新型湿拖自安装式海上变电站和海底大数据中心整体结构及安装和维护方法与流程

1.本发明涉及一种采用湿拖自安装式的海上变电站+海底大数据中心整体结构及安装和维护方法，适用于海洋工程领域。


背景技术：

2.近年来，我国已成为近年来新增装机容量最多的国家，现国内已成功建设20余座不同型式的小型海上变电站结构。随着海上风电向深远海、大容量发展，海上变电站在钢结构用量、海上安装施工费用等方面不断提高的同时，海上风电的补贴退坡，海上变电站产品收益率大幅下降。
3.申请人在申请日前研发的大型海上变电站融合新基建中的大数据中心新型结构，见申请号为202110005696.7的中国发明专利申请，在解决海底大数据中心(idc)用海用地、电能供应、数据传输等一系列问题的同时，也为海上变电站增加额外效益，进一步提升用海的集约性提供了思路。
4.以上所述的海上变电站+海底大数据中心结构适用于采用浮托安装的大型变电站结构，其上部组块通常达万吨级(如海上换流站)，平面尺寸单边长度可达百米。受制于浮托安装法中浮托船舶船宽要求，独立分片导管架中的槽口通常较大，适合布置海底idc，并同时将其作为定位框架辅助导管架的精确定位。该方案针对大型变电站的特点。但对中小型海上交流升压站等结构型式则无法直接适用。海底idc与中小型海上变电站结构进行融合应用时，仍存在以下问题需要解决：第一，中小型海上变电站其上部组块通常为1500～4500吨，平面尺寸小，采用浮托安装法很不经济；第二，现有中小型海上变电站的导管架基础均为一体式框架，站址所在的位置的水下没有容纳海底idc模块的空间，如直接组合则idc需要额外占用海域；第三，现有中小型海上变电站的上部组块安装均采用吊装方式，吊装船舶资源紧俏，海上施工成本高；第四，融合设施的水上组块、水下idc部分分别安装时，需贯通上下的电缆、光纤、检修通道等对接面对于结构本身变形控制要求高，海上施工复杂，周期长。综上，有必要对现有技术方案进行改进，提升其适用性，降低“海上变电站+”的安装施工难度，提升工程经济性。


技术实现要素：

5.本发明的目的是以海上变电站+海底idc整体融合应用为目标，针对现有中小型海上变电站无法直接容纳海底idc、上部组块海上安装施工费用高及海底idc与上部组块连接困难等问题，提供一种新型湿拖自安装式海上变电站+海底大数据中心整体结构及其工艺流程方案，能够简化运输、安装、服役运维各阶段的海上施工作业流程，降低工程造价，提高整体结构的经济性。
6.为达成上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明采用以下技术方案：
7.新型湿托自安装式的海上变电站和海底大数据中心整体结构，其特征在于：主要
由海上变电站上部组块、整体式导管架、海底大数据中心模块及连接上部组块和海底大数据中心模块的升降式连接桩腿组成；
8.所述整体式导管架由左右两侧导管架分片及连接左右两侧导管架分片的连接框架组成；海缆保护管位于两分片导管架中并朝外侧布置，避免海底idc与海缆路由产生干涉，左右两侧导管架之间的导管架凹口设置所述连接框架；所述导管架凹口为无海缆凹口。
9.所述连接框架设置定位结构，所述海底大数据中心模块设置与连接框架上的定位结构垂直插入式配合的定位结构；
10.所述海底大数据中心模块设有耐压舱阵列、固定框架，所述耐压舱阵列由压力容器连接组成，所述压力容器设置有设备间、压载水舱及过人通道接口；
11.海上变电站上部组块与海底大数据中心模块之间设置连接通道；
12.所述升降式连接桩腿贯穿上部组块和海底大数据中心模块，升降式连接桩腿与上部组块可升降地连接，升降式连接桩腿仅提供临时工况的坐底力，海上变电站上部组块在位服役时的支撑力仍由导管架提供，升降式连接桩腿可实现海上变电站上部组块安装工艺所需的升降功能；所述海底大数据中心模块与升降式连接桩腿可升降地连接，同样可实现在临时工况下海底大数据中心模块的升降功能。
