风机机舱浮式安装，包括：
风机机舱吊装前对起重船的吊高、吊重和作业半径进行复核；
起吊时机舱两侧的缆风绳要控制好，机舱吊运过程不得转向；
在风机顶塔和风机机舱内各设置一组定位法兰，一组定位法兰与机舱结构固定，另一组定位法兰与风机顶塔结构固定；
把风机机舱吊至预设位置，以定位法兰为参考确保风机机舱位置准确；
定位销从一组定位法兰插入另一组定位法兰，进行风机顶塔和风机机舱的辅助定位。
作为本发明的进一步改进，在所述浮式起重船上对轮毂浮式安装，包括：
清除对接表面；
风机机舱与轮毂联成一体；
轮毂同风机机舱一起吊至预设位置，利用风机机舱和风机顶塔的定位法兰辅助风机机舱与风机顶塔对接；
固定轮毂和风机顶塔。
作为本发明的进一步改进，所述通过建立几何模型以及应用水动力计算的浸水表面边界元模型进行稳性分析，包括：
采用边界元法对浮船浸水表面进行边界元网格划分；
采用PM谱来描述浅水水域的波浪；
确定随机波浪海况条件下的吊点处垂荡运动响应谱，基于分析法的极值预报，获取随机波浪海况条件下吊点处的最大垂荡运动响应幅值；
采用浮体运动与系泊耦合动力学分析方法进行时域仿真分析和时域计算。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明控制浮式起重船的稳定性，在浮式起重船上风电机组的安装垂直构件，在坐底船和支腿船安装风电机组的叶片。利用浮式起重船分体安装风电机组，有效克服现有风机安装船严重紧缺的困境。
附图说明
图1为利用浮式起重船安装风电机组的方法流程图；
图2为图1中步骤S110的流程图；
图3为图1中步骤S120的流程图；
图4为图1中步骤S130的流程图；
图5为图1中步骤S140的流程图；
图6为迎浪时起重船吊点处六自由度运动幅值响应算子图示一；
图7为迎浪时起重船吊点处六自由度运动幅值响应算子图示二；
图8为横浪时起重船吊点处六自由度运动幅值响应算子图示一；
图9为横浪时起重船吊点处六自由度运动幅值响应算子图示二；
图10为起重船吊点处垂荡运动响应谱一；
图11为起重船吊点处垂荡运动响应谱二；
图12为船舶驻位图。
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
中国近十五年大力推行海上风电能源，海上风电建设将迎来快速发展。中国海上风电项目市场前景非常大，未来几年将成为世界上最大的市场，亚太地区等国家也逐渐跟随脚步，大力发展海上风电能源，海上风电将出现建设高潮，对海上风电安装技术提出更高的要求。
目前国内、外海上风电风机安装采取分体和整体安装两种形式。分体安装是最为常见的海上风机安装方式，为确保海上安装的安全可靠，要求安装平台必须稳定，采用自升支腿系统的安装船和半潜驳坐底安装船。
由于以上两种风电安装船市场上严重紧缺，不能满足现阶段海上风电建设资源要求，为解决风机安装当前困境，提高公司在风电市场的竞争力，我发明采用浮式起重船进行海上风力发电风机分体浮式安装施工技术，这项技术在全球范围属于首创，技术成果推广性强，应用前景广阔，在风电领域起到引领作用，具有良好的经济和社会效益。
本发明实施例提供了一种利用浮式起重船安装风电机组的方法，风电机组包括风轮、风机机舱、支撑风轮的塔架，塔架包括风机底塔、风机中塔和风机顶塔，风轮包括轮毂和叶片，请参阅图1，该方法包括以下步骤：
步骤S110、分析当前的浮式起重船稳定性，使其稳定性满足施工需求；
步骤S120、在浮式起重船上对风机底塔浮式安装；
