TW202219381A - 風力渦輪塔之搬送系統及方法 - Google Patents

Abstract

一種風力渦輪塔(1)之搬送系統及方法。船(6)係用於搬送一個或多個塔(1)至安裝地點，支架(4)係用於在搬送過程中以水平方向固定該一個或多個塔，且豎立裝置(5,10)係用於將該一個或多個塔(1)從該水平方向過渡為垂直方向，以便隨後連接至該安裝地點之基座上。

Description

風力渦輪塔之搬送系統及方法

本發明係關於一種風力渦輪塔之搬送系統及方法，並且，特別是，用於風力渦輪發電機的海上(offshore)風力渦輪塔。本發明特別關於一種用於在海上安裝地點製造、搬送及安裝海上風力渦輪塔的綜合物流系統及方法。

在本申請中，術語「風力渦輪塔」是指在基座(foundation)上方支撐機艙(nacelle)、發電機和葉片的垂直塔。術語「風力渦輪發電機」係用於指整個風力渦輪組件，包括塔(tower)、葉片、機艙以及發電機。術語「基座」係用於指支撐風力渦輪塔的結構，包括延伸至海床中的主體，例如單樁(monopile)或導管架(jacket)或浮動基座，以及，如果存在的話，任何用於連接塔的中間過渡件(intermediate transition piece)。

海上風力渦輪產業源於早期發展的陸上(onshore)風力渦輪技術。因此，供應鏈中的許多現有製造商最初專注於陸上市場，但現在也為海上應用供應零件。特別是，風力渦輪塔製造商通常位於內陸並為陸上及海上應用製造塔。

風力渦輪塔是相對複雜的，因為風力渦輪塔不僅在結構上起到在高空位置支撐機艙的作用，而且還安置及支撐其他組件，例如梯子、門道及內部 電梯等二級結構，以及電氣部件與線路。舉例來說，風力渦輪塔可安置發電機之開關設備，以便隔離發電機以進行維修目的。同時，風力渦輪塔通常分多個部分製造，而不是作為單個完整組件製造。由於塔製造設施的幾何限制、以及透過公路搬送塔的幾何及重量限制，出現了將塔分成多個部分的要求。

在港口，通常使用起重機(crane)以將每個塔段(tower section)抬至運輸船(transport vessel)的甲板上，以便搬送至更靠近安裝地點的預組裝(pre-assembly)或中轉港口(staging harbour)。在預組裝港口，使用大型起重機以將塔段(tower section)在臨時基座上堆疊成垂直堆疊組件，然後將塔段用螺栓固定在一起。接著，組裝好的塔然後由自升式船(jack-up vessel)的起重機抬至自升式船的甲板上。一旦裝載後，自升式船係用於將組裝好的塔搬送至安裝地點，在安裝地點自升式船的起重機將塔抬至預安裝基座的過渡件上。

然而，隨著更大的風力渦輪機的開發，上述搬送過程出現了新的問題。首先，透過公路搬送塔段將使最大塔直徑限制在6.5m左右，其限制了塔的最大尺寸。因此，製造具有較大塔的風力渦輪發電機將可能需要可使用碼頭的塔製造商。此外，隨著海上風力產業擴展到新市場，新的塔製造商設施將會隨之建立。塔供應鏈中即將發生的這些變化因此為重新思考塔的製造及物流流程提供了機會。舉例來說，一些港口位置傳統上不適合作為採用上述傳統方法的預組裝港口，因為該些港口位置設置在橋樑後面，這限制了可從橋上運走的組裝塔的垂直高度。

此外，使用港口進行塔段預組裝的傳統要求是一項巨大的費用。首先，預組裝港口租賃成本很高，這不僅是因為需要一臺能够抬起超過100m高的大型負載的起重機，而組裝後的塔預計重量將超過600噸，高度將超過100m。 此外，碼頭必須具有足够的承載能力，以支撐此類荷載，這限制了可作為中轉位置(staging location)的港口。

