CN114475943B - 一种海上变电站及其设计水线位置计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海上发电技术领域，公开了一种海上变电站及其设计水线位置计算方法，包括压载水舱，压载水舱为类圆柱体结构，压载水舱包括有上压载部和垂荡阻尼部，上压载部的中部设置有隔离舱，隔离舱为封闭空腔，并通过设计水线位置计算方法，设置隔离舱的高度等于垂荡阻尼部的高度。根据本发明的海上变电站及其设计水线位置计算方法，降低了波浪漂流力的影响，满足远海、深海、更大风电容量的送出需要，降低施工成本。

Description

一种海上变电站及其设计水线位置计算方法

技术领域

本发明涉及海上发电技术领域，特别是涉及一种海上变电站，以及应用于该海上变电站的设计水线位置计算方法。

背景技术

海上变电站(升压站/换流站)负责集中送出海上风电场的电能，属于核心建筑。现有的深远海海上变电站类型主要包括：导管架配上部组块式变电站、一体化立柱式平台、浮体配上部组块式变电站。

其中，导管架配上部组块式变电站，在基础导管架安装完毕后，上部组块采用吊装(7000吨以下)或者浮拖安装(7000吨以上)方式完成安装，而吊装和浮拖均要求海上具有良好的气象环境，因此导管架配上部组块式变电站的海上施工窗口期短，进度计划波动大。

一体化立柱式平台，整个平台主要包括3个功能层：最下层为重力层，降低整体平台重心，提高稳定性；中间层为浮力层，为平台漂浮在海上提供浮力；最上层为变电站工艺层，提供设备舱室。因此，一体化立柱式平台具有较多的高空作业，海上运输时重心高，导致运输稳性较低，不适合大容量海上风电场集中送出。

浮体配上部组块式变电站，似于导管架式变电站：将基础导管架换成浮体，整个结构物可以直接拖航至目的地，因此浮体式变电站的上部组块重量无限制，风场容量可以较大。但是现有的浮体式变电站，存在以为问题：1)为防止甲板上浪，上部组块首层甲板标高和导管架式平台一样高，上部组块重心较高。在上部组块重心较高的情况下，为了具有较高的稳性，下部浮体必须提供额外重量降低整体平台的重心，即下部浮体做的很大。2)上部组块安装工艺布置成近似矩形，受风荷载时形状系数较高按海工规范应为1.5，且上部组块距离海平面高，因此承受较大的风荷载，为了满足定位要求，锚固系统需要做的较大。3)下部浮体近似矩形，受波浪荷载作用时形状系数较高，下部浮体承受较大的波浪漂流力，因此为了满足定位要求，锚固系统需要进一步做大。

此外，现有的海上变电站还包括有导管架配预制舱式变电站，导管架配预制舱式变电站是将上部组块拆成多个功能模块(预制舱)，每个预制舱在海上独立安装，全部模块安装完毕后，海上完成电缆连接和电气调试，其中预制舱之间的电缆连接、电气调试将增加海上作业时间3至6个月，并且项目进度受气象影响巨大、施工成本高，同时预制舱式增加了海上吊装作业，同时也受吊装资源限制。

随着海上风电的开发，海上变电站离岸距离越来越远、水深越来越深、变电站越来越重，造成海上变电站基础导管架、上部组块的建造和安装成本越来越高、施工越来越难，现有的海上变电站，不能满足远海、深海、更大风电容量的送出需要。

发明内容

本发明的目的是：提供一种海上变电站及其设计水线位置计算方法，降低了波浪漂流力的影响，满足远海、深海、更大风电容量的送出需要，降低施工成本。

为了实现上述目的，本发明第一方面实施例提供了一种海上变电站，包括有压载水舱。

所述压载水舱为类圆柱体结构；所述压载水舱包括有上压载部和垂荡阻尼部；所述上压载部的中部设置有隔离舱；所述隔离舱为封闭空腔；所述隔离舱的高度等于所述上压载部的高度。

