用于海上风力涡轮机的安装的基于重力的地基系统和用于海上风力涡轮机地基系统的安装的方法

摘要

本发明涉及一种用于海上风力涡轮机安装的基于重力的地基系统以及用于安装前述基于重力的地基系统的方法，其中所述地基系统一旦锚定就允许所述结构-风力涡轮机部件的运输、锚定和随后的再浮动，从而向对于与安装相关联的不确定性和在短期和长期的地面响应的解决方案给出很大的通用性。

说明书

技术领域

本发明可以包括在用于海上风力涡轮机的安装的基于重力的地基系统的技术领域中。

本发明的客体是一种用于海上风力涡轮机的安装的基于重力的地基系统以及用于安装前 述基于重力的地基系统的方法，其中所述地基系统一旦锚定就允许风力涡轮机结构部件的运 输、锚定和随后再浮动，从而针对安装相关联的不确定性和地面(terrain)如何在短期和长期 响应的解决方案给出很大的通用性。

背景技术

海上风力部门的主要问题之一是用作风力涡轮机的底座(base)的支撑结构。此部门已 经根据其中要安装的风力涡轮机的深度解决了固定和浮动风力涡轮机的发展。海上风力系统 的技术和经济可行性需要优化和发展这些支撑结构。

根据其中结构支撑在海床上的方式，有两种通用类型的固定结构，即称为基于重力的结 构的建立在海床上的那些和埋在地下的那些。基于重力的地基是使用地基的自身重量和保持 涡轮机稳定和直立的可能的压载(ballast)的重量在海床不适合钻探时使用的解决方案。一般 地，已经为基于重力的地基而发展的解决方案可以在概念上和建设上以下列方式分类：

·截头圆锥体形状的基于重力的地基，其中锥形段具有不同的细长度和倾斜。

·由其上建有细长轴的宽底座组成的地基。该解决方案与桥墩中使用的类似。

这些解决方案可包括钢襟翼在底座处，以限制地面来根据其特性促进使用抽吸室打桩和/ 或发展局部地面改进。

用于打桩和基于重力的解决方案的海上风力涡轮机地基的选择由两个主要因素影响：海 床的地面性质和潜在地点的深度。

随着40-50米的深度接近，海上风力涡轮机安装遇到限制此部门及其盈利能力发展的经 济和技术困难。地基的大小、施工和现场安装的困难、传输到地面的负荷和部件的垂直性的 潜在损失限制了可用的地点，其中在沿海大陆架中制定这些解决方案是可行的。

除了所解决的困难，安装一些至今发展的解决方案需要使用专门的海运方式，专门为运 输和现场安装设计。目前，具有这些特征的可用船舶的数量是非常有限的，并且货运或其实 施方式的成本非常高。

现有技术中已知的系统包括关于用于三脚架或金属套箱的海上平台地基结构的国际申请 WO2011147592，所述三脚架或金属套箱由一个或多个固定元件与其上支撑有地基支腿的襟翼 组成。

前述结构需要呈现大起重能力来完成放置的昂贵的海上器械；此外，此结构不是自浮式 的并且不可能在所述结构上将风力涡轮机从陆地运输到安装位置。

此外，根据此解决方案，由三脚架或套箱形成的金属结构达到海床，这增加了金属的使 用和因此此类解决方案的成本，除了在水平移动的情况下具有有限的稳定性。

还已知的是欧洲专利申请EP2539219，该专利申请涉及用于运输和安装基于重力的地基 海上风力涡轮机的装置和方法。所述解决方案不是自浮式的、昂贵，并需要具有高起重能力 用于其放置的海上器械，从而不允许在其结构上将风力涡轮机从陆地运输，因此一旦锚定需 要通过聚集物或混凝土块将附加重量并入该结构来增加其稳定性；因此，与低承载能力的地 面不兼容，并提供了有限的稳定性来抗倾覆。

发明内容

由本发明提出的解决方案是基于使用合并阀系统的三个中空钢筋混凝土底座，由此填充 水并从内部排空以用作压载物。金属结构将这些三个混凝土底座与轴或连接元件连接，其中 所述三个混凝土底座在该结构的中心处开始并出现在水表面之上，连接风力涡轮机塔架的元 件将连接至所述三个混凝土底座，并且所述三个混凝土底座上将安装泊船区、楼梯和维护平 台。

在将该结构运输到其安装地点之后，混凝土底座用水填充，通过传统系统用于压载和锚 定。压载系统设计允许一旦锚定就再浮动该结构，从而向关于与现场安装相关联的不确定性 和在短期和长期的地面响应的解决方案给出很大的通用性。

