一种海上三筒基础式风电整机安装船及其一步式施工方法与流程

本发明属于海洋船舶技术领域，具体的说，是涉及一种海上三筒基础式风电整机的运输和安装设备，实现了海上三筒式风电整机在码头进行整体拼装、并网调试和海上运输、定点平衡、下沉安装的一体化施工作业方法。

背景技术：

风能是因空气流动而提供给人类的一种可利用能量，其本身具有分布广泛、总量巨大等特点，并迅速成为各国能源发展的新方向。利用风能发电是风能开发的主要途径，风电场按布置位置可分为陆上风电与海上风电两类，从技术层面上讲，海上风电的建造难度要比陆上风电场困难的多，海上风机不仅要承受巨大的风荷载，还要承受波浪、海流等复杂的环境荷载。而在海上风机的三个主要部分即机头、塔架、基础中，基础是海上风电的重中之重。目前较为普通的基础主要由单桩基础、三脚架基础、导管架基础、重力式基础以及筒型基础等，其中筒型基础具有节省成本、承载力强等特点，因此被广泛使用。

而伴随着风机单机容量的不断增大、海床地质条件的不断多样化及开发区域不断向深水化发展，单个的筒形基础难以经济高效的满足工程需要，一些多筒基础就应运而生，例如：三筒式筒形基础、四筒式筒形基础等，其中三筒式筒型基础根据上部结构的不同又分为门架式三筒基础、三角架式三筒基础、导管架式三筒基础等。这些多筒基础在结构稳定性上具有一定优势，但在运输安装过程却与传统结构差异很大。

当前，在海上对于风电机组的安装主要还是采用传统的分体式吊装：利用运输船将风机机组各部件运输至基础附近，使用海上浮吊或船上吊架对组件进行吊装，之后进行整机测试、并网。但海上作业受天气、海况影响严重，多筒基础往往结构复杂，各持力结构难易紧密配合，导致安装作业费时、费力且成本较高，而且也无法保证安全。若采用整体式安装，现有的安装船又无法满足多筒结构的需要。

技术实现要素：

本发明要解决的是多筒基础风电整机运输和安装/拆除的技术问题，提供了一种海上三筒基础式风电整机安装船及其一步式施工方法，充分利用多筒基础的浮力，可实现一步式安装、拖航、定位、调平、沉放等功能，能够明显提高装机效率、降低安装成本、受海况影响小；克服了传统分体式安装工期长、工作复杂、难度大的缺点，实现了快速、经济、便捷的海上风电机组一体化施工过程。

本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种海上三筒基础式风电整机安装船，包括船体，所述船体配备设置有塔架、起重设备、锁固抱紧装置、微调扶正装置、防撞装置、抛锚定位装置、控制驾驶室；

所述船体开设有三角缺口和长条缺口；所述三角缺口以船体中心作为形心，用于将三筒基础的三个筒形结构嵌装于其中；所述三角缺口设有三个双层卡固槽，每个所述双层卡固槽均包括下层凹槽和上层凹槽，下层凹槽的直径略大于筒形结构的直径，上层凹槽的直径小于筒形结构的直径，以使三个筒形结构可以分别落入三个所述双层卡固槽的下层凹槽内并由下层凹槽和上层凹槽之间的台肩限位；所述长条缺口沿所述船体的纵向由所述船体尾部延伸至与三角缺口连通，所述长条缺口的宽度大于风机塔筒的直径，用于将风机塔筒由所述长条缺口移进或移出所述船体；

所述塔架是由两根竖向塔架梁和一根横向塔架梁连接而成的门字形结构，两根所述竖向塔架梁分别设立于所述三角缺口的两侧，所述横向塔架梁与所述船体的船尾平行设置且在装机完成后紧邻于风机塔筒；

所述起重设备包括用于筒形结构的起重设备和用于风机塔筒的起重设备；三个用于筒形结构的起重设备分别设置在三个所述双层卡固槽附近的所述船体甲板上；用于风机塔筒的起重设备设置在所述塔架的横向塔架梁的中心位置；

所述锁固抱紧装置包括用于筒形结构的锁固抱紧装置和用于风机塔筒的锁固抱紧装置；用于筒形结构的锁固抱紧装置包括沿每个所述双层卡固槽的下层凹槽内侧环向均布的多个液压装置，这些液压装置顶升后在水平方向固定筒形基础；用于风机塔筒的锁固抱紧装置包括抱箍、斜向液压装置、垫板，所述斜向液压装置顶升使所述抱箍抱紧风机塔筒；

