半潜式深海风电安装平台及其风力发电机组整体安装方法与流程

本发明属于深海海洋平台结构设计领域，具体涉及一种深海半潜式风电运输安装一体化平台及其风力发电机安装方法。

背景技术：

风力发电是世界上发展最快的绿色能源技术。海上风电是风电技术的前沿，也是国际风电产业发展的重点领域。整体而言，海上风电仍处于发展初期，目前主流的风机机组形式，按照基础形式来分主要分为以下几大类：重力式基础、单桩式基础、三脚架式基础、导管架式基础、多桩式基础、筒形基础和漂浮式基础等。近年来海上风电的利用一般集中在近海海域，随着近海资源的开发，近海水域的地域和环境限制，海上风电势必会往深海发展。而浅海应用较多的桩基式等风力机基础无法满足深海开发的要求，且海上风机由于成本而大型化的趋势，漂浮式基础更能适应。由固定式基础发展为漂浮式基础也成为发展趋势之一。

海上风电机组安装相对于陆上风电机组安装有较高的技术难度，是海上风电场建设的关键技术之一。完成吊装需要一个海上安装作业平台。主要有：大型起重船、自升式(非自航)平台、带定位桩腿的自航船、自航自升式安装船。根据目前风电安装主要船型相比较，如表1所示，为解决将来海上风机大型化向深海挺进的趋势，半潜式风电安装船具有耐波性好、作业水深深、适合风机整体运输安装等特点，在未来深海风电安装市场发展趋势之一。

研究表明，全球大部分海域单位面积的风能储量在2×103(kW.h)/m2，属于风能资源的富集区。据估算，全球海深60-900m区域风电机组装机容量约为17.4×108kW，因此深海风力发电潜力巨大。由于深海气候恶劣，有效作业时间短，所以机组安装是整个海上风电场建设过程中施工难度最高和风险最大的环节，直接决定了整个项目的成败。机组安装技术包括安装平台和安装方式两个部分。目前大部分海上风电机组的运输、吊装、维修主要依托于现有的船舶平台进行。如传统起重船(自航非自升)、起重安装平台(自升非自航)和自航自升起重船3种类型。现有的安装技术势必不能满足新的环境要求。半潜式风电安装船具有耐波性好、作业水深深、适合风机整体运输安装等特点，漂浮式基础、整体安装及深海安装平台极有可能成为未来海上风力发电的主流技术。

表1风电安装主要船型

因此，需要设计满足漂浮式基础风车设备整体运输、安装一体化的半潜式平台的深海半潜式风车安装平台，以解决深海漂浮式基础的风车运输和安装的问题，解决将来海上风机大型化向深海挺进的趋势。

技术实现要素：

本发明的技术目的是提供一种半潜式深海风电安装平台，能够实现风机的塔筒、机舱和叶片作为一个整体进行运输和吊装作业，以缩短工程建设周期，提高安装效率。

为实现上述的技术目的，本发明将采取如下的技术方案：

一种半潜式深海风电安装平台，包括平台主体，所述的平台主体包括浮筒、横撑、风机运输甲板、立柱、上甲板包；其中：所述的浮筒为两个，分别为浮筒a、浮筒b，对称地分布在平台主体行进方向的左右两侧；所述的上甲板包，呈U形设置；U形上甲板包的封闭端位于平台主体行进方向的前端，而U形上甲板包的两侧壁则分别通过立柱支撑在相应浮筒a、浮筒b的上方；所述的立柱，为2n根，n≥2，沿着平台主体的行进方向，成对地间隔布置；每对立柱中的其中一根立柱a安装在浮筒a上，另一根立柱b则安装在浮筒b上，立柱a、立柱b之间通过横撑连接；所述的风机运输甲板，为桁架式结构，位于U形上甲板包的下方，并与U形上甲板包的内部缺口部分正对；风机运输甲板的底层分别与浮筒a、浮筒b固定，且风机运输甲板的侧面与立柱固定；风机运输甲板上配备固定风机的底座工装。

