CN109736343A - 海上风电基础、其安装方法及风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种海上风电基础、其安装方法及风力发电机组。海上风电基础包括：浮箱，浮箱的内部形成有空腔，浮箱的上表面上设置有与空腔连通的通孔；吸力筒，吸力筒设置在浮箱的下表面上；导管架，导管架设置在浮箱的上表面上。根据本发明的海上风电基础，可具有自浮能力、可自安装且可节省安装时间，降低波浪荷载。

Description

海上风电基础、其安装方法及风力发电机组

技术领域

本发明涉及海上风力发电技术领域，更具体地说，涉及一种海上风电基础、其安装方法及风力发电机组。

背景技术

海上风力发电机组通常由塔头(风轮与机舱)、塔架和基础三部分组成，其中海上风电场基础对整机安全至关重要。

海上风力发电机组常用的基础型式有单桩基础、导管架基础、重力式基础和吸力筒基础。其中，导管架基础主腿和撑杆直径较小、受波浪力小且刚度大，但其安装施工需要打桩和水下灌浆，需要打桩锤、水下灌浆设备、潜水员或ROV以及相关安装船舶资源等，导致施工周期及施工安装费用较高，如遇到埋深较浅的基岩，则需进行嵌岩桩施工，导致施工周期大大增加，施工费用也非常昂贵，在施工窗口期短的海域，如福建、广东，其施工时间也很紧张。

重力式基础无需打桩，且采用预制混凝土，成本较低，但需要较为平整，岩性较好的岩层或密实砂土层作为地基，且持力层埋深较浅，例如，持力层埋深较浅、地基相对平整的广东、福建海域，若持力层埋深较深或不平整，则需要挖泥及地基平整处理，施工周期长，且施工费用高。

吸力筒基础利用负压原理实现浮拖及自安装，但适用于土壤刚度较大的密实砂土。

因此，需要提供一种能够克服以上问题的海上风力发电机组的基础。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种具有自浮能力、可自安装且节省安装时间，可降低波浪荷载的海上风电基础、其安装方法及风力发电机组。

根据本发明的一方面，提供一种海上风电基础，海上风电基础包括：浮箱，浮箱的内部形成有空腔，浮箱的上表面上设置有与空腔连通的通孔；吸力筒，吸力筒设置在浮箱的下表面上；导管架，导管架设置在浮箱的上表面上。根据本发明的海上风电基础，可具有自浮能力、可自安装且节省安装时间，可降低波浪荷载。

可选地，吸力筒的下端可敞开，且吸力筒的横截面的面积从下至上可逐渐减小。通过这样设计，可增大吸力筒的筒壁与土的侧摩阻力，从而可提高抗拔承载力。

可选地，吸力筒可包括在吸力筒的内壁和/或外壁上沿圆周方向设置的抗剪键。通过这样设计，可进一步增加筒壁与土之间的侧摩阻力，提高抗拔承载力。

可选地，吸力筒可包括在吸力筒的圆周方向上彼此连接的多个筒片。

可选地，多个筒片中的每个筒片可以为异形筒片。通过这样设计，可提高局部刚度，从而提高吸力筒贯入时抵抗面内和面外屈曲的能力。

可选地，每个筒片的横截面可呈弧形或折线形。

可选地，吸力筒可设置在浮箱的下表面的中央，和/或，吸力筒围绕浮箱的下表面的中心设置。通过这样设计，可提高结构稳定性。

可选地，导管架可设置在浮箱的上表面的中央。通过这样设计，可提高结构稳定性。

根据本发明的另一方面，提供一种海上风电基础的安装方法，所述安装方法包括：将海上风电基础拖带至安装现场；将泥浆泵入浮箱；当吸力筒接触到泥面时，对吸力筒进行抽真空；当吸力筒灌入设计深度后，继续泵入泥浆，直至浮箱灌满；在浮箱和泥面接触位置设置抛石。

根据本发明的另一方面，提供一种风力发电机组，风力发电机组包括如上的海上风电基础。

根据本发明的海上风电基础，可降低波浪荷载，并可降低整体支撑结构的动力荷载。

根据本发明的海上风电基础，可利用负压沉灌原理实现基础的沉放和灌入，可大大缩短施工安装时间，同时也可减少打桩锤和打桩船等施工船舶资源。

根据本发明的实施例的海上风电基础，可利用浮箱可将整个基础设计成可自浮的型式，因此可节省驳船或支腿船等船舶资源，从而大大降低施工安装成本。

根据本发明的实施例的海上风电基础，通过将吸力筒的筒片设置成异形筒片、使吸力筒大体上呈圆台形状、设置抗剪键，可使本发明的海上风电基础能够适用于上覆土层较厚的软粘土地区，拓展传统吸力筒基础的应用。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的海上风电基础的立体图；

