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CN110461702B - 浮动海上平台 - Google Patents

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CN110461702B CN201780085991.XA CN201780085991A CN110461702B CN 110461702 B CN110461702 B CN 110461702B CN 201780085991 A CN201780085991 A CN 201780085991A CN 110461702 B CN110461702 B CN 110461702B
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Abstract

本发明公开一种用于支撑至少一个风力涡轮机的半潜式浮动平台，包括：四个柱，每个柱连接到环状浮箱；过渡件，其构造成支撑一个风力涡轮机，并设置在柱上；以及组装到环状浮箱内周边的一个垂荡板。环状浮箱包括形成四边形环状浮箱的四个浮箱部分，其中每个柱的第一端连接到所述四边形环状浮箱的相应拐角。垂荡板位于环状浮箱的内周边中。浮箱优选地分成多个隔室或构造块，其可以填充固定压载物。过渡件具有四个以星形配置布置并且从风力涡轮机所在的中心点突出的臂。每个浮力柱包括至少一个压载舱，该压载舱构造成用于分配海水以调节吃水深度并补偿平台的倾斜度，包括在每个柱中的所述至少一个压载舱独立于其他柱的所述至少一个压载舱。

Description

浮动海上平台
技术领域
本发明涉及浮式海上结构。更具体地，本发明涉及用于支撑风力涡轮机的半潜式浮动海上结构。
背景技术
存在各种海上结构。它们通常具有顶部结构，根据其应用容纳不同的设备。这种设备的例子有管道设备、钻孔设备、存储和能量产生设备。整个结构的设计通常由其预期的应用来决定。
在US8418640B2中公开了用于石油和天然气开采的半潜式海上平台的示例。在US2007224000A1、US7963241B2、US8807874B2和US2014/305359A1中公开了这种类型的海上结构的其他示例。作为示例，US2014/305359A1公开了一种用于减少半潜式浮动平台上的垂直运动以用于勘探和生产海上石油和天然气的方法和系统。所公开的平台具有用于支撑海上平台的设备、设施和操作的实心方形甲板，以及由形成船体开口的浮箱连接的四个柱形成的船体。一个或多个延伸板可以连接到浮箱。
还存在配置为支撑风力涡轮机的半潜式浮动海上结构。为石油和天然气行业设计的结构比海上风力应用设计的结构更大更重，因为设计考虑/约束条件有很大不同。石油和天然气结构支持更大更重的设备，是人工结构，其应用性质导致更高的安全水平，以避免漏油。因此，必须通过设计安全系数、额外的加固元件和更大的元件来确保稳定性标准，以提供浮动性并最小化平台运动。设计受安全考虑因素驱动。例如，通常考虑双船体并且甲板空间最大化。
另一方面，海上风力结构无人操作，没有溢出的风险或对环境的影响。设计是受降低成本驱动的，因此必须减小结构尺寸，同时要保证稳定性以便进行适当的风力涡轮机操作。此外，由于应用的性质，石油和天然气结构在俯仰(pitch)和横摇(roll)自然周期方面没有限制，这是海上风力结构的情况。
在WO2014/031009中描述了配置成支撑风力涡轮机的半潜式浮动海上结构的示例，其公开了具有以星形配置布置的浮箱结构的结构中的一种。海上结构具有四个垂直柱：其中三个设置在浮箱结构的各个端部上，第四个柱位于浮箱结构的中心上。该中心柱支撑风力涡轮机。这种配置导致柱之间的距离更大的设计，这意味着连接它们的浮箱更大且更昂贵。在CN102758447B中公开了类似的设计，其中示出了具有三个外部柱和一个内部柱的海上浮动结构。甲板设置在三个外柱的上端。甲板具有从中心点伸出的星形结构，内部柱的上端连接到该中心点。垂荡(heave)板设置在这些柱下方。然而，由于垂荡板的尺寸较大，它会移动大量的水，这会在与柱的连接处产生非常大的力矩，从而导致疲劳问题。由于这个原因，桁架构件已被设置以分配力矩。但是，不建议使用桁架构件，因为由于疲劳问题，应避免在与海洋一样具有侵蚀性的环境中焊接这些元件。使用较厚的结构可以克服这些问题，这意味着更大的重量和使用大量的钢。
接着，WO2014013098A1公开了一种用于支撑风力涡轮机的海上结构。它有四个外柱和用于支撑风力涡轮机的第五个内柱。在这种情况下，结构材料是混凝土，这导致大的排水量和更大的平台重量。五柱配置在稳定性方面提供了优势，但是该结构具有更大的浮动区域，这使得其对水流更敏感，增加了系泊系统的复杂性和成本。
