CN108407986A - 一种可浮运的海上风电浮式基础及其施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于海上风电基础技术领域，公开了一种可浮运的海上风电浮式基础及其施工方法，由浮式平台和系泊***组成，浮式平台包括立柱、浮箱、倾斜撑杆，系泊***包括斜系泊线、直系泊线和锚固基础；施工时将安装有上部风机塔筒的浮式平台和系泊***分别拖航，锚固基础下沉并嵌入海底；斜系泊线上端伸入第一预留孔道、直系泊线上端穿过第二预留孔道和倾斜撑杆，斜系泊线和直系泊线在浮式平台下沉到位后锚固。本发明在拖航时能够提供足够浮稳性，在位状态时受波浪荷载影响小；实现水上分层张拉***，降低水下安装系泊线的难度；锚固基础利用压载重和摩擦阻力提供抗拔力，并通过堆载和内外压差贯入海床，施工方便。

Description

一种可浮运的海上风电浮式基础及其施工方法
技术领域
本发明属于海上风电基础技术领域，具体的说，是涉及一种可浮运的海上风电浮式基础及其施工方法，稳定性较好，施工安装方便，工程造价和安装成本低。
背景技术
漂浮式基础的概念来源于深海油气开发平台，是指基础不与海床直接接触，而通过锚索或缆绳将其与海底相连，使风电机组可在某一相对固定区域内自由移动，该类基础目前主要处于研发和示范阶段，但对海洋环境的适应性较强，与着床式基础相比施工难度较小、运维成本低，因此在发展深海风电方面具有良好的应用前景。
与近海相比，深海环境更加恶劣，存在着海流、波浪、潮汐、内波等多种水文现象以及腐蚀、冲刷、淘空等长期理化作用，对风机基础、海底电缆、海上平台集成等技术无疑提出了更严苛的要求。考虑到技术难度和建设成本的因素，固定式基础已不再适用，深海风电场主要采用浮式基础。
现有海上风电浮式基础的主要型式有：Spar型、TLP型和半潜型基础。Spar型基础水线面小，受波浪荷载影响小，适用于水深较深的海域，安装移动不便；TLP型基础运动性能较好，系泊采用张力筋腱，成本较高，受水深限制大；半潜型基础可浮运拖航，但较大的水线面使其受波浪荷载影响大，稳定性较差。上述基础形式在稳定性和经济性方面各自有不同的弊端，且三种基础型式系泊线均需水下安装，施工难度较大。
发明内容
本发明要解决的是海上风电浮式基础在风浪荷载下运动响应较大，以及水下施工过程复杂成本较高的技术问题，提供了一种可浮运的海上风电浮式基础及其施工方法，该基础形式水线面较小，稳定性好，其施工安装方便，安装成本低，可使海上风电浮式基础更好的应用于实际工程。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
一种可浮运的海上风电浮式基础，由浮式平台和系泊***组成；
所述浮式平台包括均为空心结构的立柱、浮箱、倾斜撑杆，所述立柱上端用于连接风机塔筒，所述立柱下端与所述浮箱固定连接，所述立柱与所述浮箱之间连接有多根周向均布的倾斜撑杆；所述浮箱中心设置有与所述立柱相连通的第一预留孔道，所述第一预留孔道内部设置有环向内板，所述环向内板与所述浮箱的底板固定连接；所述浮箱内部设置有径向分舱板和环向分舱板，所述径向分舱板和所述环向分舱板将所述浮箱内部划分多个分舱室，每个分舱室均设有可进行水气置换的阀门***；每道径向分舱板上设置有第二预留孔道，所述第二预留孔道的数量与所述倾斜撑杆相同且与所述倾斜撑杆下端逐一对应连接并相通，所述倾斜撑杆上端与所述立柱相连通；