根据本发明的一些实施例，所述上压载部的外壁与所述垂荡阻尼部的外壁组成环形凹槽，所述环形凹槽的槽宽朝远离所述压载水舱的轴线逐渐增大。

根据本发明的一些实施例，所述上压载部的下端设置上斜面和垂直面，所述垂直面设置于所述上斜面的靠近所述垂荡阻尼部的一侧；所述垂直面与所述上压载部的轴线平行；所述上斜面沿所述压载水舱的径向朝远离所述垂直面的方向延伸；所述垂荡阻尼部的上端设置有下斜面，所述下斜面与所述垂直面的远离所述上斜面的一侧连接；所述下斜面沿所述压载水舱的径向朝远离所述垂直面的方向延伸。

根据本发明的一些实施例，所述上压载部的上方设置有防浪围壁。

根据本发明的一些实施例，所述防浪围壁内设置有设备舱和备用舱；所述备用舱设置于所述设备舱和所述防浪围壁之间。

根据本发明的一些实施例，所述设备舱的水平截面面积等于所述隔离舱的水平截面面积。

根据本发明的一些实施例，所述设备舱上设置有多个高度不同的设备甲板。

根据本发明的一些实施例，所述垂荡阻尼部的下端设置有锚固装置。

本发明第二方面实施例提供了应用于上述实施例的海水变电站的设计水线位置计算方法，包括下列步骤：

步骤S1:输入工艺重量G_工艺；

步骤S2:获取浮体钢材重量G_钢材，所述浮体钢材重量G_钢材通过以下公式①计算：

浮体钢材重量G_钢材＝G_工艺/27％*73％＝2.7*G_工艺①；

步骤S3:获取所述压载水舱的压载水重量W_压载水，所述压载水重量W_压载水通过以下公式②计算：

W_压载水＝π*(D/2)^2*H1②，其中，D为所述压载水舱1的外径；

步骤S4:获取所述海上水电站受到的浮力F_浮力，所述浮力F_浮力通过以下公式③计算：

F_浮力＝π*(D/2)^2*(H1+H2)③；

步骤S5:设定海上变电站的总重量与浮力平衡，

即：F_浮力＝G_工艺+G_钢材+W_压载水④；

将公式①、公式②和公式③代入公式④，可得下列公式⑤：

π*(D/2)^2*(H1+H2)＝G_工艺+2.7*G_工艺+π*(D/2)^2*H1⑤；

H2＝(3.7*G_工艺)/(π*D^2/4)⑥；

步骤S6:所述压载水重量W_压载水设置如下：

W_压载水＝G_工艺+G_钢材＝G_工艺+2.7G_工艺＝3.7G_工艺⑦，

将公式⑦代入到公式②中，可得:

H1＝(3.7*G_工艺)/(π*D^2/4)⑧；

通过公式⑥和公式⑧可得：

H1＝H2＝(3.7*G_工艺)/(π*D^2/4)。

根据本发明的一些实施例，还包括下列步骤：

步骤S7:输入储备高度H2_备，其中所述储备高度H2_备为所述隔离舱的垂直高度的预留高度，从而可得：

H1＝H2+H2_备⑨。

本发明实施例一种海上变电站及其设计水线位置计算方法，与现有技术相比，其有益效果在于：

本发明实施例的海上变电站及其设计水线位置计算方法，采用类圆柱形结构，使得横摇和纵摇的幅度大大变小，降低整体重心，提高设备漂浮的稳定性，可实现下水安装设备，腾出陆地空间，降低施工成本；在压载水舱中设置垂荡阻尼部，减小垂荡运动，可大大降低波浪漂流力的影响；海上变电站采用漂浮式设计，并通过海上变电站设计水线位置计算方法，设置隔离舱的高度等于上压载部的高度，使得设计水线位置与压载水舱的上平面持平，提高设备漂浮的稳定性。因此，本发明实施例的海上变电站设计水线位置计算方法，降低了波浪漂流力的影响，满足远海、深海、更大风电容量的送出需要，降低施工成本。

