CN117341915A - 顺应式系泊混合型浮式风机平台及其使用方法 - Google Patents

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CN117341915A CN202311475889.4A CN202311475889A CN117341915A CN 117341915 A CN117341915 A CN 117341915A CN 202311475889 A CN202311475889 A CN 202311475889A CN 117341915 A CN117341915 A CN 117341915A
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王一品
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Abstract

本发明提供了一种顺应式系泊混合型浮式风机平台及其使用方法。顺应式系泊混合型浮式风机平台，包括半潜型浮式基础、塔筒、风力发电机组、顺应式系泊装置；顺应式系泊装置包括可动压载、滑轮导向机构、系泊缆以及重力锚；可动压载位于半潜型浮式基础下方，其每个顶点分别连接两根系泊缆，可动压载与系泊缆呈星型排布。本发明能够使得浮体本身具备优良的静稳性、动稳性、自安装能力以及稳性实时调节能力，解决了传统浮式风力机运输与安装困难的问题，解决了传统浮式风力机平台占用海域大的问题，解决了传统浮式风力机平台系泊刚度非线性增加带来的系泊载荷波动大、峰值高的问题。

Description

顺应式系泊混合型浮式风机平台及其使用方法
技术领域
本发明涉及海洋风能利用领域，具体地，涉及一种顺应式系泊混合型浮式风机平台及其使用方法。
背景技术
随着近海优质风能资源日趋开发完毕，深远海风能成为了未来清洁能源开发的重要方向，作为开发利用深远海风能的重要工具，浮式风力机的性能与成本直接决定其商业化应用前景。目前已有的浮式风力机平台有三种，分别是张力腿型(TLP)、单柱型(Spar)和半潜型(Semi-submersible)，然而，这三种平台均存在优势与不足。张力腿型浮式风力机具备良好的垂荡与纵摇稳性，但是平台的安装需要借助额外的稳定装置，并且其筋腱的载荷极值大、循环次数高，筋腱若发生断裂将显著影响结构安全。单柱型浮式风力机具备良好的自稳性，但是其吃水较深，对水深的要求高，并且大型单柱的制造与安装较为复杂，无法适应风机大型化的趋势。半潜型浮式风力机的水深适应性强，安装方便，但是其需要较大的水线面惯性矩提供稳性，导致结构尺寸与重量偏大。同时，单柱型和半潜型平台一般使用悬链式系泊，其系泊半径较大，占用海域面积大，布置密度低，不适合大规模风场的应用，同时由于其水平方向回复力主要由锚链的重量提供，在水深较浅的条件下往往需要设计很长的躺底段，且面临锚链载荷大的问题。
为解决上述问题，现有技术CN 108506270A设计了一种安装在张力腿型浮式风机平衡腿端部的调平单元，可通过张力监测模块监测筋腱的载荷，并通过调整筋腱穿出平衡腿的长度实现平台自动调平，但是该调平单元行程不足，不具备实时调节工作工况下载荷变化的能力，因此无法有效降低锚链载荷极值；现有技术CN 104632549A提出了一种在浮式基础下方通过多条缆索悬吊刚性重块的系泊系统，可降低系统的重心，从而提高抗风浪能力，其平台与系泊之间为柔性连接，可降低锚链的极限载荷，但是该装置的刚性重块尺寸较大，生产运输与安装维护成本较高；现有技术CN 211391621U公布了一种结合张力腿平台与半潜平台的混合型浮式风机基础，设计有多个浮筒与桁架式基础通过钢缆柔性连接，达到了较好的水动力性能和经济性，但其桁架式结构不具备自稳性，平台的安装过程较为复杂，且浮筒采用柔性连接的可靠性需要进一步验证；现有技术CN 115923998A提出了一种张力恒定的漂浮系统系泊设备，其系泊缆采用张紧式设计，通过滑轮与柱状锚桩内的重物连接，通过重物的重力维持锚链张力的恒定，避免了锚链张力过大的问题，但其柱状锚桩尺寸较大，且主体部分需要固定于水底泥面以下10-30m，不具备自安装能力；现有技术CN219029694U提出了一种应用于浮式风机的摆锤式系泊装置，将系泊缆的一段固定在铰接吸力筒和浮筒上，通过柔性连接的方式降低了系泊锚链的张力，但其铰接吸力筒和浮筒装置布置半径较大，海域面积的占用有所增加，不利于大规模风场的应用。
综上所述，工程上亟需一种系泊半径小，成本低，稳定性好，安装方便的浮式风力机平台。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种顺应式系泊混合型浮式风机平台及其使用方法。
