CN112814014B - 一种单桩基础和浮式风机的组合结构体系及双船安装方法 - Google Patents
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Abstract
一种单桩基础和浮式风机的组合结构体系及双船安装方法，属于海洋工程领域，是一种可整体漂浮运输及安装的风机基础结构体系，组合结构体系包含下方的固定式单桩基础和上方的风机浮筒组合体结构，固定式单桩基础是预先打入海床的大直径钢桩。使用时，组合结构体系配合专用双体船进行安装。该海上风电基础结构可实现风机浮筒组合体整体漂浮安装，风机浮筒组合体的组装在码头完成，并且该步骤可以与单桩基础施工同时进行，降低了海上施工安装的难度，节约了在海上进行安装的时间；同时该方法不依赖大型海上安装平台，节约了海上施工设备费用，可以显著降低海上风电安装成本，满足海上风电大规模建设及降本增效的需求，具有较高的推广价值。
Description
技术领域
本发明属于海洋工程领域，涉及海上风电领域，尤其涉及一种单桩基础和浮式风机的组合结构体系及双船安装方法。
背景技术
目前海上风电固定式风机-塔筒、机舱、轮毂和扇叶等构件通常采用模块化安装，即将上部构件分别分批运输到指定地点，再使用自升式安装船依次进行吊装安装，该方式不仅装备昂贵，而且资源不足，特别是对应50米以上水深且淤泥层较厚情况，对安装船的腿长要求更高，国内相应的安装船资源稀缺；此外，海上作业时间较长，相比陆地吊装安装，海上作业环境复杂多变，吊装施工难度大，施工进度和质量难以控制。因此，提出一种可以整体安装的海上风机组合结构体系十分必要，该新型结构体系的浮式风机安装不依赖自升式安装船，且海上作业时间短，综合效能极具优势。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明针对海上风机结构特点，提供一种可整体漂浮运输及安装的浮式风机以及对应的基础结构形式，具体说，就是一种单桩基础和浮式风机(以下简称风机浮筒组合体)的组合结构体系。
本发明采用的技术方案为：
一种单桩基础和浮式风机的组合结构体系，是一种可整体漂浮运输及安装的风机基础结构体系，所述组合结构体系包含下方的固定式单桩基础2和上方的风机浮筒组合体结构1，固定式单桩基础2是预先打入海床的大直径钢桩。使用时，所述组合结构体系配合专用双体船6进行安装。
所述的风机浮筒组合体结构1以塔筒下方的法兰面为分界点，分为上部风机3和下部浮筒4两部分。所述上部风机3包括风机、叶片、塔筒及相关部件等；下部浮筒4包括浮筒、调载泵及设于浮筒内部的隔板、注水管、抽水管等。
所述浮筒4安装在上部风机3的塔筒下方，浮筒顶部与塔筒底部通过法兰5连接，浮筒底部设有与固定式单桩基础2及码头单桩基础10的连接接口。所述浮筒上设有固定孔13与双体船连接固定。
所述浮筒采用分仓设计，其内部设有隔板；浮筒外设有调载泵，浮筒内设有注水、排水管，连通浮筒内舱和调载泵。通过外置调载泵及内置注水排水管对浮筒进行注水、排水，可以控制风机浮筒组合体结构1在水中的上浮、下沉，而通过控制不同舱室的水量，可以控制风机浮筒组合体在水中的倾斜度，实现风机浮筒组合体结构1的调平。