EP2271547B1中公开了另一种用于支撑风力涡轮机的海上平台。该平台具有三个稳定柱，其具有用于容纳压载流体的内部容积。通过压载控制系统，压载流体在各个柱的内部容积之间移动，以调节柱的垂直对准。三柱配置导致柱之间的距离更大，以确保稳定性。将风力涡轮机置于其中一个柱顶部的事实导致非对称配置，使得稳定性更加复杂。为了保持风力涡轮机的垂直性，需要转移柱之间的压载物。这使得系统更加复杂并且需要冗余以确保其在故障或紧急情况下的操作。
因此，需要开发一种新的半潜式浮动海上平台，该平台克服上述缺点，同时使成本最小化。
发明内容
本发明试图通过用于支撑风能设备的新型浮动海上平台来解决上述缺点。该平台具有四个垂直浮力柱，与设置在四个柱的底部的浮箱以及设置在柱顶部的甲板或过渡件一起形成平台的主要结构。浮动平台通过系泊系统固定在海底。在操作中，风力涡轮机和产生风能所需的任何辅助设备位于过渡件的顶部。该平台旨在通过提供优化的技术解决方案来支持浮动式海上风力设备，该技术解决方案最大化了大型风力涡轮机的能量产生(例如5至10MW)，同时限制了昂贵的海上集成和维护程序。
在本发明的第一方面，提供了一种用于支撑至少一个风力涡轮机的半潜式浮动平台。该平台包括四个浮力柱，每个柱在第一端连接到环状浮箱；构造成支撑至少一个风力涡轮机的具有过渡件的甲板，过渡件在柱的与所述第一端相反一端的端部处设置在浮力柱上；以及垂荡板，组装到环状浮箱的内周边。环状浮箱包括形成四边形环状浮箱的四个浮箱部分，其中每个柱的第一端连接到所述四边形环状浮箱的相应拐角。垂荡板位于环状浮箱的内周边中，浮箱和垂荡板限定中空部分。过渡件具有四个以星形配置布置的臂，并且在平台使用中从风力涡轮机所在的中心点突出，过渡件和四个柱的上端之间的连接设计成位于海溅区上方。每个浮力柱包括至少一个压载舱，该压载舱构造成在平台使用中分配海水以调节吃水深度并补偿平台的倾斜度，每个柱中包括的所述至少一个压载舱独立于其他柱的所述至少一个压载舱。
如本领域技术人员所知，浮箱是一种封闭结构，设计用于连接柱稳定单元(例如半潜式平台)的侧柱，并为压载物提供足够的空间。在半潜式平台中，柱是浮力结构；因此，浮箱的排水量(displacement)贡献由压载物平衡，目的是降低重心，这意味着增加了定倾中心高度并因此减小了横倾角。
由于具有矩形横截面的本发明的浮箱的形状，浮箱的另一个固有功能是在垂直运动和旋转中移动海水质量，这意味着增加这些自由度中的附加质量因此增加垂荡/俯仰/横摇的自然周期。
浮箱长度影响浮箱体积，这影响了排水量，从而导致更大的质量(以及附加质量)，从而更大的垂荡自然周期。由于水平臂的变化，浮箱长度的变化将导致水域惯性的大幅度变化，这将极大地影响静态横倾(heeling)角。还应注意的是，对静态横倾角的影响具有不同的符号(sign)，这意味着当浮箱长度增加时静态横倾角减小。浮箱容积受浮箱宽度变化的影响，而水域面积和水域惯性保持不变。它对附加质量系数以及阻力系数(dragcoefficient)也有一些影响。排水量以与浮箱宽度相同的速度变化，而半质量和垂荡自然周期以一半的速度变化。由于垂直重心的微小变化，静态横倾角稍微变化。浮箱高度对浮箱体积具有影响，并且，与其他浮箱尺寸相比，对垂直重心和浮力有相对较大的影响。浮箱高度的影响类似于浮箱宽度的影响。
在本发明的实施例中，浮箱利用隔板被分成多个隔室。在本发明的实施例中，它由等间隔的环梁和水平桁条正交地加强。
在本发明的实施例中，浮箱全部或部分地填充有固定压载物(不可移除)。
如果平台的宽度/长度被定义为柱之间的距离加上柱直径，则浮箱不会从该尺寸突出(浮箱的外部垂直壳体与柱相切)。
如本领域技术人员所知，垂荡板(也称为阻尼板，因为其功能不限于升降任务)，包括平板(其不是浮力结构)，连接在海面下方，并且在水平方向上，连接于一响应于通过的表面波而移动的结构部件。该板倾向于抵抗运动并具有增加该结构的质量和粘性阻尼(viscous damping)的效果。
本发明的垂荡板可以是三角形形状或矩形形状，位于结构的龙骨处并且连接到浮箱的最下边缘。
在本发明的实施例中，由主梁和桁条形成的垂直延伸结构被添加到垂荡板的表面，用于增加由板移动的水的体积。垂荡板的表面越大，增加的质量越大。此外，垂直结构将额外的粘性阻尼引入到垂荡/俯仰/横摇自由度(这在离岸风中是关键的)，改善了水的截留并且有助于垂荡板的刚度和结构强度。选择这些增强件的数量和位置以使柱和浮箱的主要结构具有结构连续性。
在本发明的实施例中，垂荡板由位于环状浮箱的内周边中的四个部分形成，其中形成垂荡板的四个部分是三角形形状的部分或矩形形状的部分。
在本发明的实施例中，平台还包括主动压载系统，该主动压载系统构造成将海水泵送入/出所述柱的每个压载舱，针对每个压载舱的泵送海水独立于针对其他压载舱的泵送海水。