13.所述海上变电站上部组块为已实现商业化工程应用的多层钢结构桁架，其中容纳有实现主要输变电功能的高压电气一次设备及其配属的电气二次、暖通、给排水等功能保障系统，其总体重量根据风电场容量及布置型式约1500～4500吨。
14.对于所述导管架，根据上部组块重量，单片导管架设置2～3个支撑点用于与上部组块的对接；左右两侧单片导管架呈对称布置。远离连接框架的支撑点外侧额外设置三个桩套筒，一方面增强整体结构的水平刚度，另一方面增加桩基承载力。
15.整体式导管架共设置两个连接框架，位于导管架分片底部的上下最外侧，平面呈“二”字型或“回”字型，高约3～5m。此种布置型式在提高导管架吊装刚度的同时，可有效保证与上部组块对接支撑点的平面误差，保证上部组块托举时的对接精度；通过连接框架中心预留凹口的通道空间可沉入海底大数据模块，连接框架处设置的导向定位装置可直接定位上部组块+海底idc一体结构，免去额外施工船舶，对接施工精度高。
16.耐压舱阵列部分也可参见申请人在申请日前研发的大型海上变电站融合新基建中的大数据中心新型结构(见申请号为202110005696.7的中国发明专利申请)。并且，在耐压舱(即压力容器)顶部还可增设水管，用于循环内部冷却水，提升散热效果，进一步降低pue；同时在耐压舱两侧设置拉耳，提高湿拖、沉底等动力工况下的稳定性。
17.所述定位结构和导向定位结构的配合能够在海上变电站上部组块与海底大数据中心模块安装时精确定位，以及在临时工况时导向脱离和临时工况结束后重新精确定位。进一步地，所述固定框架设置所述垂直插入式配合的定位结构，所述垂直插入式配合的定位结构采用牛腿插尖装置。
18.所述连接通道采用自动伸缩式连接通道，比如伸缩套管式的结构。海上变电站上部组块与海底大数据中心模块之间设置满足海底大数据中心模块升降极限的电缆富余量；海底大数据中心模块下沉或上部组块上升时，所述自动伸缩式连接通道可自行伸缩并实现电缆的敷设和回收。
19.内部设置满足海底idc沉底时到上部组块升到升降式连接桩腿顶时极限状态的电
缆富余量，海底idc下沉或上部组块上升时，该结构可自行伸缩并实现电缆的敷设和回收；同时连接通道内侧设置多级爬梯，可供检修人员上下。
20.升降式连接桩腿由钢桁架组成，内部设置升降机构和锁紧机构，升降机构可采用齿轮齿条结构并由电机驱动齿轮，可实现上下两个模块(海上变电站上部组块和海底大数据中心模块)的分别上下运动及各自的高程定位。所述升降式连接桩腿的设置数量可以是四根，靠近模块的四个角落。
21.为达成上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明采用以下技术方案：
22.新型湿托自安装式的海上变电站和海底大数据中心整体结构的安装和维护方法，其特征在于，海上变电站上部组块+海底大数据中心模块一体化结构、整体导管架及自安装式桩腿均在陆上或船坞中建造，组块与耐压舱中的设备均在出海发运前完成调试与安装；
23.包括步骤包括：
24.首先发运整体导管架至指定海域，吊装沉放打桩调平后，发运海上变电站上部组块+海底大数据中心模块一体化结构；所述一体化该结构在湿拖过程中排空耐压舱内压载水，提供最大浮力，若整体重量较大时增设浮筒实现整体结构的漂浮状态；在该状态下升降式连接桩腿提升至最高，海上变电站上部组块下放至海平面附近，降低重心进而提高湿拖时的稳性，采用拖船将所述一体化结构湿拖至导管架附近；