与单块基于重力的地基相比，三个支腿提供更大的稳定性。除了在逊色的地面中的增强 行为以外，其提供更好的负荷分布并传输较少的应力到地面。金属结构允许减少该结构的一 段，从而最小化与海浪的接触表面和因此最小化由流动-结构相互作用传输的应力并减少地基 的总重量，降低其重心和因此改善其适航性。

所提出的基于三个自浮式混凝土底座的地基是完全模块化的，所以在一些生产中心制造 地基用于随后在港口装配是可行的。

所提出的解决方案是自浮式的，所以可以牵引到最后位置。浮子的三角形构造提供大的 船用稳定性。另外，由于需要更小的操作窗口，此结构允许风力涡轮机在港口装配，从而加 快装配速度。

常规的拖船用于其运输。由于不需要特定船舶，更容易具有允许若干系统的同时运输和 安装的若干单元，从而降低安装成本并减少安装时间。

三个混合连接节点将金属结构连接至三个混凝土底座，其中每个混合连接节点包括混凝 土芯和集成在其中的预加应力系统。

较佳地，此混合连接节点响应于施工需要，因为它可以用作具有的布置能够处理所要求 的执行和装配公差的纯粹预制系统；否则，用作将金属结构的工厂制造与该节点的部分或全 部在港口处的混凝土浇筑结合的部分预制系统。

将三个混凝土底座联接到连接元件的金属结构包括三个倾斜斜杆，其连接至每个混合连 接节点的端部呈允许机械约束的适当调整的截头圆锥体形状。

在这点上，具有混凝土芯和集成在其中的预加应力系统的混合连接节点的解决方案使得 下列变得可能：

·确保会聚在混合连接节点上的杆的轴向动作会聚在给定点上，从而最小化由于组成金 属结构-混合连接节点-浮式混凝土底座组件的偏心而引起的动作。

·最小化包围会聚点的混合连接节点的物理尺寸，其中混合连接节点接收会聚在其中的 杆的端部。

·通过将杆嵌在混合连接节点中来最小化弯曲应力。

·主要使用预加应力系统来实现所要求的将混合连接节点中的力传送到浮式混凝土底座 的能力。

三个浮式混凝土底座中的每个包括下板、上板和周边壁，其中一旦所述系统被淹没下板 就与地面接触。这些元件用混凝土内壁增强，所述混凝土内壁反过来限定各组互连单元。

浮式混凝土底座通过在浮式平台上的连续滑动执行并且包括控制系统，以通过布置在所 述浮式混凝土底座上的阀部件执行压载，来允许用水填充并喷射用于排空水的压缩空气的第 一组单元的填充。

可选地，浮式混凝土底座具有第二组单元，所述第二组单元不涉及浮动，以便从上板接 入下板和地面之间的接触表面，并且因此改善地面承载能力或其中嵌入的水平。

浮式混凝土底座执行下列功能：

——用作到金属结构的地基，其中风力涡轮机的连接元件在运输、锚定和维修阶段期间 附接到所述金属结构。

——在运输和锚定两个阶段期间增加船用稳定性，与由单体积解决方案容许的那些相比， 以允许在更充满活力的气候条件中导航并且整体地改善所述结构的锚定或淹没阶段中的安全 性。

