新型张力腿型浮式风电平台及其安装方法

技术领域

本发明涉及海洋浮式风电工程技术领域，是一种新型张力腿型浮式风电平台及其安装方法。

背景技术

海上风电是当前大热的研究课题。海上蕴藏的风能远超过陆地，而深远海的风能资源又远多于近海。当水深超过60m时，固定式平台的成本过高，漂浮式风电平台的优势较为明显。TLP(Tension Leg Platform，张力腿平台，简写为TLP)作为一种新兴的海上风电平台，以其极小的纵、横摇角度和较小的排水量在当前具有突出的优势。

目前，对于TLP的研究是当前海工行业的重要课题，TLP在海上风电领域具有广阔的应用前景。当TLP平台的尺度增大，其总体强度往往难以保证，需要设置钢索或者撑杆保证其强度。

Seastar TLP是一种重要的结构形式。通常，兆瓦级越大的风电平台，其主尺度也会更大。当Seastar TLP作为大兆瓦级风电平台时，通常其浮箱很长，且张力腿上存在较大的预张力，张力腿上的张力传递到浮箱上，会在浮箱与中央立柱的相接处产生较大的弯矩，对整个风电平台结构的强度设计带来很大的考验。

浮箱采用变截面设计由于可以更加有效的利用材料性能，已经成为风电平台结构设计中的重要应用。可是，即使采用了变截面设计的浮箱，有时候仍然不能满足强度要求，此时就需要有附加的结构来改善海洋平台的受力。目前通常采用的方法一般是增加撑杆或钢索。

现有的撑杆一般是在TLP的主体结构中设置一根或几根斜撑，斜撑的一端与浮箱连接，斜撑的另一端与中央立柱连接。但是如果通过设置斜撑来保证风电平台的强度要求，会产生很多关键节点，其受力非常复杂，并且对于该节点的加工工艺要求非常高。而且，此类设计在承受海洋环境荷载的情况下更容易引发疲劳问题，给平台的安全服役带来隐患。

当在TLP上增加钢索时，通常是在TLP上设置数个钢索，钢索的一端连接浮箱，另一端连接中央立柱。该种方式存在的问题是，TLP的平台主体是有一定的抵抗弯矩能力的，想要让钢索发挥作用，必须使其处于预张紧的状态。海洋平台服役时间长达几十年，一旦钢索松持，将失去其对平台强度的辅助作用，必须时刻监测钢索的张力，低于标准时需要进一步张紧才能保证钢索良好的辅助效果。

除此之外，TLP的安装也是平台设计建造过程中必须考虑的问题。通常TLP在拖航时，如果水面未浸没浮箱，平台的大水线面可以保证平台良好的稳定性，但是随着不断的加压，平台下沉，水线面仅为中央立柱的面积，且在此时张力腿还没有连接完成，平台极易倾覆。为了保证整个工程的安全施工，一般采用的方法是尽可能降低中心、以及在海况较好的时候进行安装。但是在实际施工过程中，中心不能无限降低，一味追求降低中心会导致配重不合理以及成本增加；另外，海况往往也难以预料，为工程的施工增加了许多不确定性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种新型张力腿型浮式风电平台及其安装方法，能够在不显著增加设计建造成本的情况下有效改善结构受力，并保证安装过程中平台的平稳性。