所述系泊***包括斜系泊线、直系泊线和锚固基础，所述斜系泊线和所述直系泊线下端均锚固于所述锚固基础；多根所述斜系泊线由下至上从外部向中心倾斜设置在所述锚固基础与所述浮箱之间，所述斜系泊线上端伸入所述浮箱内部的所述第一预留孔道并锚固于所述环向内板；多根所述直系泊线竖直设置在所述锚固基础与所述浮箱之间，所述直系泊线的数量与所述第二预留孔道和所述倾斜撑杆的数量相同，其上端分别穿过所述浮箱内部的所述第二预留孔道，并由所述倾斜撑杆穿至所述立柱内部并锚固于所述立柱；所述锚固基础包括锚固板体，该锚固板体上部边沿设置有筒壁、下部边沿设置筒裙。
优选地，所述第二预留孔道与所述倾斜撑杆以弧度平滑相接。
优选地，所述直系泊线的数量为3-8根，所述斜系泊线的数量为所述直系泊线的2倍。
优选地，所述斜系泊线与竖直方向的夹角为3°～60°。
优选地，所述斜系泊线和所述直系泊线上端在锚固前均设置有浮标球，锚固后的每个锚固点均设有维护装置。
优选地，所述斜系泊线和所述直系泊线的外露部分均采用橡胶套管包裹。
一种所述可浮运的海上风电浮式基础的施工方法，按照如下步骤进行：
(1)先将所述浮式平台和所述系泊***分别在陆地预制完成，将上部风机塔筒在所述浮式平台上安装稳定，将安装有上部风机塔筒的所述浮式平台拖航运输至作业海域，同时将系泊***拖航运输至作业海域，所述直系泊线和所述斜系泊线上端均设置有浮标球；
(2)施加压载使所述锚固基础下沉，并通过堆载和内外压差将所述锚固基础嵌入海底固定；
(3)按照浮标球指示位置将所述斜系泊线上端伸入所述第一预留孔道，同时按照所述浮标球指示位置将所述直系泊线上端依次穿过所述第二预留孔道和所述倾斜撑杆，对所述斜系泊线和所述直系泊线进行10％～50％的预张拉以平衡所述浮式平台的浮力，使所述斜系泊线和所述直系泊线处于张紧状态；
(4)通过水气置换的阀门***向所述浮箱内部分舱室注水，使安装有上部风机塔筒的所述浮式平台失去部分浮力下沉，下沉至设计吃水位置时，对所述斜系泊线和所述直系泊线完成剩余50％～90％的预张拉以平衡所述浮式平台的浮力，并将所述斜系泊线上端锚固于所述环向内板，所述直系泊线上端锚固于所述立柱；
(5)将所述浮箱内部分舱室中的水体通过水气置换的阀门***排出；
(6)将所述斜系泊线带入所述第一预留孔道中的水体、所述直系泊线带入所述第二预留孔道和所述倾斜撑杆的水体通过高压打气排出，并密封所述浮箱底部；
(7)通过所述浮箱内部分舱室调节海上风电浮式基础的重心位置。
本发明的有益效果是：
(一)本发明的可浮运的海上风电浮式基础及其施工方法，其浮式平台将小水线面的立柱和大水线面的浮箱结合设计，确保基础在拖航时由大水线面浮箱提供足够浮稳性，同时风机在位状态浮箱潜入水下，小线水面的立柱受到波浪荷载影响小，保证基础的稳定性。
(二)本发明的可浮运的海上风电浮式基础及其施工方法，其系泊***将直系泊线和斜系泊线结合设计，由直系泊线提供较好的垂荡性和转动性能，倾斜状系泊线提供较大水平向约束力，使得基础在各方向的运动响应小，稳定性好；直系泊线上端锚固于立柱，斜系泊线上端固定于浮箱内板，实现水上分层张拉***，降低水下安装系泊线的难度，施工方便；直系泊线和斜系泊线采用钢绞线材料，经济性好。
(三)本发明的可浮运的海上风电浮式基础及其施工方法，其系泊***的锚固基础利用压载重和筒裙提供的摩擦阻力提供抗拔力，为直系泊线和斜系泊线定位，锚固基础为上部可灌砂压载、下部带筒裙的结构，较大的水线面使其可拖航至作业水域，并可通过堆载和内外压差贯入海床，施工方便。
