一种漂浮式海上风电基础及其安装方法与流程

1.本发明属于浮式基础技术领域，尤其涉及一种漂浮式海上风电基础及其安装方法。


背景技术：

2.目前漂浮式海上风电基础的主要类型包括四大类，分别是半潜式(semi-sub)、单柱式(spar)、张力腿(tlp)和驳船式(barge)。漂浮式海上风电基础技术方案仍未定型，半潜式是目前应用最多的技术方案，其次是单柱式，现今已推出的漂浮式海上风电基础技术方案超过40种。而目前的新技术更多是处于降低成本的考虑，以及面对不同海域环境所作的技术改进。
3.高成本是当前制约漂浮式海上风电大规模商业化发展的主要因素，如何从建造结构方面降低漂浮式海上风电基础的单机工程造价，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种漂浮式海上风电基础，通过悬吊压载沉箱以降低漂浮式基础重心，增加漂浮式基础的摇荡运动阻尼，稳定性好，从而可减少整体尺寸，减少制造费用，并且在安装时无需大型起重设备配合，能够节省安装费以及缩短海上安装作业耗时，降低工程总成本。
5.本发明是通过以下技术方案实现的：
6.一种漂浮式海上风电基础，包括：
7.用于安装风机主体的漂浮式基础；
8.系泊系统，系泊系统一端与漂浮式基础固定连接，另一端用于固定在海底；
9.压载系统，压载系统包括压载沉箱和若干可调节长度的悬挂组件，压载沉箱通过若干悬挂组件悬挂在漂浮式基础的下方，压载沉箱内部中空，压载沉箱内由上至下设置有若干分隔板，分隔板将压载沉箱分隔为若干层，每层压载沉箱上均设有阀门。
10.进一步地，分隔板的数量为一，分隔板将压载沉箱分隔为两层。
11.进一步地，每层压载沉箱上均设有若干钢管，钢管远离压载沉箱的一端设有盲板，阀门与盲板的数量相同且一一对应，阀门设置在对应的盲板上。
12.进一步地，漂浮式基础包括中心浮筒和多个主浮筒，多个主浮筒呈等边形排列，相邻两主浮筒通过水平支撑连接，中心浮筒设置在多个主浮筒中心位置，中心浮筒底端分别通过径向支撑与主浮筒连接，中心浮筒中部分别通过斜向支撑与主浮筒连接。
13.进一步地，压载沉箱底部设有第一减摇板，主浮筒底部设有第二减摇板。
14.进一步地，多个主浮筒包括三个主浮筒，三个主浮筒按照正三角形等间距排列。
15.进一步地，悬挂组件的数量与主浮筒的数量相同且一一对应，悬挂组件包括吊缆和设置在对应主浮筒上用于夹紧吊缆的夹链装置。
16.进一步地，系泊系统包括多根锚链和设置在锚链上的吸力锚，锚链安装在漂浮式基础上。
17.进一步地，压载沉箱为圆筒形混凝土结构。
18.本发明还提供一种如上所述的漂浮式海上风电基础的安装方法，包括如下步骤：
19.s1、将漂浮式基础和压载沉箱运输到水上，并将漂浮式基础和压载沉箱拖航至预定位置；
20.s2、在漂浮式基础上安装若干牵引装置，将牵引装置的牵引绳与压载沉箱连接；
21.s3、将若干悬挂组件与压载沉箱连接；
22.s4、按照由下往上的顺序依次打开每层压载沉箱上的阀门，直到压载沉箱达到预设的负浮力，使得压载沉箱沉入水中，其中只有在每层压载沉箱灌满水后才打开另一层压载沉箱上的阀门；
23.s5、通过若干牵引装置将压载沉箱牵引至漂浮式基础的中心下方；
24.s6、调整悬挂组件的长度，直到所有悬挂装置的长度一致；
25.s7、打开压载沉箱上的所有阀门，直到压载沉箱达到设计压载，关闭压载沉箱上的所有阀门；
26.s8、在漂浮式基础上安装系泊系统。
27.相比于现有技术，本发明的有益效果为：通过悬吊压载沉箱以降低漂浮式基础重心，增加漂浮式基础的摇荡运动阻尼，使得其在波浪作用下的运动响应小，稳定性好，从而可减少整体尺寸，减少制造费用，并且在拖航和安装中，只需船舶配合即可完成所有安装，通过压载沉箱分层灌注的安装工艺，无需调遣大型起重设备配合，能够节省大型起重设备安装费以及缩短海上安装作业耗时，降低工程总成本，同时施工作业安全性也有保障。
