CN114455017A - 漂浮体及漂浮式海上变电站及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种漂浮体及漂浮式海上变电站及其安装方法。本发明所采用的技术方案是：一种漂浮体，其特征在于：所述漂浮体的内部经隔板分隔成多个舱室，在每个舱室内设有水位监测装置和充气气囊，所述水位监测装置用于监测各个舱室内水位，所述充气气囊用于在漂浮体破损导致漂浮体舱室内水位上升后自动充气，为漂浮体提供临时性浮力。一种漂浮式海上变电站，其特征在于：具有漂浮在海面上的上部漂浮结构，上部漂浮结构通过预应力钢绞线与固定在海底的沉底结构连接，在上部漂浮结构上固定安装有水平系泊结构；所述上部漂浮结构具有若干通过下弦杆相互连接的漂浮体，在漂浮体上安装支撑框架，在支撑框架顶部搭建甲板，在甲板上安装变电站设备。

Description

漂浮体及漂浮式海上变电站及其安装方法

技术领域

本发明涉及一种漂浮体及漂浮式海上变电站及其安装方法。适用于海上风电开发领域。

背景技术

海上变电站搭载着复杂、精贵的成套系统设备，承担着海上风电场电力汇集、变压、转换、传输的功能，堪称全场的“心脏”。目前海上变电站均为基础底部固定在海床或与海床直接接触的型式，尚未有漂浮式基础应用的先例。当前海上风电等新能源开发正日益向深远海进军，随着场址水深的增加，浮式基础因此造价对水深的敏感性较小，在与固定式基础的经济性对比中逐渐开始具备优势。在2015年7月8日公布的中国发明专利，名称为“混合浮式海上升压站结构”，专利号为CN201520007018.4，将钢筋混凝土沉箱与自升式上部结构集成，上部结构可在钢筋混凝土沉箱的柱状自升系统上随着海平面的升降而升降。但该钢筋混凝土沉箱的重量大、自升式上部结构复杂笨重，且因柱状自升系统设置长度有限，不适用于深海领域。在2020年9月11日公开的中国发明专利，名称为“一种深吃水半潜式海上换流站”，专利号为CN201921975631.X中，将部分设备置于浮体中，与浮体一起直接承受水动力作用，对设备的抗振性能要求过高。与其他类型的海上漂浮式结构物不同，海上升压站需要严格地限制上部组块结构的六自由度运动与动力响应，以保障电气设备系统的正常使用性能。如果浮体自身的水动力性能不佳，则设备将面临极大地易损性风险，或是被迫采用代价较大地减振、隔振措施，丧失与固定式基础相比的竞争优势。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为解决上述技术问题，本发明提供一种结构稳定，材料利用率高的漂浮体及漂浮式海上变电站及其安装方法。

本发明所采用的技术方案是：一种漂浮体，其特征在于：所述漂浮体的内部经隔板分隔成多个舱室，在每个舱室内设有水位监测装置和充气气囊，所述水位监测装置用于监测各个舱室内水位，所述充气气囊用于在漂浮体破损导致漂浮体舱室内水位上升后自动充气，为漂浮体提供临时性浮力。如此，便于在漂浮体发生局部损坏造成舱室内水位上升时，漂浮体各个舱室内的水位监测装置会监测到舱室内的水位变化。并通过自适应调节其他舱室水位和向该舱室内充气气囊内充气，为该漂浮体短暂提供临时性浮力。

一种漂浮式海上变电站，其特征在于：具有漂浮在海面上的上部漂浮结构，上部漂浮结构通过预应力钢绞线与固定在海底的沉底结构连接，在上部漂浮结构上固定安装有水平系泊结构；

所述上部漂浮结构具有若干通过下弦杆相互连接的漂浮体，在漂浮体上安装支撑框架，在支撑框架顶部搭建甲板，在甲板上安装变电站设备。如此，变电站设备可以稳定安装在甲板上，并通过漂浮体稳定漂浮在海面上。同时该海上变电站通过竖向锚固结构和水平系泊结构与海底固定连接，避免该海上变电站随海流移动，同时增加了海上变电站的水动力性能和在海上的稳定性，便于在出现漂浮体破损时保持该海上变电站在海面上的稳定，避免出现因一处漂浮体部分损坏时造成该海上变电站的浮力不均匀，对该海上变电站上的设备及人员造成伤害。