步骤S130、在浮式起重船上对风机中塔和顶塔浮式安装；
步骤S140、在浮式起重船上对风机机舱和轮毂浮式安装；
步骤S150、采用坐底船和支腿船安装叶片。
本发明采用浮式起重船安装风机塔筒和机舱等螺栓节点为垂直的部件，风机整体组装时利用码头起重机将风机部件安装至运输船上，采用静态对接浮态工艺。浮式起重船将塔筒和机舱等部件安装至机位的方法属于浮态对接静态。两种方法的关键均为控制船舶的稳定性，经过工程前期对施工海域水文、气象条件的观察和收集，分析大型起重船的稳性可满足风机部件安装要求。
采用浮式安装作业时，主起重船先进点至安装位置就位，运输驳和辅助起重船随后进点。起重船按照机位进点，船舶吊机轴线位置按照顺潮流方向顶靠机位基础，船舶吊机轴线距离机位基础边缘控制在作业半径内。
浮式起重船进行风机塔筒及机舱等垂直构件的安装，安装时主要受海域风浪影响，需要解决浮式起重船在海上的船舶稳性问题，在选择船机时选择型深大、吃水深、稳性好的大型起重船。通过建立几何模型以及应用水动力计算的浸水表面边界元模型进行稳性分析，计算出起重船在海洋环境下的自由运动响应，模拟船舶的运动振幅，同时结合风机设备厂家安装技术要求，选择符合在该海域进行浮式吊装的大型起重船。
在本发明实施例中，请参阅图2，步骤S110、分析当前的浮式起重船稳定性，使其稳定性满足施工需求，包括：
步骤S110a、选择型深大、吃水深、稳性好的大型起重船作为浮式起重船；
步骤S110b、计算浮式起重船在海洋环境下的自由运动响应；
步骤S110c、根据自由运动响应调整浮式起重船的位置，直至浮式起重船的稳定性满足施工需求。
本发明实施例的步骤S110a、选择型深大、吃水深、稳性好的大型起重船作为浮式起重船，包括：结合风电机组的厂家安装技术要求，选择符合在该海域进行浮式吊装的大型起重船。
本发明实施例的步骤S110b、计算浮式起重船在海洋环境下的自由运动响应，包括：
步骤S110b1、通过建立几何模型以及应用水动力计算的浸水表面边界元模型进行稳性分析；
步骤S110b2、模拟船舶的运动振幅；
步骤S110b3、计算浮式起重船的自由运动响应。
上述的几何模型包括水动力计算边界元模型。由于浮吊船对高频激励不敏感，因此本次采用边界元法的水动力分析不计算倍频力，也因此无需对自由表面进行网格划分，仅对浮船浸水表面进行边界元网格划分，节省计算时间。考虑浅水波的能量所集中的频率范围较深水波的更宽，则随机波浪的最小波长相对更短，因此边界元网格的尺寸也需相应较小。本次基于边界元法水动力计算采用ANSYS AQWA进行，边界元模型的绝大多数单元为矩形单元，网格尺寸约为0.9m，在船舶艏尾处采用少量非矩形的四边形面元以适应船舶底板在艏尾处的抬升。边界元网格采用由ANSYS软件自动控制的方法生成，网格质量较好。根据网格尺寸，可计算最大规则波频率约为0.624Hz (周期1.6s)。
请参阅图6、图7、图8和图9，对船体进行水动力分析，求得不同波浪入射角度下对应吊机吊点位置的RAO。RAO显示了备选船舶的基本特性，并为浮体运动的时频域分析提供基本数据。
本发明实施例的步骤S110b1、通过建立几何模型以及应用水动力计算的浸水表面边界元模型进行稳性分析，包括：
采用边界元法对浮船浸水表面进行边界元网格划分；
采用PM谱来描述浅水水域的波浪；
确定随机波浪海况条件下的吊点处垂荡运动响应谱，基于分析法的极值预报，获取随机波浪海况条件下吊点处的最大垂荡运动响应幅值；
采用浮体运动与系泊耦合动力学分析方法进行时域仿真分析进行时域计算。