根据本发明提供的一种顺应式系泊混合型浮式风机平台，包括半潜型浮式基础、塔筒、风力发电机组、顺应式系泊装置；
所述风力发电机组通过所述塔筒与所述半潜型浮式基础连接；
所述顺应式系泊装置安装在所述半潜型浮式基础上。
优选的，所述半潜型浮式基础包括边立柱、旁通、斜撑以及中央立柱；
所述边立柱、所述旁通以及所述斜撑的数量均为多个；
所述中央立柱通过所述旁通与所述斜撑连接所述边立柱；
所述中央立柱上端连接所述塔筒；所述风力发电机组安装在所述塔筒顶部。
优选的，所述顺应式系泊装置包括可动压载、滑轮导向机构、系泊缆以及重力锚；
所述滑轮导向机构的数量为多个；所述滑轮导向机构安装在所述边立柱上；
单个所述滑轮导向机构包括两个第一导向滑轮组件、两个第二导向滑轮组件以及一个导向滑轮支撑结构；
所述第一导向滑轮组件与所述第二导向滑轮组件分别安装在所述导向滑轮支撑结构的两端；
所述系泊缆的一端连接所述可动压载，另一端依次通过所述第一导向滑轮组件以及所述第二导向滑轮组件，与固定于海底的所述重力锚相连；所述系泊缆与锚点连接角度垂直或大于90°；
所述可动压载位于所述半潜型浮式基础下方，所述可动压载为多边形结构；其每个顶点分别连接两根所述系泊缆，每根所述系泊缆分别与斜上方边立柱上对应的所述第一导向滑轮组件连接，所述第一导向滑轮组件顺应系泊缆的方向会产生方向变化，使得所述可动压载与所述系泊缆呈星型排布。
优选的，所述第一导向滑轮组件包括支座、滑轮结构、导向转轴、固定架、活塞杆以及液压缸筒；
所述滑轮结构通过所述导向转轴与所述固定架的一侧相连，所述滑轮结构能够绕所述导向转轴旋转；
所述固定架的另一侧连接所述活塞杆的一端，所述活塞杆的另一端安装在所述液压缸筒内，所述活塞杆能够相对所述液压缸筒做直线运动；所述液压缸筒安装在所述支座上；
所述第二导向滑轮组件结构与所述第一导向滑轮组件结构相同。
优选的，所述第一导向滑轮组件还包括导轨，所述导轨的数量为1个或多个，所述导轨安装在所述支座上，且所述导轨的长度方向与所述活塞杆的运动方向一致。
优选的，所述旁通上设置有压载固定机构；
所述可动压载上设置有固定耳，所述压载固定机构能够与所述固定耳匹配，用于将所述可动压载固定在所述半潜型浮式基础下部，便与运输与安装。
优选的，还包括载荷与运动监测系统，所述载荷与运动监测系统包括采集系统、控制中枢以及执行系统；
所述采集系统包括多种传感器，用于收集所述顺应式系泊混合型浮式风机平台实时运行数据和环境数据，提供给所述控制中枢进行数据处理和指令决策；
所述控制中枢包括运行监测模块、控制模块以及紧急备用模块；所述控制中枢用于将采集系统收集到的实时环境和浮式风机平台运行数据进行处理和分析，并将自主运行和操作指令发送至所述执行系统执行；
所述执行系统包括可动压载姿态控制模块、系泊缆长度控制模块、发电控制模块，所述执行系统用于执行控制中枢发出的指令。
本发明还提供了一种顺应式系泊混合型浮式风机平台的使用方法，所述使用方法为所述的顺应式系泊混合型浮式风机平台的安装维护与稳性调节方法，包括如下阶段：
组装阶段、拖航安装阶段、运维阶段、避险阶段、回收阶段。
优选的，所述组装阶段包括：
步骤101，所述半潜型浮式基础采用常规方式建造，根据所在作业区域的海况以及水深，按需求搭载合适重量与尺寸的所述可动压载，并选择合适长度的所述系泊缆；
步骤102，通过所述压载固定机构将所述半潜型浮式基础与所述可动压载上的所述固定耳连接，将所述系泊缆一端与所述可动压载固定，然后通过船坞或吊装方式下水；
步骤103，将所述半潜型浮式基础与所述可动压载整体停靠在安装码头旁，使用码头吊机完成塔筒与风力发电机组的安装，随后装置主体调转方向，安装各个所述边立柱上的所述滑轮导向机构；
步骤104，将所述系泊缆固定在所述边立柱上，然后将其另一端与所述重力锚相连，悬挂在所述边立柱侧面；同时在港口完成所述监测模块、所述控制模块的安装和调试，保证装置运作正常，做好出海作业的准备；
所述拖航安装阶段包括如下步骤：
步骤201，调整所述可动压载与所述半潜型浮式基础内部的压载舱，使所述半潜型浮式基础达到拖航吃水，使用拖轮拖航至目标安装海域；
步骤202，调整所述可动压载与所述半潜型浮式基础内部的压载舱，使所述半潜型浮式基础达到安装吃水；
步骤203，通过所述边立柱上方布置的绞车释放所述系泊缆的一端，使所述重力锚缓慢下降，直至达到安装深度并固定在海底；
步骤204，压载固定机构解锁，释放所述可动压载，通过所述边立柱上方布置的绞车释放系泊缆的另一端，使所述可动压载缓慢下降，直至达到安装深度；
步骤205，依据各系泊缆张力数据，调节所述可动压载内的压载舱，调节各组导向滑轮的位置，使所有系泊缆拉直并达到设计预张力；在平台调整至工作状态后即可连接电网；