作为本发明的进一步改进，所述的立柱为四根，每根立柱的一端与浮筒连接，另一端则与上甲板包连接；各立柱通过风机运输甲板连接成一体。

作为本发明的进一步改进，每根立柱在高度上分三层设置，每一层立柱均设置有压载舱；且立柱具有楼梯通道以及设备区。

作为本发明的进一步改进，所述的上甲板包由上到下，依次包括主甲板、中间甲板、下甲板以及甲板包底舱。

作为本发明的进一步改进，所述的甲板包底舱具有功能性液舱；下甲板布置机舱、配电间、锚机间和生活区域；而中间甲板则布置生活区域。

作为本发明的进一步改进，在平台主体左弦尾部配装有起重机，并在平台主体行进方向的前端设置用于水平搁放起重机吊臂的搁臂架。

作为本发明的进一步改进，U形上甲板包的封闭端通过上部多层甲板生活区安装舰桥甲板；在舰桥甲板上配设有舰机停航位置。

作为本发明的进一步改进，所述的上部多层甲板生活区包括三层甲板，分别为从上到下依次设置的甲板A、甲板B、甲板C。

本发明的另一技术目的是提供一种基于上述半潜式深海风电安装平台的风力发电机安装方法，包括以下步骤：首先，在风机码头组装好风力发电机机组的整体机构，然后，采用半潜式深海风电安装平台将风力发电机基座从风机码头运输到深海目标位置后吊装，最后，再次采用半潜式深海风电安装平台将组装好的风力发电机机组从风机码头运输到深海目标位置后，吊装到已安装好的风力发电机基座上。

根据上述的技术方案，相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果：

本发明将所述的平台主体，设计为半潜式结构，即采用两块左右对称设置的流线型浮筒提供浮力，进行整体结构支撑；然后将风机运输甲板设置为桁架式结构，节约钢结构重量并减少海浪抨击；风机运输甲板位于浮筒中间上方位置，可降低风机运输的高度和重心，提高平台运输时的稳性；运输甲板作为连接桥连接在两块浮筒之间，并与立柱相连，提高平台的横向和抗扭强度；另外，将上甲板尾部和中部设置U形大槽口结构，并位于风机运输甲板上方，即U形甲板的内部缺口部分便于风机的塔筒、机舱和叶片作为一个整体进行安放，同时也便于风机的吊运；实现了深海大型化漂浮式基础的海上风机运输安装任务目标，不需要进行分段运输、分段组装，此运输安装平台，充分考虑经济性，安全性的要求，增强了平台在目标海域的适用性。

附图说明

图1是本发明所述半潜式深海风电安装平台的结构示意图(侧视图)；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的主视图；

图4是本发明所述半潜式深海风电安装平台的自存工况下整体强度分析图；

图中：1-推进器；2-浮筒；3-立柱；4-上甲板包；5-升降电梯；6-系固绞车；7-舰桥甲板；8-搁臂架；9-起重机；10-风机运输甲板；11-上部多层甲板生活区。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置。表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)。

如图1至3所示，本发明所述的半潜式深海风电安装平台，包括平台主体，所述的平台主体包括两个浮筒2、四个立柱3、甲板包、横撑、风机运输甲板10、全回转式起重机9、上部多层甲板生活区11、Sikorsky S92型直升机平台、风机、风机基座、系固绞车6、全回转推进器1、DP3动力定位系统。其中，

浮筒2位于平台主体的底部，首尾两端采用流线型设计；包括两个，分别为浮筒2a、浮筒2b，对称地分布在平台主体行进方向的左右两侧；浮筒2内设有六个推进器舱、四个泵舱和两个压在水处理装置舱；浮筒2内部设有前后贯通管弄和通道。

所述的风机运输甲板10，为桁架式结构，处于浮筒2中间上方，可降低风机运输的高度和重心，提高平台运输时的稳性；同时，桁架式结构能减小恶劣海况下的抨击载荷；运输甲板分别与两个浮筒2和四个立柱3连接，因此，可以说风机运输甲板10类似于一个将两浮筒2连接的连接桥，提高两者之间的横向和抗扭强度；

所述的立柱3，为2n根，n≥2，沿着平台主体的行进方向，成对地间隔布置；每对立柱3中的其中一根立柱3a安装在浮筒2a上，另一根立柱3b则安装在浮筒2b上，立柱3a、立柱3b之间通过横撑连接；附图中立柱3有四根，每个浮筒2上有两根立柱3，呈长方形布局；立柱3的一端与浮筒2连接，另一端则与甲板包连接；因此，可以说甲板包是通过立柱3支撑在浮筒2上方的；同时各立柱3还分别通过风机运输甲板10、横撑连接成一体，因此，有效地提高了各立柱3之间的横向和抗扭强度；每根立柱3在高度上分三层设置，每一层立柱3均设置有压载舱；且立柱3具有楼梯通道(升降电梯5)以及设备区。