在本发明的实施例中，每个柱由主梁和桁条从内部正交地加强。
在本发明的实施方案中，每个柱在内部分成多个部分。
在本发明的实施例中，四个柱具有相同的直径，两个相邻柱之间的距离与所述柱直径之间的比率被选择成使得平台的垂荡自然周期和平台的俯仰/横摇自然周期(因此，定倾中心高度)保持等于或高于20秒，所述比率根据风力涡轮机功率而变化。在本发明的实施例中，对由浮箱和垂荡板限定的中空部分的表面与浮箱所占据的表面加上垂荡板所占据的表面加上由浮箱和垂荡板限定的中空部分的表面之和的比率进行选择，以使得增加的质量足以保持平台的垂荡/横摇/俯仰的自然周期处于典型的波浪周期之外(超过20秒)。
在本发明的实施例中，浮箱被分成多个隔室，这些隔室构造成填充固定压载物(混凝土)或水。
在本发明的实施例中，浮箱内部包括加强结构，该加强结构包括主梁和桁条。
在本发明的实施例中，垂荡板内部包括加强结构，该加强结构包括主梁和桁条。
在本发明的实施例中，垂荡板由保证柱和浮箱加强件的结构连续性的悬臂梁支撑。
在本发明的实施例中，平台还包括放置在过渡件的所述中心点上的风力涡轮发电机。
在本发明的实施例中，在平台的使用中，过渡件保持在波浪区上方。
在本发明的实施例中，平台还包括悬链式系泊系统，该悬链式系泊系统包括多个构造成将平台固定到海床的悬链系泊索。
在本发明的实施例中，四边形环状浮箱是方形环状浮箱。
在本发明的垂荡板和浮箱中，围绕增强件的所有边缘产生涡流，不仅是外边缘，而且还包括垂荡板和浮箱的边缘。这产生比常规公开中获得的阻尼高得多的阻尼。并且，水被困在由垂荡板和浮箱的板片以及纵向和横向加强件形成的组件所形成的不同空腔中。这增加了附加质量，因此增加了“垂荡”和“俯仰/横摇”的自然周期。
与其他现有技术结构不同，该浮动海上平台不具有用于避免疲劳问题的桁架构件。
从下面的详细描述中，本发明的其它优点和特征将变得显而易见，并且将在所附权利要求中特别指出。
附图说明
为了完成描述并且为了更好地理解本发明，提供了一组附图。所述附图构成说明书的组成部分并且示出了本发明的实施例，其不应被解释为限制本发明的范围，而是仅作为如何实施本发明的示例。附图包括以下图：
图1A和图1B示出了根据本发明的实施例的半潜式浮动海上平台1的侧视图。
图2A和图2B显示了每个柱的内部结构的两种方案。
图3示出了图1A和图1B的平台的俯视图，其中可以更详细地看到甲板或过渡件。
图4A、图4B和图4C详细示出了形成浮箱的两个相邻部分的内部结构。图4A示出了浮箱的一部分(构造块)的横截面。图4B和图4C详细示出了浮箱的内部结构，它如何连接到四个柱中的一个柱的最下端，以及垂荡板的一部分的内部结构(由图4B中的三角形部分和图4C中的矩形部分组成)。
图5A和图5B示出了不同视图，示出了根据本发明实施例的平台的垂荡板的一种可能实施方式的内部结构。
图6A示出了根据本发明的实施例的半潜式浮动海上平台的俯视图，包括浮箱、垂荡板和四个柱。过渡件未示出。图6B示出了根据本发明的替代实施例的半潜式浮动海上平台的俯视图，其中垂荡板的实施方式与图6A中的不同。
图7示出了表示对于两种不同类型的风力涡轮机，对于浮箱、垂荡板和由浮箱、垂荡板限定的中空部分的不同比率的表面的垂荡自然周期的不同值的图表。
图8A示出了根据本发明的实施例的半潜式浮动海上平台的俯视图，包括过渡件、浮箱、垂荡板和四个柱。图8B示出了根据本发明的实施例的半潜式浮动海上平台的侧视图。图8C示出了根据本发明的实施例的半潜式浮动海上平台的等距视图。
图9A和图9B分别示出了根据本发明的实施例的平台的直立浮动位置和倾斜位置。
图10示出了表示不同比率的柱距离/柱直径之间的5MW风力涡轮机的垂荡自然周期和旋转自然周期(俯仰，横摇)的不同值的图表。
图11示出了表示不同比率的柱距离/柱直径之间的10MW风力涡轮机的垂荡自然周期和旋转自然周期(俯仰，横摇)的不同值的图表。
具体实施方式
在本文中，术语“包括”及其派生词(例如“包括”的现在分词形式等)不应被理解为排除意义，也就是说，这些术语不应被解释为排除描述和定义的内容可能包括其他元件、步骤等的可能性。
在本发明的上下文中，术语“大约”及其同类的术语(例如“近似”等)应理解为表示非常接近伴随上述术语的值。也就是说，应该接受在精确值的合理限度内的偏差，因为本领域技术人员将理解，由于测量不准确等，这种与表示值的偏差是不可避免的。这同样适用于术语“约”、“大约”和“基本上”。
以下描述不是限制性的，而是仅出于描述本发明的广泛原理的目的而给出的。以下将参考示出根据本发明的装置和结果的上述附图，通过示例的方式描述本发明的实施例。