因此，需要一種用於製造、搬送及安裝更大的下一代塔的綜合物流概念來解決上述問題。

根據本發明的第一態樣，本發明係提供一種用於搬送風力渦輪塔的系統，該系統包括：一船，用於將一個或多個該塔搬送至安裝地點；一支架(cradle)，用於在搬送過程中將該一個或多個塔以水平方向固定在該船上；以及一豎立裝置(upending device)，用於將該一個或多個塔從該水平方向過渡為垂直方向，以便隨後安裝至該安裝地點之基座上。

這樣，由於塔可被水平搬送，更長段的塔可被製造及搬送。同時，塔可滾至運輸船上，這避免了在這個階段對大型起重機的需求，也可減少碼頭負載要求。由於塔可透過SPMTs搬送，製造設施或存儲區也可遠離碼頭。這些因素從而降低了港口租賃成本，並可完全消除對預組裝港口的需求。此外，安裝或自升式船的成本也可最小化，因為可使用成本更低、速度更快的運輸船將塔搬送至安裝地點。

此外，如上所述，風力渦輪塔傳統上還包含電機設備，例如開關設備，其可能需要垂直搬送以避免損壞。然而，較新的風力渦輪機模型及一些基座設計通常將電機設備安裝在機艙或基座中。因此，塔包含不太複雜的電機設備，從而降低水平搬送過程中損壞的風險。

此外，本發明允許在單個水平段中製造及搬送塔。這樣可因此節省大量的預組裝成本。此外，單段(例如單個全焊接圓柱體)的製造成本也將更低。舉例來說，用於連接塔的凸緣(flanges)及螺栓不僅代表了大量的資本支出，且由於需要對這些連接進行後期檢查及維護而增加了營運支出。

在實施例中，該豎立裝置包括用於連接至該些塔之其中之一塔之該下端之樞軸工具及可附接至該塔之該上端之起重工具，該起重工具用於在連接至該樞軸工具時圍繞(about)該下端豎立及抬升該頂端。

在實施例中，該起重工具可連接至用於從該塔之上端抬升該塔之起重機。

在實施例中，該起重機係設置在自升式船上或DP重型起重船(DP heavy lift vessel)之一上。

在實施例中，該系統進一步包括一個或多個運輸器(SPMTs)，該運輸器用於在水平方向上支撐該一個或多個塔中之一個塔並用於將該支撐的塔裝載及移動至該船上。

在實施例中，該系統可涉及在「供給配置」(feeder configuration)下工作的兩艘船。在這種配置中，一艘船可用於搬送，例如駁船或自推式運輸船，而另一艘船可用於豎立及安裝，例如自升式或DP重型起重船。在替代實施例中，該系統可涉及在「直接提取配置」(direct pick up configuration)中工作的單一艘船。在這種情況下，可使用自升式或DP重型起重船來搬送及隨後豎立並安裝該塔。

在實施例中，該起重裝置包括提升裝置包括用於與該塔之該上端上之凸緣接合之接合部分。

在實施例中，該豎立裝置可進一步包括運動補償裝置，該運動補償裝置係用於在該塔過渡至豎直方向時補償該船之運動。

在實施例中，該支架係為多用途框架，該多用途框架用於在陸上存儲、裝出(load-out)期間以及在搬送期間在該船上支撐該一個或多個塔。

根據本發明的第二態樣，本發明係提供一種搬送風力渦輪塔之方法，該方法包括：將該一個或多個塔固定至船上之支架上，該支架係配置在水平方向上支撐該塔；使用該船將該塔搬送至安裝地點；以及使用豎立裝置將該一個或多個塔從該水平方向過渡至垂直方向，以隨後安裝在該安裝地點之基座。這樣，可提供一種用於風力渦輪機的裝出、海上運輸、以及安裝的方法。舉例來說，在實施例中，該一個或多個風力渦輪塔可經由SPMTs裝出。

在實施例中，該方法進一步包括使用複數個運輸器(SPMTs)在水平方向上支撐該一個或多個塔中之一個塔；以及移動及裝出該支撐的塔至該船上。

在實施例中，使用豎立裝置進行過渡的步驟包括：連接塔之該下端至樞軸工具；附接該塔之該上端至起重裝置；以及透過圍繞該下端抬起該上端來豎立該塔。

在實施例中，該方法進一步包括連接該起重裝置至用於從該塔之上端豎直及抬起該塔的起重機。

在實施例中，該起重機係設置在自升式船上或DP重型起重船之一上。

在實施例中，該系統可涉及在「供給配置」下工作的兩艘船。在這種配置中，一艘船可用於搬送，例如駁船或自推式運輸船，而另一艘船可用於豎立及安裝，例如自升式或DP重型起重船。