附图说明
28.图1为本发明漂浮式海上风电基础的结构示意图；
29.图2为本发明漂浮式海上风电基础中压载沉箱的结构示意图；
30.图3为本发明漂浮式海上风电基础中漂浮式基础与压载沉箱的连接示意图；
31.图4为本发明漂浮式海上风电基础中漂浮式基础的安装方法的安装流程示意图；其中图
①
为拖航示意图；图
②
为卷扬机与压载沉箱示意图；图
③
为悬挂组件与压载沉箱连接示意图；图
④
为压载沉箱下沉示意图。
32.图中，1-漂浮式基础，11-中心浮筒，12-主浮筒，13-水平支撑，14-径向支撑，15-斜向支撑，2-系泊系统，3-压载系统，31-悬挂组件，311-吊缆，312-夹链装置，32-压载沉箱，321-第一层压载沉箱，322-第二层压载沉箱，33-分隔板，34-阀门，35-钢管，36-盲板，4-第一减摇板，5-第二减摇板，6-风机主体，7-卷扬机，8-导向滑轮。
具体实施方式
33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
34.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
36.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
37.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
38.请参阅图1和图2，图1为本发明漂浮式海上风电基础的结构示意图，图2为本发明漂浮式海上风电基础中压载沉箱的结构示意图。一种漂浮式海上风电基础，包括漂浮式基础1、系泊系统2和压载系统3，系泊系统2一端与漂浮式基础1固定连接，另一端用于固定在海底，压载系统3包括压载沉箱32和若干可调节长度的悬挂组件31，压载沉箱32通过若干悬挂组件31悬挂在漂浮式基础1的下方，压载沉箱32内部中空，压载沉箱32内由上至下设置有若干分隔板33，分隔板33将压载沉箱32分隔为若干层，每层压载沉箱32上均设有阀门34。
39.漂浮式基础1用于安装风机主体6，在一实施例中，漂浮式基础1包括中心浮筒11和多个主浮筒12，多个主浮筒12呈等边形排列，相邻两主浮筒12通过水平支撑13连接，中心浮筒11设置在多个主浮筒12中心位置，中心浮筒11底端分别通过径向支撑14与主浮筒12连接，中心浮筒11中部分别通过斜向支撑15与主浮筒12连接。漂浮式基础1采用桁架式结构，与传统半潜式风电基础相比，钢结构整体尺寸明显减小，从而减少了漂浮式基础1的总用钢梁和制造费用，并且单个主浮筒12在抵抗大浪作用的受力合理和抗浪性能更优，适应更大尺寸的主浮筒12结构设计来满足大容量风机主体6对漂浮式基础1的稳定性需求。在实际使用时，风机主体6设置在中心浮筒11上。在一实施例中，多个主浮筒12包括三个主浮筒12，三个主浮筒12按照正三角形等间距排列。三角形布置稳定性好，结构轻便，通过三个主浮筒12、三个水平支撑13、三个径向支撑14、三个斜向支撑15和中心浮筒11组成双四面体桁架结构，水面线更小从而降低外部荷载作用，结构受力更加合理，以降低用钢量和保证传递稳定。双四面体桁架结构使得风机传力的中心主浮筒12和主主浮筒12、主浮筒12与压载结构的传力合理，使得本发明漂浮式海上风电基础的整体结构以半潜式基础为核心，兼具立柱式spar基础和张力腿式tlp基础的优势，优化半潜式基础结构，使其用钢量减小，制造更为便利，与传统半潜式风电基础相比，单台基础节约钢用量约1000t，社会经济效益好。