图1A和图1B示出了根据本发明的实施例的半潜式浮动海上平台1的侧视图。它是一个柱稳定的浮动平台，旨在支持海上风力涡轮机。半潜式浮动海上平台1通常包括浮箱2、四个浮力柱3、包括过渡件4的甲板和垂荡板5。甲板是X形的。过渡件嵌入在甲板4的中心部分中，风力涡轮机位于该中心部分中。在过渡件4的顶部，布置有通常设置在海上结构上的标准顶侧设备。在本例子中，风力涡轮机和用于风力涡轮机的可选辅助设备安装在过渡件4上。在本发明的上下文中，“风力涡轮机”的表述用于表示风力涡轮机和获得海上风能所需的任何相关设备，例如风力涡轮发电机、叶片、塔架、机舱等。每个浮力柱3具有垂直纵向轴线，该纵向轴线基本上平行于由风力涡轮机的塔架限定的纵向轴线。浮箱2是环形浮箱。在本文中，术语“环”是指限定中空部分的结构，而与其采用的形状无关。这意味着根据本发明的环状浮箱不一定具有圆形形状。实际上，本发明的环状浮箱2优选地是方形环状浮箱。换句话说，浮箱2限定了居中的空间或居中的井。如图1A和图1B所示，环状浮箱2的每个角部接收四个柱3中的一个柱的底部。换句话说，每个柱3的底部连接或结合在环状浮箱2的四个角中的一个角中。因此，柱3刚性地连接到浮箱2上。
垂荡板5组装或嵌入在浮箱2中。它基本上是平的。垂荡板5位于环状浮箱2的内周边中。在图1A和图1B所示的实施例中，垂荡板5由四个基本上为直角三角形的部分制成。对于每个部分，形成直角的两个侧边设置为部分地填充在由浮箱2在一个角部形成的中空空间中。也就是说，如图1A和图1B所示，浮箱2的每个内角有一部分(垂荡板4)。换句话说，每个三角板位于浮柱3的底部的前面。图6A示出了浮动平台的俯视图，该浮动平台具有如刚刚描述的垂荡板(由基本上为直角三角形的四个部分构成)。图6B示出了根据本发明另一实施例的浮动平台的俯视图，其中垂荡板是由四个基本相等的部分构成的方形环状垂荡板。每个部分由两个限定直角的平板制成。这四个部分放在一起形成一个方形的环，它设置在由浮箱2限定的居中空间的外部区域。在两个实施例中，垂荡板5界定平台的中心孔。因此，垂荡板5限定了基本上方形的中空部分，如在后面详细说明的那样。垂荡板5的表面可以具有主梁和加强件，并且设计成在提供刚性的同时保留水。平台1还具有悬链式系泊系统6。可以观察到，平台1没有将成对的柱3沿其长度进行连接的加强撑杆、横杆或桁条。也没有撑杆将柱与浮箱连接或将垂荡板(或形成垂荡板的部分)与浮箱或柱连接。
柱3的横截面优选为圆形，但是可以替代地使用其他横截面形状，例如矩形横截面。浮箱2、垂荡板5和柱3的组合限定了浮动主体。四个柱提供浮力以支撑风力涡轮机并提供足够的水平面惯性以保持稳定性。图2A和图2B示出了根据本发明实施例的柱3的内部结构的两种方案，其中使用了具有圆形横截面的柱。换句话说，在所示实施例中，柱3具有圆柱形状。柱3至少部分是中空的。如可以观察到的，每个柱可以具有内部加强结构31，其为柱提供刚性。如图2A和图2B所示，柱的壳体32优选地用垂直主梁34(例如“T”型材或球头扁钢)和环形框架33(例如平板)加固，以提供足够的局部的和整体的屈服和抗弯强度。主梁和框架优选地规则地间隔开。每个柱在使用平台时所承受的压力从柱的顶部到底部增加。换句话说，每个柱的下部受到比每个柱的上部更高的压力。由于在平台的使用中，壳体32的较深(较低)部分承受较大的压力载荷，因此每个柱优选地水平地分成多个部分或构造块，所述构造块由增强甲板35分开，所述增强甲板35根据其最大水头(head of water)确定尺寸。图2A还示出了甲板的部分36。这意味着相同类型的所有构件具有相同的尺寸。制造每个柱的壳32优选是金属的。在特定实施例中，它由钢制成。金属板的厚度根据这些板在柱布置的高度而变化(高度越低，板越厚)。
四个柱3提供浮力以支撑风力涡轮机和提供足够的水平面惯性以获得稳定性。环形浮箱2也提供浮力和稳定性。为此目的，平台1包括两种类型的压载物以确保稳定性：固定压载物——优选混凝土压载物——其是被动压载物，以及主动压载水，其是可移除的且对于每个柱是独立的。因此，该压载水是可变的，也就是说，在每个柱中充当压载物的水的量不是固定的，并且对于每个柱通常是不同的。关于被动或固定压载物，环状浮箱2可以被分隔并且部分地填充固定的混凝土压载物。因此，该固定压载物在平台的使用寿命期间保持原位。就主动压载水而言，压载舱位于每个柱的底部。每个柱最好有一个压载舱。每个柱的优选的一个压载舱独立于其他柱的压载舱。在平台的使用中，主动压载系统将海水泵送到每个压载舱以调节吃水深度并补偿由涡轮机上的风载荷产生的平均倾斜度。每个压载水舱独立于其他压载水舱，因此不会在柱之间转移压载水。压载舱是分隔的，并且每个舱在操作中完全充满水，以避免晃动效应。在一个特定实施例中，每个仓被分成多个隔室，优选地在2-8个隔室之间变化，更优选地在2-5个隔室之间变化。换句话说，填充每个压载仓的水不会从一个柱运行到另一个柱。例如，在每个柱中，与浮箱2的高度基本匹配的第一(最低)隔室可以填充固定压载物，优选为混凝土压载物，而第二隔室可以填充海水(可变压载物)。柱的其余部分被分成另外的隔室，优选地在2-6个隔室之间变化。柱优选由金属制成，更优选由钢制成。
