[发明专利]半潜式海上浮动风机基础

说明书

技术领域

本发明属于风力发电领域，涉及一种综合性能优异的海上浮动风机基础。

背景技术

在远离大陆的深海区域，有很多优质的风力资源可被开发利用，市场前景广阔。要开发这些水深超过50米的深海风电场，按照目前近海风场普遍采用的各种贯穿桩结构固定在海底的方式不具备优势，这是因为：随着水深增加，固定式基础成本直线上升；固定式海上风力发电机(简称风机)施工成本比浮动式海上风力发电机更高。因此，为了使海上风电场的建设可以向深海区发展，需要开发经济实用的浮动式风力发电机，如何开发运动特性优异、结构紧凑、经济实用的浮动式风机基础成为开发浮动式风机关键环节。

应用于海上风电领域的浮动式风机基础所承受的载荷不同于传统的海油工程中的漂浮式平台，浮动式海上风机基础除了承受风浪流的联合作用外，还要承受风机这一高耸结构运行所引起的陀螺回转效应、倾覆力矩Mx、My以及绕垂直轴的扭矩Mz，整个风机会产生六个自由度的剧烈运动，包括X、Y和Z轴的轴向移动以及绕轴的摆动，给风机的变桨和偏航控制系统带来很大干扰，会影响到风机的正常运行，影响发电量，甚至会危及整个系统结构的安全性。

现阶段为了开发深海风电场的需要，将海洋石油行业常用的深海漂浮式石油平台型应用于风电领域，相继开发了采用单立柱平台(SPAR)、半潜式平台(Semi-submersible)、张力腿平台(TLP)的浮动式风机以及其它复合形式的浮动式风机。

到目前为止，已有三个浮动式风机项目建成，如图1至图3所示，分别是Hywind、Blue H和Windfloat浮动式风机项目。

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。

2007年，荷兰Blue H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，张力腿始终处于张紧状态，以保持平台的稳定。

2011年底，Principle Power、Vestas与EDP合作，在葡萄牙西海岸合作完成Windfloat项目，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，底部通过四根悬链线系固在水深超过50m的海底。

Hywind项目中采用的SPAR平台由于是传统的单柱式平台，不同于truss-spar，流体的附加阻尼较小，在风机载荷Mx、My、MZ的作用下，整个平台的摇动会很大，风机极限工况下甚至会达到40°以上，这是风机设计所不允许的。如果采用SPAR平台形式，则需要附加阻尼器或调整缆索系固方式，这会大大增加设计难度，工程造价也会增加。

Blue H项目采用的是张力腿平台，采用多根张紧的张力腿，这种定位方式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，但是张力腿在平面内的运动(横荡、纵荡和首摇)幅度较大，为了抑制平面内运动同样需要在这些方向上设置阻尼器，这也会增加设计建造难度。

Vestas与Windfloat合作项目采用半潜式结构，主体由三个相距35m的浮筒组成，风机安装在其中一个浮筒上，压载水自动调整以抵御风倾力矩，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。然而，该半潜式浮动风机安装在其中一个浮筒上，作用在基础上的重力载荷不对称，需要调整三个浮筒中的压载以抵消这部分载荷，但是在实际风机运行过程中，风向会发生变化，整个风机受到的风倾力矩方向会发生改变，需要动态调整压载水的数量，这样对风机控制策略和压载泵的要求较高，设计难度大且成本高，而且该结构形式管节点较多，对结构疲劳寿命影响较大。

发明内容

本发明在于提供一种新型半潜式海上浮动式风机基础，该风机基础融合了多种控制基础运动的技术，适合在岸边浅水港口码头整机拼装，建造施工方便，成本较低，且具有优异运动性能，该风机基础可以支撑5MW级别以上的风机，能保证整个风机结构的强度和疲劳寿命以及保障风机正常运行发电。