CN116001997B - 钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢浮筒‑钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统，其包括：底座，其包括箱体和安装台，箱体通过锚固机构与海底连接，安装台上设有多个导向抗剪键；浮筒平台，其包括多边形桁架以及多个设于桁架多边形顶点上的压载筒，桁架搁置于箱体的顶面上，桁架上设有多个导向槛，多个导向槛与多个导向抗剪键一一对应设置，导向槛的顶部可与相对应的导向抗剪键的底部抵接；风电设备，其安装于安装台上。本发明通过设置多个成对设置的导向抗剪键和导向槛，采用旋转式锁扣即可实现钢浮筒平台和钢筋混凝土箱体结构的快速拼装，降低安装施工难度，提高了施工安全性和施工效率，同时增强荷载传递的可靠性。

Description

钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统及其安装方法

技术领域

本发明涉及漂浮式海上风电设备技术领域。更具体地说，本发明涉及一种钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统及其安装方法。

背景技术

风能是可再生能源，是绿色低碳能源路线的重要组成部分。近年来，近海固定式风电平台开发趋于饱和状态，约80％的海上风电资源在60m水深以上海域中，风电开发逐步转向深远海域，固定式风电基础在深远海域缺乏明显优势，漂浮式海上风电基础成为该区域首选结构。

现有的漂浮式海上风电结构来源于浮式石油平台型式，以单立柱平台(SPAR)、半潜式平台(Semi-submersible)、张力腿平台(TLP)的浮动式风机及其他复合形式的浮动式风机为主。以上风电结构均存在海上安装浮台结构施工作业困难的问题，需要借用大型起吊机构，费时费力且费用高，底座与浮筒对接时需要高精度对准，进一步增加了安装难度；此外，现有风机结构以钢结构为主，存在抗腐蚀能力差，制造、运输、安装成本高，施工难度大、使用寿命短等问题。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统，其通过设置多个成对设置的导向抗剪键和导向槛，采用旋转式锁扣即可实现钢浮筒平台和钢筋混凝土箱体结构的快速拼装，降低安装施工难度，提高了施工安全性和施工效率，同时增强荷载传递的可靠性。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统，其包括：

底座，其包括箱体和设于箱体顶部的安装台，箱体通过锚固机构与海底连接；安装台的顶部突出于箱体顶部且安装台的周向侧面上设有多个导向抗剪键；

浮筒平台，其包括多边形桁架以及多个设于桁架多边形顶点上的压载筒，桁架搁置于箱体的顶面上，桁架上设有多个导向槛，多个导向槛与多个导向抗剪键一一对应设置，导向槛的顶部可与相对应的导向抗剪键的底部抵接；

风电设备，其安装于安装台上。

优选的是，所述的钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统，安装台为多面柱结构，多个导向抗剪键分别设于安装台的互不相邻的侧面上，导向抗剪键的底部为斜面结构；

桁架的内框尺寸小于箱体尺寸且大于安装台的平面尺寸，导向槛的顶部为与其相对应布置的导向抗剪键底部平行的斜面结构；多个导向槛的顶部与其相对应布置的导向抗剪键的底部同步贴合接触。

优选的是，所述的钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统，安装台为六面柱结构，安装台的互不相邻的侧面上分别设置一个导向抗剪键；

桁架为三角形结构，桁架的每个侧面上对应设置一个导向槛。

优选的是，所述的钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统，当导向槛的顶部与相对应的导向抗剪键的底部贴合接触后，安装楔形块进行限位，楔形块的两侧分别与安装台的侧面和桁架的内壁抵接。

优选的是，所述的钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统，楔形块与安装台和/或桁架连接。

优选的是，所述的钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统，箱体为钢筋混凝土制作的柱体结构；安装台、桁架、压载筒均为钢结构。

优选的是，所述的钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统，箱体的底部设有环形底板，其通过加强肋与箱体连接；箱体的内部设有多个腔室，其至少包括压载舱、设备舱、工作舱。

