一种Spar型装配式预应力钢筋混凝土浮式海上风机基础的制作方法

本发明属于风力发电领域，涉及一种海上漂浮式风机基础。

背景技术：

陆地风资源的逐步枯竭将人类的视线转移到了清洁能源的新方向——海上风电。海上风电具有风速高、电量大、运行稳定、适合大规模开发等优势，且海上风能资源最丰富的东南沿海地区，毗邻用电需求大的经济发达地区，可以实现用电就近消化，降低输送成本，发展潜力巨大。据估算，海上风能资源的能量效益比陆上风电要高20％至40％。

对于水深大于40米的深水海洋环境，漂浮式的风机基础经济性更好。与海上风机的固定基础相比，漂浮式风机基础的优势包括：

(a)受水深限制小，风场地址选取更灵活；

(b)远海上风资源量更足、质更高；

(c)风机、浮式基础及系泊锚的海上安装工艺简单，大部分施工可在港口完成；

(d)受海床地基条件的影响小，成型方案可移植性高；

(e)可安装在远海消除对近海景观的视觉污染。

目前，依托于石油工业的海洋平台技术，主要存在三种浮式风机基础：单柱型(Spar)、张力腿型(Tension-Leg Platform,TLP)、半潜型(Semi-Submersible)。

张力腿型的浮式基础具有非常好的垂荡和转动稳性，但张力腿造价高、安装复杂，潮汐变化也会影响系泊腿中张力大小，且上部结构与张力腿系统的同频耦合振动都使得此类系统难于设计与施工。

单柱型基础结构简单，通过降低重心及较大的吃水深度，可提供足够回复力矩和稳性，其在竖向波浪外激力较小，具有较好的垂荡稳性。但较小的水线面面积无法贡献横摇及纵摇两个方向的稳性，风机的倾覆力矩将降低基础稳定和风机效率。本发明利用液体压载提供的回复力矩，能够克服立柱式基础大倾角稳性不足的问题。

此外，依靠分散柱体稳定的半潜式多柱平台水线面积较小(材料省)却能提供较大的回复力矩，在保证经济性的前提下，平台稳定性最好。此外，该基础和风机的施工安装均可在港口完成，拖航至海上风场下锚固定。

基于以上分析，国际上提出的浮式风机概念设计很多，而目前已建造运营的浮式海上风机其中部分采用了立柱式半潜基础，包括有挪威的SWAY及Hywind 2.3MW，以及日本Fukushima Forward项目中的Hamakaze 5MW。

如图1所示，SWAY是一台1:6的测试风机，2011年3月安装于挪威卑尔根沿海，基础由一根立柱组成，全尺寸SWAY风机能够承受26米高巨浪，而该缩尺风机仅可经受4米高海浪。当年11月，一次超过6米的波浪导致风机沉没。

如图2所示，Statoil公司的Hywind立柱式风机2009年9月安装于挪威离岸10公里的西南沿海，基础的立柱由钢材制造，底部填入了压舱水和石块，水下长度为100米，通过三点悬链系泊保持风机不发生漂移。自2010年以来，已发电32,5GWh。基于该测试风机的设计，英国苏格兰海域正在筹划建立5台6MW的30MW的浮式风机风场。

如图3所示，日本Fukushima Forward项目第二阶段(2014-2015)包括建造一台5MW的漂浮式风机Fukushima Hamakaze，采用钢材制造，吃水33米，立柱底部有一边长为30米的正六边形截面柱体。为了提高稳性，在水线面附近也设置了相同截面的舱室。

海上浮式风机基础的设计并不能完全按照成熟的油气海洋平台设计方法进行。一方面，一部5MW风机的重量(700ton)约为一般海洋平台上部结构重量的十分之一甚至更小，因此浮式风机基础在波浪力作用下的动力响应将更大。另一方面，海洋平台的钻井及输油升管无法承受较大的竖向变形，因此对垂荡运动的抑制至关重要，而摇摆对平台的安全运营影响较小。海上风机对浮式基础平台的水动力特性要求恰恰相反，垂荡运动对于风机采能影响不大，只有足够小的纵摇及横摇自由度动态响应才能保证风机的高效运转。

技术实现要素：

为了解决水深50米以上的海上风机基础，充分应用了空气动力学、结构力学及水动力学原理，其特点是结构简单，传力清晰，施工方便，材料可因地选取，工作状态稳定，自存能力强。采用现浇高强混凝土制造基础构件，养护成型后张拉预应力，灌注防水砂浆保证水密性，适合在岸边浅水港口码头施工拼装，可支撑目前主流5MW级别以上的风机，保证正常作业、极限自存下的结构强度和风能转化效率。