——为了在具有安装浮子的可能性的运输阶段期间牵引的目的，向所述系统提供牵引点。

——增加稳定性以防止翻转和滑动，远离倾翻和旋转中心放置团块以助于增加结构部件 的惯性，靠近底部移动重心。

——通过增加每表面积单元的自身重量的负担分配和通过增强回复力的存在来最小化传 输到地面的静态负荷和动态负荷。

——通过差动压载水平允许在维修阶段期间由每个沉箱传输的负荷不同于其他沉箱的负 荷。

——在短期和长期限制全局地点和差动地点。

——将金属结构支撑高度保持在相同深度，其中仅浮式混凝土底座的支柱变化。

——在实施、运输、锚定和维修期间控制船用稳定性和浮力。

金属结构执行下列功能：

——用作浮式混凝土底座和风力涡轮机之间的过渡元件，从而使庇护高度超过由海的自 由面达到的最大水平。

——防止浮式混凝土底座之间的相对移动。

——限制或减少海流和结构之间的相互作用，其中随着一个接近表面所述相互作用变得 更大。

——限制浮式混凝土底座和地面之间的高频率动态负荷的传输。

用于海上风力涡轮机地基的安装的过程包括下列阶段：

·第一运输阶段，其中地基系统通过使用其中锚定浮式混凝土底座的拖船从收集和/或装 配船坞牵引到最后位置，

·第二锚定阶段，其中地基系统被锚定直到与海床接触，从而由浮式混凝土底座中一些 组的单元的受控压载与位于所述底座的阀的操作改变整体浮力，和

·在地基系统的拆卸或重新定位的情况下通过从先前压载的单元组抽空水压载来实现地 基系统的正浮力的第三再浮动阶段。

在第二阶段和第三阶段之间有维修阶段或其中操作风力涡轮机的阶段。

用于海上风力涡轮机安装的基于重力的地基系统还包括控制系统，所述控制系统反过来 在运输、锚定、维修和再浮动阶段期间包括感测子系统、操作控制子系统和决策制定子系统， 其中操作控制子系统允许感测子系统和决策制定支持子系统之间的协调。

考虑土木工程施工技术的发展的可能的地基制造方法之一如下：是混凝土和钢的混合结 构，用于混凝土底座和金属结构的制造过程是独立的。使用装有与在用于港口船坞的混凝土 沉箱的施工中使用的类似的滑动模板系统的称为浮式沉箱的浮式船坞，在港口的船坞处制造 混凝土底座。此过程允许用确保其足够浮力的高内空隙比对混凝土底座进行施工。在制造过 程期间，向左嵌入钢管状突出部来用作金属结构和混凝土底座之间的连接。金属结构在陆地 上分阶段地制造；一方面是连接至混凝土底座的金属结构，另一方面是用作风力涡轮机的底 座的轴或连接元件。金属结构通过焊接接头进行。在完成混凝土底座并庇护在港口内之后， 定位所述底座并使用起重机安装金属结构。一旦金属结构与所述底座成为整体，金属轴或连 接元件就定位并焊接到所述结构的其余部分。此时，在其最后运输和在海上风力发电场中安 装之前，该元件准备好用于预先锚定在保护区域中。运输过程由拖船执行，所述拖船将所述 元件放置在其最后位置并且所述元件将使用锚和绞车进行锚定，所述锚和绞车将固定所述结 构的位置。通过安装在混凝土底座中的阀系统，将用水填满，从而允许其受控锚定直到其定 位在海床上。

本发明的工业应用是基于海上风能行业是在未来一年里预测的最多发展的部门之一。目 前，大多数主要电力开发人员和技术专家都在研究用于海上风力涡轮机的安装的最佳替代品。

所提出的解决方案解决了用于涡轮机在所解决的大多数地点中的安装的地基，从而允许 数以千计的风力涡轮机的安装。技术专家和配套产业将使其过程适应于这些地基的制造和供 应。

金属结构由其尺寸小于风力涡轮机轴自身(6-3米)的管组成，具有与风力行业自身的潜 在协同作用。

此解决方案是完全模块化的并且因此支持用于在港口的随后装配的在不同中心的制造策 略。此将最小化在材料供应中的潜在问题。沉箱本身的尺寸是这样的使得它们也可以在不同 中心制造且此后运输到装配港口。

附图说明

为了完成正在作的描述并为了更好地理解本发明的特性，根据本发明的优选实用实施例， 附上一组附图作为本描述的整体部分，所述一组附图在不限制本发明的范围的情况下通过示 例的方式如下示出：

