[发明专利]减摇装置、浮动基础和海上风力发电机

说明书

技术领域

本公开涉及一种海上风力发电机，更具体地讲，涉及一种减摇装置以及具有该减摇装置的浮动基础。

背景技术

现阶段为了开发深海风电场的需要，人们将海洋石油行业常用的深海漂浮式石油平台型式应用在风电领域，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所示，分别是Hywind、Blue H和Windfloat。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。安装Hywind的浮动基础时，用压载水舱填满的钢管被运送至安装地点并立于海面，使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两叶片风力涡轮原型机，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平台型式，需要附加阻尼器或调整缆索系固方式，这会给设计大大增加了难度，工程造价也会增加。

Blue H项目采用的是传统张力腿平台，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来增大垂荡运动的阻尼，能有效的降低垂荡运动幅度。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，而且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可靠性要求较高，设计难度大成本高。

应用于海上风电领域的浮动式风机基础，承受的载荷不同于传统的海油工程中的移动式平台，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轴的轴向平动和绕轴的转动，即横荡、纵荡、垂荡和横摇、纵摇、首摇，这些运动给风机的变桨和偏航控制系统带来巨大挑战，会影响到风机的正常运行，横/纵摇运动的影响尤其严重，将削减到达叶轮的来流风速，降低发电量，甚至会危及整个系统结构的安全。

由于浮动式风电发展时间尚短，可借鉴的工程经验较少，只能借鉴与浮动式海上风电基础工程比较接近的船舶行业和海油工程中的移动式平台。目前，船舶行业中的减摇装置主要有减摇鳍、舭龙骨、减摇水舱、减摇舵等，其中减摇鳍、舭龙骨和减摇舵都是利用船舶航行时作用在这些结构上的流体升力保持船舶稳定，航速越高船舶越稳定，而减摇水舱则是利用左右舷边舱压载水的压差抵消船舶的横摇倾覆力矩，保持船舶稳定。减摇水舱主要分为被动式和主动式两类，其中被动式适用的频率范围窄，在许用频率范围外会产生增摇的不利后果；主动控制式主要靠开/关阀门控制，但相位反应迟滞和控制复杂限制了其使用；此外还有借助外力驱动减摇水舱中的液柱（比如西门子初期的研究成果），可做到较准确减摇，但能耗很大，且控制复杂，不具工程实用价值。海油工程中的移动式平台的运动抑制装置主要有阻尼板、减摇板，通过增加附加质量和附加阻尼，降低浮体的运动。