图3示出了设置在四个柱3顶部并设计成支撑风力涡轮机的甲板或过渡件4。特别地，示出了分解图，以能够看到过渡件4的内部结构。过渡件4优选地是基本上扁平的部件。过渡件4由四个优选为矩形的连接件构成，四个连接件将四个柱3中的每一个柱的上端与部件4的中心区域连接，该中心区域用于接收涡轮机塔架的最下端。因此，四个柱3的上端位于过渡件4的相应臂的远端。换句话说，过渡件4具有以星形配置布置并从中心点伸出的四个臂。四个臂优选地是相同的(相同的长度，宽度和厚度)。中心点是连接涡轮机塔架底端的点。优选地，形成过渡件4的四个臂的每对相邻臂分开90°的角度，即，两个相邻的臂形成90°的角度。过渡件4和四个柱3的端部之间的连接部设计成位于飞溅区域上方，在最大波峰上方具有间隙，返回周期为100年(也就是说，在一年内受到最大波峰影响的概率为1％)。风力涡轮机设计成相对于柱居中。过渡件4优选地由金属制成，更优选地由钢制成。
返回参考图1A和图1B，平台1具有环状浮箱2，即，在其内部限定空腔的浮箱，在柱下端处将柱互连。在平台作为用于支撑一个或多个风力涡轮机的海上结构使用时，浮箱2被浸没。浮箱2优选为方形环状。如图4A所示，示出了浮箱2的内部结构，浮箱2优选地由隔板23分成多个隔室或构造块，这些隔室或构造块可以填充固定压载物，例如混凝土。如图4B和4C所示，浮箱主体优选地用环形框架或桁条22和主梁21(水平主梁)加固。框架22和主梁21优选地规则地间隔开。浮箱2的外部结构及其框架22和主梁21由金属制成，例如钢。固定压载物可以部分或完全填充浮箱2的内部容积。浮箱2可以由四个基本平坦的部分构成。成对的部分两两对齐，相邻的部分彼此形成90°的角度，四个部分形成具有内部空心的基本上平坦的部件。因此，每个浮箱部分连接到成对的相邻柱的基部。每个浮箱部分在成对的相邻柱的基部之间延伸。浮箱2的外轮廓不超过柱3的轮廓。图4B详细示出了两个相邻部分的内部结构以及它们如何连接到平台的四个柱3中的一个柱的最下端的另一视图。还示出了沿着形成了浮箱2的部分的主梁21和相对于主梁21横向设置的桁条22。所示柱3的最下端可以焊接到浮箱2的加固加强件(主梁和桁条)上。优选地，浮箱的加固加强件与每个柱的加固加强件匹配，以便更好地传递力。
图4B还示出了垂荡板5的一部分的内部结构，在这个例子中，该垂荡板是具有三角形部分的垂荡板。值得注意的是，尽管图4B涉及具有三角形部分的垂荡板5，但是垂荡板的内部结构类似地应用于由四个矩形构成的垂荡板(如关于图4C和6B所述)。垂荡板5(更确切地说，形成垂荡板的四个部分中的每一个)可以在内部由主梁51和相对于主梁51横向设置的桁条52纵向加固。主梁51和/或桁条52优选规则地间隔布置。优选地，浮箱(主梁21和桁条22)的加固加强与垂荡板的每个部分(主梁51和桁条52)的加固加强相匹配，以便更好地传递力。在图4B和图4C所示的实施例中，由其外部结构的高度和桁条52的高度限定的垂荡板5的高度与浮箱2的高度基本相同，浮箱2的高度由其外部结构的高度和桁条22的高度限定。换句话说，其形成一个梯形。使用垂直平板有助于水捕获并且由于在其边缘处产生的漩涡而产生粘性阻尼。如图4B和4C所示，垂荡板5优选地是单个部件，也就是说，每个部分(例如三角形或矩形部分)连接到相邻部分并且它们的内部结构也连接。包括主梁51和桁条52的垂荡板5优选地由金属制成，更优选地由钢制成。图5A和5B还示出了垂荡板5的内部结构和垂荡板相对于根据本发明实施例的平台的浮箱2和柱3的位置。在该实施例中，垂荡板5由四个三角形构成，但是在替代实施例中，它可以由矩形构成。垂荡板，即，形成垂荡板5的四个部分，位于结构的底部和柱3之间，连接到浮箱2的内周边。垂荡板优选由悬臂梁支撑，确保柱和浮箱加强件的结构连续性。悬臂梁的一端固定在结构(浮箱)上，另一端是自由的(悬空的)。如果在两个结构元件之间存在结合，则结构连续性起作用，其保证请求的传递，在这个例子中，是桁条22和桁条52。没有撑杆(也称为桁架构件)用于支撑形成垂荡板的部分。形成垂荡板的部分位于由浮箱限定的周边的内部。如在图5A和5B以及图6A和6B中可见，每个柱(确切地说，每个柱的底部)设置成靠近浮箱的相应拐角的外径。垂荡板5从浮箱2的内周边朝向由浮箱2限定的中空部分的内部部分(换句话说，朝向平台的内部部分)延伸。
图6A和图6B示出了根据本发明的两个可能实施例的浮动主体的相应俯视图。过渡件未被示出(在操作中它未被浸没)。在这些图中，确定平台的三个重要设计区域或表面：表示浮箱2和四个柱3占据的表面的第一表面S1；表示由垂荡板5占据的表面的第二表面S2；以及设置在结构的中心并由垂荡板和浮箱限制的开放表面S3。在本发明的一个优选实施例中，开口区域S3与总面积(S1+S2+S3)之间的比率被设计成使得平台的垂荡自然周期保持等于或大于20秒，如下所述。该比率可至少根据风力涡轮机额定功率而变化，如下所述。它也可能因部置站点条件而变化。