25.下放升降式连接桩腿至海底，提升上部组块底面略高于导管架支撑点平面后，升降式连接桩腿向上收缩避免结构进入导管架凹口时发生碰撞；拖船将所述一体化结构湿拖至无海缆凹口位置内后，增加耐压舱中压载水，同时下放升降式连接桩腿和海底大数据中心模块至海底，将海底大数据中心模块的固定框架两侧的定位结构插入导管架连接框架中的定位结构，实现整体结构精确定位；
26.随后缓慢下放海上变电站上部组块至导管架支撑面，实现上部组块荷载转移；最后进行管线的敷设与连接，包括发电侧海缆向海上变电站上部组块的接入、海上变电站上部组块与耐压舱之间各类管线的连通、送出海缆及光缆与海上变电站上部组块及耐压舱的连接；
27.整个安装过程中，连接通道根据海上变电站上部组块和海底大数据中心模块的相对位置进行自调整；
28.在海底大数据中心模块日常工作中，通过安装在所述一体化结构不同部位的传感器和摄像头进行监测，并由水下机器人执行一般的结构运维工作；当海底大数据中心模块内部存在局部硬件损坏时，由内部传动机械设备进行自主更换；
29.日常检修运维时工作人员通过连接通道从上部组块进入海底大数据中心模块的耐压舱；如遇需在耐压舱外侧新增防腐保护及海生物处理或者内部服务器更换时，通过所述升降式连接桩腿将海底大数据中心模块提升至水面上进行作业；海底大数据中心模块需返厂维修时，升降式连接桩腿提升至与海底大数据中心模块脱离，然后适当排去海底大数据中心模块中的压载水实现海底大数据中心模块上浮，拆除连接通道，由拖船牵引平移出导管架凹口，湿拖回陆上进行维修。
30.本发明的有益效果是：
31.本发明采用湿拖自安装式整体结构方案，可应用于依附于中、小型上部组块(如200mw～500mw海上升压站)海上变电站结构的海底大数据中心，适用范围广，可行性高，有
效提升海上变电站附加值，满足海底大数据中心电能接入及数据送出需求，具体而言：
32.1)海底大数据中心与变电站上部组块在海域中呈上下布置，海底大数据中心位于导管架槽口中，空间利用率高，不需要额外用海面积，符合集约用海和绿色idc理念；且大数据中心结构直接与海水接触，自然温度低，并可直接取用海水对内部设备进行冷却。
33.2)海底大数据中心运行所需电能由海上变电站直接提供，即海底大数据中心消耗的电能为可再生清洁能源，符合多能互补和节能减排理念；海底大数据中心可共享变电站组块中的给排水、暖通、控制、监测等辅助系统，耐压舱中仅放置核心it设备、必要管线和水密设备，大幅降低pue；耐压舱阵列各功能分区独立，不存在相互干扰，安全性高。
34.3)海底大数据中心耐压舱阵列中设有可调节压载水舱，便于海上变电站+海底大数据中心整体拖运，海底大数据中心与上部组块采用自安装式桩腿及多层可伸缩套管连接，可实现上部组块与海底大数据中心的上下移动自安装，无需采用吊装船舶，海上作业交叉面少，可实现海底大数据中心与上部组块的同时安装，施工过程简便，大幅缩短海上施工周期。
35.4)导管架基础采用整体式双侧导管架，中间预留海底大数据中心凹口，保证导管架两侧与上部组块主柱对接精度的同时，可有效提高吊装结构强度，相比于两侧独立分片导管架大大缩短海上作业时间；本发明结构在位服役时，桩基承载力由导管架基础提供，有效避免了自安装式桩腿承载力不足、强度低等问题，提高整体结构极端灾害情况下的生存能力；海底大数据中心模块可通过调节压载水和升降式连接桩腿位置的高程，与海底保留一定的间隙，可有效防止冲刷现象。
36.5)海底大数据中心日常检修运维可通过多节伸缩连接套筒内部检修通道进入耐压舱，无需接触海水，操作简单运维舒适；需要大量更换耐压舱内部服务器或者修补外部防腐及海生物处理时，可通过排水和升降式连接桩腿的共同作用将耐压舱阵列固定于水面上，操作简单且对海底大数据中心运行影响小；若出现海底大数据中心需返厂检修情况，则可使桩腿脱离耐压舱阵列，由动力船舶拖回。总体上本发明检方案多适用性广且易于操作，能有效提高使用寿命，更能保障海底idc的平稳运行。