本发明的技术方案是：一种新型张力腿型浮式风电平台，包括中央立柱和沿中央立柱的外侧间隔设置的数个浮箱，其中，还包括缆绳；

浮箱自由端的端面上端设有数个导缆器，每个浮箱导缆器上方的中央立柱的外表面对应的设有一个导缆器；

一根完整连续的缆绳的底端与基础连接，并依次穿过浮箱的导缆器、以及对应的中央立柱上的导缆器；

每个浮箱上设置的缆绳的数量与导缆器的数量相对应。

本发明中，所述浮箱呈变截面状，浮箱的底部表面与中央立柱的底部表面位于同一水平面，浮箱自由端的高度小于浮箱与中央立柱连接端的高度。

导缆器包括导缆支架，导缆支架的纵截面呈直角三角形，包括：

一个斜边，与浮箱和/或中央立柱固定连接；

两直角侧边；

滚轮，滚动设置在导缆支架的直角处，缆绳与滚轮外表面贴合。

所述浮箱自由端的端面上端设有斜槽，斜槽的底面呈斜面，斜面上间隔设置数个导缆器；

导缆器的斜边与斜面固定连接，其两个直角侧边分别沿竖直方向和水平方向设置；

数个导缆器上的滚轮之间通过转轴固定连接，转轴的两端分别与浮箱转动连接。

所述中央立柱的导缆器处设有止链器。

所述缆绳在基础和浮箱的导缆器之间的一段沿竖直方向设置，形成张力腿；

所述缆绳在浮箱的导缆器和对应的中央立柱之间的一段呈倾斜设置，形成斜拉索。

本发明还包括一种上述新型张力腿型浮式风电平台的安装方法，其中，包括以下步骤：

S1、将中央立柱和浮箱连接成型的结构体拖航至安装现场，在浮箱和中央立柱上分别设置导缆器，缆绳的底部与平台的基础连接；

S2、缆绳的上端依次穿过浮箱的导缆器，再斜拉并穿过上方的对应设置在中央立柱上的导缆器，缆绳的上端与牵引装置连接，每个浮箱的外侧分别设有牵引装置；

S3、牵引装置牵引每个浮箱上的缆绳，使缆绳张紧并处于预张状态，通过牵引装置控制与其连接的数个缆绳内的预张力；

S4、对风电平台打入压载水，平台的重量增加并开始下沉，直至平台的吃水到达设计吃水，海面浸没浮箱；

S5、平台到达指定吃水后，将缆绳的位置锁定，断开牵引装置与缆绳的连接，将压载水排出，直至张力腿达到设定的预张力，完成平台的安装过程。

所述牵引装置采用拖轮或绞车，绞车采用船用绞车、或者平台浮体上安装的临时绞车。

步骤S5中，通过中央立柱导缆器处的止链器，将缆绳的位置锁定。

步骤S3中，通过船用压载装置对风电平台打入压载水；

步骤S5中，通过船用压载装置将风电平台内的压载水排出。

本发明的有益效果是：

(1)该风电平台受到张力腿的预张力产生的弯矩和倾覆力矩作用，因此浮箱与中央立柱连接处的强度尤为关键，而本发明通过缆绳的结构设计，有效减小了浮箱自由端的弯矩，有利于提高整个风电平台结构的总体强度；

(2)缆绳自基础经由浮箱上的导缆器直至中央立柱，整个缆绳是完整且连续的，斜拉索上的张力与张力腿的张力动态平衡，无需人工监测、调节；

(3)该风电平台在安装过程中，可使用绞车或拖轮使缆绳张紧，使缆绳具有一定的预张力，对平台的加压载下沉过程起一定的辅助作用，安装过程更加安全。

附图说明

图1是本发明所述新型张力腿型浮式风电平台的结构示意图；

图2是设置在浮箱自由端处的导缆器的结构示意图；

图3是浮箱自由端处的受力示意图；

图4是拖轮拉动缆绳的示意图；

图5是对风电平台打入压载水的示意图；

图6是将风电平台的压载水排出的示意图。

图中：1中央立柱；2浮箱；3缆绳；4导缆器；5导缆支架；6滚轮；7转轴；8斜面凹槽。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

如图1至图2所示，本发明所述的新型张力腿型浮式风电平台包括位于中心的中央立柱1，中央立柱1呈圆柱形。沿中央立柱1的环形外表面的下部间隔设置数个浮箱2，本实施例中，中央立柱1的环形外侧均匀间隔设有三个浮箱2。中央立柱1的顶端设有平台，用于海上风机的安装。