所述运维阶段包括如下步骤：
步骤301，根据所在作业区域的实时海况，确定适宜的工作参数，包括风力机朝向、风力机转速、风力机叶片桨距角、可动压载的重量与悬挂高度、平台的吃水、系泊缆的张力；
步骤302，调节平台、压载与系泊缆的参数达到适宜工作参数，并进行风力发电机对风操作，转动风力发电机机舱对准来风方向；
步骤303，根据采集系统得到的风速、风向，作业控制模块自动下达风力机组发电指令，风力发电机组开始工作；根据采集系统得到的平台与可动压载的运动速度、加速度、姿态，控制模块计算得出可动压载最佳重量与工作深度、平台的最佳吃水、系泊缆最佳张力均值等，并通过执行系统实时进行调节，保证系统在最佳工作状态；
步骤304，若需进行维护，需先使用所述边立柱上布置的绞车将所述可动压载提升，并固定在所述半潜型浮式基础下方，此时平台进入自浮状态，随后完成风机、导向滑轮、液压缸的检修与更换，随后重复步骤204-205，即可重新将平台调整为工作状态。
优选的，所述避险阶段包括如下步骤：
步骤401，遭遇极端工况时，所述控制中枢首先关闭风力发电机，将叶轮锁紧并将桨距角调整至顺桨停机状态，同时调整机舱角度，使得叶轮正面对准主风向；
步骤402，所述控制中枢将降低系泊缆载荷的优先级提高，调节压载水以降低所述可动压载的重量，降低工作深度，以最大程度地降低系泊缆所受载荷，提高平台的生存能力与使用寿命；极端工况结束后，重复步骤301-303，平台重新正常运行发电；
所述回收阶段包括如下步骤，
步骤501，如平台到达工作寿命或需要返回港口进行维修，首先重复步骤304将所述可动压载回收并固定，断开电网连接，收起锚链，调节压载水使平台进入拖航状态，再通过拖轮拖航至港口完成回收。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过半潜型浮式基础、顺应式系泊装置、可动压载以及载荷与运动监测系统相结合的混合型平台设计，使得浮体本身具备优良的静稳性、动稳性、自安装能力以及稳性实时调节能力，解决了传统浮式风力机运输与安装困难的问题，解决了传统浮式风力机平台占用海域大的问题，解决了传统浮式风力机平台系泊刚度非线性增加带来的系泊载荷波动大、峰值高的问题。
2、本发明中，系泊缆与可动压载采用星型布置，限制了可动压载的运动范围，降低了工作过程中系泊缆干涉以及压载与平台发生碰撞的风险。
3、本发明通过在立柱上方布置多组绳长调节机构(即滑轮导向机构，所述滑轮导向机构利用所述活塞杆伸缩原理实现绳长调节机构功能)，可单独调节某根系泊缆或多根系泊缆的空间布置形状，解决了安装后由于水下锚连接点高度不相同使得系泊缆与可动压载连接点高度不同，造成的初始张力不相同的问题；进一步，根据海况不同，可对所有系泊缆的空间布置几何形状进行调节，达到增加系统稳性、降低系泊缆动态张力的问题。
4、本发明中，所述的顺应式系泊装置，配合半潜型浮式基础上安装的滑轮导向机构，可降低系泊缆的峰值载荷与疲劳损伤，降低系泊缆发生断裂的风险。
5、本发明中，通过使用模块化设计，使得滑轮导向装置与平台可以分离，便于系泊缆、滑轮以及导向装置的检修更换，解决了传统张紧式系泊装置难以检修的问题。
6、本发明中，通过在可动压载中布置多组压载舱，可调整可动压载的重量、重心位置及姿态，从而达到调节平台稳性的目的，解决了张力不均的问题，提高了平台对不同环境条件的适应能力。
7、本发明还提供了一套浮式风力机平台安装和维护方法，通过滑轮与绞车，可实现配重与重力锚的收放，解决了传统浮式风力机平台安装、维护、拆除难度高的问题。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明主要体现立体结构的结构示意图；
图2为本发明主要体现正面结构的结构示意图；
图3为本发明主要体现侧面结构的结构示意图；
图4为本发明主要体现俯视结构的结构示意图；
图5为本发明主要体现滑轮导向机构的结构示意图；
图6为本发明主要体现第一导向滑轮组件旋转时的结构示意图；
图7为本发明主要体现第一导向滑轮组件中活塞杆伸出时的结构示意图；
图8为本发明主要体现第一导向滑轮组件的爆炸图；
图9为本发明主要体现平台向上垂荡运动时系泊系统的工作示意图；
图10为本发明主要体现平台向下垂荡运动时系泊系统的工作示意图；
图11为本发明主要体现平台向后纵荡运动时系泊系统的工作示意图；
图12为本发明主要体现平台向前纵荡运动时系泊系统的工作示意图；
图13为本发明主要体现平台逆时针纵摇运动时系泊系统的工作示意图；
图14为本发明主要体现平台顺时针纵摇运动时系泊系统的工作示意图；