所述的专用双体船6包括两个船体结构，是风机浮筒组合体1运输和安装的专用辅助船，船体结构上可以设置多个支撑框架7，且两个船体结构上的支撑框架7对称设置，每个风机浮筒组合体结构1位于两个对称设置的支撑框架7之间。所述支撑框架7顶部设有连接上部风机3的竖向滑轨8，该滑轨8可伸缩，实现对风机结构塔筒的夹紧和释放，为风机浮筒组合体提供水平及竖向支撑，竖向滑轨8可允许风机浮筒组合体结构1竖向滑动；设于专用双体船6两个船体相对的侧面的连接杆A9，该连接杆A9可通过伸缩***下部浮筒4上的固定孔13，为风机浮筒组合体提供竖向支撑。
进一步的，所述浮筒与双体船连接固定，具体为：码头组装时，由水下支撑12伸出的连接杆B11固定到浮筒上的固定孔13，实现稳定站立；运输时，双体船6上的连接杆A9***其中，完全固定，从而使双体船和风机浮筒组合体在运输中成为一体。
一种单桩基础和浮式风机的组合结构体系的双船安装方法，包括以下步骤：
1)单桩基础施工。
在指定机位安装固定式单桩基础2，固定式单桩基础2为钢管。
2)在码头完成风机浮筒组合体结构1的组装。
将风机、叶片、塔筒、浮筒、调载泵、注水抽水管等部件组装为整体的风机浮筒组合体1。该风机浮筒组合体结构1的浮筒4顶部与上部风机3的塔筒底部通过法兰5连接，风机浮筒组合体1坐到码头单桩基础10上，水下支撑12伸出的连接杆B11固定到浮筒上的固定孔13中，实现稳定。
3)风机浮筒组合体下水。
将风机浮筒组合体结构1转移到专用双体船6上，将风机浮筒组合体结构1置于一对支撑框架7之间，使用竖向滑轨8夹住风机浮筒组合体结构1的风机塔筒，锁死滑轨8的垂向滑动，并将连接杆A9***浮筒上的固定孔13中，使风机浮筒组合体和双体船固定为一体。
4)运输风机浮筒组合体结构1。
将风机浮筒组合体结构1与双体船6整体运输至施工位置。
5)对风机浮筒组合体结构1进行定位。
使用锚泊***或DP***调整双体船6的位置，将风机浮筒组合体结构1移到步骤1)施工好的固定式单桩基础2上方，使风机浮筒组合体结构1的浮筒下端接口对准水下固定式单桩基础2，完成定位。
7)风机浮筒组合体结构1与固定式单桩基础2对接。
释放风机浮筒组合体结构1与双体船6的垂向连接，即收起连接杆A9并解除滑轨8的竖向固定，同时保持滑轨8的水平支撑，随后对浮筒4注水进行压载，使风机浮筒组合体结构1下沉并与固定式单桩基础2进行对接。对接过程中随时监测风机浮筒组合体结构1的倾斜度，根据风机浮筒组合体结构1的姿态调整浮筒4各分舱内的水量，保证风机浮筒组合体结构1的竖直，实现风机浮筒组合体结构1的调平。
8)灌浆连接。
完成风机浮筒组合体结构1就位并对接后，测量风机倾斜度，若满足安装精度要求，即在风机浮筒组合体结构1与单桩基础2连接处之间灌浆或其他方式进行连接。
9)安装完成。
完全释放双体船6上支撑框架7和风机塔筒的水平连接，即收起滑轨8，双体船6撤离，完成安装。
本发明提供的风机浮筒组合体借助浮筒能够浮于水面，通过浮筒调载，可实现整体升沉，通过和特殊设计的双体船连接固定，和双体船成为一个整体，保证其在水中的稳性等。1.码头整体装船，风机浮筒组合体预先在码头组装好，浮筒坐在码头单桩形式基础上，并由水下支撑伸出的连接杆固定，实现稳定。双体船就位，双体船上支撑框架顶层设置的可锁死垂向滑轨连接结构，其连接杆伸出，水平方向固定风机塔筒，释放码头水下支撑上的连接杆，浮筒排水，带动风机浮筒组合体上浮，同时顶层框架沿着滑轨上移，组合体上浮到拖航设计垂向位置，双体船底部连接杆伸出，和浮筒固定，具备拖航运输条件。2.