CN113955029A - 一种浅水海上漂浮式风机系泊系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浅水海上漂浮式风机系泊系统，包括风机、设于风机下方的浮体基础以及设于浮体基础四周的多组系泊结构，每组系泊结构包括至少一个系泊结构单元，每个系泊结构单元包括锚链、浮筒组件和若干配重组件，锚链的上端与浮体基础固定连接，其下端固定于海底；浮筒组件固设于靠近浮体基础的锚链上，用于给锚链提供竖直向上的浮力，该浮力大于此处锚链受到的竖直向下作用力；各配重组件均固设于浮筒组件与锚链下端之间的锚链上，用于给锚链提供竖直向下的拉力。本发明利用浮筒改变锚链形状，优化系泊结构的回复力；同时锚链装有配重块，增加锚链单位长度密度，提升悬链线效应，增加系泊刚度，可减少用钢量和锚链长度，节省制造和施工成本。

Description

一种浅水海上漂浮式风机系泊系统

技术领域

本发明涉及海上风力发电技术领域，具体涉及一种浅水海上漂浮式风机系泊系统。

背景技术

中国海上风资源丰富，海上风电开发潜力在20亿千瓦以上，绝大部分处于50m水深以上区域。漂浮式风机在深远海相比固定式风机更具有工程经济性，并随着水深增加其经济优势更加凸显。一般来说，40-60m水深的海域属浅水区域。我国现有的漂浮式风机示范工程项目基本都处于该水深范围内。

由于水深影响，漂浮式风机的系泊结构在浅水环境的设计难度较高，极大地增加了漂浮式风机的建造成本。浅水环境下，悬链线式系泊方案由于锚链悬挂在水中的长度过短，很难依靠自身质量形成悬链线效应，较难为风机提供足够的回复力，容易导致风机位移超过安全范围。张紧式系泊方案适用于浅水环境，但是该方案成本较高，且国内目前没有厂家可以生产供永久系泊使用的人工合成缆绳，也没有安装经验。

面对由水深过浅引起的海上漂浮式风机的系泊问题，一般采用增加锚链系泊半径，提高锚链单位密度的方法，使得锚链悬挂在水中的长度增加，重量变大，从而保证系泊结构在漂浮式风机偏移时提供足够的回复力。这种方法需要使用较长的锚链，制造成本高昂，并且施工也会更加复杂。

基于上述情况，本发明提出了一种浅水海上漂浮式风机系泊系统，可有效解决以上问题。

发明内容

为了解决浅水漂浮式风机悬链线式系泊方案系泊半径大、悬链线效应小的问题，本发明提出了一种浅水海上漂浮式风机系泊系统。本发明应用场景为浅水范围，利用浮筒改变锚链形状，优化系泊结构的回复力；同时锚链装有配重块，增加锚链单位长度密度，提升悬链线效应，增加系泊刚度，可减少用钢量和锚链长度，节省制造和施工成本。

为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：

一种浅水海上漂浮式风机系泊系统，包括风机、设于风机下方的浮体基础以及设于浮体基础四周的多组系泊结构，每组系泊结构包括至少一个系泊结构单元，每个系泊结构单元包括：

锚链，所述锚链的上端与浮体基础固定连接，其下端固定于海底；

浮筒组件，所述浮筒组件固设于靠近浮体基础的锚链上，用于给锚链提供竖直向上的浮力，该浮力大于此处锚链受到的竖直向下作用力；以及

若干配重组件，各所述配重组件均固设于浮筒组件与锚链下端之间的锚链上，用于给锚链提供竖直向下的拉力。

优选的是，所述浮筒组件和配重组件均通过连接卡扣与锚链固定连接，连接卡扣包括两个对称布置的卡扣面板以及两端分别与两个卡扣面板固定连接的若干连接杆。

进一步优选的是，所述浮筒组件包括浮筒，浮筒底部连接有连接缆，连接缆通过环形扣形成一个连接环与连接锚链相连，连接锚链另一端与锚链固定连接。

更进一步优选的是，所述浮筒完全浸没于海水中，且距离水面有一定距离。

进一步优选的是，每个所述配重组件包括配重块、一端与配重块顶部固定连接且另一端与锚链固定连接的连接锚链。

更进一步优选的是，所述配重块为密度高于海水密度的实心物体。

优选的是，每组所述系泊结构包括两个对称布置的系泊结构单元，两个系泊结构单元的上端与浮体基础相交于一处。

优选的是，所述浮筒组件与锚链下端之间的锚链分为悬空于海水中的悬挂段和平铺于海底上的平躺段，悬挂段和平躺段上均配置有若干配重组件。

优选的是，所述锚链上端与浮式基础通过系泊设备连接，用于约束浮体基础的偏移。

优选的是，所述锚链下端通过锚或者锚桩固定于海底。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

浮筒组件改变锚链原有布置形状，靠近浮体基础与浮筒组件之间的锚链与水平面之间的夹角变小，锚链水平方向上的拉力增加，可有效提升系泊结构在水平方向上的刚度，避免漂浮式风机在风浪的作用下产生过大的偏移。