图15为本发明主要体现系泊缆长度调整的示意图；
图16为本发明主要体现系泊缆载荷不均的问题时，系泊缆长度调整的示意图；
图17为本发明主要体现码头组装过程的示意图；
图18为本发明主要体现拖航安装过程的示意图；
图19为本发明主要体现控制系统的框图示意图。
图中示出：
半潜型浮式基础100 第一导向滑轮组件4021
边立柱101 滑轮结构40211
旁通102 导向转轴40212
斜撑103 支座40213
中央立柱104 活塞杆40214
压载固定机构105 液压缸筒40215
塔筒200 固定架40216
风力发电机组300 导轨40217
顺应式系泊装置400 第二导向滑轮组件4022
可动压载401 导向滑轮支撑结构4023
固定耳4011 系泊缆403
滑轮导向机构402 重力锚404
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本发明提供了一种顺应式系泊混合型浮式风机平台，如图1-8所示，包括半潜型浮式基础100、塔筒200、风力发电机组300、顺应式系泊装置400；风力发电机组300通过塔筒200与半潜型浮式基础100连接；顺应式系泊装置400安装在半潜型浮式基础100上。
半潜型浮式基础100包括边立柱101、旁通102、斜撑103以及中央立柱104；边立柱101、旁通102以及斜撑103的数量均为多个，且数量一一对应；中央立柱104通过旁通102与斜撑103连接边立柱101，具体的，边立柱101与中央立柱104通过旁通102与斜撑103相连接，更具体的，斜撑两端分别连接边立柱101的中部和中央立柱的上部；中央立柱上端连接塔筒200，风力发电机组300安装在塔筒200顶部。半潜型浮式基础具有一般半潜式平台的结构特点，由多个边立柱101提供稳性，立柱内设有水密舱，可用于装载工作设备、调整压载等。
顺应式系泊装置400包括可动压载401、滑轮导向机构402、系泊缆403以及重力锚404；滑轮导向机构402的数量为多个，本实施例中为三个，与边立柱101的数量一一对应；滑轮导向机构402安装在边立柱101上；
如图5所示，可动压载401与滑轮导向机构402采用模块化设计，单个滑轮导向机构402包括两个第一导向滑轮组件4021、两个第二导向滑轮组件4022，共四个模块化的导向滑轮组件，以及一个导向滑轮支撑结构4023；第一导向滑轮组件4021与第二导向滑轮组件4022分别安装在导向滑轮支撑结构4023的两端；
系泊缆403的一端连接可动压载401，另一端依次通过第一导向滑轮组件4021以及第二导向滑轮组件4022，与固定于海底的重力锚404相连；系泊缆403与锚点连接角度垂直或大于90°，本实施例中为垂直。
可动压载401位于半潜型浮式基础100下方，可动压载401为多边形结构，本实施例中为三角形；其每个顶点分别连接两根系泊缆403，在一个优选例中，系泊缆403与可动压载401紧固连接。每根系泊缆403分别与斜上方边立柱101上对应的第一导向滑轮组件4021连接，第一导向滑轮组件4021顺应系泊缆的方向会产生方向变化，使得可动压载401与系泊缆403呈星型排布。如图4、图9与图10所示，在平衡状态下，系泊缆403与水平面的夹角为θ，压载的湿重为M，六根系泊缆403的拉力均为T，则满足Mg＝6Tsinθ，其中g为重力加速度，则这样的星型设计可以限制可动压载的运动范围，防止系泊缆403发生干涉或压载与平台发生碰撞。系泊缆403通过第一导向滑轮组件4021后方向转为水平方向，再由第二导向滑轮组件4022轮将方向转为垂直方向与重力锚相连，两个导向滑轮可以随系泊缆的方向调整方向，使得系泊缆不承受剪力，只承受拉力，并将系泊载荷传递到半潜型浮式基础100上，保持浮式风力机平台的位置与姿态。在平台运动时，可动压载401的姿态和高度也会随之，从而改变了θ，使得系泊缆拉力与方向产生变化，提供回复力，具体如图9所示，平台向上运动时，压载也随之以更快的速度上升，此时系泊缆的拉力为/>其中Fd为可动压载所受到的阻尼力，α为系泊缆与水平面夹角的变化量，系泊缆拉力增大，提供一部分向下的回复力；如图10所示，平台向下运动时压载随之下降，系泊缆403拉力变为/>系泊缆403拉力减小,可动压载起到限制半潜型浮式基础100垂荡运动的作用。如图11-图12所示，平台向前或向后发生纵荡运动时，压载也会随之上升，此时系泊缆403的拉力为/>系泊缆403拉力增大，且系泊缆403与海底的夹角减小了β，因此水平方向的回复力为如图13-图14所示，平台纵摇或横摇运动时，上升侧的系泊缆与水平面夹角增大，下降侧的系泊缆与水平面的夹角减小，且可调压载向上升侧运动，因此上升侧系泊缆拉力增大，下降侧系泊缆拉力减小，对平台产生和运动方向相反的回复力矩，当平台如图13做逆时针转动时，回复力矩为(ΔT2+ΔT3-2ΔT1)L1，其中ΔT1为第一组系泊缆拉力的变化量，ΔT2为第二组系泊缆拉力的变化量，ΔT3为第三组系泊缆拉力的变化量，L1为锚点到平台中心的水平距离，当平台如图14做顺时针转动时，回复力矩为(2ΔT1-ΔT2+ΔT3)L1。