所述支撑框架具有固定安装在各个漂浮体顶部的竖向支撑杆，竖向支撑杆之间通过固定连接在竖向支撑杆顶部的横撑连接杆和固定连接在竖向支撑杆上部位置处的上弦杆连接，所述漂浮体通过腹杆与连接在漂浮体上竖向支撑杆上的上弦杆固定连接，支撑框架外围的横撑连接杆与上弦杆之间通过若干斜杆连接。如此，漂浮体之间和漂浮体与支撑框架之间可以稳定连接，为该支撑框架上的变电站设备提供稳定支撑，同时可以使变电站设备和人员在距离海平面一定高度上，避免出现海浪打到甲板上对甲板上的人员和变电站设备造成影响。

所述沉底结构具有若干沉在海底的沉箱，沉箱顶端固定安装有一个沉箱锚固端，所述漂浮体底部固定安装有一个浮体锚固端，沉箱锚固端与两个相邻的漂浮体的浮体锚固端之间通过预应力钢绞线连接。如此，通过一个沉箱与两个漂浮体连接，使得该竖向锚固结构连接稳定，各预应力钢绞线所有拉力均匀，使上部漂浮结构能稳定锚固在海底上。

在预应力钢绞线的顶部位置处固定连接有用于在预应力钢绞线在沉箱沉入海底时使预应力钢绞线顶端漂浮在近海面位置处的浮筒。如此，便于将球体漂浮与深海海底的沉箱连接。将沉箱沉入到深海海底时，固定连接在沉箱上的预应力钢绞线会在浮筒的作用下漂浮在海洋内，通过水下机器人即可在近海面位置将预应力钢绞线连接到漂浮体的浮体锚固端上。

在所述浮体锚固端上配有钢绞线张力监测传感器和钢绞线调节装置，所述钢绞线调节装置用于在钢绞线张力监测传感器监测到预应力钢绞线应力变化后对预应力钢绞线进行张紧。如此，便于根据海平面高度调整该海上变电站的高度。当海平面高度发生变化后，浮体锚固端上钢绞线张力监测传感器实时监测预应力钢绞线的张力变化，并通过钢绞线调节装置调节预应力钢绞线的长度，使预应力钢绞线受到稳定的应力，使上部漂浮结构漂浮在距海平面一定高度位置。

所述水平系泊结构具有若干系泊组，系泊组均匀分布在甲板外围，每组系泊组内均有若干系泊缆，系泊缆的一端通过系泊导管与固定安装在甲板上的锚机连接，系泊缆的另一端通过辅助船舶在海面上调整位置，系泊缆在调整至合适位置后沉入海底。如此，增加该海上变电站漂浮在海平面上的稳定性。

在所述甲板四周固定安装防护栏杆。如此，增加人员在甲板上的安全性，有效避免人员从甲板上摔落。

一种漂浮式海上变电站的安装方法，用于安装上述的漂浮式海上变电站，其特征在于：

在陆上加工厂内制作漂浮体、支撑框架、沉箱等装置，并在陆上加工厂内完成漂浮体、支撑框架、甲板、变电站设备的装配与变电站设备的调试，以及完成沉箱与预应力钢绞线的连接；

通过浮吊将预制好的上部漂浮结构整体吊装至驳船上，通过牵引船将上部漂浮结构运输至指定海域，同时向指定海域发运预应力钢绞线和沉箱；

在钢绞线顶部设置浮筒，将沉箱在设计位置处放入海中并使其沉入海底，预应力钢绞线的顶端在浮筒的作用下悬浮在近海面位置；

驳船压载后向下沉，漂浮体进入水面下，同时由辅助船舶带动系泊缆向上部漂浮结构外移动，在达到合适位置后将系泊缆沉入海中；

上部漂浮结构在海平面上达到平衡后，驳船继续压载下沉；在上部漂浮结构完全脱离驳船后，由牵引船牵引驳船撤离；

漂浮体内进行压载直至漂浮体完全没入水面并达到设计深度，通过水下机器人实现将预应力钢绞线与漂浮体的浮体锚固端连接；

完成预应力钢绞线与浮体锚固端的连接后完全排出漂浮体内压载水并拆除预应力钢绞线上的浮筒。

本发明的有益效果是：1、本发明采用漂浮体且完全处于水面下，水面附近构件尺寸小，整体系统水动力系统表现优秀，所受的水平荷载较小，避免了传统浮式结构的二阶漂移作用，更易抵抗恶劣及极端海况作用；