图1示出本发明的用于海上风力涡轮机安装的基于重力的地基系统的第一实施例的透视 图。

图2示出图1的正视图。

图3示出图1的俯视图。

图4示出本发明的用于海上风力涡轮机安装的基于重力的地基系统的第二实施例的透视 图。

图5示出图4的正视图。

图6示出图4的俯视图。

图7示出金属结构和每个浮式混凝土底座之间的混合连接节点的第一实施例的透视图。

图8示出到混合连接节点的金属结构杆连接的细节的俯视图。

图9示出图8的剖面图AA。

图10示出图8的剖面图BB。

图11示出根据其第二实施例所述的到混合连接节点的金属结构杆连接的细节的俯视图。

图12示出图11的剖面图AA。

图13示出用于海上风力涡轮机安装的基于重力的地基系统的控制系统的方框图。

具体实施方式

图1至图3识别由根据第一实施例所述的用于海上风力涡轮机安装的基于重力的地基系 统包括的主要部分。这些附图识别下列元件：

·在海上土木工程领域中称为“沉箱”的浮式混凝土底座(1)或中空混凝土支架，其具 有集成阀系统以允许带有水的底座的压载和卸压载。

·三脚架形状金属结构(2)，其将混凝土底座附接到连接元件(3)至风力涡轮机安装的 高度。

·浮式混凝土底座(1，4)和风力涡轮机之间的连接元件(3)。包括维护船舶靠泊系统 和用于接入风力涡轮机的底座的楼梯，以及用于将风力涡轮机附接到地基的系统。

图4至图6识别由根据第二实施例所述的用于海上风力涡轮机安装的基于重力的地基系 统包括的主要部分。这些附图识别下列元件：

·在海上土木工程领域中称为“沉箱”的中空浮式钢筋混凝土底座(4)，其具有集成阀 系统以允许带有水的底座的压载和卸压载。

·联接浮式混凝土底座(4)的栅格形状金属结构(5)。

·浮式混凝土底座(1，4)和风力涡轮机之间的连接元件(6)。包括维护船舶靠泊系统 和用于接入风力涡轮机的底座的楼梯，以及用于将风力涡轮机附接到地基的系统。

在任一实施例中，金属结构(2，5)到三个浮式混凝土底座(1，4)的附接通过混合连 接节点(7，27)进行，一个用于每个浮式混凝土底座(1，4)，其每一个包括混凝土芯(8) 和集成在其中的预加应力系统(9)。

将三个浮式混凝土底座(1，4)附接到连接元件(3，6)的金属结构(2，5)包括三个 倾斜斜杆(10)，其连接至每个混合连接节点(7，27)的端部呈允许机械约束的适当调整的 截头圆锥体形状。

混合连接节点(7，27)还包括外部覆盖混凝土芯(8)的金属片涂层(12)，金属涂层(12) 的主要功能是帮助传送和抵抗由混合连接节点(7，27)中的倾斜斜杆(10)引入的力而引起 的应力，尽管也充当用于所使用的混凝土芯(8)的闭合和保护元件，以促进位于金属结构(2， 5)和浮式混凝土底座(1，4)的混合连接节点(7，27)中的预加应力系统(9)的耐久性条 件并且最重要的是，促进其工作条件。

混合连接节点(7，27)还包括积极地参与力的传输的锚，而浮式混凝土底座(1，4)包 括设置在其内部的无源锚，所述无源锚直接设置在上闭合板(13)中或设置在位于混合连接 节点(未示出)下方的刚性分隔壁或内壁中。

在这些布置在上闭合板(13)或刚性壁上的锚上，其中部分预制的浮式混凝土底座(1， 4)的上闭合板(13)用混凝土浇筑，由此仅一些具有钢筋束(未示)在内的护套保持免除， 而在预制的混合连接节点(7，27)的情况下，预制的混合连接节点(7，27)连同一些护套、 钢筋束和无源锚将在浮式混凝土底座(1，4)的混凝土浇筑期间放置在适当位置中。

在图7至图10中所示的混合连接节点(7)的第一实施例中，混合连接节点(7)的金属 涂层(12)具有多面体状的几何形状，所述多面体状几何形状具有：上棱柱-梯形区域(14)， 其中接收倾斜斜杆的边(15)之一反过来倾斜和垂直于该倾斜斜杆；和下不规则棱柱-六边形 区域(16)，其中接收将每个浮式混凝土底座(1)的两个相邻混合连接节点(7)联接在一起 的一些第一辅助杆(18)的洞口侧面(17)中的两个垂直于所述第一辅助杆(18)，其中所述 倾斜斜杆和第一辅助杆联接的侧面(15，17)由钢片制成。

此外，在混合连接节点(7)处，位于接收第一辅助杆(18)的两个洞口侧面(17)之间 的下不规则棱柱-六边形区域(16)的洞口侧面(19)接收将混合连接节点(7)联接到连接 元件(3)的第二辅助杆(20)。

因此，在混合连接杆(7)的第一实施例中，所述混合连接芯(7)经由带有管状几何形 状的金属涂层(12)接收倾斜斜杆(10)、第一辅助杆(18)和第二辅助杆(20)，其中第一 辅助杆(18)将每个浮式混凝土底座(1)的两个相邻混合连接节点(7)联接在一起，第二 辅助杆(20)将混合连接节点(7)联接到连接元件(3)。

在混合连接节点内，也就是在混凝土芯(8)中，有源锚包括：

·穿透混合连接节点(7)的四个杆(10，18，20)的传送缭绳(sheets)(21)，其中倾 斜斜杆(10)和第二辅助杆(20)两个通过在所有杆(10，18，20)的轴线的相交点处焊接 而联接在一起，