海上的波浪具有强烈的时随性，被称为随机波。随机海况可以采用波谱进行描述。目前在工程领域使用较多的是JONSWAP谱和PM谱。JONSWAP谱和PM 谱适宜用来描述深水波的谱。然而，当波浪向浅水海岸传播，波浪受水深深度h影响极大，因此复杂的地形地貌会使得波浪谱发生较大的改变，但目前没有适用性很强的实用型浅水波能谱公式。
对于浅水波能谱，最为知名的是TMA谱。然而TMA谱似乎不具有普适性。 TMA谱的基本原理是考虑波浪在深水区生成，当随机波由深水区向浅水区传播，在水深减小的条件下，波浪会发生破碎。破碎的波浪削减了低频部分的波浪能量。然而，一些观测结果表明当波浪传播到浅水区域时，波谱是有可能在高频侧出现一个次峰的。
即使采用TMA谱，也必须知道传播至该浅水区域的深水随机波的描述型式及具体参数。目前TMA谱主要由产生于深水的JONSWAP谱变形得到，且对应的JONSWAP谱的部分系数需要根据环境观测数据重新调整，对于缺乏相关环境观测数据的情况，使用TMA谱未必准确。
对于本发明实施例的浮体动力学分析，考虑采用PM谱来描述浅水水域的波浪。首先，按照目前的海洋工程经验，PM谱适合描述重现期更短的随机波浪海况(对应操作工况)。其次，具有相同有义波高和方差的PM谱与JONSWAP 谱相比，PM谱更加宽矮，除了谱峰频率范围以外，其他频率的能量相比于 JONSWAP谱更大，在浅水区域这些频率范围的波浪成分可能会引起浮体更大的运动，因此采用PM谱进行随机波的描述可能会得到更为保守的运动响应。
目标风场的波浪条件数据较粗，根据粗网格数据估计对应超越概率为 25％的有义波高Hs约为0.875m，平均波周期约为3s。采用PM谱模拟随机波浪海况：
SR(ω )＝RAO2(ω)·S(ω) (3)
Figure GDA0003479077420000081
ωP＝2π/TP (5)
根据式(3)计算多艘浮式起重船在有义波高0.875m、平均波周期3s的 PM谱描述的随机波浪海况条件下的吊点处垂荡运动响应谱如图3-4所示。根据基于谱分析法的极值预报，多艘船舶三小时随机海况下吊点处的最大垂荡运动响应幅值(单边幅值)。
在时域计算时，为防止船舶漂移，系泊系统需进行模拟。因此，采用浮体运动与系泊耦合动力学分析方法进行时域仿真分析。系泊缆绳(考虑为锚链)刚度采用以下经验公式进行计算：
Figure GDA0003479077420000091
采用3小时随机波进行时域计算，随机波浪谱型为PM谱，有义波高 0.875m，平均跨零周期3s。假设多条起重船均采用四根锚链八字形系泊，锚链长度约100m。锚点位于海底，预张力约10吨。锚链直径为73mm，根据式(6)，计算锚链刚度，根据锚链刚度计算锚链的张拉长度，静力计算得到预张力约10吨。请参阅图10和图11，多艘浮式起重船吊钩处的垂荡运动响应最大值(幅值、单边)为：第一船体的迎浪运动响应极限值为0.095m，横浪运动响应极限值为0.115m，第二船体的迎浪运动响应极限值为0.138m，横浪运动响应极限值为0.215m，第三船体的迎浪运动响应极限值为0.057m，横浪运动响应极限值为0.063m。
船舶运动响应计算方面：采用数值仿真手段进行计算，没有物理模型试验或实船测试方面的验证。计算结果虽然基本可信，但由于开展基于浮式起重船的分体安装对精度要求高，尚未有实体项目案例，强烈建议在实际工程中增加测量工程，主要测量：(1)作业期波浪要素(包括随机波的波高、波周期及波向)；(2)六自由度船舶运动响应。
