JP5264593B2 - 固定用着底部材、緊張係留浮体システム及びその設置方法 - Google Patents

Description

本発明は、浮体を係留する係留索を固定するために使用され、軽量で移動作業や着底作業が容易な固定用着底部材と、風力発電装置等の台座として使用される緊張係留浮体を緊張係留する緊張係留浮体システムとその設置方法に関する。

地球温暖化対策として、有力な技術分野である風力発電において、特に国土の狭い日本では、陸上の立地可能な場所が次第に減少し、今後は洋上、それも５０ｍ以上の深い海に設置する、浮体型洋上風力発電システムが発展普及することが期待されている。

この風力発電に関して、海岸の大陸棚の比較的水深の大きい水域に、緊張係留浮体（ＴＬＰ：テンション・レグ・プラットホーム）を設けて、この緊張係留浮体に風力発電装置等の機器を搭載する提案がなされ始めている。例えば、図１２に示すように、この風力発電装置の台座１１を搭載する浮体１２は、この浮体１２に取り付けられた１本又は複数本（図１２では４本）のテンドンと呼ばれる緊張係留索１３で海底や湖底や川底等の水底２に設けられたアンカー等の固定用着底部材１４に係留されている。

風力発電装置に限らず、一般的に、図１２に示すような緊張係留浮体１Ｘの設置は、浮体１２のバラストタンクにバラスト水を注入したり、バラストを積んだりして、浮体１２の喫水を設置状態の時よりも深くして沈めた状態で、予め設定水域に設置された固定用着底部材１４の上に移動する。移動後、緊張係留索１３の上端を浮体１２の上側係留部１５ｃに結合し、緊張係留索１３の下端を固定用着底部材１４の下側係留部１４ｃに結合する。

結合後、上部構造物１１を搭載している浮体１２の傾斜に注意しながら、バラスト水を排出したり、バラストを取り除いたりして、浮体１２の浮力を予め設定された浮力とする。更に、緊張係留索１３の長さを変更して上部構造物１１の傾斜と各々の緊張係留索１３の張力Ｔ１〜Ｔ４の大きさを調整する。この設置では、緊張係留浮体１Ｘが波浪中においても上下動揺や横傾斜や縦傾斜をしないように、また、水平方向に移動可能な範囲も許容範囲に入るように、緊張係留索１３に予め設定した初期張力Ｔ１〜Ｔ４を付与して係留する（例えば、特許文献１、２参照）。

また、上部構造物の搭載に広い面積を必要としない、風力発電装置を搭載するような場合には、図１３に示すような、水面を貫通する柱状体（センターコラム）１２ａと、この柱状体１２ａの下部に接続する水没浮力体（ポンツーン）１２ｂとを有する浮体１２に、複数本の緊張係留索１３の上端側を固定し、この緊張係留索１３の下端側を水底２に設置された固定用着底部材１４の下側係留部１４ｃに連結して、緊張係留索１３に張力を作用させて緊張係留浮体１Ｙを位置保持することが提案されている（例えば、特許文献３、４参照）。

水面を貫通する柱状体１２ａと、この柱状体１２ａに接続する水没浮力体１２ｂとを有する浮体１２で構成される「ミニ・テンション・レグ・プラットフォーム（ミニＴＬＰ）」と呼ばれる緊張係留浮体１Ｙでは、緊張係留索１３は水深Ｄの水没浮力体１２ｂの上側係留部１５ｃに係留されている。この緊張係留浮体１Ｙは、設置後は、水面を貫通する部分は柱状体１２ａのみとなるので、潮位変動や波による水面の上下による緊張係留索１３の張力への影響が少なくなる。

また、上記の緊張係留浮体等の浮体型海洋構造物を係留するために、水底に配置する重錘であるテンプレートと呼ばれる固定用着底部材が、通常はクレーン船等を用いて沈設される（例えば、特許文献４参照。）。

また、緊張係留浮体においては、水底に設置されたテンプレートと浮体本体をテンドンと呼ばれる緊張係留索で連結し、浮体のバラスト調整でテンドンを緊張させて所定の状態にするが、この作業時には、作業途中の浮体の安定性を確保して、転倒するのを防止するためにクレーン船等の作業船が使用される。

この場合に、風力発電装置を搭載するような「ミニＴＬＰ」でも、発電容量が大きなものでは重量で千トンを越えるものもあるので、使用するクレーンは、大型洋上クレーンとならざるを得ない。この大型洋上クレーンは、市場での保有隻数が少ない上に、曳航時から設置完了時まで必要になるため、大型洋上クレーンの使用期間が長くなる。そのため、曳航及び設置工事の日程調整が難しい上に、コストが嵩むという問題がある。

特に、緊張係留型浮体を用いる洋上風力発電装置においては、陸上風車や着底型の洋上風車に比べて、浮体、係留装置、その設置方法等で、どうしてもコスト高になる傾向があるので、機能を保ったまま、できるだけコストダウンを図る必要がある。

また、海象条件が良くないと、複雑で長時間を要する設置作業は困難になるため、沿岸のドックなどではほぼ発電装置全体を組立てて、そのまま引き船で曳航し、設置現場海域に着いたら、なるべく、簡単に設置作業を行うことが望ましい。