在替代實施例中，可使用單一艘在「直接提取配置」中工作的船。在這種配置中，該安裝船可用於從該卸貨港(load-out harbour)裝出水平塔。這包括兩種情況：

1.該船然後將該塔水平搬送至該安裝地點，然後再將該塔豎起並安裝；以及

2.該船在該卸貨港將該塔豎立起來，在該甲板上將該塔垂直搬送至該安裝地點，然後進行安裝。

在實施例中，上述任一情形中的該安裝船可以是自升式或DP重型起重船。

在實施例中，附接該塔之該頂端至起重裝置之步驟包括將該起重裝置上之接合工具與該塔上之凸緣接合。

1:塔、風力渦輪塔

2:碼頭

3:甲板、運輸甲板、裝載床

4:支架、支撐架

5:豎立鉸鏈、豎立裝置、豎立桶

6:運輸船、駁船、安裝船

7:自推式模塊化運輸器、SPMT

8:安裝船

9:起重機

10:起重工具

11:繫泊柱、樞軸軸承

12:運動補償裝置

13:坡道

現在將參考附圖描述本發明之說明實施例，其中：

圖1顯示根據本發明的第一實施例的被裝載到運輸船上的風力渦輪塔；

圖2顯示根據第一實施例的被安裝船(installation vessel)立起的風力渦輪塔；

圖3顯示用於第二實施例中的豎立桶(upending bucket)；

圖4顯示用於第二實施例中的起重工具(lifting tool)；以及

圖5透過起重順序顯示圖4的起重工具。

本發明的實施例允許搬送風力渦輪塔的較高部分，因此可允許風力渦輪塔製造商將風力渦輪塔製造為用於直接安裝至基座上的單個焊接件。然而，本發明也可用於以多個部分製造塔然後組裝的傳統做法。將塔作為單段製造的優勢包括避免對中間凸緣(intermediate flanges)和螺栓的需求、降低海上緊固成本、以及透過在橋樑後面開闢新港口和提高供給船(feeder vessel)穩定性來改善物流。然而，單段塔的製造將需要更長的製造和存儲空間，因此在某些情況下可能需要製造用於碼頭組裝的複數個段。在這種情況下，塔段將被水平組裝(與傳統的垂直組裝方法相反)，並且每段可提供一個凸緣以便用螺栓連接到相鄰段。或者，可提供用於焊接至相鄰段不帶螺栓孔的凸緣。在這兩種情況下，凸緣可幫助提高塔段在搬送及豎立期間的橫截面剛度。也有可能在結構上不需要凸緣，而傳統的焊接連接可能就夠了。

風力渦輪塔可在位於內陸或靠近港口的製造設施處製造。在水邊設施製造是較佳的，因為在水邊設施製造避免了公路運輸的需求，因此允許製造更大的塔。製造完成後，風力渦輪塔係以水平方向而非垂直方向裝載至運輸船上。這是透過為船的甲板提供水平支撐架(horizontal support cradle)來實現的，該水平支撐架用於沿垂直軸支撐每個風力渦輪塔段，從而分散負載。運輸船可以是運輸駁船(barge)或輪船(ship)，但也可使用自升式船或DP重型起重船(DP heavy lift vessel)。在實施例中，可使用一種以上不同類型的運輸船。

圖1顯示根據第一實施例的被裝載至運輸船6上的風力渦輪塔1。在此範例中，僅示出了兩個塔1，但實際上每艘運輸船6將裝載三個或更多個塔。或者，單個塔1，連同機艙及一組三個葉片可被裝載。在本實施例中，每個 風力渦輪塔1係提供為單個預焊接體(single pre-welded body)，其在安裝時整體形成塔。運輸船6係為一艘駁船6。

