WO2019100490A1 - 一种便于安装的浮式风电塔 - Google Patents

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周志清
李翠东
钟兴锦
王军辉
闫小军
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Abstract

一种便于安装的浮式风电塔，包括由下至上依次固定连接的吸力桩(8)、固定压载舱(7)、桁架(9)、可调浮力舱(3)和固定浮力舱(6)；可调浮力舱(3)和固定浮力舱(6)均为环形舱室且同心设置，桁架(9)、可调浮力舱(3)和固定浮力舱(6)围成的内部通道中间隙配合有柱形浮芯(5)；柱形浮芯(5)通过风机塔(4)安装有风力发电机组(1)；浮芯通道的敞口处安装有锁紧装置(2)，锁紧装置(2)用于锁紧风机塔(4)底座。该浮式风电塔塔体湿拖至现场，不需导管架下水驳辅助，运输、安装方便、安全；也不需大型浮吊配合安装，可实现塔体自动扶正；浮式风电塔依靠自身提供的复原刚度，从而不需设置系泊系统等设备，也不需征用大型起重船，结构简单化，降低了风电场建设成本。

Description

一种便于安装的浮式风电塔 技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种便于安装的浮式风电塔。
背景技术
海上风能资源丰富，风能质量好，平均风功率密度大，累计有效风能小时数高。海上风电开发已成为全球可再生能源开发的新战场。海上风电技术也经历了从潮间带、近海、深海的发展。尤其是水深50m以上海域，风速稳定、风切变小、范围广，有利于风力发电的持续可靠性，以及大规模装机，是未来海上风电应用的热点。
目前，潮间带、浅海海域风电基础结构型式通常采用单桩基础、多桩导管架式基础、重力式基础这类固定式结构。随着海上风电场开发不断向深海发展，固定式风电塔没有技术上的优势，而浮式风电塔结构将是一个更为理想的选择。
现有浮式风电塔结构主要从浮式海洋平台结构演变而来，比如Spar、张力腿、半潜式平台，等等。相对于浅水海域，深海海域的工作环境更加恶劣。而且，深海海域的风机单机功率大、叶片长、风荷载的作用点更高，若因设计不当而导致风电塔的大幅度摇摆运动，则有可能改变叶片平衡的空气动力效应，使风电机组的风能转换效率降低。因此，与浅水海域的风电塔相比，深水浮式风电塔的结构更为复 杂。然而，风电市场又是一个对价格高度敏感的市场。电力市场的规则要求风电价格在政府退出价格补贴之后仍然具备竞争优势。因此，控制和降低浮式风电的建设成本成为事关风电技术未来发展前途的头等大事，各种形式的新方案也在不断出现。
欧洲专利文献EP2606228B1《Offshore wind turbine and methods of install ing same》提供了一种桁架式海洋风电塔解决方案。该方案包括：桁架式吸力塔、浮芯结构、安装于浮芯上端的风机及风叶、系泊系统。桁架式吸力塔下方设置压载软舱配重。安装时，桁架式吸力塔脱离运输船，通过吊机配合灌注压载，实现桁架整体扶正。随后，安装多点系泊系统，限制侧向平台运动。向浮芯内充气，下部的通海口中排出海水，浮力增加，使浮芯在桁架塔内抬升，将风机升至设计高度，此时在桁架塔内的锁紧装置将浮芯锁定。