图2是图1中的海上风电基础的另一视角的立体图；

图3是图1中的海上风电基础的吸力筒的立体图；

图4是图3中的吸力筒的主视图；

图5是图3中的吸力筒的一部分的立体图；

图6是图1中的海上风电基础的浮箱的俯视图；

图7是根据本发明的另一实施例的海上风电基础的立体图；

图8是根据本发明的又一实施例的海上风电基础的立体图；

图9至图12是根据本发明的实施例的吸力筒的变型示例的截面图；

图13至图17是根据本发明的实施例的浮箱和吸力筒的布置的示意图；

图18是图1中示出的海上风电基础在拖航时的状态的示意图；

图19是图1中示出的海上风电基础的安装状态的示意图。

具体实施方式

以下，将参照图1至图19详细描述根据本发明的实施例的海上风电基础。

如图1和图2所示，根据本发明的实施例的海上风电基础可包括：浮箱10，浮箱10的内部形成有空腔，浮箱10的上表面10a上设置有与空腔连通的通孔11；吸力筒20，吸力筒20设置在浮箱10的下表面10b上；导管架30，导管架30设置在浮箱10的上表面上。

根据本发明的实施例，海上风电基础可包括浮箱10，浮箱10可具有箱式结构，浮箱10的内部形成有空腔。如图1所示，浮箱10可具有上表面10a、下表面10b以及将上表面10a和下表面10b彼此连接的侧表面10c。上表面10a和下表面10b可彼此平行且具有基本上相同的尺寸，侧表面10c可连接在上表面10a和下表面10b之间，以在上表面10a、下表面10b和侧表面10c之间限定空腔。

根据本发明的实施例，为了提高浮箱10的刚度，可在浮箱10内设置纵横交错的支撑板(未示出)。如图1所示，浮箱10可呈棱柱形(例如，六棱柱形)，然而，本发明不限于此。例如，如图7所示，浮箱10可呈圆柱形，或者如图8所示，浮箱10可呈四方体形(例如，正方体形)。

另外，根据本发明的实施例，浮箱10的上表面上设置有与空腔连通的通孔11，通过设置通孔11，在向浮箱10内的空腔中灌注泥浆时，空腔内的液体和气体可从通孔11排出。如图6所示，通孔11在浮箱10的上表面上按照三角形排布，例如，图6中示出的通孔11排成四个三角形。通过将通孔11按照三角形排布，可将浮箱10内的液体和气体均匀地排出。

根据本发明的实施例，可在浮箱10的上表面上设置系缆桩12，例如，可在浮箱10的上表面的两侧对称地设置两组系缆桩12，从而可实现双向海上浮拖。在运输状态时，浮箱10保持空仓状态为海上风电基础提供浮力，以使海上风电基础保持漂浮状态，通过系缆桩12和系在系缆桩12上的缆绳13由拖轮拖带至安装现场。

根据本发明的实施例，海上风电基础还可包括设置在浮箱10的下表面上的吸力筒20。如图3所示，吸力筒20的上端可结合到浮箱10的下表面，吸力筒20的下端可敞开，当吸力筒20灌入土壤3(如图19所示)中时，土壤3可从吸力筒20的下端进入到吸力筒20内，从而固定吸力筒20。另外，吸力筒20的上端可通过浮箱10封闭，因此吸力筒20可围成两端敞开的筒状。

根据本发明的实施例，吸力筒20的横截面的面积从下至上可逐渐减小。根据本发明的实施例，通过使吸力筒20的横截面的面积从下至上逐渐减小(呈倒杯状)，当吸力筒20灌入土壤3(如图19所示)中时，可增大吸力筒20的筒壁与土的侧摩阻力，从而可提高抗拔承载力。

具体地，如图3所示，吸力筒20可呈大体上圆台的形状。如图3至图5所示，吸力筒20可包括在吸力筒20的圆周方向上彼此连接的多个筒片21。每个筒片21可以为异形筒片，以提高局部刚度和增加吸力筒的抗拔承载力，从而提高吸力筒20贯入时抵抗面内和面外屈曲的能力。其中，异形筒片指的是筒片21不是规则的矩形形状。

例如，异形筒片的横截面可以为如图9至图11中所示的弧形，或者如图12中所示的折线形，然而本发明不限于此，以方便加工制造为准。多个筒片21可彼此焊接，以形成吸力筒20。另外，虽然图3中示出了多个筒片21的尺寸彼此相同的示例，但本发明不限于此。