本发明中浮式基础包括一个或多个混凝土装配式构件和一个混凝土装配式压载物舱，风力发电机安装在立柱顶部，立柱的各个预制装配式构件通过预应力钢筋和密实砂浆相连。与传统的钢结构立柱式基础相比，本发明的装配式预应力钢筋混凝土基础的优势和原创性包括：1)材料使用更省，造价更低；2)能通过混凝土装配式构件数量对柱身的长度进行控制；3)采用预制装配式结构，能使建造施工工艺更加简化；4)采用预应力钢筋混凝土结构能加强基础的整体强度与稳定性。

除此之外，作为本发明的进一步改进，基础结构采用高强混凝土现浇建造单个构件，其中预留孔道，通过后张法为结构提供预应力。

作为本发明的进一步改进，基于浮体稳性及水动力学基本原理，立柱的装配式构件及其翼缘板可采用圆形或者带圆倒角的矩形或正多边形截面。

作为本发明的进一步改进，立柱构件底部设置的圆形翼缘板可起到消波消能，增加阻尼，抑制涡激振动。

作为本发明的进一步改进，在立柱及浮筒中设置有多个舱室，用于存放内部液体压载物。调节内部压载物的初始质量及初始位置，使风机倾角在风速气象统计的大概率值附近为零。

作为本发明的进一步改进，作业状态下，基础在水面上的高度大于10米，避免上浪造成风机设备浸水破坏。

作为本发明的进一步改进，系泊系统采用悬链状系泊，保证系统的位置保持，不发生漂移。

附图说明

结合以下附图及实施例的描述，可使本发明的优点及原创性更加清晰和易于理解，其中：

图1是挪威卑尔根沿海的SWAY立柱式漂浮风机设计图及在海上作业的照片；

图2是挪威Statoil的Hywind 2.3MW立柱式漂浮风机设计图及在海上作业的照片；

图3是日本福岛的Hamakaze 5MW立柱式漂浮风机设计图及在海上作业的照片；

图4是本发明——Spar型装配式预应力钢筋混凝土浮式海上风机基础的等轴视图；

图5是本发明——混凝土标准装配构件的等轴视图；

图6是本发明——混凝土标准装配构件的剖面图；

图7是本发明——混凝土压载物装配构件的剖面图。

具体实施方式

下面结合附图说明，以5MW水平轴风机为例，详述本发明的一个实施例。

本发明提出了一套水深50米以上的海上风机基础，充分应用了空气动力学、结构力学及水动力学原理，其特点是结构简单，传力清晰，施工方便，材料可因地选取，工作状态稳定，自存能力强。

图4是本发明——Spar型装配式预应力钢筋混凝土浮式海上风机基础的等轴视图，图5是本发明——混凝土标准装配构件的等轴视图，图6是本发明——混凝土标准装配构件的剖面图，图7是本发明——混凝土压载物装配构件的剖面图。

本发明的Spar型装配式预应力钢筋混凝土浮式海上风机基础包括由多个钢筋混凝土标准装配构件和一个钢筋混凝土压载物装配构件。立柱的总长度约为60米～100米。

在立柱顶部与风力发电机的塔筒(4)相连，风机还包括机舱(5)及叶片(6)等关键部件。立柱水下底端通过一个或者多个混凝土标准装配构件(1)拼装而成，最底端与混凝土压载物装配构件(2)相连接。

本发明中采用的混凝土标准装配构件(1)的形状为一个底部带圆形翼缘板(8)的中空圆柱(7)，高度约15-20米。翼缘板中空，中部与柱体交接处设置防水层(10)。

本发明中采用的混凝土标准装配构件(1)开设圆形翼缘板(8)，可避免规则旋涡脱落现象的发生，同时可起到消波消能，抑制涡激振动，增加阻尼，减小基础的荡动和摇摆。

本发明中采用的混凝土标准装配构件(1)在翼缘板的底部中心设置一个与中空圆柱外直径等大的圆形凹槽(9)，以便于加强装配后整体结构的稳定性。并且在圆形柱身处预留了钢筋孔道，通过后张预应力钢绞线一体成型，加强了立柱整体强度。

基础采用悬链系泊(3)，其海底端与固定在海床上的拖曳式锚连接，保证系统的位置保持，不发生漂移。

在作业状态下，由于海洋环境是高度腐蚀性的氯化物环境，通过比较钢筋混凝土结构与钢结构，前者具有非常好的耐久性，能显着减少检查和维护任务。同时普通混凝土具有低渗性，但如使用如硅灰、填料和外加剂等某些额外的材料，可以提高密实度。

同时，由于混凝土几乎不提供抵抗拉应力，而该结构在外部作用下会产生一定的弯曲应力，对装配整体式混凝土体必须使用预应力以防止混凝土的减压，防止由于牵引力或者可能影响系统密封性的裂缝而出现的故障。

基础结构采用预制装配式构件，可有效控制建造成本，减少造价。在干船坞中施工养护完毕后，拼装风机，放水并拖航至目标场地。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。