整个平台的固有频率必须不同于海域周期(sea range period)以避免共振。这意味着浮动平台、风力涡轮机和系泊系统所构成的集合的刚性体的本征周期必须处于在5s和19s之间变化的范围(对应于海洋周期)之外。
对于半潜式平台，根据DNV-RP-C205(2014年4月)-表7.1，垂荡自由度(上/下)的自然周期约为20s。因此，在垂荡中，激励力具有接近平台的典型自然周期的周期，这意味着有进入共振的危险。为了避免这种现象，面向垂荡运动的表面(垂直运动)是关键参数，如下面所说明。
垂荡的自然周期由下式给出，
Figure GDA0003332810600000121
其中，M是整个结构(钢结构、压载物、风力涡轮机、系泊系统等)的质量。
A33是垂荡增加的质量。它是在垂直运动期间增加到平台的惯性，因为当在垂荡中加速或减速时，平台在穿过周围流体而移动时移动(或偏转)周围流体的体积。垂荡中增加的质量与S1+S2成正比，换句话说，与表面S3成反比。
ρ是海水密度。
g是重力加速度。
S是水线面面积，是在水线处的四个柱的封闭区域。
将之前的公式应用于当前的平台设计，考虑不同的孔径、垂荡板类型和不同的风力涡轮机功率特性，获得图7中所示的图表。图7示出了对于两个不同的风力涡轮机，不同的比率S3/(S1+S2+S3)下的垂荡自然周期T3，两个不同的风力涡轮机为5兆瓦的风力涡轮机和10兆瓦的风力涡轮机，第二个更大更重，因此浮动平台必须支撑更大的负载。对于5兆瓦的风力涡轮机，为了具有高于20秒的垂荡自然周期(即，通常在5到19秒之间变化的海洋周期之外)，比率S3/(S1+S2+S3)必须至多为12％。百分比越低，成本越高，因为需要更多的金属(即钢)结构。对于10兆瓦的风力涡轮机，为了具有高于20秒的垂荡自然频率周期(即，在海洋周期之外)，比率S3/(S1+S2+S3)必须至多为45％。百分比越低，成本越高，因为需要更多的钢结构。尽管未在图7中示出，但是如果使用功率在5MW和10MW之间的风力涡轮机(例如6MW，7MW，8MW或9MW)，则垂荡自然周期T3曲线将显示为比率S3/(S1+S2+S3)必须介于12％和45％之间。因此，平台优选地设计成使得平台垂荡自然周期T3保持等于或高于20秒。能够使平台垂荡自然周期T3等于或大于20秒的比率S3/(S1+S2+S3)的具体值取决于风力涡轮机的类型(特别是，取决于其功率，其影响涡轮机大小和重量)。在最优选的实施例中，考虑到结构最小成本，平台的垂荡自然周期T3保持尽可能接近20秒而不低于20秒，以便其在通常在5和19秒之间变化的海洋周期之外。
在本发明的一个特定实施例中，并且考虑在5MW和10MW之间变化的风力涡轮机，开口面积S3与总面积(S1+S2+S3)之间的比率保持在12％和45％之间。
现在参考平台的柱，在本发明的一些实施例中，比率‘柱直径D/柱中心之间的距离L'保持如下值：
3<L/D<6.75
这在图8B中表示，其中示出了柱中心之间的距离L与柱直径D。在图8A中，还示出了柱高度H、吃水深度T和平均海平面MSL。接下来解释选择3<L/D<6.75的原因。
在本发明的一个优选实施例中，柱中心之间的距离L与柱直径D之间的比率被设计成使得平台的垂荡自然周期和平台的俯仰/横摇(旋转)自然周期保持为等于或大于20秒，如下面说明。该比率可至少根据风力涡轮机额定功率而变化。
为了克服由于风力涡轮机负载引起的倾覆而减小横倾角/纵倾角的同时提高稳定性，平台优选地设计成具有始终大于6m的定倾中心高度
Figure GDA0003332810600000141
图9A和图9B分别示出了根据本发明的实施例的平台的直立浮动位置和倾斜位置。
定倾中心高度
Figure GDA0003332810600000142
可以计算为：
Figure GDA0003332810600000143
其中，
Figure GDA0003332810600000144
是浮力中心(龙骨上方的高度，龙骨被认为是平台的最低点)，其中K和B在图9A和9B中示出，B为由于倾斜的可动点。
Figure GDA0003332810600000145
是浮力中心与定倾中心之间的距离，对于小的横倾角/纵倾角可以认为是固定的。M和G也显示在图9A和9B中。
Figure GDA0003332810600000146
其中，I是水线面的第二面积矩(second moment of area of the waterplane)，
Figure GDA0003332810600000147