また、テンプレートに関しても、浮体を係留するテンプレートを密閉構造の容器で形成して、内部に空気や水を入れて重量を調整し、曳航時には浮力を持たせて浮体の一部として、設置海域に到達したら小さな水中重量となるように浮力を調整して、密閉状態で水底まで沈め、着底した後に水を入れてテンプレートの浮力を減少して重量を増して固定するという方法が考えられる。しかしながら、この着底方法では、テンプレートが沈降していくに従って、周囲の水圧が大きくなり、大きな圧力を受けるため、この水圧に対向できるようにテンプレートに構造体としての強度を持たせる必要があるために、密閉容器を形成する板の板厚を増加したり、補強材を入れたりする必要があり、コスト高を招くという問題がある。

この水底に設置するテンプレートも、可能であれば浮体本体と一体にして曳航し、クレーン船や専用作業用浮体を用いることなく、設置する方が好ましい。また、水底に設置した後は、水流や砂の動きなどによって経時的に固定用着底部材の固定位置や姿勢が変化しないように、テンドンによって浮体を確実に固定する必要がある。

特開平１−１４５２９２号公報 特開平４−１９７８８７号公報 実開昭６４−２６９２号公報 特開２００５−６９０２５号公報

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、浮体を係留する固定用着底部材において、構造強度を低減化できて軽量化でき、コストダウンを図ることができる固定用着底部材を提供することにある。

また、更なる目的は、重量と浮力の差である水中重量の調整だけではなく、姿勢の制御も容易にできて、従来技術で移動時と着底作業時に用いていたクレーン船を不要にすることができ、移動作業と着底作業の容易化と、高信頼化を図ることができる固定用着底部材を提供することにある。

また、更なる目的は、移動時と着底作業時に固定用着底部材を略中性浮力に調整できるだけではなく、固定用着底部材の姿勢の制御も容易にできて、クレーン船が不要となり、移動作業と着底作業の容易化と、高信頼化を図ることができる緊張係留浮体システム及びその設置方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための固定用着底部材は、上部構造物を支持するための浮体を係留するための係留索を水底に固定するための固定用着底部材において、該固定用着底部材の底面又は側面に水中に連通する開口部を設けたガス室を複数設けると共に、該ガス室にガス受給装置を備え、該固定用着底部材の浮上時又は水中時の姿勢と水中重量の調整を、前記各ガス室の内部のガス量をそれぞれ調整することで行い、前記開口部の位置を、ガスを供給し続けて該開口部からガスが流出する状態で、該固定用着底部材の姿勢及び水中重量が予め設定された姿勢及び水中重量になるように設定すると共に、前記開口部を該固定用着底部材の重心から最も離れた位置に設けることように構成される。なお、ガスとしては空気を用いるのが便利であるが、必ずしも空気である必要はない。

この構成によれば、固定用着底部材の水深に関わらず、ガス室と外部の水中とが開口部により連通しているので、同じ圧力となり、固定用着底部材のガス室を形成する壁は内外の圧力が同じとなる。そのため、ガス室の形状を維持するための構造的な強度が小さくて済むので、構造強度を低減化して固定用着底部材を軽量化できる。

更に、ガス室の内部のガス量で浮力を調整できるので、重量と浮力の差である水中重量を調整して、移動時と着底作業時に固定用着底部材を略中性浮力に調整し作業を容易化できるだけではなく、各ガス室のガス量の調整により、固定用着底部材の姿勢の制御も容易にできるようになる。従って、従来技術で移動時と着底作業時に用いていたクレーン船が不要となり、これらの作業の信頼性を向上できる。

また、上記の固定用着底部材において、前記開口部からガスが漏れ出るまで前記ガス室にガスを供給し続けて前記開口部からガスが流出する状態にして、該固定用着底部材の姿勢及び水中重量を前記予め設定された姿勢及び水中重量にする制御を行うように構成する。

これらの構成によれば、開口部からガスが洩れ出るまでガスを供給し続けることにより、予め設定された姿勢及び水中重量になるので、非常に簡単な制御で予め設定された姿勢と水中重量にすることができる。特に、開口部を固定用着底部材の重心から最も離れた位置に設けることにより、固定用着底部材が傾斜すると傾斜して上側になるガス室では開口部が傾斜により上昇するのでガスが開口部から漏出するとともに開口部より水が浸入し、ガス室の浮力が減少する。一方、傾斜して下側となるガス室では開口部が傾斜により下降するのでガスは洩れず、ガス量が増加する状態となるので、傾斜を戻す方向の復原力が自動的に生じることになる。従って、特別な制御をすることなく固定用着底部材の姿勢を自動的に保つことができるようになる。

また、上記の固定用着底部材において、該固定用沈定部材の前記ガス室の内部のガス量を、前記ガス室の水面位置に基づいて調整すると共に、該水面位置を検出する水位検出センサを、該固定用着底部材の重心から最も離れた位置に設けるように構成する。

この構成によれば、ガス室の水面位置により、ガス量の調整をするので、非常に簡単な制御で予め設定された姿勢と水中重量にすることができる。特に、水位検出センサを固定用着底部材の重心から最も離れた位置に設けることにより、固定用着底部材が傾斜すると傾斜して上側になるガス室では水位検出センサで検出される水位が傾斜により下降するのでガス量を減少する制御となり、ガス室の浮力が減少する。一方、傾斜して下側となるガス室では水位検出センサで検出される水位が傾斜により上昇するのでガス量を増加する制御となり、ガス室の浮力が増加する。その結果、傾斜を戻す方向の復原力が生じることになる。従って、傾斜を戻すための特別の制御をすることなく、水位調整のみで固定用着底部材の姿勢を保つことができるようになる。従って、傾斜センサが不要となる。