悬挂段的配重组件增加锚链的单位长度密度，有效提升悬链线式系泊结构的悬链线效应，增加锚链的预应力和系泊结构的回复力。避免锚链在低预应力产生张紧-松弛现象和冲击载荷，降低锚链的疲劳载荷和极限载荷。

锚能承受较大的水平拉力，而在向上的拉力的作用下容易发生走锚现象。平躺段安装配重块，增加锚链重力，避免锚链在浮体基础的拉扯下产生对锚向上的拉力从而导致锚固失效。

配重块可采用混凝土结构，相对使用大直径长锚链的布置方案，混凝土造价更加便宜且耐腐蚀性好，节省建造成本。

附图说明

图1为本发明整体示意图；

图2为本发明的系泊结构示意图；

图3为本发明的浮筒组件示意图；

图4为本发明的配重组件示意图；

图5为本发明的连接卡扣内部示意图；

图6为本发明的锚链和连接卡扣装配示意图。

附图标记：1、风机；2、浮体基础；3、系泊结构；3-1、锚链；3-2、浮筒组件；3-3、配重组件；3-4、连接卡扣；3-21、浮筒；3-22、连接缆；3-23、环形扣；3-24、连接锚链； 3-31、配重块；3-41、卡扣面板；3-42、连接杆。

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，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如图1所示，本发明是一种浅水海上漂浮式风机系泊系统，涉及海上风力发电技术领域。该体系包括风机1、浮体基础2和设于浮体基础2四周的多组系泊结构3。风机1的叶轮在风的作用下旋转带动内部齿轮箱和发电机旋转，将风能转换为电能。浮体基础2为整个漂浮式风机提供浮力，保证风机在正常工作过程中不产生倾覆，内部电气设备不浸入水中。系泊结构3约束漂浮式风机在风、浪、流等环境载荷的作用下处于安全的运动范围内，不产生过大的偏移距离。每组所述系泊结构3包括两个对称布置的系泊结构单元，两个系泊结构单元的上端与浮体基础2相交于一处。

如图2所示，系泊结构单元包括锚链3-1，浮筒组件3-2和配重组件3-3。锚链3-1上端与浮体基础2通过系泊设备连接(系泊设备如：锚机、止链器、导缆器)，下端通过锚或者锚桩固定在海底。锚链3-1上依次布置浮筒组件3-2和配重组件3-3。根据项目实际情况，可选择在锚链3-1的悬挂段和平躺段分别安装配重组件3-3。悬挂段配重块增加系泊结构的悬链线效应，平躺段配重块增加系泊结构与泥面摩擦力以及系泊结构的抗上拔力。浮筒组件3-2完全浸没在水中，为锚链3-1提供竖直向上的浮力，改变了锚链3-1原有的悬链线形状，减小锚链顶端与水平面的夹角，降低锚链3-1在顶部系泊点处竖直方向上的张力分量，有效提升系泊结构水平方向的回复力。

进一步地，所述锚链3-1为海洋工程用钢制锚链，可以是有档锚链或无档锚链。

如图3所示，浮筒组件3-2包括浮筒3-21、连接缆3-22、环形扣3-23和连接锚链3-24。浮筒3-21与连接缆3-22相连，浮筒形状可选用球形，方形或其他形状，连接缆3-22材料可选用钢丝绳、锚链或复合材料材质。连接缆3-22底部通过环形扣3-23形成一个环形，与连接锚链3-24相连。连接锚链3-24通过卡扣面板3-41连接在锚链3-1上并由于浮力提供一个向上的拉力。

进一步地，所述浮筒3-21完全浸没在水中，且距离水面有一定距离。浮筒外壳为防水材料，内部充满空气或惰性气体，具有一定的浮力。浮筒外壳材料可为钢材或高密度聚乙烯或橡胶材料。

如图4所示，配重组件3-3包括连接锚链3-24和配重块3-31。连接锚链3-24与锚链3-1通过连接卡扣3-4相连。在配重块3-31制作过程中预留连接环，连接锚链3-24穿过连接环与配重块3-31连接。配重块3-31材质需远大于海水密度，一般采用混凝土、铅块等。在重力作用下，配重块3-31提供竖直向下的拉力，增加锚链3-1的张力，可有效提高锚链 3-1单位长度密度，增加系泊结构3的悬链线效应。

如图5所示，连接卡扣3-4包括卡扣面板3-41和连接杆3-42。连接卡扣3-4材料为钢制，连接杆3-42通过铸造或焊接连接在两侧的卡扣面板3-41上。

如图6所示，连接锚链3-24的锚链3-1的环孔穿过连接卡扣3-4的连接杆3-42，两侧卡扣面板3-41避免锚链脱落，使得各结构连成一个整体。

整个系统在静水平衡状态，相比不采用浮筒组件3-2和配重组件3-3的系泊结构3，本发明的浅水海上漂浮式风机系泊系统在配重组件3-3重力的作用下，提升了锚链的预张力，可有效减小系泊结构发生松弛-张紧现象和产生冲击载荷。