·将第一辅助杆联接在一起的传送和连接缭绳(22)，

另外地，预加应力系统(9)也位于混合连接节点(7)内，

如果混合连接节点(7)在其中构建，一旦前述系统已经放置在预制台架上或港口处，该 节点将随后用混凝土浇筑，此后通过混合连接节点(7)和浮式混凝土底座(1)之间的连接 区域的混凝土浇筑，所述连接区域是向左作为具有装配和执行容差的控制元件。

预加应力于布置在穿透浮式混凝土底座(1)的混合连接节点(7)内的预加应力系统(9)， 接着是护套的喷射，最后包封混凝土芯(8)的混合连接节点(7)的金属涂层(12)的放置 和焊接。

在图11和图12中所示的混合连接节点(27)的第二优选实施例中，混合连接节点(27) 具有布置在混凝土芯(24)周围的带有管状几何形状的金属涂层(23)，其中金属涂层(23) 是在其上端处敞开的钢管段，以允许在混合节点(7)的第一实施例中描述的其他元件的混凝 土浇筑和放置。

混合连接芯(27)经由带有管状几何形状的金属涂层(23)接收倾斜斜杆(10)、将每个 浮式混凝土底座(1)的两个相邻混合连接节点(27)联接在一起的第一辅助杆(18)和将混 合连接节点(27)联接到连接元件(3)的第二辅助杆(20)。

在混合连接节点(27)内，也就是，传送缭绳(21)以及如上所述的传送和连接缭绳(22)、 预加应力系统(9)和无源锚位于混凝土芯(24)中。

用于海上风力涡轮机安装的基于重力的地基系统还包括控制系统，所述控制系统反过来 在运输、锚定、维修和再浮动阶段期间包括感测子系统(30)、操作控制子系统(31)和决策 制定子系统(32)，其中操作控制子系统允许感测子系统和决策制定支持子系统之间的协调。

感测子系统(30)包括用于第一组单元的填充的填充水平传感器(33)，其功能是测量其 在牵引、锚定和再浮动阶段期间的压载水平。它们优选地位于下板上。

感测子系统(30)还包括在联接的混合连接节点中和在风力涡轮机的连接元件和金属结 构之间的连接中优选放置在沉箱的上板的惯性加速度传感器(34)。它们的功能是测量加速度， 以避免在牵引和锚定阶段期间超过由涡轮机制造商设定点的可能的阈值。

感测子系统(30)还包括用于测量在所述结构的附近的电流和到海床的距离的多普勒声 传感器(35)。其功能是监视围绕所述结构的流体动力学和在锚定阶段中控制每个沉箱相对于 海床的位置以及支持在维修期间腐蚀演变特征。它们位于其中下板和周边壁相遇的点处。

感测子系统(30)还包括陀螺仪(36)，以监视每个浮式混凝土底座(1，4)的侧倾和纵 倾，所述陀螺仪(36)优选地布置在每个浮式混凝土底座的中心中。其功能是在牵引和锚定 阶段期间控制所述系统的通用性。

感测子系统(30)还包括相对和绝对定位传感器(37)，以在运输期间定位所述系统并用 于其在锚定阶段期间的动态定位。它们布置在金属结构的顶部上。

感测子系统(30)还包括压力传感器(38)，用于估计在维修阶段期间由海的流动和所述 结构之间的相互作用引起的动作。它们优选地嵌在浮式混凝土底座的周边壁内。

感测子系统(30)还包括变形传感器(39)，所述变形传感器允许由于与海洋流动的相互 作用和/或由风力涡轮机传输的循环应力估计所述系统的应力负荷循环的数量和大小。它们优 选地布置在金属结构的节点处并布置在金属结构和浮式混凝土底座之间的转变点处。

决策制定支持子系统(32)包括逻辑装置(40)和第二级预测装置(41)，所述逻辑装置 (40)是第一级仪器警报器，以产生警报来防止超过由感测子系统指示的阈值，所述第二级 预测装置(41)基于气候预测系统(42)和由不同传感器(33，34，35，36，37，38，39) 获得的仪器历史记录来执行由操作控制子系统(31)进行的实时控制(43)并且可在显示装 置(44)上显示；操作控制子系统(31)作用于执行用于填充水和排空水的阀(46)的打开 和/或关闭的控制致动器(45)上并作用于锚和绞车的系统上，以固定地基系统的位置，从而 在短期和长期产生用于地基系统的响应场景。