上記の固定用着底部材において、該固定用着底部材の前記ガス室の内部のガス量を、該固定用着底部材を支持する支持索の張力に基づいて調整するように構成する。この構成により、固定用着底部材の移動時及び着底作業時における支持索の張力が過大になるのを防止することができる。

上記の固定用着底部材において、該固定用沈定部材の前記ガス室の内部のガス量の調整を、該固定用着底部材を支持する各支持索の張力、各支持索の繰り出し長さ、各前記ガス室の水面位置、各前記ガス室の圧力の一つ又は幾つかの組み合わせを調整制御用の入力とし、各前記ガス室の前記ガス受給装置を通過するガス流量、又は、高圧ガスタンクから前記ガス受給装置に接続する制御弁の開度を調整制御の出力とする制御を行う。

そして、この制御による方法と、開口部からガスが流出する状態で、固定用着底部材の姿勢及び水中重量が予め設定された姿勢及び水中重量になるようにする構成とを組み合わせることによって、能動的に姿勢と浮力を制御する方法と受動的に姿勢と浮力を安定化させる方法とを併用することで、高性能な浮力及び姿勢制御と、信頼性の高い浮力及び姿勢制御を両立できる。即ち、能動的な制御で高性能化を図り、万一、この能動的な制御が機能不全に陥った場合に、受動的なガス流量一定運転に切り替えることで、高信頼性を保証できる。

上記の目的を達成するための緊張係留浮体システムは、上部構造物を支持するための浮体と、この浮体を係留するための緊張係留索と、上記の固定用着底部材を備えて構成される。この構成によれば、固定用着底部材をガス室の内部のガス量を調整しながら、水中重量を調整して、移動時と着底作業時に固定用着底部材を略中性浮力に調整できるだけではなく、固定用着底部材の姿勢の制御も容易にできるので、クレーン船が不要となり、これらの作業の信頼性を向上できる。また、上記の目的を達成するための緊張係留浮体システムの設置方法は、上部構造物を支持するための浮体と、この浮体を係留するための緊張係留索と、上記の固定用着底部材を備えて構成された緊張係留浮体システムにおいて、該固定用着底部材の浮上時又は水中時の姿勢と水中重量の調整を、前記各ガス室の内部のガス量をそれぞれ調整しながら、該固定用着底部材の搬送及び着底を行うことを特徴とする方法である。この方法によれば、固定用着底部材をガス室の内部のガス量を調整することで、固定用着底部材の浮上時又は水中時の水中重量を調整できるだけではなく、固定用着底部材の姿勢の調整も容易にできるので、クレーン船が不要となり、これらの作業の信頼性を向上できる。

上記の緊張係留浮体システムの設置方法において、前記固定用着底部材の前記ガス室の底面を開口して形成し、前記固定用着底部材を設置水域に着底した後に、前記ガス室の内部のガスを抜くと共に、更に内部の水を抜くことにより、前記固定用着底部材を水底に固定する。

この方法によれば、固定用着底部材の着底後に、ガス室の内部のガスを抜くことにより、浮力を減少して固定用着底部材の重量で固定できると共に、更に、開口された底面を水底によって塞がれた状態でガス室の内部の水を抜くと、外部に加わる水圧に加えて内部の圧力を小さくすることで、固定用着底部材の外部に加わる水圧との差を大きくできるので、固定用着底部材を水底に食い込ませることができ、より固定を確実にできる。つまり、水底に設置した固定用着底部材を更に安定化し、係留対象の浮体を固定する機能を向上することができる。

本発明の固定用着底部材によれば、水深に関わらず、ガス室と外部の水中とが開口部により連通しているので、同じ圧力となり、ガス室を形成する壁は内外の圧力が同じとなる。そのため、ガス室の形状を維持するための構造的な強度が小さくて済むので、構造強度を低減化して固定用着底部材を軽量化でき、コストダウンを図ることができる。

更に、ガス室の内部のガス量で浮力を調整できるので、重量と浮力の差である水中重量を調整して、移動時と着底作業時に固定用着底部材を略中性浮力に調整できるだけではなく、各ガス室のガス量の調整により、固定用着底部材の姿勢の制御も容易にできるようになる。従って、従来技術で移動時と着底作業時に用いていたクレーン船が不要となり、移動作業と着底作業の容易化と、高信頼化を図ることができる。

更に、固定用沈定部材のガス室の内部のガス量の調整に関して、能動的な制御による方法と、開口部からガスが流出する状態で、固定用着底部材の姿勢及び水中重量が予め設定された姿勢及び水中重量になるようにする構成とを組み合わせて、能動的に姿勢と浮力を制御する方法と受動的に姿勢と浮力を安定化させる方法とを併用することにより、高性能な浮力及び姿勢制御と、信頼性の高い浮力及び姿勢制御を両立できる。即ち、能動的な制御で高性能化を図り、万一、この能動的な制御が機能不全に陥った場合に、受動的なガス流量一定運転に切り替えることで、高信頼性を保証できる。

また、本発明の緊張係留浮体システム及びその設置方法によれば、移動時と着底作業時に固定用着底部材を略中性浮力に調整できるだけではなく、固定用着底部材の姿勢の制御も容易にできるので、クレーン船が不要となり、移動作業と着底作業の容易化と、高信頼化を図ることができる。