所述微调扶正装置包括可滑动平台、纵向液压装置、加载板、双轴倾角测量元件；所述可滑动平台安装在所述塔架的横向塔架梁上，能够沿横向塔架梁进行横向位移；所述纵向液压装置沿所述船体的纵向放置且底部安装于所述可滑动平台，能够推动用于风机塔筒的所述锁固抱紧装置进行沿所述船体纵向的位移；所述加载板安装在所述纵向液压装置的前端，其表面安装所述抱箍和所述斜向液压装置；所述双轴倾角测量元件安装在所述加载板上；

所述防撞装置设置于所述船体的尾部、所述三角缺口的内侧和所述长条缺口的内侧；

所述抛锚定位装置设置在所述船体的船头和船尾；

所述控制驾驶室位于所述船体的甲板上，包括驾驶装置和控制装置，所述控制装置与所述驾驶装置、所述锁固抱紧装置、所述微调扶正装置、所述抛锚定位装置连接并传输信号。

优选地，所述船体的三角缺口为一个正三角形和三个圆形构成的组合形状，这三个圆形分别以该正三角形的三个顶点为圆心，并且三个圆形的直径与三筒基础中各个筒形结构的直径相同，同时该正三角形每两个顶点之间的距离与三筒基础中每两个筒形结构之间的中心距离相同。

优选地，安装船在装机完成后，所述三角缺口的形心位于风机塔筒的轴线上。

优选地，所述抱箍由两个对称设置的抱箍组件拼合而成，两个抱箍组件分别连接一个所述斜向液压装置，所述垫板设置在所述抱箍的两个抱箍组件内侧。

优选地，所述三角缺口至少在三个所述双层卡固槽的下层凹槽内侧、下层凹槽和上层凹槽之间形成的台肩处设置防撞装置。

一种上述海上三筒基础式风电整机安装船的一步式施工方法，按照如下步骤进行：

(1)利用吊机或滑道将三筒基础的风电整机移入水中，利用三筒基础的浮力将风电整机从所述船体尾部的所述长条缺口由所述船体下方拖入所述三角缺口处，之后在三筒基础中充入空气使其上升，直至三筒基础的三个筒形结构分别落入三个所述双层卡固槽；

(2)使用所述锁固抱紧装置分别固定风机塔筒和三个筒形结构，并分别连接风机塔筒和三个筒形结构的起重设备；所述起重设备安装完毕后解锁用于风机塔筒的所述锁固抱紧装置，并实时监测风电整机的倾斜情况；

(3)根据所述双轴倾角测量元件的倾角测量结果，通过所述微调扶正装置对风机塔筒进行微调，调整后重新锁紧用于风机塔筒的锁固抱紧装置，使所述船体和风电整机保持运动一致；

(4)在三筒基础内充入空气，当满足所述船体的吃水线后，利用所述船体与三筒基础整体的浮力作为支持力，将风电整机运输至设计安装地点；

(5)到达设计安装地点后放下所述抛锚定位装置将所述船体固定，利用所述起重设备使风电整机重力下沉到指定海床上，之后使风电整机负压下沉直至下沉到海床之下并达到指定高程；

(6)风电整机下沉、调平、调试正常之后，所述起重设备自动脱钩，安装船返航。

优选地，步骤(4)中当遇到不利海况时，需解锁全部的所述锁固抱紧装置并对三筒基础抽气抽水，同时配合所述起重设备使风电整机下沉到安全水深，直至不利海况结束后再重复步骤(2)和步骤(3)重新装机。

优选地，步骤(5)的下沉过程中利用所述微调扶正装置与所述起重设备对风电整机进行调平，保证其均匀下沉。

本发明的有益效果是：

本发明的海上三筒基础式风电整机安装船及其一步式施工方法，实现了利用三个筒型基础的浮力进行自浮拖航运输和一步式安装；利用三角缺口和长条缺口方便风电整机的装船和下沉施工，并通过双层卡固槽产生较大的接触面积实现对三个筒型基础的三向约束；利用锁固抱紧装置将三个筒型基础与船体连接，并传递筒基的浮力作用，运输安全性更高、结构整体中心更低；起重设备提供了风电整机的装船及下沉的吊装作业，同时配合微调扶正装置在运输过程中进行调平、定位和承载；最终控制驾驶室对以上环节综合调控实现海上三筒基础式风电整机在陆上建造调试、海上整体运输、定点平衡定位、一步式安装下沉的一体化作业；不仅缩短了分体式安装的较长工期，也避免了大型运输设备，降低施工难度，简化施工过程。