如图6-图8所示，第一导向滑轮组件4021包括支座40213、滑轮结构40211、导向转轴40212、固定架40216、活塞杆40214和液压缸筒40215；滑轮结构40211通过导向转轴40212与固定架40216的一侧相连，滑轮结构40211能够绕导向转轴40212旋转，以调节系泊缆403的方向，使得系泊缆只承受拉力，不承受剪力。可动压载401内部设有多组压载舱，通过压载水的调节可调整可动压载的重量、重心位置及姿态。固定架40216的另一侧连接活塞杆40214的一端，活塞杆40214的另一端安装在液压缸筒40215内；液压缸筒40215安装在支座40213上；第二导向滑轮组件4022结构与第一导向滑轮组件4021结构相同。
在一个优选例中，第一导向滑轮组件4021还包括导轨40217，导轨40217的数量为1个或多个，导轨40217安装在支座40213上，且导轨40217的长度方向与活塞杆40214的运动方向一致。
综上所述，导向转轴与滑轮则通过固定架与多组导轨相连，优选为四组，呈方形排布，活塞杆一端固定在固定架上，与液压缸筒组成液压油缸，可通过液压控制活塞杆的伸缩，带动滑轮与导向转轴前后移动。如图15所示，所有第一导向滑轮伸长即可使可动压载的高度提升，配合可动压载重量的调节，还可以调整平台的吃水，以应对各种海况下的稳性要求，降低锚链的动态张力，达到调节平台稳性的目的；单独调节某组或某几组第一导向滑轮，配合可动压载重心的调节，也可对单根系泊缆或多根系泊缆的空间布置形状进行调节，如图16所示，当锚点高度不同带来系泊缆载荷不均的问题时，将其所在侧的第一导向滑轮伸长，即可再次使系统达到平衡状态，解决初始张力不相同的问题。
在一个优选例中，旁通102上设置有压载固定机构105；优选的，压载固定机构105为通孔结构。可动压载401上设置有固定耳4011，压载固定机构105能够与固定耳4011匹配，用于将可动压载401固定在半潜型浮式基础100下部，便与运输与安装。
顺应式系泊混合型浮式风机平台，还包括载荷与运动监测系统，如图19所示，载荷与运动监测系统包括采集系统、控制中枢和执行系统；采集系统包括多种传感器，用于收集顺应式系泊混合型浮式风机平台实时运行数据和环境数据，提供给控制中枢进行数据处理和指令决策；采集系统包括平台姿态传感器、风速风向传感器、浪高浪向传感器、系泊缆张力传感器、可动压载姿态传感器、压载舱液位传感器、油缸位置传感器、发电模块传感器等。其中，平台姿态传感器包含加速度计和陀螺仪等，主要负责采集平台实时的浮态以及运动数据，包括六自由度加速度以及纵倾、横倾数据；风速风向传感器主要采集装置不同位置处的风速和风向信息，包括平台、风力发电机轮毂等位置；浪高传感器主要采集平台边立柱、中央立柱等位置的实时浪高数据；系泊缆张力传感器主要采集各系泊缆所受的张力数据；可动压载姿态传感器和压载舱液位传感器主要采集可动压载的位置、姿态、速度、压载布置情况等数据；油缸位置传感器主要采集第一导向滑轮的位置信息；发电模块传感器，主要包括风力发电机实时发电功率传感器、转速传感器、偏航角度传感器、塔筒应力传感器等，主要负责收集记录风力发电机的实时工作状态数据，以供控制系统对平台的姿态与稳性进行调整控制。
控制中枢包括运行监测模块、控制模块以及紧急备用模块；控制中枢用于将采集系统收集到的实时环境和浮式风机平台运行数据进行处理和分析，并将自主运行和操作指令发送至执行系统执行；具体的，运行监测模块将必要的数据转化为图表，并通过可视化界面提供给地面站工作人员远程实时监控。作业控制模块主要负责向执行系统输出操作运行指令，包括调节可动压载姿态指令、第一导向滑轮位置调节指令、风力机组发电指令等。紧急备用模块是作业控制模块基础上的简化模块，主要负责在作业控制模块失效的极端情况下紧急接管控制。该模块提供执行系统的人工控制渠道，在紧急状况下切换到该模块后，可以实现各部分人工控制，从而保证发明装置在紧急状况下的脱困避险。
执行系统包括可动压载姿态控制模块、系泊缆长度控制模块、发电控制模块，执行系统用于执行控制中枢发出的指令。其中可动压载姿态控制模块主要负责根据指令控制可动压载内压载舱的液位，从而改变可动压载的重量重心。系泊缆长度控制模块主要负责根据指令调整第一导向滑轮的位置，进而调整系泊缆的长度，以调节系泊缆的张力。发电控制模块主要采用自动化控制，包含控制风力发电机发电功率、气动扭矩和推力等。