本发明实施例的作业期波浪要素的收集，可采用波浪要素采集系统(如波浪骑士仪)进行收集。关于船舶运动相应的测量可采用运动测量单元收集 (MRU：MotionReference Unit)。两款测量仪器目前具有较为成熟的商用产品可供选择。测量相关数据对本次工程以及未来突破船舶适用边界、开发新工法具有重要意义。
在本发明实施例中，请参阅图3，步骤S120、在浮式起重船上对风机底塔浮式安装，包括：
步骤S120a、清理用于安装风机底塔的基础环；
步骤S120b、确定基础环的塔筒门方向；
步骤S120c、移动风机底塔至基础环的上方140～160mm处；
步骤S120d、调整风机底塔的安装方位，确保风机底塔的塔架门朝向塔筒门；
步骤S120e、风机底塔缓慢、垂直下落就位；
步骤S120f、连接基础环和风机底塔。
在底塔安装前，在用于安装所述风机底塔的基础环内平台上预先放置高强度螺栓及安装用的工器具，清理法兰表面，在螺孔外圈连续注射一圈硅胶，确定基础环的塔筒门方向。
由主起重机将底塔吊起，移动底塔至桩顶上方150mm处。调整底塔安装方位，确保塔架门的朝向正确，然后缓慢下落就位。底塔筒安装时在离锚栓0.5m位置进行调整位置及维稳，塔筒摆幅稳定且相对螺杆中心对称摆动，再择机让吊钩垂直对准下落，下落过程要迅速，避免上下摩擦螺纹利用引导销使法兰螺孔对位，安装预先放置好的螺栓、垫片和螺母，按厂家要求紧固高强度螺栓。塔筒安装完成后及时连接塔筒法兰间的接地线。
底塔筒安装时要选择好的作业工况，减少安装底塔筒时船舶的晃动，保证塔筒与基础的对接。在底塔筒安装时可在承台位置设置限位装置，通过限位装置控制塔筒的横向位移，增加浮式安装工效。在下塔筒安装前，在基础环内平台上预先放置高强度螺栓及安装用的工器具，清理法兰表面，在螺孔外圈连续注射一圈硅胶，确定基础环的塔筒门方向。
在本发明实施例中，请参阅图4，步骤S130、在浮式起重船上对风机中塔浮式安装；包括：
步骤S130a、选择风机中塔的作业工况；
步骤S130b、吊机就位并将风机中塔吊起离地面约100mm，卸下与风机中塔连接的运输支架；
步骤S130c、吊机先把风机中塔吊至垂直状态，再把风机中塔吊至风机底塔上方约150mm处；
步骤S130d、利用风机中塔内爬梯作为参照，确保风机中塔安装方位正确；
步骤S130e、安装风机中塔和风机底塔。
在本发明实施例中，请参阅图4，步骤S130、在浮式起重船上对风机顶塔浮式安装；包括：
步骤S130f、选择风机顶塔和风机顶塔的作业工况；
步骤S130g、吊机就位并将风机顶塔吊起离地面约100mm，卸下与风机顶塔连接的运输支架；
步骤S130h、吊机先把风机顶塔吊至垂直状态，再把风机顶塔吊至风机中塔上方约150mm处；
步骤S130i、利用风机顶塔内爬梯作为参照，确保风机顶塔安装方位正确；
步骤S130j、安装风机顶塔和风机中塔。
中、顶塔筒安装时选择好的作业工况，以减少塔筒安装时船舶的晃动。主副吊机就位后，主副吊车同时启动，缓缓起升吊钧，将中塔筒吊起离地面约100mm，卸下运输支架。主副吊配合将中塔筒吊起，直到中塔筒呈垂直状态，松开副吊上的吊带并将其移去。主吊继续提升吊钧，将中塔筒吊至下塔筒上方约150mm处。利用塔筒内爬梯作为参照，确保塔筒安装方位正确。利用引导销使法兰螺孔对位，安装预先放置好的螺栓、垫片和螺母，按要求紧固高强度螺栓，连接塔筒法兰之间接地线。上塔筒安装操作同中塔筒。中、顶塔筒安装时同样要选择好的作业工况，减少塔筒安装时船舶的晃动，保证塔筒与底塔筒的对接。