2、本发明采用竖向锚固结构及水平系泊结构来限制系统的六自由度动力响应，尤其是具有缩、放自适应调整的预应力钢绞线可很大程度降低垂向振动，保障浮式变电站设备运行的可靠性；

3、本发明上部组块布置紧凑、重量轻，浮体框架钢结构用量少，同时所采用的预应力钢绞线技术成熟，造价低，整体工程经济性更具备竞争优势。

附图说明

图1：本发明漂浮式海上变电站立面图。

图2：本发明中漂浮体及安装框架的示意图。

图3：本发明中漂浮体的框架轴测图。

图4：本发明上部结构平面布置图。

图5-图8：本发明施工安装示意图。

图9：本发明在位时轴侧示意图。

图中：1、漂浮体，11、隔板，12、充气气囊，13、水位监测装置，2、支撑框架，21、下弦杆，22、上弦杆，23、腹杆，24、横撑连接杆，25、斜杆，26、竖向支撑杆，3、竖向锚固结构，31、预应力钢绞线，32、沉箱，4、系泊缆，5、甲板，51、系泊导管，52、防护栏杆，61、驳船，62、牵引船，71、临时支撑架，72、适航固定装置，8、浮筒。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例1为一种漂浮体，漂浮体1的内部经隔板分隔成多个舱室，在每个舱室内设有水位监测装置13和充气气囊12。

本实施例中，所述水位监测装置13用于监测各个舱室内水位，所述充气气囊12用于在漂浮体1破损导致漂浮体舱室内水位上升后自动充气，为漂浮体1提供临时性浮力。

实施例2为一种漂浮式海上变电站，具有漂浮在海面上的上部漂浮结构，上部漂浮结构通过预应力钢绞线31与固定在海底的沉箱32连接，在上部漂浮结构上固定安装有水平系泊结构。所述上部漂浮结构具有在海面上由上至下布置的甲板5、支撑框架2和漂浮体1，在甲板5上安装变电站设备。甲板5与支撑框架2固定连接，支撑框架2与漂浮体1固定连接。

本实施例中，在海平面上漂浮有8个通过下弦杆21互相连接的漂浮体1。漂浮体1与下弦杆21在海平面上成八边形结构。每个漂浮体1内有6个舱室，并在每个舱室内设置水位监测装置13和充气气囊12。如此，增加了该海上变电站的水动力性能和在海上的稳定性。在漂浮体1发生局部损坏造成舱室内水位上升时，漂浮体1各个舱室内的水位监测装置13会监测到舱室内的水位变化。并通过自适应调节其他舱室水位和向该舱室内充气气囊12内充气，为该漂浮体1短暂提供临时性浮力，便于在出现漂浮体1破损时保持该海上变电站在海面上的稳定，避免出现因一处漂浮体1部分损坏时造成该海上变电站的浮力不均匀，对该海上变电站上的设备及人员造成伤害。

本实施例中，在8个漂浮体1上均固定安装有竖向支撑杆26。在两个竖向支撑杆26的顶端之间固定安装横撑连接杆24，在两个竖向支撑杆26的上部之间固定安装上弦杆22。竖向支撑杆26之间通过固定连接在竖向支撑杆26顶部的横撑连接杆24和固定连接在竖向支撑杆26上部位置处的上弦杆22连接。漂浮体1通过腹杆23与连接在漂浮体1上竖向支撑杆26上的上弦杆22固定连接，支撑框架2外围的横撑连接杆24与上弦杆22之间通过若干斜杆25连接。本实施例中，支撑框架2的顶面也成八边形，相邻两个竖向支撑杆26之间和间隔了两个竖向支撑杆26的竖向支撑杆26之间均固定连接有所述的横撑连接杆24和上弦杆22。如此，漂浮体1之间和漂浮体1与支撑框架2之间可以稳定连接，为该支撑框架2上的变电站设备提供稳定支撑，同时可以使变电站设备和人员在距离海平面一定高度上，避免出现海浪打到甲板5上对甲板5上的人员和变电站设备造成影响。