附图说明
图1是本发明所提供的海上风电浮式基础的立体结构示意图；
图2是本发明所提供的海上风电浮式基础的系泊线分布示意图；
图3是本发明所提供的海上风电浮式基础的主视图；
图4是本发明所提供的海上风电浮式基础的俯视图。
图中：1、立柱，2、倾斜撑杆，3、浮箱，4、直系泊线，5、斜系泊线，6、锚固基础，7、第二预留孔道，8、第一预留孔道，9、径向分舱板，10、环向分舱板，11、环向内板。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如图1至图4示，本实施例公开了一种可浮运的海上风电浮式基础，由浮式平台和系泊***组成。
浮式平台包括立柱1、倾斜撑杆2、浮箱3，立柱1上端通过法兰与风机塔筒相连，立柱1下端与浮箱3固定连接，立柱1与浮箱3之间设置有周向均布的多根倾斜撑杆2。考虑到海上风机的机舱和叶片的重量较大且在水面以上80～100m，为使风机正常发电，必须保证基础在风浪联合作用下的稳性和抵抗风浪载荷的能力。立柱1与浮箱3选用钢结构、混凝土结构或其他质量较轻的材料，可承载较大的风电荷载。小水线面立柱1和大水线面浮箱3相结合的设计，由大水线面浮箱3提供足够浮稳性实现浮式平台-塔筒-风机整体浮运拖航，安装运输方便；而在位状态时浮箱3潜入水面以下，小水线面的立柱1位于水面上，以减小波浪荷载的影响。倾斜撑杆2倾斜的连接于立柱1与浮箱3之间，以此加强立柱1和浮箱3的连接结构，并为上部风电结构提供水平和竖向承载力。
立柱1为具有空腔的圆筒状结构，其直径为8m，高度为20m，壁厚为50mm。
浮箱3为具有空腔的扁形圆柱状结构，其直径为33m，高度为10m，壁厚为15mm。浮箱3中心设置有直径为8m的第一预留孔道8，第一预留孔道8与立柱1相连通，其直径与立柱1直径相同。第一预留孔道8内部设置有一圈直径为6m、壁厚为30mm的环向内板11，环向内板11与浮箱3底板固定连接，用于固定斜系泊线5。浮箱3内部设置有四道径向均布的径向分舱板9和一道环向分舱板10，径向分舱板9和环向分舱板10将浮箱3内部划分为内、外两圈各四个分舱室，每个分舱室均设有可进行水气置换的阀门***，浮箱3可通过各分舱室内加水压载调节重心位置，保证基础拖航稳性。每道径向分舱板9上的相同位置设置有一个第二预留孔道7，四个第二预留孔道7分别与四个倾斜撑杆2相连通。第二预留孔道7与倾斜撑杆2以一定的弧度平滑相接，避免系泊线张拉受力时应力集中导致系泊线受损，影响***正常工作。第二预留孔道7和第一预留孔道8可以防止系泊线与水接触，保证系泊锚点不受损坏。
倾斜撑杆2为空心长柱状结构，其直径为2m。四根倾斜撑杆2周向均布的设置在立柱1周围，每根倾斜撑杆2的上端固定连接于立柱1侧壁上端且与立柱1相连通，下端固定连接于浮箱3上表面靠外的位置且与第二预留孔道7相连通。
系泊***包括直系泊线4、斜系泊线5和锚固基础6。
四根直系泊线4在浮箱3与锚固基础6之间竖直设置，八根斜系泊线5在浮箱3与锚固基础6之间由上至下从中心向外部辐射状倾斜设置，斜系泊线5与竖直方向的夹角在3°～60°范围内。直系泊线4和斜系泊线5下端均锚固于锚固基础6。四根直系泊线4上端分别穿过浮箱3内部的四个第二预留孔道7，并由四根倾斜撑杆2穿至立柱1内部，最终锚固于立柱1侧壁内表面。八根斜系泊线5上端伸入第一预留孔道8内部并锚固在环向内板11上。由此，直系泊线4和斜系泊线5形成水上分层张拉***，降低水下安装系泊线的难度。直系泊线4提供良好的垂荡性和转动性能，斜系泊线5提供较大的水平约束力，且辐射向中心倾斜的设计减少占用海床面积，减少与海底结构物碰撞现象。直系泊线4和斜系泊线5的直径均为167mm，可采用钢绞线、聚酯纤维线等；上端在锚固前均设置有浮标球，方便其穿过第二预留孔道7和第一预留孔道8；锚固后的每个锚固点设有维护装置。