在本发明实施例中，请参阅图5，步骤S140、在浮式起重船上对风机机舱浮式安装，包括：
步骤S140a、风机机舱吊装前对起重船的吊高、吊重和作业半径进行复核；
步骤S140b、起吊时机舱两侧的缆风绳要控制好，机舱吊运过程不得转向；
步骤S140c、在风机顶塔和风机机舱内各设置一组定位法兰，一组定位法兰与机舱结构固定，另一组定位法兰与风机顶塔结构固定；
步骤S140d、把风机机舱吊至预设位置，以定位法兰为参考确保风机机舱位置准确；
步骤S140e、定位销从一组定位法兰插入另一组定位法兰，进行风机顶塔和风机机舱的辅助定位。
风机机舱吊装前对起重船的吊高、吊重和作业半径进行复核，重点复核吊高及机舱的碰杆风险。起吊时机舱两侧的缆风绳要控制好，机舱吊运过程不得转向，由于机舱属于风机安装吊高最高构件，船体的稳性对高空吊钩影响很大，要选择平潮、风浪均小的作业工况安装。机舱整体重量大，摆幅过程水平力较大，定制抗弯性能好的高强度定位销，辅助机舱浮式安装。
为辅助机舱浮式安装，通过在塔筒和机舱内各设置1组定位法兰，一个与机舱结构固定，一个与上塔筒结构围定，中间通过1根高强度定位销从上法兰插入下法兰，进行辅助定位。下法兰顶口做成开口漏斗形状，便于定位销顺利插入。
在本发明实施例中，请参阅图5，步骤S140、在浮式起重船上对轮毂浮式安装，包括：
步骤S140f、清除对接表面；
步骤S140g、风机机舱与轮毂联成一体；
步骤S140h、轮毂同风机机舱一起吊至预设位置，利用风机机舱和风机顶塔的定位法兰辅助风机机舱与风机顶塔对接；
步骤S140i、固定轮毂和风机顶塔。
在浮式起重船上对风机机舱和轮毂浮式安装，具体为：1)安装前，清除法兰对接面所有脏物以及防锈剂，清洗偏航轴承接触面和上部塔筒法兰接触面，检查偏航轴承螺纹孔，确保螺纹能顺利拧入螺栓。对接好轮毅和机舱，穿上机舱里准备好的安装螺栓，带上垫片和螺母，并按要求紧固力矩，安装轮穀前部导流罩。2)安装机舱和轮毅组合吊装专用吊具；3)在轮穀上和机舱尾部分别安装一根150m的缆风绳，拆除机舱底座连接螺栓；4)起吊机舱和轮鞍组合至塔筒上方，利用缆风绳调整机舱方向，利用机舱和塔筒上设置的法兰导向销辅助机舱与塔筒对接；5)安装机舱和塔筒连接螺栓，按要求拉伸连接螺栓。
塔筒安装对精度要求相对于叶片安装要求不高，塔筒分段重量较小，可借鉴海洋石油领域的相关吊装经验值。对于塔筒和机舱安装，由于采用导向装置辅助安装，导向装置需足够长可以覆盖吊点垂荡运动位移极值，在此基础上安装塔筒和机舱总体可行。
由于机舱重量较大，因此在安装时机舱由于吊点的运动可能会引起对结构的塔架的冲击，冲击荷载建议按下式计算：
Pd＝KdQ
其中Q为机舱的重力(N)，Kd为动力荷载系数：
Figure GDA0003479077420000131
其中u为接触速度，可取频域计算的垂向速度响应的极限值,δ为塔筒受静荷载作用时的变形量(m)，该数值可与主机厂家沟通，或按照轴向受压杆变形计算得到。
由于轮毂和叶片安装的导向装置为水平方向。因此，即使较小的垂荡运动也可能造成水平导向装置受剪切破坏。结合波浪补偿系统进行叶片的安装。波浪补偿系统安置于吊钩处，其可补偿垂向方向的吊钩运动，使叶片根部与轮毂的相对高度位置保持不变。叶片水平方向的运动由缆风绳进行限制，与基于自升式平台船的安装方法相似。