附图说明
37.图1是本发明整体结构立面示意图。
38.图2-1、2-2、2-3、2-4和2-5分别是本发明导管架及海底idc模块平面示意图、牛腿插尖装置示意图、耐压舱实施例的剖视图、可伸缩连接通道的横剖示意图和连接通道实施例示意图。
39.图3-1、3-2、4-1、4-2、5-1、5-2、6-1、6-2分别为本发明安装工艺流程图。
40.图7-1、7-2是本发明非正常检修状态的检修作业示意图。
具体实施方式
41.为进一步说明本发明内容、特点与功效，下面结合附图对本发明进行详细描述说明。
42.如图1所示，本发明由如下几个部分组成：海上变电站上部组块1、整体导管架2、海底大数据中心模块3、升降式连接桩腿4和可伸缩式连接通道5。所述整体导管架2包括左侧
导管架单片21、右侧导管架单片22、连接框架23、海缆保护管24和钢管桩25。为清晰显示，本示意图并非整体结构在位服役状态。在位服役状态时，海底大数据中心模块3下放至连接框架23的中央空间中。根据海底表层土性质，若冲刷效应明显，调节压载水舱3a和海底大数据中心模块3在升降式连接桩腿4中的高程定位，将海底大数据中心模块3置于海底以上0.5～1m，避免直接坐底冲刷后海底不平整导致受力集中；若冲刷效应较弱，海底大数据中心模块3可直接坐于海底上。
43.如图2-1所示，本实施例中导管架共设置6个支撑点与上部组块对接(中间两列)，外侧6个仅为增强刚度和桩基承载力的桩-套筒结构，共布置12根钢管桩。根据海上变电站海缆接入需求，预留16根海缆保护管24，上、下端口分别位于单片导管架21和22内、外侧，左侧导管架单片21和右侧导管架单片22之间形成无海缆凹口，以供海底大数据中心模块3的布置；左侧导管架单片21和右侧导管架单片22间通过两片连接框架23焊接相连，保证导管架吊装施工时的刚度，减少支撑点的平面误差，同时在连接框架23位置设置4个导向套筒231作为导向定位结构，便于海底大数据中心模块3及上部组块1的精确定位。
44.海底大数据中心模块3由固定框架31、耐压舱阵列32及牛腿插尖装置33组成。如图2-2所示，牛腿插尖装置33焊接于固定框架31的框架外侧，在固定框架31的设置牛腿的位置焊接刚度满足对接需求的固定钢板311，在固定钢板311外侧焊接由上面板331、加强筋板332、下面板333及插尖334组成的牛腿插尖装置结构，固定框架31共设置四处与导向套筒231位置对应的牛腿插尖装置33。
45.如图2-3所示，耐压舱阵列32由圆柱形压力容器321连接组成。圆柱形压力容器321设置有压载水控制管道322、过人通道接口324、适航拉耳325、固定底座326，耐压舱阵列32通过底部焊接固定支座326，利用固定支座326与固定框架31的四周角焊缝实现固定，同时在耐压舱这列下半侧设置拉索固定于适航拉耳325。在圆柱形压力容器321内设置压载水仓3a、冷却循环管道323、服务器327、机械手臂328和电缆等管道329。冷却循环管道323在圆柱形压力容器321端部位置接入容器内，实现冷却水的循环，与海水直接接触进一步加快散热，降低pue；过人通道接口324可与其他单独舱体的过人通道接口法兰连接，连接完成后形成内部过人检修通道；适航拉耳325的设置可以提高在湿拖、下沉/上浮等动力工况时圆柱形压力容器321的稳定性；圆柱形压力容器321内部共分为三层，顶层布置电缆等管道329，中间层为主要设备层，设置服务器327，在服务器327中间设置可移动式机械手臂328，用于服务器327的远程控制及简单运维，底层为压载水舱3a，通过压载水控制管道322实现压载水舱3a的进出水控制。