附图说明

图1是本发明所提供的海上三筒基础式风电整机安装船的俯视图；

图2是本发明所提供的海上三筒基础式风电整机安装船的主视图；

图3是本发明所提供的海上三筒基础式风电整机安装船的侧视图；

图4是用于风机塔筒的锁固抱紧装置和微调扶正装置的结构示意图。

图中：1、船体；2、塔架；3、起重设备；4、锁固抱紧装置：4-1、抱箍；4-2、斜向液压装置；4-3、垫板；5、微调扶正装置；5-1、纵向液压装置；5-2、可滑动平台；5-3、双轴倾角测量元件；5-4、加载板；6、防撞装置；7、双层卡固槽；8、抛锚定位装置；9、控制驾驶室。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1至图3所示，本实施例公开了一种海上三筒基础式风电整机安装船，其中包括船体1、塔架2、起重设备3、锁固抱紧装置4、微调扶正装置5、防撞装置6、双层卡固槽7、抛锚定位装置8、控制驾驶室9等。

船体1整体呈长方形，船体1以其中心位置作为形心开设有一个三角缺口，该三角缺口为一个正三角形和三个圆形构成的组合形状，这三个圆形分别以该正三角形的三个顶点为圆心，并且三个圆形的直径与三筒基础中各个筒形结构的直径相同，同时该正三角形每两个顶点之间的距离与三筒基础中每两个筒形结构之间的中心距离相同。由此，三角缺口的形状与三筒基础的形状相匹配，用于固定三筒基础的三个筒形结构及其支撑连接结构。安装船在装机完成后，三角缺口的形心应位于风机塔筒轴线的延长线上。

三个双层卡固槽7分别位于三角缺口中的三个圆形位置处，三个双层卡固槽7分别以三个圆形轮廓(不含正三角形内部的弧线段)作为其边缘，包括下层凹槽和上层凹槽，下层凹槽的直径略大于筒形结构的直径，上层凹槽的直径小于筒形结构的直径。这样，三筒基础的筒形结构可以对应的嵌装在三个双层卡固槽的下层凹槽内并由下层凹槽和上层凹槽之间形成的台肩限位，加之锁固抱紧装置4的锁紧功能，对漂浮的三筒基础形成三个方向的约束，从而将三筒基础与船体1进行固定。

船体1的尾部正中间位置开设有一个长条缺口，该长条缺口沿船体1的长度方向(纵向)由船体1的尾部延伸至与三角缺口连通。长条缺口的宽度需大于风机塔筒的直径，以便于风机塔筒由该长条缺口移进、移出船体1。

塔架2是由两根相互平行的竖向塔架梁和一根横向塔架梁连接而成的门字形结构，两根竖向塔架梁分别设立于三角缺口的两侧，横向塔架梁与船体1的船尾平行设置。应满足安装船在装机完成后，横向塔架梁的位置紧邻于风机塔筒。

起重设备3分为用于风机塔筒的起重设备3和用于筒形结构的起重设备3。一个用于风机塔筒的起重设备3设置在塔架2的横向塔架梁的中心位置；三个用于筒形结构的起重设备3分别设置在三个双层卡固槽7附近的船体1甲板上，其吊装点均匀分布在每个筒形结构的顶盖周围。起重设备3在三筒基础装船时提供辅助提升作用，在三筒基础下沉时提供辅助调平作用。

锁固抱紧装置4分为用于风机塔筒的锁固抱紧装置4和用于筒形结构的锁固抱紧装置4。用于筒形结构的锁固抱紧装置4设置在每个双层卡固槽7的下层凹槽内侧，包括沿下层凹槽内侧环向均布的多个平行于船体1甲板设置的液压装置。在筒形结构就位于下层凹槽内之后，这些液压装置顶升而在水平方向固定筒形结构。如图4所示，用于风机塔筒的锁固抱紧装置4包括抱箍4-1、斜向液压装置4-2、垫板4-3，抱箍4-1由两个对称设置的抱箍组件拼合而成，两个抱箍组件分别有连接有斜向液压装置4-2，可由斜向液压装置4-2推动而使抱箍4-1收紧，从而形成对风机塔筒的固定；抱箍4-1内部设置有垫板4-3，以起到压紧和保护风机塔筒的作用。当塔架2就位后，斜向液压装置4-2顶升，推动抱箍4-1抱紧风机塔筒。用于风机塔筒的锁固抱紧装置4将风机塔筒通过塔架2与船体1进行固定，避免托运过程中风机和风机塔筒的结构晃动。