本発明に係る実施の形態における緊張係留浮体システムの構成を示した図である。 本発明に係る実施の形態における水面上係留部を示した図である。 本発明に係る実施の形態における固定用着底部材の構成を示した平面図である。 図３のＡ−Ａ断面を示した側断面図である。 本発明に係る実施の形態における固定用着底部材の他の構成を示した平面図である。 図５のＢ−Ｂ断面を示した側断面図である。 浮体と固定用着底部材のドック出し及び曳航状態を示した模式的な側面図である。 浮体から固定用着底部材を降下させている途中の状態を示した模式的な側面図である。 固定用着底部材が着底している状態を示した模式的な側面図である。 浮体１２を係留する緊張係留索に張力を加えた状態を示した模式的な側面図である。 浮体１２から曳航及び係留作業に使用した設置用艤装品を撤去した状態を示した模式的な側面図である。 従来技術の緊張係留浮体システムの構成を示した図である。 従来技術のミニＴＬＰと呼ばれる緊張係留浮体システムの状態を示した図である。

以下、図面を参照して本発明に係る固定用着底部材、緊張係留浮体システム及びその設置方法について説明する。ここでは、特に浮体が支持する上部構造物に風力発電装置を搭載した緊張係留浮体システムを例にして説明するが、本発明は風力発電装置に限定されず、沖合い養殖システムの海上サービスステーション、海洋資源開発用プラットフォーム等にも適用することができる。

最初に、本発明に係る実施の形態の緊張係留浮体システム１について説明する。この緊張係留浮体システム１は、緊張係留浮体（ミニ・テンション・レグ・プラットフォーム）のためのシステムであり、図１及び図２に示すように、風力発電装置１０を搭載した上部構造物１１と、この上部構造物１１を支持するための浮体１２と、この浮体１２を係留するための複数本（図１では２本ずつ３ヶ所で計６本）のテンドンと呼ばれる緊張係留索１３と、この緊張係留索１３を海底や湖底や河底などの水底２に固定するための固定用着底部材１４とを備えて構成される。

この浮体１２は、上部構造物１１の重量を浮力で支持して、上部構造物１１を水面上の予め設定した高さに維持するものである。この浮体１２は、上部構造物１１を支持するための円柱や多角柱で形成される中央柱状体１２ａと、この中央柱状体１２ａの下部から放射状に水平方向に伸びる３本以上（図１では３本）の柱状体で形成される水没浮力体（連結部材）１２ｂとからなる。

この中央柱状体１２ａはセンターコラムと呼ばれ、水没浮力体１２ｂはポンツーンと呼ばれる。この中央柱状体１２ａと水没浮力体１２ｂは中空構造とし、鋼やプレストレストコンクリート（ＰＣ）等で浮力を生じるように構成される。また、この水没浮力体１２ｂにはバラストタンクが設けられる。また、この水没浮力体１２ｂを中空構造で形成する代わりに、その一部又は全部をトラス構造で形成する場合もある。

図１に示すように、この水没浮力体１２ｂの中央柱状体１２ａと反対の端部に、コーナーコラムと呼ばれる係留用柱状体１２ｃを接続して配置する。この係留用柱状体１２ｃは、水面貫通浮力部分を有して構成され、浮体１２の設置時において、その上方の一部が水面３の上に突出するように設けられる。

この係留用柱状体１２ｃは、図１及び図２に示すように、中空部１２ｈを有する柱状浮力体で形成されると共に、緊張係留索１３の上側部分を中空部１２ｈに通して、緊張係留索１３の上端部を係留用柱状体１２ｃの水面より上方の部位に設けた上側係留部１５ｃに取り付けて固定支持する。これは、緊張係留索１３の長さ及びその緊張力を調整する作業を水中ではなく、空中で行えるようにするためである。これにより、設置工事や点検保守作業を容易とし、これらのコストを低減する。なお、係留用柱状体１２ｃの水平断面形状としては、図２に示す円形の他、四角形等の多角形、及び角をアールで丸めた多角形等が考えられる。

つまり、この緊張係留浮体システム１の浮体１２は、水面を貫通する中心柱状体（センターコラム）１２ａと、この中心柱状体１２ａの周囲に配置される係留用柱状体（コーナーコラム）１２ｃと、中央柱状体１２ａと係留用柱状体１２ｃとを連結する連結部材である水没浮力体（ポンツーン）１２ｂを有して構成される。

この構成によれば、係留用柱状体１２ｃを、水面３を貫通して水面３より上方まで達するように設けることにより、新たにこの係留用柱状体１２ｃの水面部分１２ｄにより、静的復原力が発生する。この復原力に関しては、上側係留部１５ｃが、平面視で中央柱状体１２ａから離間することにより、上部構造物１１の傾斜に関するモーメントレバーが大きくなるので、浮体１２と上部構造物１１に作用する転倒モーメントによって生じる緊張係留索１３の張力の変化量が少なくなる。

この離間距離が大きい程、モーメントレバーが大きくなるので、同じ水面面積で大きな復原力が得られる。しかしながら、離間距離を大きくするのには限度があるので、水没浮力体１２ｂの端部に接続して、係留用柱状体１２ｃを設ける。

なお、風力発電装置１０を搭載する場合には、曳航時や設置時においても、風力の作用点が水面から高くなるので転倒しやすく、傾斜による転倒の恐れが大きいので、この静的復原力の効果は重要となる。