本发明还提供一种钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统的安装方法，其包括以下步骤：

步骤一、将预制的底座拖运至水域安装处，通过对压载舱加入配重，降低底座的干舷高度；

步骤二、将浮筒平台拖运至底座的一侧，保持桁架底标高高于底座顶标高，水平拖动浮筒平台横移至安装台位于桁架的内框中的位置处，通过平面旋转浮筒平台使得成对设置的导向抗剪键、导向槛竖直方向的投影互不干涉；

步骤三、向每个压载筒中加入配重，将浮筒平台下降至干舷高度，再次通过平面旋转浮筒平台，带动每个导向槛移动至相对应的导向抗剪键下方，且导向槛的顶部与导向抗剪键的底部无缝抵接；

步骤四、在每个成对且相互抵接的导向抗剪键、导向槛的一侧插入楔形块，楔形块的两侧分别与安装台的侧面、桁架的侧面抵接；

步骤五、将风电设备航运至安装处，将风电设备安装至安装台顶面上。

优选的是，所述的钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统的安装方法，在步骤一与步骤二之间，或步骤二与步骤三之间，还包括通过锚固机构将底座的箱体与海底连接。

优选的是，所述的钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统的安装方法，楔形块与安装台和/或桁架连接。

本发明至少包括以下有益效果：本发明提供一种海上风电系统，其包括通过锚固机构与海底连接的底座、设于底座上的浮筒平台以及安装于浮筒平台上的风电设备，安装台上的多个抗剪键与桁架上的多个导向槛配合抵接将浮筒平台与底座进行连接，结构简单，大大简化了施工难度，降低安装成本和施工效率。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明在其中一个技术方案中所述的钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统的立体图；

图2为本发明在另一个技术方案中所述的钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统的侧视图；

图3为本发明在另一个技术方案中所述的钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统的俯视图；

图4为本发明在另一个技术方案中浮筒平台的立体图；

图5为本发明在另一个技术方案中浮筒平台的侧视图；

图6为本发明在另一个技术方案中浮筒平台的俯视图；

图7为本发明在另一个技术方案中底座的立体图；

图8为本发明在另一个技术方案中底座的侧视图；

图9为本发明在另一个技术方案中安装台的立体图；

图10为本发明在另一个技术方案中步骤二中底座与浮筒平台的俯视图；

图11为本发明在另一个技术方案中步骤三中底座与浮筒平台的俯视图。

附图标记：1-箱体；11-底板；12-加强肋；2-安装台；21-导向抗剪键；3-浮筒平台；31-桁架；32-压载筒；33-导向槛；4-风电设备；5-楔形块。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并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。

如图1～11所示，本发明提供一种钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统，其包括：

底座，其包括箱体1和设于箱体1顶部的安装台2，箱体1通过锚固机构与海底连接；安装台2的顶部突出于箱体1顶部且安装台2的周向侧面上设有多个导向抗剪键21；

浮筒平台3，其包括多边形桁架31以及多个设于桁架31多边形顶点上的压载筒32，桁架31的底部搁置于箱体1的顶面上，多个压载筒32环设于箱体1的外周；桁架31上设有多个导向槛33，多个导向槛33与多个导向抗剪键21一一对应设置，导向槛32的顶部可与相对应的导向抗剪键21的底部抵接；

风电设备4，其安装于安装台2上，风电设备包括固设于安装台上的塔筒，以及安装于塔筒顶部的风机。

在上述技术方案中，本发明提供一种风电系统，其包括通过锚固机构与海底连接的底座、设于底座上的浮筒平台以及安装于浮筒平台上的风电设备，安装台上的多个抗剪键与桁架上的多个导向槛配合抵接将浮筒平台与底座进行连接，结构简单，大大简化了施工难度，降低安装成本和施工效率。