40.压载沉箱32用于改变漂浮式基础1的重心位置，在一实施例中，压载沉箱32为圆筒形混凝土结构。压载沉箱32采用圆筒形混凝土结构，水动力性能好，使用混凝土造价低且耐久性有保证。为便于在每层压载沉箱32上安装阀门34，在一实施例中，每层压载沉箱32上均设有若干钢管35，钢管35远离压载沉箱32的一端设有盲板36，阀门34与盲板36的数量相同且一一对应，阀门34设置在对应的盲板36上。通过在每层压载沉箱32上设置若干钢管35，在钢管35上的盲板36上设置阀门34，以便于在每层压载沉箱32上安装阀门34，同时能够加快向每层压载沉箱32中注水。在一实施例中，分隔板33的数量为一，分隔板33将压载沉箱32分隔为两层。在安装压载沉箱32时，第一步安装需要将压载沉箱32灌水使其达到预设的负浮力，因此将压载沉箱32设计为两层，并设计在最下层压载沉箱32灌满水时，压载沉箱32能够达到预设的负浮力，便于压载沉箱32的施工安装。
41.在一实施例中，压载沉箱32底部设有第一减摇板4，主浮筒12底部设有第二减摇板5。第一减压板可提高压载沉箱32的垂荡和摇荡性能，第二减摇板5可提高主浮筒12的垂荡和摇荡性能。优先地，第一减摇板4和第二减摇板5为环形板，第一减摇板4套设在压载沉箱32外侧壁底部，第二减摇板5套设在相应的主浮筒12外侧壁底部。
42.请结合参阅图3，图3为本发明漂浮式海上风电基础中漂浮式基础与压载沉箱的连接示意图。在一实施例中，悬挂组件31的数量与主浮筒12的数量相同且一一对应，悬挂组件31包括吊缆311和设置在对应主浮筒12上用于夹紧吊缆311的夹链装置312。该设置可动态调整吊缆311长度，吊缆311的设置可提高基础水动力性能，根据海区大浪参数，根据特征周期控制吊缆311锁定力，提高压载系统3与漂浮式基础1的运动协同和阻尼协同性能。使用时，通过夹链装置312松开吊缆311，以调整压在沉箱与主浮筒12之间的吊缆311的长度，吊缆311长度调整完成后，通过夹链装置312夹紧吊缆311即可。在一实施例中，吊缆311上设有浮球。浮球浮在水面上便于可视化。
43.在一实施例中，系泊系统2包括多根锚链和设置在锚链上的吸力锚，锚链安装在漂浮式基础1上。采用锚链和吸力锚进行固定，以通过非线性张力控制实现大浪的平台自存性能提升。锚链与漂浮式基础1中主浮筒12的数量相同且一一对应，锚链设置在对应的主浮筒12上。在一实施例中，锚链上设有浮球。浮球浮在水面上便于可视化。
44.请结合参阅图4，图4为本发明漂浮式海上风电基础中漂浮式基础的安装方法的安装流程示意图；其中图
①
为拖航示意图；图
②
为卷扬机与压载沉箱示意图；图
③
为悬挂组件与压载沉箱连接示意图；图
④
为压载沉箱下沉示意图。本发明还提供一种如上所述的漂浮式海上风电基础的安装方法，包括如下步骤：
45.s1、将漂浮式基础1和压载沉箱32运输到水上，并将漂浮式基础1和压载沉箱32拖航至预定位置；
46.在上述步骤s1中，可通过半潜驳等设备将漂浮式基础1和压载沉箱32运输到水上，然后可进行风机主体6的安装，将风机主体6安装在漂浮式基础1的中心浮筒11上。安装完成后，采用拖轮对漂浮式基础1和压载沉箱32进行拖航，拖航时将漂浮式基础1和压载沉箱32串联在一起，采用串联拖航的方式将漂浮式基础1和压载沉箱32拖航至预定位置。该部分施工作业与常规的半潜式漂浮基础类似，施工技术成熟度高、难度较低。
47.s2、在漂浮式基础1上安装若干牵引装置，将牵引装置的牵引绳与压载沉箱32连接；
48.在上述步骤s2中，牵引装置可采用卷扬机7，卷扬机7的数量可以采用三个，三个卷扬机7分别安装在漂浮式基础1的三个主浮筒12的顶端。为便于改变卷扬机7上牵引绳的方向，可分别在三个主浮筒12上安装导向滑轮8，三台卷扬机7的牵引绳分别通过三个导向滑轮8后连接在压载沉箱32上，以便于后续牵引压载沉箱32的位置。