46.如图2-4所示，可伸缩连接通道5内设置可伸缩的直梯53，海上变电站上部组块1和海底大数据中心模块3之间被配置有足够的满足海底大数据中心模块3极限升降富裕量的电缆、光纤等线路51，这些电缆和光纤穿过可伸缩连接通道5，这些线路还被配置可卷放线缆的电缆盘52，电缆盘52可设置在可伸缩连接通道5内。在整体结构的各个阶段，可伸缩连接通道5可以根据海上变电站上部组块1和海底大数据中心模块3之间的距离自动伸缩调整，同时可控制电缆盘52可回收和放出上述电缆、光纤。正常检修状态下，检修人员可通过直梯53进入耐压舱内部。
47.如图2-5所示，可伸缩连接通道5共分为四个部分，即不可伸缩段54、大直径伸缩段55、中直径伸缩段56和小直径伸缩段57，较大分段的内径等同或略大于较小分段的外径，采
用水密材料填充空隙，在保证伸缩段内无空隙的同时实现上下滑动功能；不可伸缩段与可伸缩段采用连接法兰58连接，便于检修作业时的断开处理。当上部组块1与海底大数据中心3处于上下最大距离位置时，可伸缩段各分段55、56、57均位于分段外侧，当两者间距更改时，可通过拉/压力实现可伸缩段的内置及拉出，实现可伸缩套管的缩短及加长。
48.如图3-1、3-2、4-1、4-2、5-1、5-2、6-1、6-2所示，为本发明海上运输、安装示意图，其流程为：
49.1)如图3-1所示，发运导管架2至指定海域，采用吊装将其沉底，并将钢管桩25打入主导管及套筒中，沉桩完成后对导管架2进行调平及桩顶切割处理。
50.2)如图3-2所示，由拖船6牵引上部组块1和海底大数据中心模块3的一体化结构至指定海域。在湿拖过程中，上部组块1底面接近海平面以提高整体稳性，调整压载水仓3a中的压载水实现整体结构的漂浮状态。
51.3)如图4-1所示，一体化结构到达指定海域后，下放升降式连接桩腿4至海底，提升上部组块1使其底面高于整体导管架2支撑平面1～2m。
52.4)如图4-2所示，升降式连接桩腿4向上提升，拖船6继续牵引所述一体化结构进入整体导管架2中左侧导管架单片21和右侧导管架单片22之间的无海缆凹口，过程中注意避免升降式连接桩腿4与连接框架23发生碰撞。
53.5)如图5-1和图5-2所示，初步定为位置后，增加压载水舱3a中压载水，同时下放海底大数据中心模块3和升降式连接桩腿4至海底，将固定框架31的四个牛腿插尖装置33插入导向套筒231中，实现整体结构精确定位。
54.6)如图6-1和图6-2所示，缓慢下放上部组块1至整体导管架2支撑面，焊接皇冠板等作业实现上部组块荷载转移；最后进行可伸缩式连接通道5中管线的检查，完成海上安装。
55.图7-1、7-2为本发明两种非正常修状态时的检修作业示意图。如附图7-1所示，若海底大数据中心模块3中的耐压舱阵列32需在外侧清理海生物、防腐油漆修补及小范围服务器更换时，可排开压载水仓3a中的下载水，同时依靠升降式连接桩腿4将模块3提升至海平面附近，实现以上作业需求。如图7-2所示，若海底大数据中心模块3需大规模更换服务器或者更新设备等情况，可提升升降式连接桩腿4使其脱离海底大数据中心模块3，拆除连接法兰58，将可伸缩连接通道5将其分成上部可伸缩段及下部固定段54，同时拆除海底大数据中心模块3连接的线缆，同时调整压载水仓3a压载水使其上浮，通过拖船6将其拖拉至无海缆凹口外侧，实现返厂维修。
56.以上实施例仅为本发明的一种较优技术方案，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的原理和本质情况下可以对实施例中的技术方案或参数进行修改或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。