CN114148451B - 一种适用于浮式海洋能装置的低应力系泊装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于浮式海洋能装备系泊技术领域，具体涉及一种适用于浮式海洋能装置的低应力系泊装置。本发明在传统悬链线系泊方式的基础上，引入浮筒与沉箱系统，形成“Z字形”系泊装置，为钢缆提供一定的变幅范围，避免钢缆持续张紧而发生疲劳破坏。本发明采用可进行重力调节的沉箱与浮筒结构，可减小钢缆在拖航时的预张力，便于拖航与安装；本发明的沉箱结构可确保安装后锚能完全抓紧，不易脱锚；本发明的浮筒结构可增加钢缆的预张力，降低缆绳峰值载荷。

Description

一种适用于浮式海洋能装置的低应力系泊装置
技术领域
本发明属于浮式海洋能装备系泊技术领域，具体涉及一种适用于浮式海洋能装置的低应力系泊装置。
背景技术
国际能源署发布的《2020年世界能源展望》报告显示，预计2020-2030年，可再生能源电力需求将增长2/3，海洋能作为可再生能源的一种，具有无污染、储量大和分布广等优点，具有较大的应用前景。我国南海海洋能资源丰富，有效开发利用海洋能可为海洋工程装备、海洋牧场和岛礁建设等提供清洁能源支持。同时南海地理位置十分重要，开发利用好南海的资源与岛礁，对维护中国海洋权益和海洋地位具有重要作用。为了开发南海海洋能资源，诸多浮式海洋能装置应运而生，它们在保障生活、资源开发、国防军事等方面发挥了巨大的作用。
传统的系泊方式，如悬链线式和张紧式系泊方式，通常应用在中、深水海域，当将他们拓展到近岛礁浅水环境下时会出现一系列的问题，如装置运动响应过大，从而发生触底和负气隙现象；装置与锚泊系统发生共振；锚的上拔力难以消除；频繁的张力变化导致缆绳损坏、断裂。当采用改变系泊缆长度、预张力、系缆绳的数目和张力倾角等优化手段时，效果并不明显，优化的空间很小。南海岛礁附近的地形复杂多变，水深较浅，这些给浮式海洋能装置系泊系统的设计带来了很大的困难。
针对现有系泊装置存在的问题，吴思等提出一种两点“链+重块”系泊系统：拥有两点水下浮筒系泊系统的优势，其良好的弹性特性、能减缓系泊物体的运动，因而减少系泊缆的拉力，同时可以解决两点水下浮筒系泊系统给锚点带来的上拔力较大和土壤因素带来的锚抓持力较小的问题。陈杰诚提出一种自调节弹性浮筒系泊装置，可降低系泊荷载、提高系泊装置稳定性，减少连系件磨损，浅水域使用其优越性尤为明显。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于浮式海洋能装置的低应力系泊装置。
一种适用于浮式海洋能装置的低应力系泊装置，包括浮筒、沉箱、锚；所述浮筒通过缆绳与沉箱连接；所述锚通过锚链与沉箱连接；所述浮筒包括水箱、高压气囊；所述高压气囊位于水箱内部，在水箱上布置有浮筒液控阀门；在抛锚过程中，通过高压气囊和浮筒液控阀门来控制水箱内的压强，由于高压气囊的作用，将海水通过浮筒液控阀门排出水箱，实现浮筒的上浮；
所述沉箱包括气室、沉块、隔板；所述气室上端布置有沉箱液控阀门和单向气阀，在气室内顶部设有导流罩；所述隔板布置于气室内的导流罩下方，将气室内部分隔成多个腔室；所述沉块安装在气室底部；在抛锚过程中，通过沉箱液控阀门和单向气阀来控制气室内的压强，由于气室内与外部海水压强不同，海水通过沉箱液控阀门进入气室之后，通过导流罩均匀的流向气室的四周，实现沉箱的下沉。
进一步地，所述浮筒液控阀门在水箱周围环形阵列布置；通过控制环形阵列布置的浮筒液控阀门的输出速率，保证浮筒平稳上浮。
进一步地，所述单向气阀在气室顶部环形阵列布置；根据沉箱下沉情况，调节环形阵列布置的单向气阀的输出速率，控制隔板分隔的各腔室的进水量，保证沉箱平稳下沉。
进一步地，所述沉块底部设有海胆形嵌固结构，用于适应珊瑚礁地质，使沉箱固定在海底，增加锚抓力。
进一步地，出厂时向装有高压气囊的水箱中注入海水，向沉箱中的气室充满气体，使得浮筒和沉箱能悬浮在海水中并处于“零浮力”状态，进而使缆绳预张力小，便于拖航与浮式波浪能装置连接。