但是，该技术方案仍然存在不足。桁架本身无浮力舱，需要采用干拖方式运输，其脱离运输船的方式类似于导管架下水，在安装过程中安全风险很大。此时还需要大型浮吊配合才能扶正、完成基座安装。在受到外部环境载荷风、浪、流载荷时，桁架本身无法提供复原力，而只能依靠系泊系统提供复原刚度。系泊系统又需要配置张紧设备。总之，桁架式风电塔的安装需要征用大型海上起重船，系泊系统的布置、锚泊吸力桩的安装以及缆索的张紧都导致系统设计及安装过程的复杂化，进而影响风电场建设成本。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种塔体湿拖至现场，不需导管架下水驳辅助，运输、安装方便、安全；也不需大型浮吊配合安装，可实现塔体自动扶正；浮式风电塔依靠自身提供的复原刚度，从而不需设置系泊系统等设备，也不需征用大型起重船，结构简单化，降低了风电场建设成本的便于安装的浮式风电塔。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种便于安装的浮式风电塔，其包括由下至上依次固定连接的吸力桩、固定压载舱、桁架、可调浮力舱和固定浮力舱，吸力桩为上端封闭、下端敞口的筒状结构；固定压载舱连通有砂浆泵入管，固定压载舱的顶部设有第一通海口；可调浮力舱的底部设有第三通海口，可调浮力舱连通有第一压缩空气管，第一压缩空气管的出气口位于第三通海口上方；固定浮力舱为全封闭空心舱室；可调浮力舱和固定浮力舱均为环形舱室且同心设置，桁架、可调浮力舱和固定浮力舱围成的内部通道中间隙配合有柱形浮芯，柱形浮芯连通有第二压缩空气管，柱形浮芯的下端设有第二通海口，第二压缩空气管的出气口位于第二通海口的上方；柱形浮芯的顶端通过风机塔安装有风力发电机组，风力发电机组位于浮芯通道的敞口之外；浮芯通道的敞口处安装有锁紧装置，锁紧装置用于锁紧水中的柱形浮芯上浮后的风机塔底座。
首先关闭第一通海口、第二通海口和第三通海口，柱形浮芯内充有部分海水，且固定压载舱和可调浮力舱内部均空心设 置，塔体可横置地浮于水面上，拖船湿拖至现场，此时风力发电机组并未安装在塔体上。
接着，打开第一通海口和第三通海口，将固定压载舱和可调浮力舱中灌满水，实现塔体自行竖起扶正。竖起后通过砂浆泵入管泵入磨碎的铁矿砂浆，使固定压载舱中的海水从上方的第一通海阀排出，实现固定压载舱的打压固定压载，将塔体整体重心调整至浮心以下，使塔体呈稳定平衡状态。
接着，在位于水面上的风机塔顶端安装风力发电机组的风机和叶片。
接着，往第一压缩空气管中打入空气，由于空气密度小于海水密度，压缩空气迫使海水从下方的第三通海口中排出，使液面下降，塔体浮力增加；即通过第一压缩空气管降低可调浮力舱中的液面高度，塔体浮力增加，实现安装过程中对风机塔的上举，并移至作业场地时，通过第一压缩空气管升高可调浮力舱中的液面高度，使塔体整体下沉，使吸力桩依靠自身重力插入海床，插入过程中泥土进入桩内自然挤出其中的水，最终塔体安装于海床上。
接着，打开第二通海口，第二压缩空气管打入空气，通过第二通海口排出海水，柱形浮芯浮力增加，柱形浮芯从可调浮力舱和固定浮力舱围成的内部通道中浮起至合适位置，锁紧装置锁紧水中的柱形浮芯上浮后的风机塔底座，最终本发明的浮式风电塔安装成型。
本发明的塔体采用湿拖的方式，通过拖运至现场，不需导管架下水驳辅助，运输、安装方便、安全；也不需大型浮吊配合安装，可调浮力舱可实现塔体自动扶正。可调浮力舱在塔体上的位置由计算结构确定，在在波浪力、恢复力矩之间选择一个平衡点，让风电塔运动最小，且在较高的塔体上，可调浮力舱使得塔体还具有较大的复原力，更稳定；因此本发明的浮式风电塔依靠自身提供的复原刚度，保持较大的的复原力，从而不需设置复杂的系泊系统、锚泊吸力桩、张紧设备，因此也不需征用大型海上起重船，安装更方便，结构简单化，降低了风电场建设成本。
具体地，吸力桩的外周面上环向均布有多个翅板。本发明的吸力桩位于固定压载舱下方。翅板远离塔体中心轴线，因其力臂较长，在翅板表面压力相同条件下可产生更大的抵抗旋转的扭矩，以增加吸力桩插入海床后对上部旋转载荷的抵抗能力。吸力桩直径高度比经过计算确定，其顶端略高于泥线，以确保在塔体摇摆运动时底部结构不与海床发生触碰。吸力桩通过连接段和固定压载舱相接。
进一步地，吸力桩连通有抽空/排水管。安装时，如果塔体自重不足以使吸力桩插入泥土，则用泵通过抽空/排水管抽空吸力桩内的水，依靠桩内负压增大插桩力度，安装更方便。当浮力塔需要移位时，往抽空/排水管中注水加压，同时可调浮力舱排出压载增大浮力，即可将吸力桩连同浮力塔一起拔出，移位更简单。