直系泊线4和斜系泊线5外部均采用橡胶套管包裹，避免其在海水中腐蚀破损。
锚固基础6包括直径40m的圆形锚固板体，该锚固板体上部边沿设置有高度为2m的环形筒壁、下部边沿设置有高度为5m的环形筒裙。锚固板体用于提供直系泊线4和斜系泊线5下端的锚固点，锚固板体与筒壁构成的上部结构可灌砂压载，筒裙通过压载重和内外压差贯入海床。锚固基础6可通过堆载和内外压差贯入海床，锚固基础6利用压载重和筒裙提供的摩擦阻力提供抗拔力为直系泊线4和斜系泊线5定位。
这样，系泊***可以有效的控制住浮式平台在垂荡、纵荡、横荡、艏摇、横摇、纵摇六个自由度的运动，确保该海上风电浮式基础具有较小的运动响应，从而表现出良好的动力性能，从而大大降低了对风电机组的设计要求。
上述可浮运的海上风电浮式基础的施工方法，按照如下步骤进行：
(1)先将浮式平台和系泊***分别在陆地预制完成，将上部风机塔筒在浮式平台上安装稳定，将上部风机塔筒和浮式平台拖航运输至作业海域，利用大水线面的浮箱3提供浮稳性实现浮式平台-塔筒-风机整体浮运拖航；同时将系泊***拖航运输至作业海域，直系泊线4和斜系泊线5上端均设置有浮标球；
(2)安装有上部风机塔筒的浮式平台和系泊***分别拖航运输至作业海域后，施加压载使系泊***中的锚固基础6下沉，通过堆载和内外压差将锚固基础6嵌入海底固定；
(3)按照浮标球指示位置将四根直系泊线4上端依次穿过第二预留孔道7和倾斜撑杆2，同时按照浮标球指示位置将八根斜系泊线5上端伸入第一预留孔道8内部，对直系泊线4和斜系泊线5进行一定比例(10％～50％)的预张拉，以平衡浮式平台的浮力，使直系泊线4和斜系泊线5处于张紧状态；
(4)通过水气置换的阀门***向浮箱3的内圈分舱室注水，使安装有上部风机塔筒的浮式平台失去部分浮力下沉，下沉过程中浮箱3的外圈分舱室内空气提供给基础一定的浮力，保证海上风电浮式基础的稳定性；所述浮式平台下沉至设计吃水位置时，直系泊线4和斜系泊线5达到预设长度，对直系泊线4和斜系泊线5完成剩余比例(50％～90％)的预张拉，以平衡浮式平台的浮力；将直系泊线4上端锚固于立柱1侧壁内表面，斜系泊线5上端锚固于环向内板11；
(5)将浮箱3内圈分舱室中的水体通过水气置换的阀门***排出，保证海上风电浮式基础具有一定的浮稳性；
(6)将直系泊线4带入第二预留孔道7和倾斜撑杆2的水体、斜系泊线5带入第一预留孔道8中的水体通过高压打气排出，密封浮箱3底部，保证第二预留孔道7、第一预留孔道8和倾斜撑杆2处于干燥状态；
(7)就位状态后，通过向浮箱3的外圈分舱室注水调节海上风电浮式基础的重心位置，保证海上风电浮式基础安全稳定运行。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可浮运的海上风电浮式基础，其特征在于，由浮式平台和系泊***组成；