本发明的有益效果在于：
本发明在传统悬链线系泊方式的基础上，引入浮筒与沉箱系统，形成“Z字形”系泊装置，为钢缆提供一定的变幅范围，避免钢缆持续张紧而发生疲劳破坏。本发明采用可进行重力调节的沉箱与浮筒结构，可减小钢缆在拖航时的预张力，便于拖航与安装；本发明的沉箱结构可确保安装后锚能完全抓紧，不易脱锚；本发明的浮筒结构可增加钢缆的预张力，降低缆绳峰值载荷。
附图说明
图1为安装有一组本发明的系泊装置的浮式海洋能装置的结构平面图(拖航)。
图2为安装有一组本发明的系泊装置的浮式海洋能装置的结构平面图(锚固)。
图3为本发明中沉箱的结构平面图。
图4为本发明中沉箱的结构立体图。
图5为本发明中浮筒的结构平面图。
图6为安装有一组本发明的系泊装置的浮式海洋能装置的结构示意图。
图7为安装有两组本发明的系泊装置的浮式海洋能装置的结构示意图。
图8为安装有两组本发明的系泊装置的浮式海洋能装置的结构平面图(拖航)。
图9为安装有两组本发明的系泊装置的浮式海洋能装置的结构平面图(锚固)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
鉴于台风、极端海浪等恶劣海洋环境作用下，浮式海洋能装置在浅水环境下采用悬链线系泊方式其系泊缆绳处于张紧状态，频繁的张力变化极易导致钢缆疲劳损坏、断裂的问题。本发明在传统悬链线系泊方式的基础上，引入浮筒与沉箱系统，形成“Z字形”系泊装置，可增加系泊缆绳的预张力，降低缆绳应力，对于限制浮式海洋能装置的移动，提升浮式海洋能装置的安全运行能力具有重要的意义。同时考虑到施工情况，该装置配置可进行重力调节的装置，方便施工。目前，适应特殊岛礁环境的浅水浮式海洋能装备锚泊系统在国际上尚无先例。
一种适用于浮式海洋能装置的低应力系泊装置，主要由以下结构组成：“沉箱—浮筒”系统，“水上浮筒—浮式海洋能装置”系统、“水下沉箱—锚固结构”系统。
“沉箱—浮筒”系统，沉箱3包含液控阀门6、气室7、沉块8、海胆形嵌固结构9、单向气阀10、导流罩11、隔板12七个部分。浮筒2由水箱13、高压气囊14、液控阀门15三部分组成。其具体的工作原理：本装置在拖航过程中，沉箱与浮筒呈图1所示的“零浮力”状态，随着缆绳一起运动，从而使本装置便于拖航安装。本装置在安装的过程中，浮筒2通过液控阀门15来控制水箱13内的压强，由于浮筒内高压气囊14的作用，将海水通过液控阀门15排出水箱13，从而浮筒的重量减小，开始缓慢上浮；沉箱3通过液控阀门6和单向气阀10控制进入海水的速率，从而来控制下落的速度，使其缓慢下落；直到钢缆、浮筒、沉箱形成“Z字形”系泊状态完成安装，继而保护缆绳不发生疲劳破坏。
“水上浮筒—浮式海洋能装置”系统由浮式海洋能装置1、浮筒2组成。系泊装置可经作业船舶拖航至布置水域，在安装过程中，浮筒浮力慢慢变大开始上浮，同时与下沉的沉箱相配合(浮筒给予向上的力与沉箱给予的拉力所配合)使其连接的缆绳4处于张紧状态，同时浮筒与浮式海洋能装置的连接钢缆也处于张紧状态，解决了预张力不足的问题，同时本装置可以减小浮式海洋能装置的水平位移。
“水下沉箱—锚固结构”系统由沉箱3、锚5组成。传统的船锚抛锚后下降速度难以控制，沉锚瞬间对地基作用力巨大，极易破坏珊瑚礁，而且锚不能有效抓紧珊瑚礁。本装置经作业船舶拖航至安装水域，通过控制沉箱的进水速率使沉箱浮力慢慢变小使船锚缓缓下沉，起很好的缓冲作用，然后缓慢拖航使锚抓紧珊瑚礁。锚抓紧后，控制沉箱使其缓慢下沉，当沉箱沉底之后，由于浮筒会给予沉箱一定的拉力，而沉箱通过躺链对锚产生水平力。一般海况时，沉箱(重力锚)发挥作用，降低上拨力，防止脱锚；极端海况下，沉箱若被提起，锚发挥作用，为海洋能装置抵御极端海洋环境提供双重保障；若遇到百年一遇(设计工况外)极端海况，可将海洋能装置卸下，转运到安全的地点，待台风过后通过定位重新连接海洋能装置，更好的保护浮式海洋能装置。
实施例1：