进一步地，第一压缩空气管、第二压缩空气管、砂浆泵入管和抽空/排水管的进口均位于固定浮力舱的顶部；方便操作。
本发明的一种便于安装的浮式风电塔的有益效果是：
1.本发明的塔体采用湿拖的方式，通过拖运至现场，不需导管架下水驳辅助，运输、安装方便、安全；
2.本发明的塔体也不需大型浮吊配合安装，通过可调浮力舱可实现塔体自动扶正；
3.可调浮力舱在塔体上的位置由计算结构确定，在在波浪力、恢复力矩之间选择一个平衡点，让风电塔运动最小，且在较高的塔体上，可调浮力舱使得塔体还具有较大的复原力，更稳定；因此本发明的浮式风电塔依靠自身提供的复原刚度，保持较大的的复原力，从而不需设置复杂的系泊系统、锚泊吸力桩、张紧设备，因此也不需征用大型海上起重船，安装更方便，结构简单化，降低了风电场建设成本。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的一种便于安装的浮式风电塔的剖视图；
图2是本发明的一种便于安装的浮式风电塔的吸力桩的俯视图；
图3是图1中A部分的局部放大图；
图4是图1中B部分的局部放大图。
其中:1.风力发电机组；2.锁紧装置；3.可调浮力舱；4.风机塔；5.柱形浮芯；6.固定浮力舱；7.固定压载舱；8.吸力桩；9.桁架；10.砂浆泵入管；11.翅板；12.抽空/排水管；13.第一通海口；14.第三通海口；15.第一压缩空气管；16.第二通海口；17.第二压缩空气管。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1-图4所示的本发明的一种便于安装的浮式风电塔的具体实施例，其包括由下至上依次固定连接的吸力桩8、固定压载舱7、桁架9、可调浮力舱3和固定浮力舱6，吸力桩8为上端封闭、下端敞口的筒状结构；固定压载舱7连通有砂浆泵入管10，固定压载舱7的顶部设有第一通海口13；可调浮力舱3的底部设有第三通海口14，可调浮力舱3连通有第一压缩空气管15，第一压缩空气管15的出气口位于第三通海口14上方；固定浮力舱6为全封闭空心舱室；可调浮力舱3和固定浮力舱6均为环形舱室且同心设置，桁架9、可调浮力舱3和固定浮力舱6围成的内部通道中间隙配合有柱形浮芯5，柱形浮芯5连通有第二压缩空气管17，柱形浮芯5的下端设有第二通海口16，第 二压缩空气管17的出气口位于第二通海口16的上方；柱形浮芯5的顶端通过风机塔4安装有风力发电机组1，风力发电机组1位于浮芯通道的敞口之外；浮芯通道的敞口处安装有锁紧装置2，锁紧装置2用于锁紧水中的柱形浮芯5上浮后的风机塔4底座。
首先关闭第一通海口13、第二通海口16和第三通海口14，柱形浮芯5内充有部分海水，且固定压载舱7和可调浮力舱3内部均空心设置，塔体可横置地浮于水面上，拖船湿拖至现场，此时风力发电机组1并未安装在塔体上。
接着，打开第一通海口13和第三通海口14，将固定压载舱7和可调浮力舱3中灌满水，实现塔体自行竖起扶正。竖起后通过砂浆泵入管10泵入磨碎的铁矿砂浆，使固定压载舱7中的海水从上方的第一通海阀13排出，实现固定压载舱7的打压固定压载，将塔体整体重心调整至浮心以下，使塔体呈稳定平衡状态。
接着，在位于水面上的风机塔4顶端安装风力发电机组1的风机和叶片。
接着，往第一压缩空气管15中打入空气，由于空气密度小于海水密度，压缩空气迫使海水从下方的第三通海口14中排出，使液面下降，塔体浮力增加；即通过第一压缩空气管15降低可调浮力舱3中的液面高度，塔体浮力增加，实现安装过程中对风机塔4的上举，并移至作业场地时，通过第一压缩空气管15 升高可调浮力舱3中的液面高度，使塔体整体下沉，使吸力桩8依靠自身重力插入海床，插入过程中泥土进入桩内自然挤出其中的水，最终塔体安装于海床上。