底座和浮筒平台作为海上风电设备安装基础，底座的箱体通过锚固机构与海底连接，锚固机构采用现有设备和采用现有技术手段安装，如锚固机构包括多个竖直插入海底的锚桩以及将锚桩与底座的箱体连接的锚链；底座的安装台为风电设备提供安装位，风电设备的塔筒的底部固定安装在安装台的顶面上，塔筒的顶部安装有风机；底座的箱体提供主要浮力，浮筒平台作为助浮体提供辅助浮力，可以有效增加结构整体的抗倾矩，缩短钢筋混凝土箱体的高度，从而有效降低结构建造难度；底座与浮筒平台通过安装台上的多个导向抗剪键与桁架上的多个导向槛一一贴合抵接实现相对固定连接，采用导向抗剪键与导向槛的配合结构设计实现浮筒平台和底座的快速拼装，降低安装施工难度，提高了施工安全性和施工效率，同时增强荷载传递的可靠性。

另一种技术方案中，钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统，安装台2为多面柱结构，多个导向抗剪键21分别设于安装台2的互不相邻的侧面上，每个导向抗剪键21的顶部与安装台2的顶部齐平，底部为斜面结构；安装台的具体结构：由两个多边形水平面和多个设于两个水平面之间并将两个水平面连接的竖直面，形成的多棱柱结构，竖直面形成安装台的侧面，上部水平面作为风电设备的安装面，下部水平面与箱体连接；

桁架31的内框尺寸小于箱体1尺寸且大于安装台2的平面尺寸，导向槛33的顶部为与其相对应布置的导向抗剪键21底部平行的斜面结构；多个导向槛33的顶部与其相对应布置的导向抗剪键21的底部同步贴合接触。

在上述技术方案中，本发明进一步限定了安装台和桁架的具体结构，将导向抗剪键的底部与导向槛的顶部设置成倾斜角度一直的斜面，形成导向斜坡，可对安装台与桁架的拼装起到导向的作用，进一步提高拼装效率，进而提高风电系统的安装效率。

将桁架的内框尺寸设计成小于箱体尺寸同时大于安装台的平面尺寸，保证桁架可套设于安装台的外部且桁架本体能够搁置于箱体上，桁架顶点上的多个压载筒围设形成的形状尺寸大于箱体尺寸，使得桁架搁置于箱体上时，多个压载筒环设于箱体的外周。

桁架上的多个导向槛的底部斜面结构同向设置，在进行桁架与安装台的拼装之前，每个导向槛与相对应的导向抗剪键竖直方向错位设置(导向槛的顶部斜面与导向抗剪键的底部斜面相对设置)，保证导向槛与导向抗剪键不会干扰桁架向下套设于安装台的施工作业，当桁架下降到位后(导向槛的顶部最低点位于导向抗剪键的下方)，相对底座旋转桁架，随着桁架的转动，每个导向槛顶部与相对应的导向抗剪键的底部慢慢相互贴合，桁架转动至所有的导向槛与相对应的导向抗剪键均贴合抵接即可，用旋转式锁扣的连接方式实现浮筒平台和底座的快速拼装，降低安装施工难度。

另一种技术方案中，所述的钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统，安装台2为竖直设置的六面柱结构，安装台2的互不相邻的侧面上分别设置一个导向抗剪键21；安装台优选的结构为竖直设置的六棱柱结构；

桁架31为三角形结构，桁架的三个顶点上分别设置一个压载筒；桁架31的每个侧面上对应设置一个导向槛33；优选的是，桁架为正三角形结构。

如图4～6所示，将桁架设置成三角形结构，在三个顶点上分别设置一个压载筒，三个侧面的顶部分别设置一个导向槛，导向槛的斜面沿同个圆周方向同向设置，如图4所示，三个导向槛斜面的倾斜方向均为沿逆时针方向由低到高；

如图7～9所示，安装台设置为六面柱结构(优选的为竖直设置的六棱柱结构)，安装台的互不相邻的三个侧面上分别设置一个导向抗剪键，导向抗剪键与导向槛一一对应设置，每个导向抗剪键的底部的斜面与相对应的导向槛的顶部斜面相互平行；如图10～11所示，三个导向抗剪键与三个导向槛可通过旋转扣合，实现安装台与桁架的旋转锁扣安装。