基于海洋工程领域吊装的一般经验衡准，以及风机部件安装导向装置的特点来评估，采用以上多艘浮式起重船进行塔筒安装可行；安装风机机舱总体可行，结合塔架结构评价安装时机舱对塔架的冲击是否会造成塔架结构破坏，通过估算动力荷载系数的方式进行评价(如经过动力荷载系数放大后的垂向加速度是否满足风机厂家的相关要求)；安装叶片和轮毂时，由于导向装置为水平方向，吊点处的垂荡运动可能会引起导向装置和连接螺栓的剪切破坏，采用吊钩波浪补偿装置辅助完成相关安装。
另外，在实际施工中增加测量工程，主要测量：(1)作业期波浪要素(包括随机波的波高、波周期及波向)；(2)六自由度船舶运动响应。
塔筒受静荷载作用时的变形量δ采用结构有限单元法(FEM)计算得到。由于塔筒接触承台时，在接触的一瞬间很可能只有桶底的小段弧长首先接触，而非底部整周长同时接触，因此需要考虑不同弧长接触的情况。不同弧长通过其对应的弧度的不同来进行定义，弧长对应角度从5°算至180°。
考虑承台的刚度远大于塔筒本身，因此静荷载考虑塔筒分段受荷载作用变形。在计算变形量δ时，施加的荷载是静荷载，该荷载等于塔筒自身的重力，并均匀地作用于接触弧长范围内，因此接触弧长越长，静荷载所产生的均布线荷载密度就越小。
边界考虑为塔筒分段底部承受静荷载，塔筒分段上部边缘固定，计算求解垂向方向上(Z轴)的变形量。由于塔筒底部承受静荷载，垂向方向变形最大的节点为受静荷载作用节点。同时，受静载作用下的塔筒应力可在同一结构有限元模型中得到。
机舱吊装时，塔筒已搭接完毕。由于塔筒的刚度远小于机舱组合体的刚度。因此，机舱为刚体，塔筒安装时受荷载作用发生变形。静荷载考虑同时作用在塔筒顶端全周长上，塔筒底部固定约束，同时考虑重力加速度的影响。经计算最大垂向变形为0.00397m，静力作用下最大范氏应力为13.21Mpa。计算动力放大系数为2.214，计算的得到受动力荷载作用下的最大范氏应力为29.26Mpa，小于材料屈服强度(Q355)，满足吊装要求。
本发明的优点如下：(1)浮式安装风机突破了传统的支腿平台和坐底平台安装工艺，创新了安装技术。(2)浮式安装风机突破了传统工艺，将引领风电厂家在风机结构上进行优化，更好的满足浮式安装要求。(3)浮式安装风机技术的应用会衍生很多工装装置的创新，使风机安装技术更加全面。(4) 浮式安装风机解决了风机安装设备短缺困境，将市场上大型浮吊船利用起来，推动整个风电领域向前进步。(5)浮式安装风机相对于支腿和坐底船，节省了插拔腿时间和上下潜及坐底时间，对连续性好的作业窗口没有支腿船和坐底船要求那么高，适用性强，且施工工效极大的提升。(6)浮式安装风机采用常规的大型起重船，船舶进点、停靠及人员上下均较便利，安全风险小。(7)浮式安装风机采用市场上现有的大型起重船，可选择设备多，经济性好，结合工效考虑，大大降低了风机安装的成本。(8)浮式安装起重船采用抛锚定位方式，避免了与海床大面积接触，不影响海洋环境及生态。传统的支腿平台需将支腿插入海床内，坐底平台需将整个船底坐于海床上，要求海床平整，无建筑结构，对自然海床也造成一定的破坏。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种利用浮式起重船安装风电机组的方法，风电机组包括风轮、风机机舱、支撑风轮的塔架，塔架包括风机底塔、风机中塔和风机顶塔，风轮包括轮毂和叶片，其特征在于，该方法包括：
分析当前的浮式起重船稳定性，使其稳定性满足施工需求；
在所述浮式起重船上对风机底塔浮式安装；
在所述浮式起重船上对风机中塔和顶塔浮式安装；
在所述浮式起重船上对风机机舱和轮毂浮式安装；