駁船6係停靠在與坡道(ramp)13相鄰的碼頭2處，坡道13與碼頭成45度。然而，應當理解，可使用不同的坡道配置，例如坡道可設置為90度，這取決於港口。在本實施例中，顯示了兩個繫泊柱(mooring dolphins)11以促進駁船6的繫泊。如圖1(b)所示，每個風力渦輪塔1使用複數個自推式模塊化運輸器(self-propelled modular transporters；SPMT)7裝載至船的裝載床或甲板3上。在此範例中，提供了六個SPMT 7，該六個SPMT 7沿著風力渦輪塔的垂直軸分佈。在其他實施例中，可使用不同數量的SPMT 7。如圖1(b)所示，該些SPMTs 7係聯合操作以將水平裝載的塔1移動到碼頭2的邊緣，然後透過坡道13移動到相鄰甲板3的尾部上。因此，塔1可有效地滾到駁船6上。在替代實施例中，可使用起重機將塔抬至駁船6或其他運輸船上。

如圖1(a)所示，一旦在船甲板3上，塔1可降至支架4中，該支架4用於在水平方向時沿其縱軸支撐塔。在本實施例中，塔1的末端(安裝後形成塔的底部)裝配(fit)在豎立鉸鏈(upending hinge)5中，稍後將進一步詳細描述。塔1然後可用海上緊固(sea-fastening)(如果需要)進一步被固定以搬送至安裝地點。有利地，與垂直搬送相比，塔1的水平搬送提供了改進的船穩定性。

圖2顯示抵達安裝地點後的駁船6。安裝船8可在安裝地點進行準備，然後由駁船6供給塔1。同一艘駁船也可被使用以將機艙及葉片「供給」(feed)到安裝船8。安裝船6通常是自升式船，但為簡單起見，圖2中僅顯示船的一部分。

駁船6係位於安裝船8附近，以允許安裝船的起重機9接近(access)駁船。塔1係被選擇以進行安裝，且起重機9係使用起重工具10以附接至塔的頂端。如上所述，塔1的下端係裝配至提供樞軸的豎立鉸鏈5中，塔1可圍繞該樞軸樞轉。在本實施例中，豎立鉸鏈5係以萬向節(gimbal)的形式提供，但其他設計概念也可實現相同的功能。

在本實施例中，運動補償裝置(motion compensation device)12係裝配在起重機吊鉤及塔起重工具10之間，用以補償當運動補償裝置12在駁船6上時起重機9與塔1之間的相對運動。舉例來說，當駁船6在水中移動時，存在將衝擊載荷施加到起重機9或起重機的鋼絲被拉離垂直太遠的風險。在實施例中，運動補償裝置可被提供作為主動或被動升沈補償器(heave compensator)。

一旦起重工具10被附接，起重機9隨後可抬起附接至其上的塔的端部並且側向迴轉，直到塔1垂直於樞軸上方，從而將塔1從其水平定向豎立到垂直方向。在替代實施例中，當運輸船6側向移動時，起重機臂(crane boom)可保持靜止。一旦完成此過渡(transition)後，塔1由起重機9垂直托住，然後塔1可被抬離運輸船6至預裝基座上。

圖3顯示用於第二實施例中的替代的豎立鉸鏈5。在這種情況下，桶的配置係被用作為圖1及圖2所示的萬向節的替代方案。塔1係接收在桶的配置中，該配置具有連接至框架(未顯示)的樞軸軸承(pivot bearing)11，塔1在其過渡至垂直方向期間可圍繞該框架樞轉。在採用這種配置的實施例中，例如，豎立鉸鏈5可允許塔在船邊緣上方樞轉，從而最小化起重機相對於運輸甲板3的起重高度。還應當理解，不是為存放在支撐架4中的每個塔1提供一個豎立裝 置，而是可在船上設置單個豎立裝置5，在每次豎立作業之前將塔1單獨裝載至裝置中。

圖4顯示用於第二實施例中的示例起重工具10。如圖所示，起重工具10裝配到塔1的頂端內並且可操作以鍵入(key into)設置在塔1末端的內部突出凸緣中。

圖5透過起重順序顯示圖4的起重工具10。如圖5(a)所示，起重工具10在處於其水平配置時裝配到塔1的末端並透過鍵機構(keying mechanism)的操作鎖定到位。起重機9然後可垂直地抬起起重工具10使塔1圍繞著豎立桶5樞轉，如圖5(b)所示。這個過程一直持續到塔1達到圖5(c)所示的垂直方向。