另一种技术方案中，所述的钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统，当导向槛33的顶部与相对应的导向抗剪键21的底部贴合接触后，安装楔形块5进行限位，楔形块5的两侧分别与安装台2的侧面和桁架31的内壁抵接。如图11所示，每个导向抗剪键与相对应的导向槛相互扣合后，导向抗剪键、导向槛的一侧与桁架的内壁、安装台的侧面形成类三角形夹缝，在夹缝中插入楔形块对导向抗剪键与导向槛进行限位，避免导向抗剪键与导向槛扣合的脱落。

另一种技术方案中，所述的钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统，楔形块5与安装台2和/或桁架31连接(可通过焊接或螺栓紧固连接)。为了提高楔形块的限位的有效性，进一步可将楔形块与安装台和/或桁架进行固定连接，具体连接方式可为焊接，也可采用螺栓紧固连接方式。

另一种技术方案中，所述的钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统，箱体1为钢筋混凝土制作的柱体结构，例如可设计成圆柱体结构；安装台2、桁架31、压载筒32均为钢结构，安装台与箱体通过浇筑形成一体式结构，或通过箱体顶部预埋钢板螺栓等结构，之后与安装台进行组装成型；桁架与压载筒一体成型。将箱体设置为钢筋混凝土材质，配合钢结构的安装台、桁架和压载筒，代替常规技术中纯钢材质的风电设备，可避免全钢结构的耐久性问题，提高结构防腐蚀性能，有效减少运营期间的维护工作。本发明采用钢筋混凝土材质、圆柱体结构的箱体极大地降低整个漂浮式平台的重心位置，三角形钢浮筒平台结构与钢筋混凝土箱体连接形成一个整体，为整个平台结构提供浮稳力矩，最终使得整个平台形成一个稳定体系。导向抗剪键与导向槛均为钢材质。

另一种技术方案中，所述的钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统，箱体1的底部设有环形底板11，其通过加强肋12与箱体1连接；箱体1的内部设有多个腔室，其至少包括压载舱、设备舱、工作舱。在箱体的底部通过多个加强肋安装环形底板，可减少箱体的垂向运动，优选的是，在每个压载筒的底部同理设置一个圆形的垂荡板；箱体的内部设置箱压载舱、设备舱、工作舱及其他作用舱室，满足设备安装需求，通过向压载舱中加入钢砂、混凝土或其他配重物对箱体加载重量使得底座下降至干舷高度。

本发明还提供一种钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统的安装方法，其包括以下步骤：

步骤一、将预制的底座通过拖轮设备或其他拖运设备拖运至水域安装处，通过对压载舱加入配重(钢砂、混凝土或其他配重物)，降低底座的干舷高度；

步骤二、将浮筒平台通过拖轮设备或其他拖运设备拖运至底座的一侧，保持桁架底标高高于底座顶标高，水平拖动浮筒平台横移至安装台位于桁架的内框中的位置处，通过平面旋转浮筒平台使得成对设置的导向抗剪键、导向槛竖直方向的投影互不干涉；

步骤三、向每个压载筒中加入配重(钢砂、混凝土或水等作为配重物)，将浮筒平台下降至干舷高度，再次通过平面旋转浮筒平台，带动每个导向槛移动至相对应的导向抗剪键下方，且导向槛的顶部与导向抗剪键的底部无缝抵接；

步骤四、在每个成对且相互抵接的导向抗剪键、导向槛的一侧插入楔形块，楔形块的两侧分别与安装台的侧面、桁架的侧面抵接；楔形块与安装台和/或桁架连接，具体连接方式可为焊接或螺栓紧固连接；

步骤五、将风电设备通过大型运输船舶航运至安装处，将风电设备安装至安装台顶面上。

在上述技术方案中，本发明提供一种钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统的安装方法，安装施工难度低，施工安全性和施工效率较高，施工作业简便快捷造价低且不需要大型运载船舶，大大降低了安装成本。