在海洋波浪中，波浪首先对漂浮式风机的浮体基础2产生作用力，导致浮体基础2偏移，受浮体基础2的影响，锚链3-1顶端位移发生变化，在配重块3-31以及锚链3-1自身的重力作用下，系泊结构产生回复力使得浮体基础2回到初始平衡位置。由于使用配重块 3-31，相比仅采用锚链3-1，重力作用显著增加，同时又因为浮筒3-21减小锚链3-1顶端与水平面的夹角，使得锚链在水平方向上回复力增大。因此采用浮筒组件3-2和配重组件 3-3的系泊结构3的回复力优于传统仅采用锚链的系泊结构。

本发明提供了一种浅水海上漂浮式风机系泊系统，相比传统漂浮式风机的悬链线式系统方案，本方案增强了系泊结构的悬链线效应，优化了系泊锚链的形状，有利于增加系泊结构的回复力和预张力，减小漂浮式风机的位移，降低系泊结构产生松弛-张紧现象和冲击载荷的几率。

依据本发明的描述及附图，本领域技术人员很容易制造或使用本发明的一种浅水海上漂浮式风机系泊系统，并且能够产生本发明所记载的积极效果。

如无特殊说明，本发明中，若有术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此本发明中描述方位或位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以结合附图，并根据具体情况理解上述术语的具体含义。

除非另有明确的规定和限定，本发明中，若有术语“设置”、“相连”及“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种浅水海上漂浮式风机系泊系统，包括风机(1)、设于风机(1)下方的浮体基础(2)以及设于浮体基础(2)四周的多组系泊结构(3)，其特征在于，每组系泊结构(3)包括至少一个系泊结构单元，每个系泊结构单元包括：

锚链(3-1)，所述锚链(3-1)的上端与浮体基础(2)固定连接，其下端固定于海底；

浮筒组件(3-2)，所述浮筒组件(3-2)固设于靠近浮体基础(2)的锚链(3-1)上，用于给锚链(3-1)提供竖直向上的浮力，该浮力大于此处锚链(3-1)受到的竖直向下作用力；以及

若干配重组件(3-3)，各所述配重组件(3-3)均固设于浮筒组件(3-2)与锚链(3-1)下端之间的锚链(3-1)上，用于给锚链(3-1)提供竖直向下的拉力。

2.根据权利要求1所述的浅水海上漂浮式风机系泊系统，其特征在于：所述浮筒组件(3-2)和配重组件(3-3)均通过连接卡扣(3-4)与锚链(3-1)固定连接，连接卡扣(3-4)包括两个对称布置的卡扣面板(3-41)以及两端分别与两个卡扣面板(3-41)固定连接的若干连接杆(3-42)。

3.根据权利要求1或2所述的浅水海上漂浮式风机系泊系统，其特征在于：所述浮筒组件(3-2)包括浮筒(3-21)，浮筒(3-21)底部连接有连接缆(3-22)，连接缆(3-22)通过环形扣(3-23)形成一个连接环与连接锚链(3-24)相连，连接锚链(3-24)另一端与锚链(3-1)固定连接。

4.根据权利要求3所述的浅水海上漂浮式风机系泊系统，其特征在于：所述浮筒(3-21)完全浸没于海水中，且距离水面有一定距离。

5.根据权利要求1或2所述的浅水海上漂浮式风机系泊系统，其特征在于：每个所述配重组件(3-3)包括配重块(3-31)、一端与配重块(3-31)顶部固定连接且另一端与锚链(3-1)固定连接的连接锚链(3-24)。

6.根据权利要求5所述的浅水海上漂浮式风机系泊系统，其特征在于：所述配重块(3-31)为密度高于海水密度的实心物体。

7.根据权利要求1所述的浅水海上漂浮式风机系泊系统，其特征在于：每组所述系泊结构(3)包括两个对称布置的系泊结构单元，两个系泊结构单元的上端与浮体基础(2)相交于一处。

8.根据权利要求1所述的浅水海上漂浮式风机系泊系统，其特征在于：所述浮筒组件(3-2)与锚链(3-1)下端之间的锚链(3-1)分为悬空于海水中的悬挂段和平铺于海底上的平躺段，悬挂段和平躺段上均配置有若干配重组件(3-3)。

9.根据权利要求1所述的浅水海上漂浮式风机系泊系统，其特征在于：所述锚链(3-1)上端与浮式基础通过系泊设备连接，用于约束浮体基础(2)的偏移。

10.根据权利要求1所述的浅水海上漂浮式风机系泊系统，其特征在于：所述锚链(3-1)下端通过锚或者锚桩固定于海底。

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