因此，對於本發明的實施例，由於塔是水平搬送的，更長段的塔可被製造。同時，塔可滾至運輸船上，這避免了在這個階段對大型起重機的需求，也可減少碼頭負載要求。由於塔可透過SPMTs搬送，製造設施或存儲區也可遠離碼頭。這些因素從而降低了港口租賃成本。此外，安裝或自升式船的成本也可最小化，因為可使用成本較低及速度較快的運輸船將塔段搬送至安裝地點。

此外，本發明的實施例可能地完全消除對預組裝港的需求。舉例來說，製造的塔可直接從製造地點搬送至安裝地點，這可透過降低港口租賃成本來提供顯著的成本節約。

此外，應注意的是，使用傳統供給配置搬送傳統塔是一個非常緩慢的過程。具體而言，通常需要分三個獨立的塔段將塔搬送至安裝船。這是因為搬送組裝好的垂直塔會過度影響運輸駁船的穩定性，並且駁船在水中的運動也會使使用安裝船起重機抬起組裝好的塔頂部變得困難。在安裝現場，安裝自升式船需將每個部分單獨地提升至自升式甲板上，之後船必須使用自升式腿 (jackup legs)將自己提升更高，以便將塔段抬升橫過至基座。相比之下，本發明的實施例可使完全焊接的水平塔在單個步驟中被自升式船豎立並抬升至基座上。因此，這有可能大幅提高安裝速度，從而降低船及港口租賃成本。

應當理解，上述說明的實施例僅出於說明的目的而示出了本發明的應用。在實踐中，本發明可應用於許多不同的配置，詳細的實施例對於本領域技術人員來說是易於實現的。

舉例來說，儘管在上述示例中，塔係被製造作為單個焊接圓柱體，但塔也可由複數個部分組裝而成。例如，如果塔製造廳(tower fabrication hall)的長度不足而無法生產單件焊接的塔，則可能需要這樣做。在這種情況下，在本發明的實施例中，在將組件裝載至船上以搬送至編組港(marshalling harbor)或安裝地點之前，可透過在水平組裝夾具(horizontal assembly jig)上對齊塔段來水平組裝塔段(透過螺栓連接、或焊接或其他方式對塔段進行水平固定)。

此外，雖然在上述示例中，塔是使用駁船或運輸船搬送至安裝地點，但塔也可用安裝船本身(可以是自升式船或DP重型起重船)來搬送。在這種情況下，塔可被裝載至安裝船上，例如在卸貨港(load-out harbour)透過使用安裝船自己的起重機將塔抬至安裝船的甲板上。在這種情況下，可將多個塔水平地裝載至安裝船上、運輸至安裝地點、然後在每個安裝位置依次豎立。或者，安裝船可在卸貨港將塔豎立、在甲板上垂直搬送塔至安裝地點、以及然後照常安裝塔。

此外，在上述示例中，塔以縱向配置(longitudinal configuration)承載在船上。然而，應當理解，塔也可橫向裝載至船的甲板上。在這種情況下，塔的末端將延伸到船的側面之外，這可能會增加在任何時候可搬送的塔的數量。在搬送過程中，也可透過堆疊塔1來增加容量。例如，支撐架4的設計可發展成能 夠一次承載兩個或多個塔1的多層運輸架(multi-layered transport cradle)。在這種情況下，可在船上設置單個豎立裝置，將儲存的各個塔1以其水平方向從支架4抬起，並在每次豎立作業裝入至豎立裝置中。

此外，在上述的示例中，塔由自升式船豎立。然而，原則上塔也可透過動態定位重型起重船(dynamically positioned heavy lift vessel；DP HLV)來豎立及安裝。與自升式一樣，這種船既可在「供給配置」下工作(駁船或運輸船將塔帶到位於安裝地點的安裝船上)，或可在「直接提取配置」下工作(DP重型起重船本身從卸貨港拿起塔，將塔搬送到安裝地點，然後安裝塔。這可包括在卸貨港豎立塔並在甲板上垂直搬送塔，或者水平裝載及搬送塔，然後在每個安裝位置將塔豎起)。