本申请中，可以采用方形的浮箱，也可以采用圆柱形的浮箱。当采用方形浮箱，其横截面为方形；当采用圆柱形浮箱时，其横截面为圆形。

本实施例中，浮箱的横截面为矩形，纵截面为梯形。也就是说，本申请中的浮箱2采用了变截面设计。其原因是，浮箱自由端的弯矩较小，越靠近浮箱与中央立柱的连接处，其弯矩越大。因此本实施例中的浮箱的截面沿其自由端至浮箱与中央立柱的连接处的方向，逐渐由小截面过渡到大截面，截面面积逐渐变大。通过浮箱的变截面设计，可以有效的避免弯矩很小的浮箱自由端的材料性能过剩，降低了风电平台的建造成本。

本实施例中，浮箱2的底部表面与中央立柱1的底部表面位于同一水平面上。浮箱2的顶部表面呈斜面设置，浮箱自由端的高度小于浮箱与中央立柱连接端的高度。

本申请中的张力腿采用缆绳3，每个浮箱、以及浮箱上方的中央立柱的外表面均设有导缆器4，缆绳3依次穿过每个浮箱上的导缆器、以及对应浮箱上方的中央立柱的导缆器，导缆器对缆绳起到了导向作用。本申请中缆绳的数量与浮箱的数量之间呈对应设置。

本实施例中，每个浮箱2的外侧设有两个导缆器4，对应的在每个浮箱上方的中央立柱的外侧也对应的设有两个导缆器4。因此每个浮箱上设有两条缆绳3，两缆绳3之间呈平行设置。缆绳的数量是浮箱的两倍，缆绳的数量与浮箱上的导缆器的数量相等。

浮箱2的一端与中央立柱1固定连接，对应的浮箱2的另一端、也就是浮箱的自由端处设有导缆器。本实施例中，浮箱的自由端面的上端设有斜面凹槽8，斜面凹槽8的底部呈斜面状，导缆器设置在斜面上。由受力分析可知导缆器所受合力方向为沿其两侧缆绳的角平分线斜向下，而该斜面应与导缆器所受的合力方向垂直，避免零件受剪。因此可以根据导缆器两侧的缆绳支架的夹角确定斜面的具体倾斜角度。

如图2所示，导缆器包括导缆支架5，导缆支架的纵截面呈直角三角形，因此导缆支架5包括两个直角侧边和一个斜边，导缆支架的直角处设有滚轮6，滚轮6通过滚动轴承与导缆支架转动连接。

导缆支架5的斜边固定在浮箱的斜面上。滚轮6通过转轴7与浮箱转动连接。本实施例中，转轴7依次穿过数个滚轮6，滚轮6均固定在转轴7上，转轴7的两端分别与浮箱转动连接。缆绳3沿贴合滚轮6的外表面设置。导缆支架5对滚轮起到支撑作用的同时，还实现了斜面与导缆器所受的合力方向垂直。

在每个浮箱正上方的中央立柱外表面上也分别设有导缆器。导缆器可以采用设置在浮箱上的导缆器的结构。此时导缆支架的斜边与中央立柱的外表面固定连接。缆绳贴合于滚轮的外表面设置。中央立柱的导缆器处还设有止链器。缆绳运动过程中，导缆器上的滚轮对缆绳起到了导向作用。

缆绳3的底端与基础连接，缆绳3向上依次经过浮箱上的导缆器、中央立柱上的导缆器，并可以与外部的绞车或拖轮相连。在风电平台的安装过程中，绞车或拖轮起到了辅助作用。

自基础到浮箱、再到中央立柱的缆绳为一根连续的缆绳。该风电平台在位服役过程中，缆绳的底端与该风电平台的基础连接，其上端依次通过浮箱上的导缆器、以及与位于该导缆器正上方的中央立柱外表面的导缆器。因此依次连接基础、浮箱的导缆器和对应的中央立柱的导缆器的缆绳为一根完整连续的缆绳。