緊張係留浮体１を固定用沈底部材１４に緊張係留するための緊張係留索（テンドン）１３は、鋼製の鎖（チェーン）やケーブルおよびロープ等で形成され、その上端部を係留用柱状体１２ｃの上側係留部１５ｃに、その下端部は固定用着底部材１４の下側係留部１４ｃに取り付けられる。係留時には、緊張係留索１３の長さを調整して、この緊張係留索１３に常時張力（テンション）が加わっている状態にして、浮体１２の浮力に抗して、浮体１２を水中に引き込むように構成する。

固定用着底部材１４は、テンプレートとも呼ばれる、スチールやコンクリート等で形成される錘であり、水底２に沈められ自重により固定される重力式のアンカーとして使用される。この固定用着底部材１４は、下側係留部１４ｃと緊張係留索１３と上側係留部１５ｃを介して浮体１２を予め設定された位置に係留するためのものであり、緊張係留索１３の下端部が下側係留部１４ｃに固定される。

この浮体１２の大きさは、例えば、発電量が２ＭＷを想定した場合で、かつ、大陸棚の水深１００ｍから２００ｍ程度の所に設置される場合には、風車１０ａの回転直径が８０ｍ程度で、風車１０ａの回転軸１０ｂは水面３の上が７５ｍ程度となり、浮体１２の中央柱状体１２ａの直径は６ｍ程度で高さは３５ｍ程度であり、係留用柱状体１２ｃの直径は４ｍ程度で、３つの固定用沈底部材１４の中心を通る円の直径は６０ｍ程度である。

次に、本発明に係る固定用着底部材（テンプレート）１４に関して説明する。図３及び図４に示すように、この固定用着底部材１４は、連結部材１６によって互いに連結されて一体化されている。この固定用着底部材１４に、底面又は側面に水中に連通する開口部１４ａを備えた空気室（ガス室）１４ｂを複数設けると共に、この空気室１４ｂに空気受給装置（ガス受給装置）１４ｄを備えて形成する。この図４の例では、空気室１４ｂ及び水が全面的に浸入する水室１４ｅはそれぞれ底部材１４ｆを有して構成される。

そして、この固定用着底部材１４の浮上時又は水中時の姿勢と水中重量の調整を、浮体１２又は作業台船等に搭載した圧縮空気供給装置（図示しない）から空気受給装置１４ｄを経由して供給される空気圧と空気量により、各空気室１４ｂの内部の空気量（ガス量）をそれぞれ調整することで行う。なお、ここでは空気を用いているが必ずしも空気である必要はなく、高圧のガスが得られ易いのであれば、他のガスであってもよい。

空気受給装置１４ｄ経由で空気室１４ｂに空気を送る空気供給装置は、水上側に空気タンクを設け、この空気タンクの内部を十分高い圧力に保ち、バルブ操作で空気室１４ｂに送り込む空気量を制御するように構成する。この空気タンクに空気を供給する空気圧縮機は、空気タンクの圧力を見ながら、圧力が所定量以上低下したら空気を供給するという簡単な制御で済む。そのため、制御系の精度と信頼性が上がる。なお、空気圧縮機だけで空気送入の制御を行う場合には、空気圧縮機の圧力流量の作動特性と、負荷側が要求する少流量域とが旨く適合しないと、圧力流量制御が難しくなる場合がある。

この構成によれば、固定用着底部材１４の水深に関わらず、空気室１４ｂと外部の水中とが開口部１４ａにより連通しているので、同じ圧力となり、固定用着底部材１４の空気室１４ｂを形成する壁は内外の圧力が同じとなる。そのため、空気室１４ｂの形状を維持するための構造的な強度が小さくて済むので、構造強度を低減化して固定用着底部材１４を軽量化できる。

更に、空気室１４ｂの内部の空気量で浮力を調整できるので、重量と浮力の差である水中重量を調整して、移動時と着底作業時に固定用着底部材１４を略中性浮力に調整できるだけではなく、各空気室１４ｂの空気量の調整により、固定用着底部材１４の姿勢の制御も容易にできるようになる。従って、従来技術で移動時と着底作業時に用いていたクレーン船が不要となり、これらの作業の信頼性を向上できる。

また、空気室１４ｂを単一ではなく複数設けて、この空気室１４ｂの空間にだけ空気を送り込み、ここで浮力を調整しながら、あるいは、常時小量づつ空気を開口部１４ａから漏出させながら、一定浮力を保つ。これによって空気圧縮機の容量が少なくなる上に、比較的粗い制御で済む。そのため、信頼性が向上する。

また、更に、図４に示すように、この開口部１４ａの上下方向に関する位置は、開口部１４ａから空気が流出する状態で、固定用着底部材１４の姿勢及び水中重量が予め設定された姿勢及び水中重量になるように設定する。それと共に、開口部１４ａの水平方向の位置は、固定用着底部材１４の重心Ｐｃから最も離れた位置に設ける。

この構成によれば、開口部１４ａから空気が洩れ出るまで空気を供給し続けることにより、予め設定された姿勢及び水中重量になるので、非常に簡単な制御で予め設定された姿勢と水中重量にすることができる。なお、複数の開口部１４ａを、例えば、開閉バルブを設けた配管で形成して開閉可能にして設けて、使用する開口部１４ａを選択することにより、複数の予め設定された姿勢と水中重量に対応させてもよい。