此外，雖然在上述示例中，運動補償裝置係設置在起重機吊鉤及塔起重工具之間，但也可理解，運動補償裝置可例如以運動補償平台的形式進一步設置在塔豎立樞軸(tower upending pivot)及運輸船之間。

與上述相關的是，還有一種風險是，運輸船的移動可導致塔在完全被抬走之前被船撞到。這可透過起重機吊鉤及塔起重工具之間的運動補償裝置來解決，該運動補償裝置提供快速抬起功能，即增加初始抬起離開船的速率。

此外，本發明還設想可提供運輸架以使用SPMTs將塔移至運輸船上。在實施例中，該支架可提供作為用於在陸上存儲、SPMTs上卸貨、以及海上運輸期間支撐塔的多用途框架。或者，不同的支架可用於不同的階段，塔在每個階段開始時在不同的支架之間轉移。

1:塔、風力渦輪塔

3:甲板、運輸甲板、裝載床

5:豎立鉸鏈、豎立裝置、豎立桶

6:運輸船、駁船、安裝船

8:安裝船

9:起重機

10:起重工具

12:運動補償裝置

Claims (15)

1. 一種用於搬送風力渦輪塔的系統，該系統包括：

   一船，用於將一個或多個該塔搬送至安裝地點；

   一支架，用於在搬送過程中將該一個或多個塔以水平方向固定在該船上；以及

   一豎立裝置，用於將該一個或多個塔從該水平方向過渡為垂直方向，以便隨後安裝至該安裝地點之基座上。
2. 如請求項1所述之系統，其中，該豎立裝置包括用於連接至每個該塔之下端之樞軸工具及可附接至該塔之頂端之起重工具，該起重工具用於在連接至該樞軸工具時豎立及抬升該塔。
3. 如請求項2所述之系統，其中，該起重工具可連接至用於抬升該塔之該頂端之起重機。
4. 如以上任一請求項所述之系統，進一步包括一個或多個運輸器(SPMTs)，該運輸器用於在水平方向上支撐該一個或多個塔中之一個塔並用於將該支撐的塔裝載至該船上。
5. 如以上任一請求項所述之系統，其中，第一船係用於將該一個或多個塔搬送至安裝地點，且該豎立裝置係設置在第二船上。
6. 如以上任一請求項所述之系統，其中，該豎立裝置進一步包括運動補償裝置，該運動補償裝置係用於在該塔過渡至豎直方向時補償該船之運動。
7. 如以上任一請求項所述之系統，其中，該支架係為多用途框架，該多用途框架用於在陸上存儲、卸貨期間以及在運輸期間在該船上支撐該一個或多個塔。
8. 一種搬送風力渦輪塔之方法，該方法包括：

   將一個或多個風力渦輪塔固定至船上之支架上，該支架係配置在水平方向上支撐該塔；

   使用該船將該一個或多個塔搬送至安裝地點；以及

   使用豎立裝置將該一個或多個塔從該水平方向過渡至垂直方向，以隨後安裝在該安裝地點之基座。
9. 如請求項8所述之方法，其中，使用豎立裝置進行過渡的步驟包括：

   連接塔之下端至樞軸工具；

   附接該塔之該頂端至起重裝置；以及

   透過圍繞該下端抬起該頂端來豎立該塔。
10. 如請求項9所述之方法，進一步包括連接該起重裝置至用於抬起該塔之該頂端的起重機。
11. 如請求項10所述之方法，其中，該起重機係設置在自升式船上或浮動式重型起重船上。
12. 如請求項8至11中任一項所述之方法，進一步包括以下步驟：

    使用一個或多個運輸器在水平方向上支撐其中一個該塔；以及

    移動及裝載該支撐的塔至該船上。
13. 如請求項8至12中任一項所述之方法，其中，第一船係用於將該一個或多個塔搬送至該安裝地點，以及其中，用於豎立該塔的起重機係設置在第二船上。
14. 如請求項8至12中任一項所述之方法，其中，用於將該一個或多個塔過渡為垂直方向之該豎立裝置係設置在用於將該一個或多個塔搬送至該安裝地點之同一船上。
15. 如請求項8至14中任一項所述之方法，其中，附接該塔之該頂端至起重裝置之步驟包括將該起重裝置之一部分與該塔上之該凸緣接合。

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