缆绳在基础和浮箱的导缆器之间的一段呈竖直方向设置，形成张力腿。缆绳在浮箱的导缆器和中央立柱的导缆器之间的一段呈倾斜设置，形成斜拉索。

由于整根缆绳是连续的，位于浮箱的导缆器和对应的中央立柱上的导缆器之间的斜拉索上的张力等于位于基础和浮箱的导缆器之间的张力腿上的张力，二者形成动态平衡，斜拉索会随着张力腿上的张力变化，动态改善结构受力。当海况恶劣时，张力腿上的张力很大，此时斜拉索上的张力也随之变大；当海况良好时，张力腿上的张力较小，此时斜拉索的张力也随之变小，无需人工干预调节。

该风电平台的受力示意图如图3所示，此时斜拉索和张力腿分别对浮箱的自由端产生一个张力，两个张力的合力方向为有浮箱自由端的上部指向左下方，该力到浮箱与中央立柱连接处的力臂明显小于浮箱的长度。该合力的具体大小、以及力臂长度，与缆绳斜拉的角度有关，因此关于该合力的具体计算过程此处不再赘述。但是浮箱的受力情况由现有的纯弯曲变为本申请中的压弯结合，因此本申请中风电平台的结构中，其浮箱端部产生的弯矩会明显小于现有技术中张力腿直接作用于浮箱的方案。

本申请还包括上述张力腿型浮式风电平台的安装方法，包括以下步骤。

第一步，将中央立柱和浮箱连接成型的结构体，使用湿拖的方法拖航至安装现场，此时导缆器已经根据安装要求，分别安装在浮箱和对应的中央立柱上部的环形外表面上。

在水下完成缆绳与基础的连接，缆绳的上端绑定有浮筒，使浮筒露出海面。

第二步，使用牵引装置将缆绳牵起，拆除缆绳上端绑定的浮筒，将缆绳穿过浮筒自由端的导缆器，再斜拉并穿过对应的设置在中央立柱上的导缆器。此时导缆器的上端仍留有一定长度的缆绳，该段缆绳可以与牵引装置连接。牵引装置可以采用拖轮或绞车连接。其中绞车可以采用船用绞车、或者TLP浮体上安装的临时绞车。

本实施例以拖轮为例，具体的介绍风电平台的安装过程。

第三步，拖轮到位后，牵引每个浮箱上的缆绳。如图4所示，本实施例中设有三个浮箱，每个浮箱的外侧设有一个拖轮，设置在同一个浮箱的数个缆绳与设置该浮箱外侧的拖轮连接。因此本实施例中采用三个拖轮，每个拖轮可以同时控制与其连接的浮箱的数个缆绳内的预张力。

拖轮工作过程中，使缆绳张紧，使其处于预张状态。根据不同的平台安装需求、牵引装置的能力、以及当天的具体海况，合理控制缆绳的预张力。通常情况下，预张力维持在100-200吨。

处于预张紧状态下的缆绳可以有效的防止安装过程中风电平台的翻转，对平台安装的过程起到很大的辅助作用。

第四步，如图5所示，使用船用压载装置对风电平台打入压载水，平台的重量增加，开始下沉。在平台不断下沉的过程中，海面浸没浮箱后，平台的吃水继续增加，直至整个平台到达设计吃水。

整个过程都在已经预张的缆绳的辅助下进行，因此平台具有良好的稳定性。

第五步，如图6所示，到达指定吃水后，通过中央立柱导缆器处的止链器，将缆绳的位置进行锁定，此时缆绳的长度不再发生变化。断开拖轮与缆绳的连接，使用船用压载装置将压载水排出，直至张力腿达到事先设计的预张力，撤去压载装置，完成平台的安装过程。

以上对本发明所提供的新型张力腿型浮式风电平台及其安装方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。