实施例2
本发明还提供了一种安装维护与稳性调节方法，使用方法为顺应式系泊混合型浮式风机平台的安装维护与稳性调节方法，包括如下阶段：
组装阶段、拖航安装阶段、运维阶段、避险阶段、回收阶段。
组装阶段包括：
步骤101：半潜型浮式基础100采用常规方式建造，根据所在作业区域的海况以及水深，按需求搭载合适重量与尺寸的可动压载401，并选择合适长度的系泊缆403。
步骤102：通过压载固定机构105将半潜型浮式基础100与可动压载上的固定耳4011连接，如图17所示，待装置其他部分均已完工后，将系泊缆403一端与可动压载401固定，然后通过船坞或吊装等方式下水。
步骤103：将半潜型浮式基础100与可动压载401整体停靠在安装码头旁，使用码头吊机完成塔筒200与风力发电机组300的安装，随后装置主体调转方向，安装各个边立柱101上的滑轮导向机构402。
步骤104：将系泊缆403固定在边立柱101上，然后将其另一端与重力锚404相连，将重力锚404悬挂在边立柱101侧面；同时在港口完成其他监测模块、控制模块的安装和调试，保证装置运作一切正常，做好出海作业的全部准备；
如图18所示，拖航安装阶段包括如下步骤：
步骤201：调整可动压载401与半潜型浮式基础100内部的压载舱，使半潜型浮式基础100达到拖航吃水，使用拖轮拖航至目标安装海域；
步骤202：调整可动压载401与半潜型浮式基础100内部的压载舱，使半潜型浮式基础100达到安装吃水；后将系泊缆403从边立柱101上取下，并将端部与可动压载401连接，再将重力锚404从边立柱101侧面取下。
步骤203：通过边立柱101上方布置的绞车(即滑轮导向机构402，滑轮导向机构402利用活塞杆40214伸缩原理实现绞车功能)释放系泊缆403的一端，使重力锚404缓慢下降，直至达到安装深度并固定在海底。
步骤204：压载固定机构105解锁，释放可动压载401，通过边立柱101上方布置的绞车(即滑轮导向机构402，滑轮导向机构402利用活塞杆40214伸缩原理实现绞车功能)释放系泊缆403的另一端，使可动压载401缓慢下降，直至达到安装深度。
步骤205：依据各系泊缆403张力数据，调节可动压载401内的压载舱，调节各组导向滑轮的位置，使所有系泊缆403拉直并达到设计预张力。在平台调整至工作状态后即可连接电网。
运维阶段包括如下步骤：
步骤301：根据所在作业区域的实时海况，确定适宜的工作参数，包括风力机朝向、风力机转速、风力机叶片桨距角、可动压载的重量与悬挂高度、平台的吃水、系泊缆的张力等。
步骤302：调节平台、压载与系泊缆的参数达到适宜工作参数，并进行风力发电机对风操作，转动风力发电机机舱对准来风方向。
步骤303：根据采集系统得到的风速、风向，作业控制模块自动下达风力机组发电指令，风力发电机组开始工作。根据采集系统得到的平台与可动压载的运动速度、加速度、姿态，控制模块计算得出可动压载最佳重量与工作深度、平台的最佳吃水、系泊缆最佳张力均值等，并通过执行系统实时进行调节，保证系统在最佳工作状态。
步骤304：若需进行维护，需先使用边立柱101上布置的绞车将可动压载401提升，并固定在半潜型浮式基础100下方，此时平台进入自浮状态，随后完成风机、导向滑轮、液压缸等设备的检修与更换，随后重复步骤204-205，即可重新将平台调整为工作状态。
避险阶段包括如下步骤：
步骤401：遭遇极端工况时，控制中枢首先关闭风力发电机，将叶轮锁紧并将桨距角调整至顺桨停机状态，同时调整机舱角度，使得叶轮正面对准主风向。
步骤402：控制中枢将降低系泊缆载荷的优先级提高，调节压载水以降低可动压载的重量，降低工作深度，以最大程度地降低系泊缆所受载荷，提高平台的生存能力与使用寿命。极端工况结束后，重复步骤301-303，平台重新正常运行发电。
回收阶段包括如下步骤：
步骤501：如平台到达工作寿命或需要返回港口进行维修，首先应重复步骤304将可动压载回收并固定，断开电网连接，收起锚链，调节压载水使平台进入拖航状态，再通过拖轮拖航至港口完成回收。
本发明提供的半潜型浮式基础、顺应式系泊装置、可动压载以及载荷与运动监测系统相结合的混合型平台设计，实现低成本、高稳性以及小系泊半径，并具有优良的稳性、自调平能力和稳性调节能力，以适应不同海底状态与环境条件，平台还具备自安装能力，便于维护，可解决传统浮式风力机平台成本高、安装困难、系泊载荷高等问题。