附图说明

图1是本发明实施例的海上变电站的正面第一结构示意图；

图2是本发明实施例的海上变电站的俯面结构示意图；

图3是本发明实施例的海上变电站的正面第二结构示意图。

附图标记：

压载水舱1；上压载部11；垂荡阻尼部12；

隔离舱2；防浪围壁3；设备舱4；设备甲板41；备用舱5；锚固装置6；双层船壳7。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为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，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

下面参考图1至3描述根据本发明实施例的海上变电站及其设计水线位置计算方法。

如图1和2所示，根据本发明第一方面实施例的海上变电站，本发明提供了一种海上变电站，包括压载水舱1。

海上变电站包括有上部设备组块和压载水舱1，上部设备组块安装于压载水舱1的上方，压载水舱1浸泡于水中，起到浮体的作用，实现上部设备组块在海上的漂浮。如图1所示，压载水舱1为类圆柱体结构，相对于方形柱体结构，圆柱体结构具有受力均匀的特点，在抗压稳定性和抗弯稳定性上都比方形主体更强，圆柱形结构使得压载水舱1在横摇和纵摇的幅度大大变小，降低整体重心，提高设备漂浮的稳定性，并且在水深增加时，不需要加大压载水舱1的重量，以降低整体重心，与传统的需要增加导管架重量的方式相比，类圆柱形结构的压载水舱1可适应不同水深，降低施工成本。

压载水舱1包括有上压载部11和垂荡阻尼部12，上压载部11设置于垂荡阻尼部12的上方。上压载部11的中部设置有隔离舱2，隔离舱2为封闭空腔，从而压载水舱1采用中空圆柱体结构，降低整体重心，提高设备漂浮的稳定性。其中，根据本方面第二方面实施例的海水变电站的隔离舱2的垂直高度等于垂荡阻尼部12的垂直高度。

根据本发明第二方面实施例的应用于上述实施例的海水变电站的设计水线位置计算方法，设置隔离舱2的垂直高度等于垂荡阻尼部12的垂直高度，可得上压载部11的上平面定为海上变电站的设计水线位置。

根据本发明第二方面实施例的应用于上述实施例的海水变电站的设计水线位置计算方法，将上压载部11的上平面定为海上变电站的设计水线位置，不考虑海缆进出等因素造成的浮力损失，计算如下：

步骤S1:输入工艺重量G_工艺，其中，各工艺专业设备总重量，各专业汇总得到。

步骤S2:获取浮体钢材重量G_钢材，

其中浮体钢材重量G_钢材通过以下公式①得出：

浮体钢材重量G_钢材＝G_工艺/27％*73％＝2.7*G_工艺①。

公式说明：常规换流站上部组块结构占比约60％，增加浮体舱成为浮体结构后，整体结构占比提高到约73％，前期可快速利用上述方法估算整体平台重量。

步骤S3:获取压载水舱1内的压载水重量W_压载水，

其中压载水重量W_压载水通过以下公式②获得：

W_压载水＝π*(D/2)^2*H1②，其中D为压载水舱1的外径；

步骤S4:获取海上水电站受到的浮力F_浮力，

其中浮力F_浮力通过以下公式③获得，

F_浮力＝π*(D/2)^2*(H1+H2)③；

步骤S5:设定海上变电站的总重量与浮力平衡：

即：F_浮力＝G_工艺+G_钢材+W_压载水④；

将公式①、公式②和公式③代入公式④，得到下列公式⑤：

π*(D/2)^2*(H1+H2)＝G_工艺+2.7*G_工艺+π*(D/2)^2*H1⑤；

进一步得到：

H2＝(3.7*G_工艺)/(π*D^2/4)⑥，

由上述公式知：压载水舱1的外径D由工艺布置决定为定值，因此H2高度只与海上变电站的工艺重量G_工艺有关。

步骤S6:基于降低整体平台重心、增加稳性的需要，将压载水重量W_压载水设置如下：

W_压载水＝G_工艺+G_钢材＝G_工艺+2.7G_工艺＝3.7G_工艺⑦，

将公式⑦代入到公式②中，可得:

H1＝(3.7*G_工艺)/(π*D^2/4)⑧，

根据公式⑥和公式⑧可得：

H1＝H2＝(3.7*G_工艺)/(π*D^2/4)，

从而可得隔离舱2的垂直高度等于垂荡阻尼部12的垂直高度。

更进一步地，考虑到隔离舱2中的电缆进出产生一定浮力损失，隔离舱2的垂直高度应预留一定的储备高度H2_备，因此最终可得，垂荡阻尼部12的垂直高度H1和隔离舱2的垂直高度H2的取值大小依据如下：

H2＝(3.7*G_工艺)/(π*D^2/4)，

H1＝H2+H2_备。

需要说明的是，储备高度H2_备的取值范围可设置在1.5米至2.5米之间。

本发明实施例的海上变电站及其设计水线位置计算方法，采用类圆柱形结构，使得横摇和纵摇的幅度大大变小，降低整体重心，提高设备漂浮的稳定性，可实现下水安装设备，腾出陆地空间，降低施工成本；在压载水舱1中设置垂荡阻尼部12，减小垂荡运动，可大大降低波浪漂流力的影响；海上变电站采用漂浮式设计，并通过海上变电站设计水线位置计算方法，设置隔离舱2的高度等于上压载部11的高度，使得设计水线位置与压载水舱1的上平面持平，提高设备漂浮的稳定性。因此，本发明实施例的海上变电站及其设计水线位置计算方法，降低了波浪漂流力的影响，满足远海、深海、更大风电容量的送出需要，降低施工成本。

在本发明的一些具体实施例中，上压载部11的外壁与垂荡阻尼部12的外壁组成环形凹槽，环形凹槽的槽宽朝远离压载水舱1的轴线逐渐增大，从而降低垂荡运动，减少压载水舱的波浪飘浮力。

更进一步地，上压载部11的下端设置上斜面和垂直面，垂直面与压载水舱1的轴线平行，上斜面的下端与垂直面的上端连接，上斜面沿压载水舱1的径向朝远离垂直面的方向延伸，即上压载部11为下端向内缩入，并且连接有一个半径比上压载部11上端半径小的圆柱体。垂荡阻尼部12的上端设置有下斜面，下斜面与垂直面的下端连接，下斜面沿压载水舱1的径向朝远离垂直面的方向延伸，即垂荡阻尼部12为上端向内缩进。上斜面、垂直面和下斜面组成向缩入的环形凹槽，减小垂荡运动，可大大降低波浪漂流力的影响。

需要说明的是，压载水舱1可设置为双层船壳7结构，更进一步地，双层船壳7结构的厚度可设置为1.5米，从而有利于满足破舱安全、建造施工的需要。

在本发明的一些具体实施例中，上压载部11的上端设置有防浪围壁3，如图1所示，防浪围壁3为环形结构，上压载部11的上平面与防浪围壁3的下平面连接，上压载部11的外侧周向面与防浪围壁3的外侧周向面持平，即上压载部11的外径与防浪围壁3的外径大小相等。

在本发明的一些具体实施例中，防浪围壁内设置有设备舱4和备用舱5，备用舱5设置于设备舱4和防浪围壁之间，如图1所示，设备舱4的横截面面积与隔离舱2的横截面面积相等，设备舱4设置于隔离舱2的上方。需要说明的是，如图3所示，设备舱4内可设置有多个设备甲板41，设备舱4和隔离舱2通过设备甲板41分隔，多个设备甲板41将设备舱4分成多层。

在本发明的一些具体实施例中，垂荡阻尼部12的下端设置有锚固装置6，可以理解的是，锚固装置6的数量可设置为多个，多个锚固装置6均匀地分布在垂荡阻尼部12的周向面上。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不退出本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种海上变电站，包括压载水舱，其特征在于，包括：