所述的上甲板包，呈U形设置，且U形上甲板包4的封闭端位于平台主体行进方向的前端，同时，所述的风机运输甲板10处于U形上甲板包4的下方，并与U形甲板的内部缺口部分正对；因此，本发明所述的平台主体，既方便风力发电机机组整体从U形上甲板包4的内部缺口部分的上方吊出，也便于风力发电机机组整体从U形甲板的尾部调运，避免甲板和风机机组的干涉；所述的甲板包由上到下，依次包括主甲板、中间甲板、下甲板以及甲板包底舱。所述的甲板包底舱具有功能性液舱；下甲板布置机舱、配电间、锚机间和生活区域；而中间甲板则布置生活区域。

在U形上甲板包4的封闭端设置上部多层甲板生活区11，该上部多层甲板生活区11安装舰桥甲板7；在舰桥甲板7上配设有舰机停航位置。所述的上部多层甲板生活区11包括三层甲板，分别为从上到下依次设置的甲板A、甲板B、甲板C。

本发明的工作原理如下：

海上作业时，半潜平台下潜至立柱3吃水，减小水线面，提高平台耐波性，有利于较为恶劣的海况作业。立柱3之间由横撑及桁架式结构连接，桁架式连接桥同时也是风机运输甲板10，保证横向强度；浮筒2上方设有桁架式运输平台，将运输设于浮筒2上方，可降低风机运输的高度及重心，提高平台航行时的安全性；立柱3上方设有上甲板结构，上甲板尾部和中间设有大槽口，避免上甲板与装载风机机组之间的干涉。平台在上甲板尾部左舷处设一台全回转式起重机9，用作吊装风电设备。搁臂架8位于上甲板首部左舷处。设有四层生活区，位于上甲板首部右舷处，用于调节空船重量重心平衡。生活区上方设有Sikorsky S92型直升机平台，供海上人员上下。

平台靠泊风机码头，将可伸缩式推进器回收至浮筒2内，减少对码头深度的要求。利用平台自身起重机9实现风机码头至平台(或者运输平台至平台)的装载。风机装载甲板装有固定风机的底座工装，甲板包主甲板上有辅助固定的缆绳(系固绞车66)。完成固定后，平台移出泊位，伸出推进器，启动尾部两台推进器，运输航行。

基于上述的半潜式深海风电安装平台，本发明提出了一种风力发电机组的安装方法，具体包括以下步骤：首先，在风机码头组装好风力发电机机组的整体机构，然后，采用半潜式深海风电安装平台将风力发电机基座从风机码头运输到深海目标位置后吊装，最后，再次采用半潜式深海风电安装平台将组装好的风力发电机机组从风机码头运输到深海目标位置后，吊装到已安装好的风力发电机基座上。

具体地，所述的风力发电机机组的具体安装步骤包括：

(1)所述半潜式深海风电安装平台停靠风机码头时，先将推进器回收至浮筒2内，再采用平台上的起重机9，将风机码头上的风力发电机机组装载到风机运输甲板10上，并通过风机运输甲板10上的固定工装以及甲板包上的固定缆绳将风力发电机机组固定；然后将半潜式深海风电安装平台移出泊位，伸出推进器，启动尾部两台推进器，向深海目标位置航行；

(2)到达深海目标位置时，先根据深海目标位置处的风电场情况以及水深，确定所述半潜式深海风电安装平台的定位方式；定位后，半潜式深海风电安装平台通过压载水将其下潜至操作水深17.5m；下潜后，继续调整半潜式深海风电安装平台的定位精度，以控制船体浮态；平缓启用起重机9，调整起重机9吊臂摆幅和角度，将吊臂调整至风力发电机机组上方，接着在风力发电机机组的塔筒内进行吊钩挂索具作业，完成挂索具后，将风力发电机机组吊运出平台主体，安装至预先安装好的风机基座上；

(3)在吊装过程中，抗横倾系统能根据实时浮态倾斜情况，完成自动调平；完成一台风力发电机机组安装后，起重机9吊臂回复至搁臂架8上，继续前往下一个风机基座，重复步骤(2)进行下一台风力发电机机组安装。