接着，打开第二通海口16，第二压缩空气管17打入空气，通过第二通海口16排出海水，柱形浮芯5浮力增加，柱形浮芯5从可调浮力舱3和固定浮力舱6围成的内部通道中浮起至合适位置，锁紧装置2锁紧水中的柱形浮芯5上浮后的风机塔4底座，最终本实施例的浮式风电塔安装成型。
本实施例的塔体采用湿拖的方式，通过拖运至现场，不需导管架下水驳辅助，运输、安装方便、安全；也不需大型浮吊配合安装，可调浮力舱3可实现塔体自动扶正。可调浮力舱3在塔体上的位置由计算结构确定，在在波浪力、恢复力矩之间选择一个平衡点，让风电塔运动最小，且在较高的塔体上，可调浮力舱3使得塔体还具有较大的复原力，更稳定；因此本实施例的浮式风电塔依靠自身提供的复原刚度，保持较大的的复原力，从而不需设置复杂的系泊系统、锚泊吸力桩、张紧设备，因此也不需征用大型海上起重船，安装更方便，结构简单化，降低了风电场建设成本。
具体地，吸力桩8的外周面上环向均布有多个翅板11。本实施例的吸力桩8位于固定压载舱7下方。翅板11远离塔体中心轴线，因其力臂较长，在翅板11表面压力相同条件下可产生更大的抵抗旋转的扭矩，以增加吸力桩8插入海床后对上部旋转载荷的抵抗能力。吸力桩8直径高度比经过计算确定，其顶 端略高于泥线，以确保在塔体摇摆运动时底部结构不与海床发生触碰。吸力桩8通过连接段和固定压载舱7相接。
进一步地，吸力桩8连通有抽空/排水管12。安装时，如果塔体自重不足以使吸力桩8插入泥土，则用泵通过抽空/排水管12抽空吸力桩8内的水，依靠桩内负压增大插桩力度，安装更方便。当浮力塔需要移位时，往抽空/排水管12中注水加压，同时可调浮力舱3排出压载增大浮力，即可将吸力桩8连同浮力塔一起拔出，移位更简单。
进一步地，第一压缩空气管15、第二压缩空气管17、砂浆泵入管10和抽空/排水管12的进口均位于固定浮力舱6的顶部；方便操作。
应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (4)

  1. 一种便于安装的浮式风电塔，其特征在于：包括由下至上依次固定连接的吸力桩(8)、固定压载舱(7)、桁架(9)、可调浮力舱(3)和固定浮力舱(6)，所述吸力桩(8)为上端封闭、下端敞口的筒状结构；所述固定压载舱(7)连通有砂浆泵入管(10)，所述固定压载舱(7)的顶部设有第一通海口(13)；所述可调浮力舱(3)的底部设有第三通海口(14)，所述可调浮力舱(3)连通有第一压缩空气管(15)，所述第一压缩空气管(15)的出气口位于第三通海口(14)上方；所述固定浮力舱(6)为全封闭空心舱室；所述可调浮力舱(3)和固定浮力舱(6)均为环形舱室且同心设置，所述桁架(9)、可调浮力舱(3)和固定浮力舱(6)围成的内部通道中间隙配合有柱形浮芯(5)，所述柱形浮芯(5)连通有第二压缩空气管(17)，所述柱形浮芯(5)的下端设有第二通海口(16)，所述第二压缩空气管(17)的出气口位于第二通海口(16)的上方；所述柱形浮芯(5)的顶端通过风机塔(4)安装有风力发电机组(1)，所述风力发电机组(1)位于浮芯通道的敞口之外；所述浮芯通道的敞口处安装有锁紧装置(2)，所述锁紧装置(2)用于锁紧水中的柱形浮芯(5)上浮后的风机塔(4)底座。
  2. 根据权利要求1所述的一种便于安装的浮式风电塔，其特征在于：所述吸力桩(8)的外周面上环向均布有多个翅板(11)。
  3. 根据权利要求2所述的一种便于安装的浮式风电塔，其特征在于：所述吸力桩(8)连通有抽空/排水管(12)。
  4. 根据权利要求1-3中任一项所述的一种便于安装的浮式风电塔，其特征在于：所述第一压缩空气管(15)、第二压缩空气管(17)、砂浆泵入管(10)和抽空/排水管(12)的进口均位于固定浮力舱(6)的顶部。
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