本实施例中，在支撑框架2顶部搭建有甲板5，在甲板5上安装变电站设备。并在甲板5外围固定安装有用于放置甲板5上人员掉落的防护栏杆52。

本实施例中，在上部漂浮结构的安装位置处的海底，具有8个沉箱32，8个沉箱32分别与相邻两个漂浮体1通过预应力钢绞线31连接。每个沉箱32顶部均固定安装有沉箱32锚固端，每个沉箱32锚固端上均连接有两根预应力钢绞线31。预应力钢绞线31的一端固定连接在沉箱32锚固端上，预应力钢绞线31的另一端连接有浮筒8，用于将沉箱32沉入到海底时，连接在沉箱32上的预应力钢绞线31可以漂浮在近海面的位置处，便于后续将预应力钢绞线31连接到漂浮体1上。所述预应力钢绞线31需经过浸油处理，并且将预应力钢绞线31与其外套管整体成型出厂，使预应力钢绞线31具有良好的耐久性。

本实施例中，在每个漂浮体1的底部均固定设有浮体锚固端。通过水下机器人将一端连接在沉箱32上的预应力钢绞线31连接在漂浮体1上。使一个漂浮体1分别与漂浮体1在海底对应位置两侧的沉箱32连接。增加沉箱32与漂浮体1之间的连接稳定性。

进一步的，本实施例中，在浮体锚固端上还设有张力监测传感器和机械调节装置。在海平面高度发生变化时，每根预应力钢绞线31受到的拉力也会发生变化。张力监测传感器实时监测每根预应力钢绞线31的张力。由人员鉴别所处海面的升降，后由人员操作机械调节装置对预应力钢绞线31的张紧段长度进行相应地缩放，使预应力钢绞线31所受张力处于合理的范围内。

本实施例中，在甲板5外围设有4个锚机组，每个锚机组有3个锚机，4个锚机组分别安装在支撑框架2外围间隔一个横撑连接杆24的横撑连接杆24处对应的甲板5上。每个锚机上均通过系泊导管51连接有一根系泊缆4。每一组锚机组上的系泊缆4的另一端通过辅助船舶在海面上调整位置，并在将系泊缆4调整至合适位置后沉入海底。使该上部漂浮结构可以稳定连接在海底。

本实施例中，在陆地上组装完成的上部漂浮结构吊装在驳船61上，驳船61由牵引船62牵引，运输至上部漂浮结构安装位置。

实施例2的安装方法为：

在陆上加工厂内制作漂浮体1、支撑框架2、沉箱32等装置，并在陆上加工厂内完成漂浮体1、支撑框架2、甲板5、变电站设备的装配与变电站设备的调试，以及完成沉箱32与预应力钢绞线31的连接；

通过浮吊将预制好的上部漂浮结构整体吊装至驳船61上，将上部漂浮结构安装在驳船的临时支撑架71上，并通过适航固定装置72固定在驳船上。所述适航固定装置72具有固定连接在上部漂浮结构上的钢缆，所述钢缆固定连接在驳船上的安装环上。通过牵引船62将上部漂浮结构运输至指定海域，同时向指定海域发运预应力钢绞线31和沉箱32；

在钢绞线顶部设置浮筒8，将沉箱32在设计位置处放入海中并使其沉入海底，预应力钢绞线31的顶端在浮筒8的作用下悬浮在近海面位置；

驳船61压载后向下沉，漂浮体1进入水面下，同时由辅助船舶带动系泊缆4向上部漂浮结构外移动，在达到合适位置后将系泊缆4沉入海中；

上部漂浮结构在海平面上达到平衡后，驳船61继续压载下沉；在上部漂浮结构完全脱离驳船61后，由牵引船62牵引驳船61撤离；

漂浮体1内进行压载直至漂浮体1完全没入水面并达到设计深度，通过水下机器人实现将预应力钢绞线31与漂浮体1的浮体锚固端连接；

完成预应力钢绞线31与浮体锚固端的连接后完全排出漂浮体1内压载水并拆除预应力钢绞线31上的浮筒8。完成连接后完全排除漂浮体1内压载水并拆除预应力钢绞线31上的浮筒8，此时钢绞线处于绷紧状态。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种漂浮体，其特征在于：所述漂浮体的内部经隔板分隔成多个舱室，在每个舱室内设有水位监测装置和可充气气囊，所述水位监测装置用于监测各个舱室内水位，所述可充气气囊用于在漂浮体破损导致漂浮体舱室内水位上升后自动充气，为漂浮体提供临时性浮力。