运输时，通过双体船底部的设置的连接结构，和浮筒刚性连接，实现风机浮筒组合体随着双体船航行；通过双体船上的支撑框架设置的可锁死垂向滑轨连接结构，和风机浮筒组合体的中间塔筒刚性连接，保证风机浮筒组合体随着双体船航行时候的稳定，运输至风机机位。3.就位时，使用双体船的锚泊***或DP***实现定位于单桩基础正上方，使风机浮筒组合体的底端接口对准水下的单桩基础。随后，释放双体船底部和浮筒的连接，释放双体船上框架和风机塔筒的垂向连接，同时保持框架和风机塔筒的水平连接，浮筒压载，风机中部塔筒沿着连接结构的滑轨下移，实现风机浮筒组合体的整体下沉，下沉过程中通过对浮筒各舱进行调载，控制整体水平，浮筒通过其底部导向结构与单桩基础完成对接并就位。4.测量满足安装精度要求后，灌浆连接浮筒与单桩基础的环形间隙，灌浆强度满足要求后，完全释放双体船上框架和风机塔筒的水平连接，双体船撤离，完成安装。
本发明的有益效果为：
该海上风电基础结构可实现风机浮筒组合体整体漂浮安装，风机浮筒组合体的组装在码头完成，并且该步骤可以与单桩基础施工同时进行，降低了海上施工安装的难度，节约了在海上进行安装的时间；同时该方法不依赖大型海上安装平台，节约了海上施工设备费用，可以显著降低海上风电安装成本，满足海上风电大规模建设及降本增效的需求，具有较高的推广价值。
附图说明
图1为本发明海上安装完成就位图；
图2为本发明风机浮筒组合体结构图；
图3为本发明风机浮筒组合体码头组装后就位图(不含上部风机部分)；
图4为本发明安装所需的专用双体船(含支撑框架)图；
图5为本发明风机浮筒组合体与双体船连接后浮运状态示意图；
图6为本发明风机浮筒组合体安装定位过程示意图；
图7为本发明风机浮筒组合体压载下沉就位示意图；
图8为本发明风机浮筒组合体安装完成后，双体船撤离示意图；
图中：1风机浮筒组合体结构；2固定式单桩基础；3上部风机；4浮筒；5法兰；6双体船；7支撑框架；8竖向滑轨；9连接杆A；10码头单桩基础；11连接杆B；12水下支撑；13固定孔。
具体实施方式
为了彻底了解本发明，以下结合附图，对本发明作进一步描述，提出详细的结构。显然，本发明的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
以下对本发明的实施例做出详细描述。
一种可整体式漂浮安装的海上风机基础结构体系，所述结构包含风机浮筒组合体1和固定式单桩基础2，其中风机浮筒组合体1分为上部风机3和下部浮筒4。所述浮筒4可安装在上部风机3的塔筒底部，浮筒顶部与塔筒底部通过法兰5连接，浮筒底部设有导向结构，协助浮筒下部连接口与单桩基础2对中***。浮筒采用分舱设计，其内部设有隔板。通过外置调载泵及内置管道对浮筒内舱进行注水、排水，可以控制风机浮筒组合体在水中的上浮、下沉。而通过控制不同舱室的水量，可以控制风机浮筒组合体在水中的倾斜度，实现风机浮筒组合体的调平。
浮筒上设置有定位固定孔13，码头组装时，由水下支撑12伸出的连接杆B11固定到浮筒上的定位固定孔13，实现稳定站立；运输时，双体船6上的连接杆A9***其中，完全固定，从而使双体船和风机浮筒组合体在运输中成为一体。
专用双体船6是风机浮筒组合体1运输和安装的专用辅助船，船上带有支撑框架7，框架7底部和顶部带有连接风机浮筒组合体的竖向滑轨8及连接杆A9，分别为风机浮筒组合体提供水平支撑及竖向支撑，滑轨8可允许风机浮筒组合体竖向滑动。
该海上风电基础结构体系的安装步骤如下：
