[发明专利]可自浮安装的张力腿式海上浮动风机基础及其安装方法

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体而言，特别涉及一种可自浮安装的张力腿式海上浮动风机基础及其安装方法。

背景技术

风机是一种将风能转换成机械能再转换成电能的设备，主要安装于陆地上多风地带和海上区域。由于不受建筑物遮蔽或地形起伏的影响，海上风力资源相比陆地风力资源具有更高的可利用率和稳定性。因此，近年来海上风电装置成为各个风电领域发展的热门。起初，海上风电装置安装在近海浅水区域，一般水深小于20米，离岸数百米到10公里，该风电装置的基础一般采用固定式单桩，由于桩基能力和风力资源稳定性的限制，其上部风轮可转化的风能有限，一般情况下只能安装2-3兆瓦的发电机组。近年来，海上风电装置逐渐向深、远海域发展，随着离海岸线距离的增加，风力资源变得更加稳定，可以安装发电机组的功率大幅增加，可轻松达到5兆瓦以上，同时风机产生的噪声和视觉污染对陆上居民的影响也大大减少。但与此同时，随着水深的增加(一般大于40米)，使得固定式风机基础的成本大幅增加，因此具有更好经济效益的浮式风机基础开始被采用。

目前，为了满足海上浮式风电场的需要，海洋石油行业常用的漂浮式石油平台形式相继被应用于风电领域，包括单立柱平台(SPAR)、半潜式平台(Semi-submersible)、张力腿平台(TLP)的浮动式风机基础以及其他复合形式的浮动式风机基础。

到目前为止，已有三个浮动式风机基础应用，如图1至图3所示，分别是Hywind、Windfloat和Blue H浮动式风机基础。

Hywind是由挪威国家海油海德罗公司(Statoil Hydro)、法国德克尼普公司(Technip)和德国西门子公司联合开发成功，于2009年在挪威附近的北海建成。Hywind采用的基础概念为SPAR，漂浮结构是一个约为117m长的细长钢质管，一端是底座，另一端为风机法兰。使用压载水舱填满的钢管被运送至安装地点并立于海面，浮体的整个结构与海底通过三点缆索系锚相连。该浮式基础利用底部较大的压载将重心降低到浮心之下，具有无条件自稳性。但是，该浮式基础通过重力和浮力产生的力矩提供倾斜恢复力矩，相比风机顶部所受的巨大风载倾覆力矩，恢复力矩的刚度较小，使作业时整个浮式基础的倾斜和摇摆运动很大，在极限工况下甚至会达到40°以上，这是风机设计所不允许的。为了改善这种状况，只能将浮动基础重心降得更低，排水量做的更大，这会大大增加工程造价。此外，该型浮式风机基础安装十分复杂，需要使用海上大型起重船，高额的安装费用使得该风机的经济性大大降低。

Windfloat是Principle Power、Vestas与EDP合作研发的。该浮动基础为半潜式概念，主体由三个浮筒组成，风机立于其中一个浮筒上，动态压载水可以自动抵消风倾力矩，定位系统采用系泊定位，在每个浮筒底部的设置阻尼板增大垂荡运动的阻尼，能有效降低垂荡运动幅度。该半潜式浮动风机基础通过倾斜后三个立柱不同的浮力差产生倾斜恢复力矩，为克服巨大的风载倾覆力矩作用，立柱直径和立柱间距必须足够大才能提供足够的恢复力矩，因此该型基础的排水量很大，造价也很高。同时，该类型浮式风机基础的倾斜和摇摆运动虽然比单立柱型较小，但也能达到5度以上，由于风机机组位于基础以上100多米的位置，该倾斜角度会造成顶部风机较大的运动幅值和加速度，对发电机组的设计造成较大的难度。

Blue H是一家荷兰公司在意大利沿海安装了一台风力涡轮原型机，使用了张力腿平台设计，平台的浮力大于重力，多根张紧的张力腿，通过不同张力腿之间的张力差提供倾斜恢复力矩，以保持平台的稳定。这种定位方式的优点在于较大的张力腿预张力使平台平面外的运动(横摇、纵摇和垂荡)较小，近似于刚性，对顶部风机发电机组的设计十分有利。但是Blue H浮式基础概念在安装阶段没有张力腿作用，不具备恢复力矩，该浮式风机基础和上部机组不能整体建造后湿拖至作业海域，需要分别用驳船运输至目的海域，再进行海上安装。安装过程需要使用大型起重船，这使得该浮式基础的安装成本大幅增加。