虽然以上描述了吸力筒20包括多个筒片21的结构，但本发明不限于此，吸力筒20也可通过铸造形成一体结构。

另外，根据本发明的实施例，如图13至图17所示，吸力筒20可设置在浮箱10的底表面的中央和/或设置为围绕浮箱10的底表面的中心，以保证受力均衡。

在图13中，设置一个吸力筒20，且吸力筒20设置在浮箱10的底表面的中心。在图14中，设置四个吸力筒20，且吸力筒20围绕浮箱10的底表面的中心设置。在图15中，设置五个吸力筒20，且吸力筒20围绕浮箱10的底表面的中心设置。在图16中，设置五个吸力筒20，其中一个吸力筒20设置在浮箱10的底表面的中心，另外四个吸力筒20围绕浮箱10的底表面的中心设置。在图17中，设置六个吸力筒20，且吸力筒20围绕浮箱10的底表面的中心设置。当设置多个吸力筒20时，多个吸力筒20的尺寸可彼此相同，但本发明不限于此。另外，应理解的是，根据本发明的实施例的吸力筒的设置形式不限于图13至图17中示出的示例。

根据本发明的实施例，如图5所示，吸力筒20可包括抗剪键22，抗剪键22在吸力筒20的内壁和/或外壁上沿圆周方向设置。具体地，如图3所示，抗剪键22指的是从吸力筒20的内壁朝内突出预定距离或者从吸力筒20的外壁朝外突出预定距离的突出肋。

根据本发明的实施例，可沿圆周方向在吸力筒20的内壁和/或外壁上设置多个抗剪键22，多个抗剪键22可如图3至图5中所示从上至下均匀地设置。然而，本发明不限于此。另外，图3至图5中示出了在吸力筒20的内壁和外壁上均设置抗剪键22，但本发明不限于此，抗剪键22可仅设置在吸力筒20的内壁或外壁上。

根据本发明的实施例，通过设置抗剪键22，当将吸力筒20灌入土壤3(如图19所示)中时，可增加筒壁与土之间的侧摩阻力，提高抗拔承载力。

如上，根据本发明的实施例的吸力筒20，通过将筒片21设置成异形筒片、使吸力筒20大体上呈圆台形状、设置抗剪键22，可使本发明的海上风电基础能够适用于上覆土层较厚的软粘土地区，因此可拓展传统吸力筒基础的应用。并且，由于可提高吸力筒20的抗拔承载力，因此与传统吸力筒20相比，可有效减小吸力筒20的尺寸，减少基础工程造价。

根据本发明的实施例的海上风电基础还可包括设置在浮箱10的上表面上的导管架30。根据本发明的实施例，吸力筒、浮箱和导管架的轴向可彼此相同，以保证结构稳定性。

根据本发明的实施例，导管架30可包括多根主腿31和设置在主腿31之间将主腿31彼此连接的撑杆32。虽然图1和图2中示出了四根主腿31并示出了主腿31和撑杆32的具体布置形式，但本发明不限于此，而是可对主腿31的数量以及主腿31和撑杆32的布置形式进行各种变型。根据本发明的实施例，导管架30还可包括设置在主腿31和撑杆32顶部、用于连接风力发电机组的塔筒的过渡段33。过渡段33可包括基础外平台33a、设置在基础外平台33a上的主筒33b和设置在基础外平台33a上支撑主筒33b的斜支撑33c。

应理解的是，虽然以上示出了导管架30的具体结构，但本发明不限于此，根据本发明的导管架30可具有本领域中已知的任何结构，只要能够将其设置在浮箱10的上表面上即可。

根据本发明的实施例，导管架30的主腿31和撑杆32的尺寸小，为小水线面结构物，因此其所受波浪荷载小，可降低波浪荷载，并可减小支撑结构的结构动力变形响应，从而降低整体支撑结构的动力荷载。同时，导管架30具有较强的结构刚度，可提高整机一阶频率，对于表层土刚度较弱的地质条件极为适用。

以下，将参照图18和图19描述图1中示出的海上风电基础的安装方法。

如图18所示，在运输状态时，浮箱10保持空仓状态为海上风电基础提供浮力，以使海上风电基础在海平面1上保持漂浮状态，通过系缆桩12和系在系缆桩12上的缆绳13由拖轮拖带至安装现场。