综上所述，本发明采用了半潜型浮式基础100、顺应式系泊装置400、可动压载401以及载荷与运动监测系统相结合的混合型平台设计，使得平台具有优良的稳性，有效解决了系泊系统载荷峰值大、易产生疲劳损伤的问题；平台本身具有自浮稳性，且系泊半径小，有利于高密度布置，有效降低了浮式风机制造、运输与安装的成本；基于上述顺应式系泊混合型浮式风机平台，本发明还提供了一套浮式风机安装维护与稳性调节方法，可实现浮式风机自安装以及运行过程中的载荷监测与稳性调节，保证了浮式风机在不同海况下的安全。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种顺应式系泊混合型浮式风机平台，其特征在于，包括半潜型浮式基础(100)、塔筒(200)、风力发电机组(300)、顺应式系泊装置(400)；
所述风力发电机组(300)通过所述塔筒(200)与所述半潜型浮式基础(100)连接；
所述顺应式系泊装置(400)安装在所述半潜型浮式基础(100)上。
2.根据权利要求1所述的顺应式系泊混合型浮式风机平台，其特征在于，所述半潜型浮式基础(100)包括边立柱(101)、旁通(102)、斜撑(103)以及中央立柱(104)；
所述边立柱(101)、所述旁通(102)以及所述斜撑(103)的数量均为多个；
所述中央立柱(104)通过所述旁通(102)与所述斜撑(103)连接所述边立柱(101)；
所述中央立柱(104)上端连接所述塔筒(200)；所述风力发电机组(300)安装在所述塔筒(200)顶部。
3.根据权利要求2所述的顺应式系泊混合型浮式风机平台，其特征在于，所述顺应式系泊装置(400)包括可动压载(401)、滑轮导向机构(402)、系泊缆(403)以及重力锚(404)；
所述滑轮导向机构(402)的数量为多个；所述滑轮导向机构(402)安装在所述边立柱(101)上；
单个所述滑轮导向机构(402)包括两个第一导向滑轮组件(4021)、两个第二导向滑轮组件(4022)以及一个导向滑轮支撑结构(4023)；
所述第一导向滑轮组件(4021)与所述第二导向滑轮组件(4022)分别安装在所述导向滑轮支撑结构(4023)的两端；
所述系泊缆(403)的一端连接所述可动压载(401)，另一端依次通过所述第一导向滑轮组件(4021)以及所述第二导向滑轮组件(4022)，与固定于海底的所述重力锚(404)相连；所述系泊缆(403)与锚点连接角度垂直或大于90°；
所述可动压载(401)位于所述半潜型浮式基础(100)下方，所述可动压载(401)为多边形结构；其每个顶点分别连接两根所述系泊缆(403)，每根所述系泊缆(403)分别与斜上方边立柱(101)上对应的所述第一导向滑轮组件(4021)连接，所述第一导向滑轮组件(4021)顺应系泊缆(403)的方向会产生方向变化，使得所述可动压载(401)与所述系泊缆(403)呈星型排布。
4.根据权利要求3所述的顺应式系泊混合型浮式风机平台，其特征在于，所述第一导向滑轮组件(4021)包括支座(40213)、滑轮结构(40211)、导向转轴(40212)、固定架(40216)、活塞杆(40214)以及液压缸筒(40215)；
所述滑轮结构(40211)通过所述导向转轴(40212)与所述固定架(40216)的一侧相连，所述滑轮结构(40211)能够绕所述导向转轴(40212)旋转；
所述固定架(40216)的另一侧连接所述活塞杆(40214)的一端，所述活塞杆(40214)的另一端安装在所述液压缸筒(40215)内，所述活塞杆(40214)能够相对所述液压缸筒(40215)做直线运动；所述液压缸筒(40215)安装在所述支座(40213)上；
所述第二导向滑轮组件(4022)结构与所述第一导向滑轮组件(4021)结构相同。
5.根据权利要求4所述的顺应式系泊混合型浮式风机平台，其特征在于，所述第一导向滑轮组件(4021)还包括导轨(40217)，所述导轨(40217)的数量为1个或多个，所述导轨(40217)安装在所述支座(40213)上，且所述导轨(40217)的长度方向与所述活塞杆(40214)的运动方向一致。
6.根据权利要求3所述的顺应式系泊混合型浮式风机平台，其特征在于，所述旁通(102)上设置有压载固定机构(105)；
所述可动压载(401)上设置有固定耳(4011)，所述压载固定机构(105)能够与所述固定耳(4011)匹配，用于将所述可动压载(401)固定在所述半潜型浮式基础(100)下部，便与运输与安装。
7.根据权利要求1所述的顺应式系泊混合型浮式风机平台，其特征在于，还包括载荷与运动监测系统，所述载荷与运动监测系统包括采集系统、控制中枢以及执行系统；
所述采集系统包括多种传感器，用于收集所述顺应式系泊混合型浮式风机平台实时运行数据和环境数据，提供给所述控制中枢进行数据处理和指令决策；