2.一种漂浮式海上变电站，具有权利要求1所述的漂浮体，其特征在于：具有漂浮在海面上的上部漂浮结构，上部漂浮结构通过预应力钢绞线与固定在海底的沉底结构连接，在上部漂浮结构上固定安装有水平系泊结构；

所述上部漂浮结构具有若干通过下弦杆相互连接的漂浮体，在漂浮体上安装支撑框架，在支撑框架顶部搭建甲板，在甲板上安装变电站设备。

3.根据权利要求2所述的一种漂浮式海上变电站，其特征在于：所述支撑框架具有固定安装在各个漂浮体顶部的竖向支撑杆，竖向支撑杆之间通过固定连接在竖向支撑杆顶部的横撑连接杆和固定连接在竖向支撑杆上部位置处的上弦杆连接，所述漂浮体通过腹杆与连接在漂浮体上竖向支撑杆上的上弦杆固定连接，支撑框架外围的横撑连接杆与上弦杆之间通过若干斜杆连接。

4.据权利要求2所述的一种漂浮式海上变电站，其特征在于：所述沉底结构具有若干沉在海底的沉箱，沉箱顶端固定安装有一个沉箱锚固端，所述漂浮体底部固定安装有一个浮体锚固端，沉箱锚固端与两个相邻的漂浮体的浮体锚固端之间通过预应力钢绞线连接。

5.据权利要求4所述的一种漂浮式海上变电站，其特征在于：在预应力钢绞线的顶部位置处固定连接有用于在预应力钢绞线在沉箱沉入海底时使预应力钢绞线顶端漂浮在近海面位置处的浮筒。

6.据权利要求4或5所述的一种漂浮式海上变电站，其特征在于：在所述浮体锚固端上配有钢绞线张力监测传感器和钢绞线调节装置，所述钢绞线调节装置用于在钢绞线张力监测传感器监测到预应力钢绞线应力变化后对预应力钢绞线进行张紧。

7.据权利要求2所述的一种漂浮式海上变电站，其特征在于：所述水平系泊结构具有若干系泊组，系泊组均匀分布在甲板外围，每组系泊组内均有若干系泊缆，系泊缆的一端通过系泊导管与固定安装在甲板上的锚机连接，系泊缆的另一端在海面上调整至合适位置后沉入海底。

8.据权利要求2所述的一种漂浮式海上变电站，其特征在于：在所述甲板外围固定安装防护栏杆。

9.一种漂浮式海上变电站的安装方法，用于安装上述任意权利要求1-8所述的漂浮式海上变电站，其特征在于：

在陆上加工厂内制作漂浮体、支撑框架、沉箱等装置，并在陆上加工厂内完成漂浮体、支撑框架、甲板、变电站设备的装配与变电站设备的调试，以及完成沉箱与预应力钢绞线的连接；

通过浮吊将预制好的上部漂浮结构整体吊装至驳船上，通过牵引船将上部漂浮结构运输至指定海域，同时向指定海域发运预应力钢绞线和沉箱；

在钢绞线顶部设置浮筒，将沉箱在设计位置处放入海中并使其沉入海底，预应力钢绞线的顶端在浮筒的作用下悬浮在近海面位置；

驳船压载后向下沉，漂浮体进入水面下，同时由辅助船舶带动系泊缆向上部漂浮结构外移动，在达到合适位置后将系泊缆沉入海中；

上部漂浮结构在海平面上达到平衡后，驳船继续压载下沉；在上部漂浮结构完全脱离驳船后，由牵引船牵引驳船撤离；

漂浮体内进行压载直至漂浮体完全没入水面并达到设计深度，通过水下机器人实现将预应力钢绞线与漂浮体的浮体锚固端连接；

完成预应力钢绞线与浮体锚固端的连接后完全排出漂浮体内压载水并拆除预应力钢绞线上的浮筒。

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