特に、開口部１４ａを固定用着底部材１４の重心Ｐｃから最も離れた位置に設けることにより、固定用着底部材１４が傾斜すると傾斜して上側になる空気室１４ｂでは開口部１４ａが傾斜により上昇するので空気が開口部１４ａから漏出する状態となり、空気室１４ｂの浮力が減少する。一方、傾斜して下側となる空気室１４ｂでは開口部１４ａが傾斜により下降するので空気は洩れず、空気量が増加する状態となるので、傾斜を戻す方向の復原力が自動的に生じることになる。従って、特別な制御をすることなく固定用着底部材の姿勢を自動的に保つことができるようになる。

或いは、図５及び図６に示すように、固定用沈定部材１４の空気室１４ｂの水面位置を検出する水位検出センサ１７を、この固定用着底部材１４の重心Ｐｃから最も離れた位置に設けて、この水面位置に基づいて空気室１４ｂの内部の空気量を調整する。この図６の例では、空気室１４ｂ及び水が浸入する水室１４ｅには底部材１４ｆが無く、底面全体が開口部となり、下方が開放された構成となっている。

この構成によれば、空気室１４ｂの水面位置により、空気量の調整をするので、非常に簡単な制御で予め設定された姿勢と水中重量にすることができる。特に、水位検出センサ１７を固定用着底部材１４の重心Ｐｃから最も離れた位置に設けることにより、固定用着底部材１４が傾斜すると傾斜して上側になる空気室１４ｂでは水位検出センサ１７で検出される水位が傾斜により下降するので空気量を減少する制御となり、空気室１４ｂの浮力が減少する。一方、傾斜して下側となる空気室１４ｂでは水位検出センサ１７で検出される水位が傾斜により上昇するので空気量を増加する制御となり、空気室１４ｂの浮力が増加する。その結果、傾斜を戻す方向の復原力が生じることになる。従って、傾斜を戻すための特別の制御をすることなく、水位による調整のみで固定用着底部材１４の姿勢を保つことができるようになる。従って、傾斜センサが不要となる。

なお、空気室１４ｂに開口部１４ａと水位検出センサ１７の両方を設けて、浮上しての移動時や固定用着底部材１４を沈める着底作業時の状態に応じて使い分けてもよく、どちらか一方を補助的に用いてもよい。

更に、必ずしも緊張係留索１３である必要はないが、固定用着底部材１４を支持している支持索１３の張力を検出し、この張力の検出値に基づいて、固定用着底部材１４の空気室１４ｂの内部の空気量を調整する。この支持索１３には緊張係留索１３を用いる場合には、その緊張係留索１３の張力となるが、別の支持索を用いる場合には、その支持索の張力となるので、必ずしも緊張係留索１３の張力である必要はない。この構成により、固定用着底部材１４の移動時及び着底作業時における支持索１３の張力が過大になるのを防止することができる。

また、固定用着底部材１４の水深を検出し、この水深の検出値に基づいて、固定用着底部材１４の空気室１４ｂの内部の空気量を調整してもよい。

特に、固定用着底部材１４の姿勢及び浮力調整に関して、能動的な制御を行う必要がある場合には、固定用沈定部材１４の空気室１４ｂの内部の空気量の調整を、固定用着底部材１４を支持する各支持索１３の張力、各支持索３の繰り出し長さ、各空気室１４ｂの水面位置、各空気室１４ｂの圧力の一つ又は幾つかの組み合わせを調整制御用の入力とし、各空気室１４ｂの空気受給装置１４ｄを通過するガス流量、又は、空気タンクから空気受給装置１４ｄに接続する制御弁の開度を調整制御の出力とする制御とする。

そして、この制御による方法と、開口部１４ａから空気が流出する状態で、固定用着底部材１４の姿勢及び水中重量が予め設定された姿勢及び水中重量になるようにする構成とを組み合わせることによって、能動的に姿勢と浮力を制御する方法と受動的に姿勢と浮力を安定化させる方法とを併用することができ、高性能な浮力及び姿勢制御と、信頼性の高い浮力及び姿勢制御を両立できる。即ち、能動的な制御で高性能化を図り、万一、この能動的な制御が機能不全に陥った場合に、受動的な空気流量一定運転に切り替えることで、高信頼性を保証できる。

次に、上記の固定用着底部材１４を用いた緊張係留浮体システム１とその設置方法について説明する。この緊張係留浮体システム１は、上部構造物を支持するための浮体１２と、この浮体１２を係留するための緊張係留索１３と、上記の固定用着底部材１４を備えて構成される。

この構成によれば、固定用着底部材１４を空気室１４ｂの内部の空気量を調整しながら、水中重量を調整して、移動時と着底作業時に固定用着底部材１４を略中性浮力に調整できるだけではなく、固定用着底部材１４の姿勢の制御も容易にできるので、クレーン船が不要となり、これらの作業の信頼性を向上できる。

また、緊張係留浮体システム１の設置方法は、固定用着底部材１４の浮上時又は水中時の姿勢と水中重量の調整を、各空気室１４ｂの内部の空気量をそれぞれ調整しながら、固定用着底部材１４の搬送及び着底を行う方法である。

この方法によれば、固定用着底部材１４を空気室１４ｂの内部の空気量を調整することで、固定用着底部材１４の浮上時又は水中時の水中重量を調整できるだけではなく、固定用着底部材１４の姿勢の調整も容易にできるので、クレーン船が不要となり、これらの作業の信頼性を向上できる。