49.s3、将若干悬挂组件31与压载沉箱32连接；
50.在上述步骤s3中，将悬挂组件31的吊缆311与压载沉箱32连接，并通过相应的夹链装置312夹紧吊缆311，为压载沉箱32下沉做准备。
51.s4、按照由下往上的顺序依次打开每层压载沉箱32上的阀门34，直到压载沉箱32达到预设的负浮力，使得压载沉箱32沉入水中，其中只有在每层压载沉箱32灌满水后才打开另一层压载沉箱32上的阀门34；
52.在上述步骤s4中，然后开始向压载沉箱32灌水，为便于描述，若干层压载沉箱32由下往上分别为第一层压载沉箱321、第二层压载沉箱322、
……
、第n层压载沉箱，n为压载沉箱32的层数，先打开位于最下方的第一层压载沉箱321上阀门34，使得第一层压载沉箱321灌满水，查看压载沉箱32是否达到预设的负浮力，预设的负浮力可设定为1％-2％负浮力，此时压载沉箱32可沉入水中，并且压载沉箱32在水中的重量会很轻，不需要起重机就能调整压载沉箱32的位置。若没有达到，则打开第二层压载沉箱322上的阀门34，使得第二层压载沉箱322灌满水，再次查看压载沉箱32是否达到预设的负浮力，以此按照由下往上的顺序依次打开每层压载沉箱32上的阀门34，直到压载沉箱32达到预设的负浮力，使得压载沉箱32沉入水中。为便于压载沉箱32安装，可将压载沉箱32分为两层，由下到上分别为第一层压载沉箱321和第二层压载沉箱322，首先打开第一层压载沉箱321上的阀门34，使得第一层压载沉箱321灌满水，此时压载沉箱32负浮力即可达到预设的负浮力，使得压载沉箱32沉入水中。
53.s5、通过若干牵引装置将压载沉箱32牵引至漂浮式基础1的中心下方；
54.在上述步骤s5中，使用卷扬机7牵引压载沉箱32，不断调整三台卷扬机7的牵引绳，拉动压载沉箱32在水中移动至漂浮式基础1的中心下方，即压载沉箱32位于漂浮式基础1的三个主浮筒12的中心位置的下方。
55.s6、调整悬挂组件31的长度，直到所有悬挂装置的长度一致；
56.在上述步骤s6中，将压载沉箱32牵引到位后，调整三个悬挂组件31的吊缆311，使得三根吊缆311的长度一致，然后通过夹链装置312把吊缆311卡住，安装完成后可切除多余的吊缆311。
57.s7、打开压载沉箱32上的所有阀门34，直到压载沉箱32达到设计压载，关闭压载沉箱32上的所有阀门34；
58.在上述步骤s7中，将压载沉箱32上的所有阀门34打开，将整个压载沉箱32的内部灌满水，压载沉箱32达到设计的压载，压载沉箱32二次下沉，此时，压载沉箱32通过悬挂组件31对漂浮式基础1提供拉力，以降低漂浮式基础1重心。具体地，压载沉箱32分为两层时，打开第二层压载沉箱322上的阀门34，使得第二层压载沉箱322灌满水，从而将整个压载沉箱32注满水，压载沉箱32达到设计的压载。
59.s8、在漂浮式基础1上安装系泊系统2。
60.在上述步骤s8中，最后在三个主浮筒12分别安装锚链和在锚链上安装吸力锚，吸
力锚沉入水中，完成漂浮式海上风电基础的安装。
61.相比于现有技术，本发明的有益效果为：通过悬吊压载沉箱32以降低漂浮式基础1重心，增加漂浮式基础1的摇荡运动阻尼，使得其在波浪作用下的运动响应小，稳定性好，从而可减少整体尺寸，减少制造费用，并且在拖航和安装中，只需船舶配合即可完成所有安装，通过压载沉箱32分层灌注的安装工艺，无需调遣大型起重设备配合，能够节省大型起重设备安装费以及缩短海上安装作业耗时，降低工程总成本，同时施工作业安全性也有保障。