底座和浮筒平台均在预制厂或船厂预制加工，在安装定位之前，底座和浮筒平台均没有加入配重，进行海上运输时，采用拖轮或其他拖运设备将底座和浮筒平台拖运至安装处，通过向箱体的压载舱内加入钢砂、混凝土或其他配重物，降低箱体的高度，在进行浮筒平台海上拖运时，由于浮筒平台的吃水较浅，使得浮筒平台可横移至钢筋混凝土箱体顶上，平面转动浮筒平台，使得桁架的三个侧面与安装平台的连接有导向抗剪键的三个侧面相对设置，同时保证导向槛与导向抗剪键竖直方向错位设置，通过向三个压载筒内加入配重，将浮筒平台降至干舷高度；再次平面旋转钢浮筒平台，使得浮筒平台与箱体通过导向抗剪键与导向槛扣合实现相对定位连接，并导向抗剪键与导向槛扣合的后方安装楔形块体用于限位固定，将底座和浮筒平台连接为一个整体。

另一种技术方案中，所述的钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统的安装方法，在步骤一与步骤二之间，或步骤二与步骤三之间，还包括通过锚固机构将底座的箱体与海底连接。箱体与海底的连接具体为：步骤一之前，在风电系统的水域安装处，向海底插入多个锚桩，然后在步骤一与步骤二之间，或步骤二与步骤三之间，通过锚链将箱体与锚桩连接。

本发明具有以下优点：

(1)通过在钢筋混凝土箱体上设置钢浮筒平台作为助浮体，可以有效增加结构整体的抗倾矩，缩短钢筋混凝土箱体的高度，从而有效降低结构建造难度；

(2)采用钢筋混凝土箱体结构可以充分利用国内先进的大型预制构件生产技术，有效避免了复杂的钢结构设计与制造，克服钢结构的疲劳问题；

(3)钢筋混凝土箱体为整个基础及上部结构提供了主要的浮力，从而有效降低钢浮筒平台的尺寸；

(4)由于采用浮运形式进行安装，减少大型船舶调度，降低了安装费用；

(5)采用旋转式锁扣实现钢浮筒平台和钢筋混凝土箱体结构的快速拼装，降低安装施工难度，提高了施工安全性和施工效率，同时增强荷载传递的可靠性。

(6)由于采用了钢筋混凝土箱体作为主体结构，避免全钢结构的耐久性问题，提高结构防腐蚀性能，有效减少运营期间的维护工作。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统，其特征在于，包括：

底座，其包括箱体和设于箱体顶部的安装台，箱体通过锚固机构与海底连接；安装台的顶部突出于箱体顶部且安装台的周向侧面上设有多个导向抗剪键；

浮筒平台，其包括多边形桁架以及多个设于桁架多边形顶点上的压载筒，桁架搁置于箱体的顶面上，桁架上设有多个导向槛，多个导向槛与多个导向抗剪键一一对应设置，导向槛的顶部可与相对应的导向抗剪键的底部抵接；

风电设备，其安装于安装台上。

2.如权利要求1所述的钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统，其特征在于，安装台为多面柱结构，多个导向抗剪键分别设于安装台的互不相邻的侧面上，导向抗剪键底部为斜面结构；

桁架的内框尺寸小于箱体尺寸且大于安装台的平面尺寸，导向槛的顶部为与其相对应布置的导向抗剪键底部平行的斜面结构；多个导向槛的顶部与其相对应布置的导向抗剪键的底部同步贴合接触。

3.如权利要求2所述的钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统，其特征在于，安装台为六面柱结构，安装台的互不相邻的侧面上分别设置一个导向抗剪键；

桁架为三角形结构，桁架的每个侧面上对应设置一个导向槛。

4.如权利要求2所述的钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统，其特征在于，当导向槛的顶部与相对应的导向抗剪键的底部贴合接触后，安装楔形块进行限位，楔形块的两侧分别与安装台的侧面和桁架的内壁抵接。

5.如权利要求4所述的钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统，其特征在于，楔形块与安装台和/或桁架连接。

6.如权利要求1所述的钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统，其特征在于，箱体为钢筋混凝土制作的柱体结构；安装台、桁架、压载筒均为钢结构。

7.如权利要求1所述的钢浮筒-钢筋混凝土箱体组合浮式风电系统，其特征在于，箱体的底部设有环形底板，其通过加强肋与箱体连接；箱体的内部设有多个腔室，其至少包括压载舱、设备舱、工作舱。