所述压载水舱为类圆柱体结构；所述压载水舱包括有上压载部和垂荡阻尼部；所述上压载部的中部设置有隔离舱；所述隔离舱为封闭空腔；所述压载水舱的上表面为海上变电站的设计水线，所述隔离舱的高度等于所述垂荡阻尼部的高度；

所述海上变电站的设计水线位置计算方法如下：

步骤S1:输入工艺重量G_工艺；

步骤S2:获取浮体钢材重量G_钢材，所述浮体钢材重量G_钢材通过以下公式①计算：

浮体钢材重量G_钢材＝(G_工艺/27％)*73％＝2.7*G_工艺①；

步骤S3:获取所述压载水舱的压载水重量W_压载水，所述压载水重量W_压载水通过以下公式②计算：

W_压载水＝π*(D/2)^2*H1②，其中，D为所述压载水舱1的外径，H1为垂荡阻尼部的垂直高度；

步骤S4:获取所述海上变电站受到的浮力F_浮力，所述浮力F_浮力通过以下公式③计算：

F_浮力＝π*(D/2)^2*(H1+H2)③，其中，H2为隔离舱的垂直高度；

步骤S5:设定海上变电站的总重量与浮力平衡，

即：F_浮力＝G_工艺+G_钢材+W_压载水④；

将公式①、公式②和公式③代入公式④，可得下列公式⑤：

π*(D/2)^2*(H1+H2)＝G_工艺+2.7*G_工艺+π*(D/2)^2*H1⑤；

H2＝(3.7*G_工艺)/(π*D^2/4)⑥；

步骤S6:所述压载水重量W_压载水设置如下：

W_压载水＝G_工艺+G_钢材＝G_工艺+2.7G_工艺＝3.7G_工艺⑦，

将公式⑦代入到公式②中，可得:

H1＝(3.7*G_工艺)/(π*D^2/4)⑧；

通过公式⑥和公式⑧可得：

H1＝H2＝(3.7*G_工艺)/(π*D^2/4)。

2.根据权利要求1所述的一种海上变电站，其特征在于，所述上压载部的外壁与所述垂荡阻尼部的外壁组成环形凹槽，所述环形凹槽的槽宽朝远离所述压载水舱的轴线逐渐增大。

3.根据权利要求2所述的一种海上变电站，其特征在于，所述上压载部的下端设置上斜面和垂直面，所述垂直面设置于所述上斜面的靠近所述垂荡阻尼部的一侧；所述垂直面与所述上压载部的轴线平行；所述上斜面沿所述压载水舱的径向朝远离所述垂直面的方向延伸；所述垂荡阻尼部的上端设置有下斜面，所述下斜面与所述垂直面的远离所述上斜面的一侧连接；所述下斜面沿所述压载水舱的径向朝远离所述垂直面的方向延伸。

4.根据权利要求1所述的一种海上变电站，其特征在于，所述上压载部的上方设置有防浪围壁。

5.根据权利要求4所述的一种海上变电站，其特征在于，所述防浪围壁内设置有设备舱和备用舱；所述备用舱设置于所述设备舱和所述防浪围壁之间。

6.根据权利要求5所述的一种海上变电站，其特征在于，所述设备舱的水平截面面积等于所述隔离舱的水平截面面积。

7.根据权利要求5所述的一种海上变电站，其特征在于，所述设备舱上设置有多个高度不同的设备甲板。

8.根据权利要求1所述的一种海上变电站，其特征在于，所述垂荡阻尼部的下端设置有锚固装置。

9.根据权利要求1所述的一种海上变电站，其特征在于，所述海上变电站的设计水线位置计算方法还包括下列步骤：

步骤S7:输入储备高度H2_备，其中所述储备高度H2_备为所述隔离舱的垂直高度的预留高度，从而可得：

＝H2+H2_备⑨。

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