所述浮式平台包括均为空心结构的立柱、浮箱、倾斜撑杆，所述立柱上端用于连接风机塔筒，所述立柱下端与所述浮箱固定连接，所述立柱与所述浮箱之间连接有多根周向均布的倾斜撑杆；所述浮箱中心设置有与所述立柱相连通的第一预留孔道，所述第一预留孔道内部设置有环向内板，所述环向内板与所述浮箱的底板固定连接；所述浮箱内部设置有径向分舱板和环向分舱板，所述径向分舱板和所述环向分舱板将所述浮箱内部划分多个分舱室，每个分舱室均设有可进行水气置换的阀门***；每道径向分舱板上设置有第二预留孔道，所述第二预留孔道的数量与所述倾斜撑杆相同且与所述倾斜撑杆下端逐一对应连接并相通，所述倾斜撑杆上端与所述立柱相连通；
所述系泊***包括斜系泊线、直系泊线和锚固基础，所述斜系泊线和所述直系泊线下端均锚固于所述锚固基础；多根所述斜系泊线由下至上从外部向中心倾斜设置在所述锚固基础与所述浮箱之间，所述斜系泊线上端伸入所述浮箱内部的所述第一预留孔道并锚固于所述环向内板；多根所述直系泊线竖直设置在所述锚固基础与所述浮箱之间，所述直系泊线的数量与所述第二预留孔道和所述倾斜撑杆的数量相同，其上端分别穿过所述浮箱内部的所述第二预留孔道，并由所述倾斜撑杆穿至所述立柱内部并锚固于所述立柱；所述锚固基础包括锚固板体，该锚固板体上部边沿设置有筒壁、下部边沿设置筒裙。
2.根据权利要求1所述的一种可浮运的海上风电浮式基础，其特征在于，所述第二预留孔道与所述倾斜撑杆以弧度平滑相接。
3.根据权利要求1所述的一种可浮运的海上风电浮式基础，其特征在于，所述直系泊线的数量为3-8根，所述斜系泊线的数量为所述直系泊线的2倍。
4.根据权利要求1所述的一种可浮运的海上风电浮式基础，其特征在于，所述斜系泊线与竖直方向的夹角为3°～60°。
5.根据权利要求1所述的一种可浮运的海上风电浮式基础，其特征在于，所述斜系泊线和所述直系泊线上端在锚固前均设置有浮标球，锚固后的每个锚固点均设有维护装置。
6.根据权利要求1所述的一种可浮运的海上风电浮式基础，其特征在于，所述斜系泊线和所述直系泊线的外露部分均采用橡胶套管包裹。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述可浮运的海上风电浮式基础的施工方法，其特征在于，按照如下步骤进行：
(1)先将所述浮式平台和所述系泊***分别在陆地预制完成，将上部风机塔筒在所述浮式平台上安装稳定，将安装有上部风机塔筒的所述浮式平台拖航运输至作业海域，同时将系泊***拖航运输至作业海域，所述直钢绞线和所述斜系泊线上端均设置有浮标球；
(2)施加压载使所述锚固基础下沉，并通过堆载和内外压差将所述锚固基础嵌入海底固定；
(3)按照浮标球指示位置将所述斜系泊线上端伸入所述第一预留孔道，同时按照所述浮标球指示位置将所述直系泊线上端依次穿过所述第二预留孔道和所述倾斜撑杆，对所述斜系泊线和所述直系泊线进行10％～50％的预张拉以平衡所述浮式平台的浮力，使所述斜系泊线和所述直系泊线处于张紧状态；
(4)通过水气置换的阀门***向所述浮箱内部分舱室注水，使安装有上部风机塔筒的所述浮式平台失去部分浮力下沉，下沉至设计吃水位置时，对所述斜系泊线和所述直系泊线完成剩余50％～90％的预张拉以平衡所述浮式平台的浮力，并将所述斜系泊线上端锚固于所述环向内板，所述直系泊线上端锚固于所述立柱；
(5)将所述浮箱内部分舱室中的水体通过水气置换的阀门***排出；
(6)将所述斜系泊线带入所述第一预留孔道中的水体、所述直系泊线带入所述第二预留孔道和所述倾斜撑杆的水体通过高压打气排出，并密封所述浮箱底部；
(7)通过所述浮箱内部分舱室调节海上风电浮式基础的重心位置。
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