1)单桩基础施工。在指定机位安装固定式单桩基础2，该步骤与普通单桩风机基础施工类似，即在风机机位进行打桩施工，使用打桩锤将钢管桩打入海床。
2)风机浮筒组合体码头组装。在码头完成风机浮筒组合体组装，将风机、叶片、塔筒、浮筒等部件组装为整体的风机浮筒组合体1。该风机浮筒组合体的浮筒4上部与塔筒底部通过法兰5连接，风机浮筒组合体1借助浮筒4下部圆筒接口，可以坐到码头单桩基础10，并由水下支撑12伸出的连接杆B11固定到浮筒上的固定孔13，实现稳定。
3)风机浮筒组合体下水。将风机浮筒组合体1转移到专用双体船6上，将风机浮筒组合体1置于一对支撑框架7之间，使用竖向滑轨8夹住风机塔筒，锁定竖向滑动，并将连接杆A9***浮筒上的固定孔13，使风机浮筒组合体和双体船固定为一体。
4)风机浮筒组合体运输。将风机浮筒组合体与双体船整体运输至施工位置。
5)风机浮筒组合体定位。使用锚泊***或DP***调整双体船位置，将风机浮筒组合体移到单桩基础上方，使浮筒下端导向对准水下单桩2，完成定位。
7)组合体与单桩基础对接。释放滑轨8的竖向滑动，收起连接杆A9，同时保持滑轨8的水平支撑，随后对浮筒注水进行压载，使风机浮筒组合体下沉并与单桩基础的对接。过程中随时监测风机浮筒组合体的倾斜度，根据风机浮筒组合体的姿态调整浮筒各分舱内的水量，保证风机浮筒组合体的竖直，实现风机浮筒组合体的调平。
8)灌浆连接。完成风机浮筒组合体就位并对接后，测量风机倾斜度，若满足安装精度要求，即在风机浮筒组合体与单桩基础连接处之间灌浆或其他方式进行连接。
9)安装完成。完全释放双体船上框架和风机塔筒的水平连接，双体船撤离，完成安装。
该新型海上风电基础结构体系可实现风机浮筒组合体整体漂浮安装，风机浮筒组合体的组装全部在码头完成，降低了海上安装工作的难度。风机浮筒组合体可以与单桩基础施工同时进行，节约了在海上安装的时间。同时该方法不依赖大型海上安装平台，节约了海上施工设备费用，可以显著降低海上风电安装成本，满足海上风电大规模建设及降本增效的需求，具有较高的推广价值。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种单桩基础和浮式风机的组合结构体系的双船安装方法，其特征在于，所述组合结构体系是一种可整体漂浮运输及安装的风机基础结构体系，包括下方的固定式单桩基础(2)、上方的风机浮筒组合体结构(1)和专用双体船(6)，固定式单桩基础(2)预先打入海床；使用时，所述组合结构体系配合专用双体船(6)进行安装；
所述的风机浮筒组合体结构(1)以塔筒下方的法兰面为分界点，分为上部风机(3)和下部浮筒(4)两部分；所述上部风机(3)包括风机、叶片、塔筒；下部浮筒(4)包括浮筒、调载泵及设于浮筒内部的隔板、注水管、抽水管；
所述浮筒(4)安装在上部风机(3)的塔筒下方，浮筒顶部与塔筒底部通过法兰(5)连接，浮筒底部设有与固定式单桩基础(2)及码头单桩基础(10)的连接接口；所述浮筒上设有固定孔(13)与双体船连接固定；
所述浮筒(4)采用分仓设计，其内部设有隔板；浮筒外设有调载泵，浮筒内设有注水、排水管，连通浮筒内舱和调载泵；通过外置调载泵及内置注水、排水管对浮筒进行注水、排水，控制风机浮筒组合体结构(1)在水中的上浮、下沉，而通过控制不同舱室的水量，控制风机浮筒组合体在水中的倾斜度，实现风机浮筒组合体结构(1)的调平；