通过缆绳4将海洋能装置1、浮筒2、沉箱3、锚5相连接。在拖航时，由于出厂时向装有高压气囊14的浮筒2中注入海水，使得浮筒2能沉入水下，悬浮在海水中，处于“零浮力”状态。沉箱3中的气室7充满气体，会使沉箱上浮，悬浮在海水中，处于“零浮力”状态。最终整个系泊装置在拖航时处于如图1所示的状态，缆绳预张力小，便于拖航与浮式波浪能装置连接。
浮筒2包含水箱13、高压气囊14、液控阀门15三部分。在抛锚过程中，浮筒2通过高压气囊14和液控阀门15来控制水箱13内的压强，由于高压气囊的作用，将海水通过液控阀门15排出水箱13，实现浮筒的上浮；液控阀门15在浮筒周围环形阵列布置，通过阀门的输出速度控制，保证浮筒平稳上浮。
沉箱3包含液控阀门6、气室7、沉块8、海胆形嵌固结构9、单向气阀10、导流罩11、隔板12七部分。在抛锚过程中，气室7通过液控阀门6和单向气阀10来控制气室内的压强，由于气室7内与外部海水压强不同，海水通过液控阀门6进入水箱，之后通过导流罩11均匀的流向气室的四周，实现沉箱的下沉；根据沉箱3下沉情况，调节环形阵列的单向气阀10的不同输出速率，控制隔板12分隔的各腔室的进水量，保证沉箱平稳下沉。
在沉箱3下沉后，为了确保其完成锚泊功能，在沉箱底部的海胆形嵌固结构9可以适应珊瑚礁地质，使沉箱3固定在海底，增加锚抓力。
本发明采用“Z字形”系泊理念代替传统悬链线系泊方式可为钢缆提供一定的变幅范围，起缓冲作用，提升钢缆的生存能力；本发明采用可进行重力调节的沉箱与浮筒结构，可减小钢缆在拖航时的预张力，便于拖航与安装；本发明的沉箱结构可确保安装后锚能完全抓紧，不易脱锚；本发明的浮筒结构可增加钢缆的预张力，降低缆绳峰值载荷。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种适用于浮式海洋能装置的低应力系泊装置，其特征在于：包括浮筒(2)、沉箱(3)和锚(5)；所述浮筒(2)通过缆绳(4)与沉箱(3)连接；所述锚(5)通过锚链与沉箱(3)连接；所述浮筒(2)包括水箱(13)和高压气囊(14)；所述高压气囊(14)位于水箱(13)内部，在水箱(13)上布置有浮筒液控阀门(15)；在抛锚过程中，通过高压气囊(14)和浮筒液控阀门(15)来控制水箱(13)内的压强，由于高压气囊(14)的作用，将海水通过浮筒液控阀门(15)排出水箱(13)，实现浮筒(2)的上浮；
所述沉箱(3)包括气室(7)、沉块(8)和隔板(12)；所述气室(7)上端布置有沉箱液控阀门(6)和单向气阀(10)，在气室(7)内顶部设有导流罩(11)；所述隔板(12)布置于气室(7)内的导流罩(11)下方，将气室(7)内部分隔成多个腔室；所述沉块(8)安装在气室(7)底部；在抛锚过程中，通过沉箱液控阀门(6)和单向气阀(10)来控制气室(7)内的压强，由于气室(7)内与外部海水压强不同，海水通过沉箱液控阀门(6)进入气室(7)之后，通过导流罩(11)均匀的流向气室(7)的四周，实现沉箱(3)的下沉。
2.根据权利要求1所述的一种适用于浮式海洋能装置的低应力系泊装置，其特征在于：所述浮筒液控阀门(15)在水箱(13)周围环形阵列布置；通过控制环形阵列布置的浮筒液控阀门(15)的输出速率，保证浮筒(2)平稳上浮。
3.根据权利要求1所述的一种适用于浮式海洋能装置的低应力系泊装置，其特征在于：所述单向气阀(10)在气室(7)顶部环形阵列布置；根据沉箱(3)下沉情况，调节环形阵列布置的单向气阀(10)的输出速率，控制隔板(12)分隔的各腔室的进水量，保证沉箱(3)平稳下沉。
4.根据权利要求1所述的一种适用于浮式海洋能装置的低应力系泊装置，其特征在于：所述沉块(8)底部设有海胆形嵌固结构(9)，用于适应珊瑚礁地质，使沉箱(3)固定在海底，增加锚抓力。
5.根据权利要求1所述的一种适用于浮式海洋能装置的低应力系泊装置，其特征在于：出厂时向装有高压气囊(14)的水箱(13)中注入海水，向沉箱(3)中的气室(7)充满气体，使得浮筒(2)和沉箱(3)能悬浮在海水中并处于“零浮力”状态，进而使缆绳(4)预张力小，便于拖航与浮式波浪能装置连接。
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