再如图4所示，微调扶正装置5包括纵向液压装置5-1、可滑动平台5-2、双轴倾角测量元件5-3、加载板5-4。可滑动平台5-2安装在塔架2的横向塔架梁上，可带动整个装置沿横向塔架梁进行横向位移；纵向液压装置5-1沿船体1的纵向放置且底部安装于可滑动平台5-2，纵向液压装置5-1可推动用于风机塔筒的锁固抱紧装置4进行沿船体1纵向的位移；纵向液压装置5-1前端安装有加载板5-4，加载板5-4表面用于安装抱箍4-1和斜向液压装置4-2。这样，微调扶正装置5起到在水平面微调用于筒形结构的锁固抱紧装置4的作用。双轴倾角测量元件5-3安装在加载板5-4上，以设置在加载板5-4中心位置为佳，根据双轴倾角测量元件5-3的数据监测，工作人员可通过控制装置调整风机塔筒的位置，避免结构出现倾斜。

防撞装置6设置于船体1尾部、三角缺口的内侧和长条缺口的内侧，其中三角缺口至少在三个双层卡固槽7的下层凹槽内侧、下层凹槽和上层凹槽之间形成的台肩处设置防撞装置6。防撞装置6可使用橡胶垫等柔性材料，对船体1进行防护以避免在风电整机装卸时与船体1发生碰撞破坏。

抛锚定位装置8采用首尾抛锚法，在船体1的船头和船尾的顶角处分别设置两个主锚，用于船体1在海上的抛锚定位。

控制驾驶室7位于船体1的甲板上，一般设置在船体1前端，控制驾驶室7设置有驾驶装置和控制装置，控制装置与驾驶装置、锁固抱紧装置4、微调扶正装置5、抛锚定位装置6等连接并传输信号，这样控制驾驶室7一方面控制船体1的航行，一方面控制风电整机的吊装、下沉、调平等作业。

利用上述海上三筒基础式风电整机安装船的一步式施工方法，按照如下步骤进行：

第一步，装船：利用吊机或滑道将三筒基础的风电整机移入水中，利用三筒基础的浮力将风电整机从船体1尾部的长条缺口由船体1下方拖入三角缺口处，之后在三筒基础中充入空气使其上升，直至三筒基础的三个筒形结构分别落入三个双层卡固槽7中。

第二步，初步固定：使用锁固抱紧装置4分别固定风机塔筒和三个筒形结构，并分别连接风机塔筒和三个筒形结构的起重设备3；起重设备3安装完毕后解锁用于风机塔筒的锁固抱紧装置4，并实时监测风电整机的倾斜情况。

第三步，微调：根据双轴倾角测量元件5-3的倾角测量结果，调整微调扶正装置5对风机塔筒进行微调，避免因风电整机带来的结构振动或船体1晃动，调整后重新锁紧用于风机塔筒的锁固抱紧装置4，使船体1和风电整机固定牢固，保持运动一致。

第四步，运输：在三筒基础内充入空气，当满足船体1的吃水线后，利用船体1与三筒基础整体的浮力作为支持力，将风电整机运输至设计安装地点。

当遇到不利海况时，需解锁全部的锁固抱紧装置4，并对三筒基础内抽气抽水，同时配合起重设备3使风电整机下沉到安全水深，直至不利海况结束后再重复第二步和第三步重新装机。

第五步，下沉：当到达设计安装地点后，放下抛锚定位装置8将船体1固定，对三筒基础内抽气，利用结构自重和起重设备3使风电整机重力下沉到指定海床上，之后对三筒基础内抽水，使风电整机负压下沉直至下沉到海床之下并达到指定高程。

下沉过程中可利用微调扶正装置5与起重设备3对风电整机进行调平，保证其均匀下沉。

第六步，返航：风电整机下沉、调平、调试正常之后，起重设备3自动脱钩，安装船返航。

本发明也适用于海上三筒基础式风电整机安装船的回收工作。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。