采用坐底船和支腿船安装叶片；所述分析当前的浮式起重船稳定性，使其稳定性满足施工需求，包括：
选择型深大、吃水深、稳性好的大型起重船作为浮式起重船；
计算所述浮式起重船在海洋环境下的自由运动响应；
根据所述自由运动响应调整所述浮式起重船的位置，直至所述浮式起重船的稳定性满足施工需求；所述选择型深大、吃水深、稳性好的大型起重船作为浮式起重船，包括：
结合风电机组的厂家安装技术要求，选择符合在相应海域进行浮式吊装的大型起重船；所述计算所述浮式起重船在海洋环境下的自由运动响应，包括：
通过建立几何模型以及应用水动力计算的浸水表面边界元模型进行稳性分析；
模拟浮式起重船的运动振幅；
计算所述浮式起重船的自由运动响应；
通过建立几何模型以及应用水动力计算的浸水表面边界元模型进行稳性分析，包括：
采用边界元法对浮式起重船浸水表面进行边界元网格划分；
采用PM谱来描述浅水水域的波浪；
确定随机波浪海况条件下的吊点处垂荡运动响应谱，基于分析法的极值预报，获取随机波浪海况条件下吊点处的最大垂荡运动响应幅值；
采用浮体运动与系泊耦合动力学分析方法进行时域仿真分析和时域计算。
2.根据权利要求1所述的利用浮式起重船安装风电机组的方法，其特征在于，所述在所述浮式起重船上对风机底塔浮式安装，包括：
清理用于安装所述风机底塔的基础环；
确定基础环的塔筒门方向；
移动所述风机底塔至所述基础环的上方140～160mm处；
调整所述风机底塔的安装方位，确保所述风机底塔的塔架门朝向塔筒门；
所述风机底塔缓慢、垂直下落就位；
连接基础环和所述风机底塔。
3.根据权利要求1所述的利用浮式起重船安装风电机组的方法，其特征在于，在所述浮式起重船上对风机中塔浮式安装，包括：
选择风机中塔的作业工况；
吊机就位并将风机中塔吊起离地面约100mm，卸下与风机中塔连接的运输支架；
吊机先把风机中塔吊至垂直状态，再把风机中塔吊至风机底塔上方约150mm处；
利用风机中塔内爬梯作为参照，确保风机中塔安装方位正确；
安装风机中塔和风机底塔。
4.根据权利要求1所述的利用浮式起重船安装风电机组的方法，其特征在于，在所述浮式起重船上对风机顶塔浮式安装，包括：
选择风机顶塔和风机顶塔的作业工况；
吊机就位并将风机顶塔吊起离地面约100mm，卸下与风机顶塔连接的运输支架；
吊机先把风机顶塔吊至垂直状态，再把风机顶塔吊至风机中塔上方约150mm处；
利用风机顶塔内爬梯作为参照，确保风机顶塔安装方位正确；
安装风机顶塔和风机中塔。
5.根据权利要求1所述的利用浮式起重船安装风电机组的方法，其特征在于，在所述浮式起重船上对风机机舱浮式安装，包括：
风机机舱吊装前对起重船的吊高、吊重和作业半径进行复核；
起吊时机舱两侧的缆风绳要控制好，机舱吊运过程不得转向；
在风机顶塔和风机机舱内各设置一组定位法兰，一组定位法兰与机舱结构固定，另一组定位法兰与风机顶塔结构固定；
把风机机舱吊至预设位置，以定位法兰为参考确保风机机舱位置准确；
定位销从一组定位法兰插入另一组定位法兰，进行风机顶塔和风机机舱的辅助定位。
6.根据权利要求1所述的利用浮式起重船安装风电机组的方法，其特征在于，在所述浮式起重船上对轮毂浮式安装，包括：
清除对接表面；
风机机舱与轮毂联成一体；
轮毂同风机机舱一起吊至预设位置，利用风机机舱和风机顶塔的定位法兰辅助风机机舱与风机顶塔对接；
固定轮毂和风机顶塔。
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