この設置方法について、図７〜図１０を参照しながら、もう少し詳しく説明する。図７に示すように、ドックなどで、浮体１２の下に固定用着底部材１４を配置して、浮体１２の上に設けたウインチ２０に巻き取られた支持索２１により浮体１２に固定する。このとき、柔軟な配管で形成される空気受給装置１４ｄを空気室１４ｂに連結して設けておく。喫水を例えば１０ｍ以下とするため、空気室１４ｂに空気を送り込み、固定用着底部材１４が浮力を持ち、浮体１２を持ち上げる状態とする。出渠時における固定用着底部材１４の内部の空気容積は降下時の空気容積よりも大きくすることが好ましい。

この状態でドックに水を入れて、図７に示すように、浮体１２と固定用着底部材１４と一体化した状態で引き出して、この状態で設置水域まで曳航する。この図７の状態では、浮体１２のバラスト状態の調整と空気室１４ｂの空気量の調整により、浮体を浮上状態にすると共に、傾斜に対する復原力を持たせる。

設置水域に到達したら、図８に示すように、固定用着底部材１４を支持索２１で支持すると共に、空気室１４ｂの空気量を調整して、固定用着底部材１４の水中重量（＝重量−浮力）を少し大きくして、降下作業に適した水中重量を維持しながら、固定用着底部材１４を降下させる。このときには、固定用着底部材１４の内部に設けたバラスト区画（外部と貫通、非耐圧）である水室１４ｅに水を注入し、固定用着底部材１４自体の水中重量を設定値（例えば、全体で約１００ｔ程度）にする。

水中重量が過大であると、支持索２１の張力が大きくなり、強度を維持するために太くしなければならない。また、浮体１２や作業基地への負荷が大きくなり、支持索２１を駆動するウインチ２０の容量が大きくなるなど、相応の対策が必要となる。一方、水中重量が過少であると、降下作業中に固定用着底部材１４の動揺が大きくなり、事故の危険性が増す。

この降下時には、固定用着底部材１４をウインチ２０で支持索２１を繰り出して降下させつつ、圧縮空気を送入する。図３及び図４のような開口部１４ａを持つ場合には、開口部１４ａから常時空気が漏出するように、空気量を供給する。圧縮空気は空気室１４ｂの開口部１４ａから漏出して、空気容積及び水中重量の設定値が保たれる。

また、図５及び図６のように水位検出センサ１７を設けている場合には、各空気室１４ｂの空気量を水位検出センサ１７により空気室１４ｂ内の水位の検出値に基づいて調整する。また、必要に応じて、支持索２１の張力の検出値に基づいて空気量を調整する。これらの調整により、降下作業が容易となり、降下作業中の事故リスクの低減とコストダウンを図ることができる。

この降下の場合には、固定用着底部材１４の水深が深くなるほど、水圧が大きくなり、空気室１４ｂ内の空気は圧縮されるので、浮体１２又は作業用台船上（図示しない）の空気圧縮機（図示しない）や圧縮空気タンク（図示しない）等から制御用のバルブを介して、空気受給装置１４ｄ経由で空気を十分に空気室１４ｂに送る必要がある。いずれかの計測情報を元に調整する場合には、これらの計測情報から、圧縮機の作動やバルブの開閉を制御することにより、空気室１４ｂの内部の空気量を好適な状態に調整・制御することができる。

この時には、固定用着底部材１４の空気室１４ｂの内部の空気圧は、固定用着底部材１４の水面からの深度に応じた水圧とバランスする。従って、構造体としての固定用着底部材１４の空気室１４ｂ等は、外側から大きな圧力を受けず、その部材の板厚を小さくすることができ、補強材も殆ど不要となり、コストを下げることができる。

図９に示すように、固定用着底部材１４が着底したら、空気室１４ｂの空気を抜いて、浮力を無くし、固定用着底部材１４を設置水域の水底に固定用着底部材１４の重量で固定する。この場合に、図５及び図６のように、空気室１４ｂの底面が開口して形成されている場合には、固定用着底部材１４が設置水域に着底した後に、空気室１４ｂの内部の空気を抜くと共に、更に内部の水を抜くことにより、外部に加わる水圧に加えて内部の圧力を小さくできる。そのため、固定用着底部材１４を水底２に食い込ませることができ、より固定を確実にできる。つまり、水底２に設置した固定用着底部材１４を更に安定化し、係留対象の浮体１２を固定する機能を向上することができる。

固定用着底部材１４が水底２に固定された後に、図１０に示すように、ウインチ２０又は別のウインチで緊張係留索１３を巻き取ったり、浮体１２のバラスト状態を変更したりして緊張係留索１３に予め設定された張力を与えて、この張力を維持するように緊張係留索１３の上部を上側係留部１５ｃに固定する。

緊張係留索１３の張力が予め設定された張力になったら、曳航及び係留作業に使用した設置用艤装品を撤去して、図１１に示す設置状態にする。これにより、設置状態で、各緊張係留索１３の張力が設置用張力になっている否かを確認し、なっていない場合には、浮体１２のバラスト状態を調整したり、緊張係留索１３の取り付け位置の調整により設置用張力とする。各緊張係留索１３の張力が設置用張力となり、浮体１２の傾斜も設置基準を満たせば、これで設置を完了する。

上記の固定用着底部材１４によれば、水深に関わらず、空気室１４ｂと外部の水中とが開口部１４ａにより連通しているので、同じ圧力となり、空気室１４ｂを形成する壁は内外の圧力が同じとなる。そのため、空気室１４ｂの形状を維持するための構造的な強度が小さくて済むので、構造強度を低減化して固定用着底部材１４を軽量化でき、コストダウンを図ることができる。