在安装时，通过灌浆管线5(灌浆管线5可贴附主腿31的钢管壁设置，然而本发明不限于此)将泥浆泵入浮箱10中，随着泥浆的泵入，基础整体重量增加，基础下沉。当吸力筒20接触到泥面2时，通过抽真空设备将吸力筒20内的液体和气体抽出，在吸力筒20内实现负压状态，利用负压使吸力筒20灌入土壤3中。当吸力筒20灌入设计深度后，继续泵入泥浆，直至浮箱10灌满，泥浆灌入时排出的液体和气体可通过通孔11排出，并且还可通过通孔11检查泥浆是否灌满。当基础安装完成后，可在浮箱10和泥面2接触位置设置抛石4以对浮箱10提供防冲刷保护。

根据本发明的实施例的风力发电机组可包括以上描述的海上风电基础。另外，根据本发明的实施例的风力发电机组还可包括塔筒，塔筒可通过例如法兰连接到导管架30的过渡段33。

如上，根据本发明的实施例，海上风电基础的上部结构可采用导管架结构形式，导管架的主腿和撑杆的尺寸小，为小水线面结构物，因此其所受波浪荷载小，可降低波浪荷载，并可减小支撑结构的结构动力变形响应，从而降低整体支撑结构的动力荷载。同时，导管架具有较强的结构刚度，可提高整机一阶频率，对于表层土刚度较弱的地质条件极为适用。

根据本发明的实施例，海上风电基础的下部结构采用吸力筒基础，利用负压沉灌原理实现基础的沉放和灌入，相比于传统的长桩打桩施工，可大大缩短施工安装时间，同时也可减少打桩锤和打桩船等施工船舶资源。

另外，根据本发明的实施例，海上风电基础的中间结构可采用浮箱。利用浮箱可将整个基础设计成可自浮的型式，可通过拖轮直接拖航至机位点，相比传统基础型式，可节省驳船或支腿船等船舶资源，从而大大降低施工安装成本。另外，在将基础灌入设计土层后，通过向浮箱中的空间泵入泥浆，利用泥浆的重力，增加基础的承载力和抗滑移稳定性。

此外，根据本发明的实施例，通过将吸力筒的筒片设置成异形筒片、使吸力筒大体上呈圆台形状、设置抗剪键，可使本发明的海上风电基础能够适用于上覆土层较厚的软粘土地区，拓展传统吸力筒基础的应用。并且，可有效减小吸力筒的尺寸，与传统吸力筒相比，可减少基础工程造价。

虽然已表示和描述了本发明的一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改。

Claims (10)

1.一种海上风电基础，其特征在于，所述海上风电基础包括：

浮箱(10)，所述浮箱(10)的内部形成有空腔，所述浮箱(10)的上表面(10a)上设置有与所述空腔连通的通孔(11)；

吸力筒(20)，所述吸力筒(20)设置在所述浮箱(10)的下表面(10b)上；

导管架(30)，所述导管架(30)设置在所述浮箱(10)的所述上表面(10a)上。

2.根据权利要求1所述的海上风电基础，其特征在于，所述吸力筒(20)的下端敞开，且所述吸力筒(20)的横截面的面积从下至上逐渐减小。

3.根据权利要求1或2所述的海上风电基础，其特征在于，所述吸力筒(20)包括在所述吸力筒(20)的内壁和/或外壁上沿圆周方向设置的抗剪键(22)。

4.根据权利要求1或2所述的海上风电基础，其特征在于，所述吸力筒(20)包括在所述吸力筒(20)的圆周方向上彼此连接的多个筒片(21)。

5.根据权利要求4所述的海上风电基础，其特征在于，多个所述筒片(21)中的每个所述筒片(21)为异形筒片。

6.根据权利要求5所述的海上风电基础，其特征在于，每个所述筒片(21)的横截面呈弧形或折线形。

7.根据权利要求1或2所述的海上风电基础，其特征在于，所述吸力筒(20)设置在所述浮箱(10)的所述下表面(10b)的中央，和/或，所述吸力筒围绕所述浮箱(10)的所述下表面(10b)的中心设置。

8.根据权利要求1所述的海上风电基础，其特征在于，所述导管架(30)设置在所述浮箱(10)的所述上表面(10a)的中央。

9.一种根据权利要求1至8中任一项所述的海上风电基础的安装方法，其特征在于，所述安装方法包括：

将所述海上风电基础拖带至安装现场；

将泥浆泵入所述浮箱(10)；

当所述吸力筒(20)接触到泥面(2)时，对所述吸力筒(20)进行抽真空；

当所述吸力筒(20)灌入设计深度后，继续泵入泥浆，直至所述浮箱(10)灌满；

在所述浮箱(10)和所述泥面(2)接触位置设置抛石(4)。

10.一种风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组包括根据权利要求1至8中任一项所述的海上风电基础。