是排水量体积。
对于当前平台，假设稳定性主要由柱提供，可以认为：
Figure GDA0003332810600000148
Figure GDA0003332810600000149
其中，根据图8A和8B，D是柱直径，T是吃水深度，L是柱中心之间的距离。
Figure GDA00033328106000001410
是重心和龙骨之间的距离，如图9A和9B所示。
将公式3和公式4代入公式2：
Figure GDA00033328106000001411
考虑到当前平台
Figure GDA00033328106000001412
并且将公式5代入公式1获得以下表达式：
Figure GDA00033328106000001413
4(L)2+(D)2＞96D 公式7
Figure GDA0003332810600000151
Figure GDA0003332810600000152
Figure GDA0003332810600000153
Figure GDA0003332810600000154
4L2+D2＞96T 公式12
公式12表示的柱中心、吃水深和直径之间的关系基于
Figure GDA0003332810600000155
的前提推导，该前提是为了减少横倾角/纵倾角以抵抗由于风力涡轮机负载引起的倾覆而建立的。然而，该值具有由旋转运动，俯仰和横摇的自然周期决定的最大值，以避免与海洋激振力的共振。
旋转运动的自然周期(T0)由公式13定义，并且必须不同于海洋激振力(5-19s)。注意，在当前的平台设计中，由于横向和纵向的对称性，俯仰和横摇的自然周期是相等的。
Figure GDA0003332810600000156
其中，I是整个结构(钢、压载物、风力涡轮机、系泊系统等)在横摇/俯仰自由度的惯性。
A0是横摇/俯仰增加惯性。它是在旋转运动期间增加到平台的惯性，因为当在横摇/俯仰中加速或减速时，平台在穿过周围流体而移动时会移动(或偏转)周围流体的体积。
ρ是海水密度。
g是重力加速度。
S是水线面面积，是在水线处的四个柱的封闭区域。
Figure GDA0003332810600000157
是排水量体积。
Figure GDA0003332810600000161
是定倾中心高度。
从公式13可以看出，GM的增加导致旋转(俯仰和横摇)周期的减小，从而导致处于海洋周期范围内的风险。
将之前的公式(公式13)应用于当前平台设计以计算旋转(俯仰/横摇)自然周期，考虑已经讨论的表面之间的比率S3/(S1+S2+S3)以避免垂荡中的共振，并且分析不同的风力涡轮机的功率特性，获得了图10和图11。
图10显示了对于5兆瓦的风力涡轮机，为了具有在海洋周期(5-19s)之外的垂荡自然频率(T3)和俯仰/横摇自然频率(T4)，比率‘柱之间的距离-柱直径'必须大于3且小于4.75。而图11显示对于10兆瓦的风力涡轮机，为了具有在海洋周期(5-19s)之外的垂荡自然频率(T3)和俯仰/横摇自然频率(T4)，比率‘柱之间的距离-柱直径'必须大于4.75且小于6.75。
因此，在用于避免共振的特定实施例中，比率‘柱之间的距离-柱直径'必须大于3且小于6.75。该比率优选地对于每个特定的风力涡轮机变窄(被调整)。因此，对于5MW风力涡轮机3<L/D<4.75，对于10MW风力涡轮机4.75<L/D<6.75，对于其他风力涡轮机值(例如6MW，7MW，8MW......)，这个比率可能不同。
总之，由于当前浮动平台设计的应用(海上风能)的性质，平台必须考虑垂荡、俯仰和横摇自然周期方面的限制来设计，例如，石油和天然气结构不具有所述周期。因此，针对当前浮动平台提出的特定几何关系与可能用于石油和天然气应用的几何关系完全不同。
回到图1A和1B，浮动平台1具有悬链式系泊系统6。平台1使用传统的系泊索和拖动嵌入式锚固定到海床。系泊索6可以使用导缆器在操作水线下方连接到柱上。优选地，系泊索的数量对于所有柱3是相同的。根据风电场的配置，由平台(特别是通过设置在过渡件上的风力涡轮机和辅助设备)所产生的能量通过在一端连接该系统、另一端连接另一浮动平台或另一电缆的动力电缆被导出。
接下来，描述如参考图1A至图8C描述的平台的制造和安装过程。
首先，所述结构可以通过块(柱、浮箱和过渡件)制造。
然后组装块。组装阶段可以在不同的位置进行，例如在(i)造船厂，(ii)干船坞，(iii)港口码头或(iv)半潜式浮箱。
完成后，将结构(平台)装入水中。根据制造设施，装载操作可能需要(i)滑道，(ii)干船坞注水，(iii)起重机、半潜式浮箱或同步升降机，或(iv)浮箱注水。在所有情况下，装载所需吃水大约为6米。
然后，平台被拖到风力涡轮机组装区域-运输码头-需要大约15米的吃水深度。