所述的双体船(6)包括两个船体结构，是风机浮筒组合体结构(1)运输和安装的专用辅助船，船体结构上设置多个支撑框架(7)，且两个船体结构上的支撑框架(7)对称设置，每个风机浮筒组合体结构(1)位于两个对称设置的支撑框架(7)之间；所述支撑框架(7)顶部设有连接上部风机(3)的竖向滑轨(8)，该竖向滑轨(8)可伸缩，实现对风机结构塔筒的夹紧和释放，为风机浮筒组合体结构（1）提供水平及竖向支撑；设于双体船(6)两个船体相对的侧面的连接杆A(9)，可通过伸缩***下部浮筒(4)上的固定孔(13)，为风机浮筒组合体结构（1）提供竖向支撑；
包括以下步骤：
1）固定式单桩基础（2）施工；
在指定机位安装固定式单桩基础(2)；
2）在码头完成风机浮筒组合体结构(1)的组装；
组装整体的风机浮筒组合体结构(1)；该风机浮筒组合体结构(1)的浮筒(4)顶部与上部风机(3)的塔筒底部通过法兰(5)连接，风机浮筒组合体结构(1)坐到码头单桩基础(10)上，水下支撑(12)伸出的连接杆B(11)固定到浮筒上的固定孔(13)中，实现稳定；
3）风机浮筒组合体结构（1）下水；
将风机浮筒组合体结构(1)转移到双体船(6)上，将风机浮筒组合体结构(1)置于一对支撑框架(7)之间，使用竖向滑轨(8)夹住风机浮筒组合体结构(1)的风机塔筒，锁死竖向滑轨(8)的垂向滑动，并将连接杆A(9)***浮筒上的固定孔(13)中，使风机浮筒组合体结构（1）和双体船（6）固定为一体；
4）运输风机浮筒组合体结构(1)；
将风机浮筒组合体结构(1)与双体船(6)整体运输至施工位置；
5）对风机浮筒组合体结构(1)进行定位；
使用锚泊***或DP***调整双体船(6)的位置，将风机浮筒组合体结构(1)移到施工好的固定式单桩基础(2)上方，使风机浮筒组合体结构(1)的浮筒下端接口对准水下固定式单桩基础(2)，完成定位；
6）风机浮筒组合体结构(1)与固定式单桩基础(2)对接；
释放风机浮筒组合体结构(1)与双体船(6)的垂向连接，即收起连接杆A(9)并解除竖向滑轨(8)的竖向固定，同时保持竖向滑轨(8)的水平支撑，随后对浮筒(4)注水进行压载，使风机浮筒组合体结构(1)下沉并与固定式单桩基础(2)进行对接；对接过程中随时监测风机浮筒组合体结构(1)的倾斜度，根据风机浮筒组合体结构(1)的姿态调整浮筒(4)各分舱内的水量，保证风机浮筒组合体结构(1)的竖直，实现风机浮筒组合体结构(1)的调平；
7）灌浆连接；
完成风机浮筒组合体结构(1)就位并对接后，测量风机倾斜度，若满足安装精度要求，即在风机浮筒组合体结构(1)与固定式单桩基础(2)连接处进行连接；
8）安装完成；
完全释放双体船(6)上支撑框架(7)和风机塔筒的水平连接，即收起竖向滑轨(8)，双体船(6)撤离，完成安装。
2.根据权利要求1所述的一种单桩基础和浮式风机的组合结构体系的双船安装方法，其特征在于，所述浮筒与双体船（6）连接固定的方式为：码头组装时，由水下支撑(12)伸出的连接杆B(11)固定到浮筒上的固定孔(13)，实现稳定站立；运输时，双体船(6)上的连接杆A(9)***其中，完全固定，使双体船（6）和风机浮筒组合体结构（1）在运输中成为一体。
3.根据权利要求2所述的一种单桩基础和浮式风机的组合结构体系的双船安装方法，其特征在于，固定式单桩基础(2)为钢管。
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