更に、空気室１４ｂの内部の空気量で浮力を調整できるので、重量と浮力の差である水中重量を調整して、移動時と着底作業時に固定用着底部材１４を略中性浮力に調整できるだけではなく、各空気室１４ｂの空気量の調整により、固定用着底部材１４の姿勢の制御も容易にできるようになる。従って、従来技術で移動時と着底作業時に用いていたクレーン船が不要となり、移動作業と着底作業の容易化と、高信頼化を図ることができる。

また、上記の緊張係留浮体システム１及びその設置方法によれば、移動時と着底作業時に固定用着底部材１４を略中性浮力に調整できるだけではなく、固定用着底部材１４の姿勢の制御も容易にできるので、クレーン船が不要となり、移動作業と着底作業の容易化と、高信頼化を図ることができる。

本発明の固定用着底部材１４は、構造強度を低減化できて軽量化でき、コストダウンを図ることができ、更に、重量と浮力の差である水中重量の調整だけではなく、姿勢の制御も容易にできて、従来技術で移動時と着底作業時に用いていたクレーン船を不要にすることができ、移動作業と着底作業の容易化と、高信頼化を図ることができるので、緊張係留のみならず、カテナリ係留なども含めて、浮体を係留する固定用着底部材として利用することができる。

また、本発明の緊張係留浮体システム及びその設置方法は、移動時と着底作業時に固定用着底部材を略中性浮力に調整できるだけではなく、固定用着底部材の姿勢の制御も容易にできて、クレーン船が不要となり、移動作業と着底作業の容易化と、高信頼化を図ることができるので、風力発電装置、沖合い養殖システムの海上サービスステーション、海洋資源開発用プラットフォーム等の緊張係留浮体システム及びその設置方法として利用することができる。

１、１Ｘ、１Ｙ 緊張係留浮体システム
２ 水底
３ 水面
１０ 風力発電装置
１１ 上部構造物
１２ 浮体
１２ａ 中央柱状体（センターコラム）
１２ｂ 水没浮力体
１２ｃ 水面上連結体
１２ｄ 水面上係留部
１３ 緊張係留索（テンドン）
１４ 固定用着底部材
１４ａ 開口部
１４ｂ 空気室（ガス室）
１４ｃ 下側係留部
１４ｄ 空気受給装置（ガス受給装置）
１４ｅ 水室
１４ｆ 底部材
１５ｃ 上側係留部
１６ 連結部材
１７ 水位検出センサ
２０ ウインチ
２１ 支持索

Claims (8)

1. 上部構造物を支持するための浮体を係留するための係留索を水底に固定するための固定用着底部材において、該固定用着底部材の底面又は側面に水中に連通する開口部を設けたガス室を複数設けると共に、該ガス室にガス受給装置を備え、該固定用着底部材の浮上時又は水中時の姿勢と水中重量の調整を、前記各ガス室の内部のガス量をそれぞれ調整することで行い、
   前記開口部の位置を、ガスを供給し続けて該開口部からガスが流出する状態で、該固定用着底部材の姿勢及び水中重量が予め設定された姿勢及び水中重量になるように設定すると共に、前記開口部を該固定用着底部材の重心から最も離れた位置に設けることを特徴とする固定用着底部材。
2. 前記開口部からガスが漏れ出るまで前記ガス室にガスを供給し続けて前記開口部からガスが流出する状態にして、該固定用着底部材の姿勢及び水中重量を前記予め設定された姿勢及び水中重量にする制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の固定用着底部材。
3. 該固定用沈定部材の前記ガス室の内部のガス量を、前記ガス室の水面位置に基づいて調整すると共に、該水面位置を検出する水位検出センサを、該固定用着底部材の重心から最も離れた位置に設けることを特徴とする請求項１又は２に記載の固定用着底部材。
4. 該固定用沈定部材の前記ガス室の内部のガス量を、該固定用着底部材を支持する支持索の張力に基づいて調整することを特徴とする請求項１、２又は３に記載の固定用着底部材。
5. 該固定用沈定部材の前記ガス室の内部のガス量の調整を、該固定用着底部材を支持する各支持索の張力、各支持索の繰り出し長さ、各前記ガス室の水面位置、各前記ガス室の圧力の一つ又は幾つかの組み合わせを調整制御用の入力とし、各前記ガス室の前記ガス受給装置を通過するガス流量、又は、高圧ガスタンクから前記ガス受給装置に接続する制御弁の開度を調整制御の出力とする制御を行うことを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の固定用着底部材。
6. 上部構造物を支持するための浮体と、この浮体を係留するための緊張係留索と、請求項１、２、３、４又は５に記載の固定用着底部材を備えて構成されることを特徴とする緊張係留浮体システム。
7. 上部構造物を支持するための浮体と、この浮体を係留するための緊張係留索と、請求項１、２、３、４又は５に記載の固定用着底部材を備えて構成された緊張係留浮体システムにおいて、該固定用着底部材の浮上時又は水中時の姿勢と水中重量の調整を、前記各ガス室の内部のガス量をそれぞれ調整しながら、該固定用着底部材の搬送及び着底を行うことを特徴とする緊張係留浮体システムの設置方法。
8. 前記固定用着底部材の前記ガス室の底面を開口して形成し、前記固定用着底部材を設置水域に着底した後に、前記ガス室の内部のガスを抜くと共に、更に内部の水を抜くことにより、前記固定用着底部材を水底に固定することを特徴とする請求項７記載の緊張係留浮体システムの設置方法。

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