在这个阶段，被动混凝土压载物被倒入浮箱中。
在添加被动混凝土压载物之后，使用陆上起重机将风力涡轮机组装在浮动结构的顶部。
在干船坞(ii)中组装的情况下，可以在干船坞中执行最后两个步骤(被动混凝土压载物被倒入浮箱中并且使用陆上起重机将风力涡轮机组装在浮动结构的顶部上)。
整个结构被拖到深水(>50米)的部署地点，系泊索和脐带电缆(umbilical cable)预先安装在那里。
使用主动压载系统，用海水填充仓室从而达到结构的操作吃水。
该结构被连接到系泊设备上，并且脐带电缆被连接到该结构上。
如果需要，整个结构可以与系泊索和脐带电缆断开连接并拖到港口进行大修。
相同的程序适用于拆除：断开系泊索和脐带电缆，将包括风力涡轮机的浮动结构拖动到拆除区域。
总之，已经公开了一种用于支撑风能设备的新型浮动海上平台。该平台旨在通过提供优化的技术解决方案来支持浮动式海上风力设备，该技术解决方案最大化大型风力涡轮机(例如5至10MW)的能量生产，同时限制昂贵的海上集成和维护程序，因为平台的制造及其与风力涡轮机、发电机和其他辅助设备一起在海中部署非常简单。
另一方面，本发明显然不限于本文所述的具体实施方案，还包括在权利要求中限定的本发明的总体范围内本领域技术人员可以考虑的任何变化(例如，关于材料、尺寸、部件、配置等的选择)。

Claims (15)

1.一种用于支撑至少一个风力涡轮机的半潜式浮动平台(1)，包括：四个柱(3)；具有过渡件(4)的甲板，所述过渡件具有布置成星形配置并从中心点伸出的四个臂，在平台的使用中风力涡轮机位于所述中心点处，所述过渡件(4)在所述柱(3)的上端处设置在所述柱(3)上，所述过渡件(4)和所述四个柱(3)的上端之间的连接部被设计成位于海溅区上方；以及垂荡板(5)，
所述半潜式浮动平台(1)的特征在于，还包括环状浮箱(2)，所述环状浮箱包括形成四边形的环状浮箱(2)的四个浮箱部分，其中每个所述柱(3)的第一下端连接到所述四边形环状浮箱(2)的相应拐角，所述垂荡板(5)组装到所述环状浮箱(2)的内周边，所述浮箱(2)和所述垂荡板(5)限定中空部分，
所述柱(3)的每一个包括至少一个压载舱，该压载舱构造成为在平台的使用中分配海水以调节吃水深度并补偿所述平台(1)的倾斜度，每个所述柱(3)中包括的所述至少一个压载舱独立于其他的所述柱(3)的所述至少一个压载舱。
2.根据权利要求1所述的平台(1)，其中，
所述垂荡板(5)由位于环状浮箱(2)内周边中的四个部分形成，形成垂荡板(5)的所述四个部分是三角形形状的部分或矩形形状的部分。
3.根据权利要求1或2所述的平台(1)，其中，
还包括主动压载系统，该主动压载系统构造成将海水泵入/出所述柱(3)的每个压载舱，对每个压载舱泵送海水独立于对其他压载舱泵送海水。
4.根据权利要求1或2所述的平台(1)，其中，
每个柱(3)由主梁和桁条从内部正交地加强。
5.根据权利要求1或2所述的平台(1)，其中，
每个柱(3)在内部分成多个部分。
6.根据权利要求1或2所述的平台(1)，其中，
四个柱(3)具有相同的直径(D)，两个相邻柱之间的距离(L)与所述柱直径(D)之间的比率被选择成使得平台的垂荡自然周期和平台的俯仰/横摇自然周期保持为等于或大于20秒，所述比率根据风力涡轮机功率而变化。
7.根据权利要求1或2所述的平台(1)，其中，
选择由浮箱(2)和垂荡板(5)限定的中空部分的表面(S3)与浮箱(2)所占据的表面(S1)加上垂荡板(5)所占据的表面(S2)加上由浮箱(2)和垂荡板(5)限定的中空部分的表面(S3)之和的比率，以使得平台的垂荡/横摇/俯仰的自然周期保持在典型的海域周期之外。
8.根据权利要求1或2所述的平台(1)，其中，
浮箱(2)被分成多个隔室，这些隔室构造成填充固定压载物。
9.根据权利要求1或2所述的平台(1)，其中，
浮箱(2)内部包括加强结构，所述加强结构包括主梁和桁条。
10.根据权利要求1或2所述的平台(1)，其中，
垂荡板(5)内部包括加强结构，该加强结构包括主梁和桁条。
11.根据前述权利要求4所述的平台(1)，其中，垂荡板(5)由保证柱和浮箱加强件的结构连续性的悬臂梁支撑。
12.根据权利要求1或2所述的平台(1)，其中，
平台还包括放置在过渡件(4)的所述中心点上的风力涡轮发电机。
13.根据权利要求1或2所述的平台(1)，其中，
在平台的使用中，过渡件(4)保持在波浪区上方。
14.根据权利要求1或2所述的平台(1)，其中，
平台还包括悬链式系泊系统，该悬链式系泊系统包括多个构造成将平台固定到海床的悬链系泊索。
15.根据权利要求1或2所述的平台(1)，其中，
所述四边形环状浮箱(2)是方形环状浮箱(2)。
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