62.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种漂浮式海上风电基础，其特征在于，包括：用于安装风机主体的漂浮式基础；系泊系统，所述系泊系统一端与所述漂浮式基础固定连接，另一端用于固定在海底；压载系统，所述压载系统包括压载沉箱和若干可调节长度的悬挂组件，所述压载沉箱通过若干悬挂组件悬挂在漂浮式基础的下方，所述压载沉箱内部中空，所述压载沉箱内由上至下设置有若干分隔板，所述分隔板将压载沉箱分隔为若干层，每层所述压载沉箱上均设有阀门。2.根据权利要求1所述的漂浮式海上风电基础，其特征在于，所述分隔板的数量为一，所述分隔板将压载沉箱分隔为两层。3.根据权利要求1所述的漂浮式海上风电基础，其特征在于，每层所述压载沉箱上均设有若干钢管，所述钢管远离压载沉箱的一端设有盲板，所述阀门与盲板的数量相同且一一对应，所述阀门设置在对应的盲板上。4.根据权利要求1所述的漂浮式海上风电基础，其特征在于，所述漂浮式基础包括中心浮筒和多个主浮筒，多个所述主浮筒呈等边形排列，相邻两所述主浮筒通过水平支撑连接，所述中心浮筒设置在多个主浮筒中心位置，所述中心浮筒底端分别通过径向支撑与主浮筒连接，所述中心浮筒中部分别通过斜向支撑与主浮筒连接。5.根据权利要求4所述的漂浮式海上风电基础，其特征在于，所述压载沉箱底部设有第一减摇板，所述主浮筒底部设有第二减摇板。6.根据权利要求4所述的漂浮式海上风电基础，其特征在于，多个所述主浮筒包括三个主浮筒，三个所述主浮筒按照正三角形等间距排列。7.根据权利要求4所述的漂浮式海上风电基础，其特征在于，所述悬挂组件的数量与主浮筒的数量相同且一一对应，所述悬挂组件包括吊缆和设置在对应主浮筒上用于夹紧吊缆的夹链装置。8.根据权利要求1所述的漂浮式海上风电基础，其特征在于，所述系泊系统包括多根锚链和设置在锚链上的吸力锚，所述锚链安装在漂浮式基础上。9.根据权利要求1所述的漂浮式海上风电基础，其特征在于，所述压载沉箱为圆筒形混凝土结构。10.一种如权利要求1-9任一项所述的漂浮式海上风电基础的安装方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、将漂浮式基础和压载沉箱运输到水上，并将所述漂浮式基础和压载沉箱拖航至预定位置；s2、在所述漂浮式基础上安装若干牵引装置，将所述牵引装置的牵引绳与压载沉箱连接；s3、将若干悬挂组件与所述压载沉箱连接；s4、按照由下往上的顺序依次打开每层所述压载沉箱上的阀门，直到所述压载沉箱达到预设的负浮力，使得所述压载沉箱沉入水中，其中只有在每层所述压载沉箱灌满水后才打开另一层压载沉箱上的阀门；s5、通过若干所述牵引装置将压载沉箱牵引至漂浮式基础的中心下方；s6、调整所述悬挂组件的长度，直到所有所述悬挂装置的长度一致；
s7、打开所述压载沉箱上的所有阀门，直到压载沉箱达到设计压载，关闭所述压载沉箱上的所有阀门；s8、在所述漂浮式基础上安装系泊系统。

技术总结
本发明提供了一种漂浮式海上风电基础及其安装方法，其中基础包括：漂浮式基础；系泊系统，系泊系统一端与漂浮式基础固定连接，另一端用于固定在海底；压载系统，压载系统包括悬挂组件和压载沉箱，压载沉箱通过悬挂组件悬挂在漂浮式基础的下方，压载沉箱内部中空，压载沉箱内由上至下设置有若干分隔板，分隔板将压载沉箱分隔为若干层，每层压载沉箱上均设有阀门。本发明通过悬吊压载沉箱以降低漂浮式基础重心，增加漂浮式基础的摇荡运动阻尼，稳定性好，从而可减少整体尺寸，减少制造费用，并且在安装时无需大型起重设备配合，能够节省安装费以及缩短海上安装作业耗时，降低工程总成本。降低工程总成本。降低工程总成本。


技术研发人员：应宗权 左华楠 林美鸿 温承永 王雪刚 汪海洋
受保护的技术使用者：中交四航工程研究院有限公司
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/7/7