所述控制中枢包括运行监测模块、控制模块以及紧急备用模块；所述控制中枢用于将采集系统收集到的实时环境和浮式风机平台运行数据进行处理和分析，并将自主运行和操作指令发送至所述执行系统执行；
所述执行系统包括可动压载姿态控制模块、系泊缆长度控制模块、发电控制模块，所述执行系统用于执行控制中枢发出的指令。
8.一种顺应式系泊混合型浮式风机平台的使用方法，其特征在于，所述使用方法为权利要求1至7中任一项所述的顺应式系泊混合型浮式风机平台的安装维护与稳性调节方法，包括如下阶段：
组装阶段、拖航安装阶段、运维阶段、避险阶段、回收阶段。
9.根据权利要求8所述的顺应式系泊混合型浮式风机平台的使用方法，其特征在于，所述组装阶段包括：
步骤101，所述半潜型浮式基础(100)采用常规方式建造，根据所在作业区域的海况以及水深，按需求搭载合适重量与尺寸的所述可动压载(401)，并选择合适长度的所述系泊缆(403)；
步骤102，通过所述压载固定机构(105)将所述半潜型浮式基础(100)与所述可动压载(401)上的所述固定耳(4011)连接，将所述系泊缆(403)一端与所述可动压载(401)固定，然后通过船坞或吊装方式下水；
步骤103，将所述半潜型浮式基础(100)与所述可动压载(401)整体停靠在安装码头旁，使用码头吊机完成塔筒(200)与风力发电机组(300)的安装，随后装置主体调转方向，安装各个所述边立柱(101)上的所述滑轮导向机构(402)；
步骤104，将所述系泊缆(403)固定在所述边立柱(101)上，然后将其另一端与所述重力锚(404)相连，悬挂在所述边立柱(101)侧面；同时在港口完成所述监测模块、所述控制模块的安装和调试，保证装置运作正常，做好出海作业的准备；
所述拖航安装阶段包括如下步骤：
步骤201，调整所述可动压载(401)与所述半潜型浮式基础(100)内部的压载舱，使所述半潜型浮式基础(100)达到拖航吃水，使用拖轮拖航至目标安装海域；
步骤202，调整所述可动压载(401)与所述半潜型浮式基础(100)内部的压载舱，使所述半潜型浮式基础(100)达到安装吃水；
步骤203，通过所述边立柱(101)上方布置的绞车释放所述系泊缆(403)的一端，使所述重力锚(404)缓慢下降，直至达到安装深度并固定在海底；
步骤204，压载固定机构(105)解锁，释放所述可动压载(401)，通过所述边立柱(101)上方布置的绞车释放系泊缆(403)的另一端，使所述可动压载(401)缓慢下降，直至达到安装深度；
步骤205，依据各系泊缆(403)张力数据，调节所述可动压载(401)内的压载舱，调节各组导向滑轮的位置，使所有系泊缆(403)拉直并达到设计预张力；在平台调整至工作状态后连接电网；
所述运维阶段包括如下步骤：
步骤301，根据所在作业区域的实时海况，确定适宜的工作参数，包括风力机朝向、风力机转速、风力机叶片桨距角、可动压载的重量与悬挂高度、平台的吃水、系泊缆的张力；
步骤302，调节平台、压载与系泊缆的参数达到适宜工作参数，并进行风力发电机对风操作，转动风力发电机机舱对准来风方向；
步骤303，根据采集系统得到的风速、风向，作业控制模块自动下达风力机组发电指令，风力发电机组开始工作；根据采集系统得到的平台与可动压载的运动速度、加速度、姿态，控制模块计算得出可动压载最佳重量与工作深度、平台的最佳吃水、系泊缆最佳张力均值，并通过执行系统实时进行调节，保证系统在最佳工作状态；
步骤304，若需进行维护，需先使用所述边立柱(101)上布置的绞车将所述可动压载(401)提升，并固定在所述半潜型浮式基础(100)下方，此时平台进入自浮状态，随后完成风机、导向滑轮、液压缸的检修与更换，随后重复步骤204-205，重新将平台调整为工作状态。
10.根据权利要求9所述的顺应式系泊混合型浮式风机平台的使用方法，其特征在于，所述避险阶段包括如下步骤：
步骤401，遭遇极端工况时，所述控制中枢首先关闭风力发电机，将叶轮锁紧并将桨距角调整至顺桨停机状态，同时调整机舱角度，使得叶轮正面对准主风向；
步骤402，所述控制中枢将降低系泊缆载荷的优先级提高，调节压载水以降低所述可动压载的重量，降低工作深度，以最大程度地降低系泊缆所受载荷，提高平台的生存能力与使用寿命；极端工况结束后，重复步骤301-303，平台重新正常运行发电；
所述回收阶段包括如下步骤，
步骤501，如平台到达工作寿命或需要返回港口进行维修，首先应重复步骤304将所述可动压载回收并固定，断开电网连接，收起锚链，调节压载水使平台进入拖航状态，再通过拖轮拖航至港口完成回收。
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