一种深吃水半潜式海上换流站的制作方法

本发明涉及一种深吃水半潜式海上换流站，适用于海上风电开发领域，特别是40米以上水深的远海风力发电领域。

背景技术：

随着海上风电开发不断向深远海发展，海上风电场需要配置越来越大型的海上电气平台，用于将风力发电机组产生电能汇集、升压。当离岸距离超过一定程度时，采用柔性直流技术的海上换流站将具有显著的经济效益优势。由于站内设有换流阀、桥臂电抗器等大型电气设备，海上换流站的重量远远超过海上交流升压站，可达2~3万吨。对于可能应用在40~50m水深的海上换流站，当前的技术解决方案为采用坐底式重力平台或导管架式平台——浮托法安装。其中，前者对结构所处场地的平整性要求非常高，进行海上人工场平的代价也十分巨大，因此应用范围受到了较大限制。后者在海上油气行业中的应用已逐步成熟，国外亦开始用于海上换流站的探索，如计划于2019年正式投入运营的德国borwin3项目。但是，采用浮托法安装的固定式海上换流站存在着以下几项技术问题：

1）为了缓冲上、下组块在对接安装时的冲击作用，一般需要设置桩腿耦合装置lmu（legmatingunit）、组块甲板支撑单元dsu（decksupportingunit）以及纵荡和横荡护舷等，设计、建造的难度高、成本大；

2）如果遇到地质条件恶劣、基岩埋藏较浅的情况，固定式平台的桩基工程需要嵌岩处理，安全风险大且工程经济性差；

3）浮托作业中船舶定位、控制和防碰撞的技术风险都比较大，一旦出现机械设备故障等意外，可能会导致安装对接时间延长，错过天气窗口期，结构发生损坏，目前在海洋油气平台浮托安装的工程实践中已出现过类似案例；

4）容纳大型电气设备的组块全部集中于结构上部，重心高且水平面积大，在地震、运输等惯性力工况作用下结构响应水平很高，存在承载裕度不足、使用性不佳的缺陷。

现有的海上换流站技术对上述3个问题均没有提供合理的解决方案。固定式平台（专利公开号cn207559399u）的解决方案实际上是大体沿用了陆上换流站的布置思路，仅能通过分层来减小组块的水平尺寸，但代价则是重心的偏置与提高。这种技术方案下，无论对于上部组块还是下部固定式支撑组块，结构受力性能均较差，总布置方案优化的空间也极其有限。因此，亟需提出一种合理、有效的海上换流站结构型式，保障其在实际工程应用中的可靠性与经济性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：

1）对海上换流站在建造场地内进行一体化建造、安装，省去lmu、dsu等对接缓冲装置与工序，避免采用浮托法及其相关船机设备。

2）避免结构对场地土壤、岩层条件的限制，扩大可开发的应用范围。

3）降低海上换流站结构的重心高度，减小平面尺寸，提高结构在海洋环境动力工况下的承载性能。

4）区别于常规半潜式海洋平台，通过特殊的结构布置（压载）和锚泊系统设计，有针对性地缓冲海上换流站的横摇、纵摇与垂荡运动，有效控制各个电气设备的倾斜变形与基础位置的惯性加速度输入，使之不影响正常使用性能。

本发明所采用的技术方案是：

一种深吃水半潜式海上换流站，其特征在于：所述深吃水半潜式海上换流站包括上部组块、四个支撑立柱、旁通空间、下浮体和系缆锚固系统，所述支撑立柱通过旁通空间与相邻的支撑立柱相连接，所述支撑立柱用于向上支撑上部组块，所述下浮体连接于支撑立柱下方且用于调节深吃水半潜式海上换流站的吃水深度，所述系缆锚固系统用于深吃水半潜式海上换流站的定位及固定；所述上部组块始终处于海面以上，所述支撑立柱部分、下浮体全部和系缆锚固系统全部均处于海面以下。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

作为本发明的优选技术方案：所述上部组块为单层钢结构厂房，水平面的两个方向尺度几乎一致，西侧为换流阀厅，东侧为直流室，设备间南北对称布置，并设置设备搬运区。

作为本发明的优选技术方案：所述支撑立柱对称地位于深吃水半潜式海上换流站水平面的四角，每个支撑立柱均为由钢板结构围成的方筒型空间，方筒型空间四角内留有电缆与管路井和电梯井，方筒型空间内从上至下共有五层：（1）第一层为连接转换层，除上、下联通必要的电缆与管路外，不设置任何设备房间，平面边缘设置若干垂向的结构阻尼器，用于缓冲上部组块受到的深吃水半潜式海上换流站的升沉惯性作用；（2）第二层为冷却设备层，西南与西北角的空间布置换流阀冷却设备，东北角的空间布置主变压器冷却设备，东南角的空间布置海水泵房与水处理设备；（3）第三层为电气设备层，四个边角上的筒体通过旁通空间与相邻的支撑立柱筒体进行连接，水平面呈“回字型”，该层支撑立柱筒体与旁通空间的高度为其他层的2倍，能够形成月池，利用被该层结构围住的水体形成对水平惯性荷载的缓冲作用，在东侧、北侧旁通的中央布置两个主变压器，在西侧旁通和边角空间布置两个gis和二次交流设备室，在北侧、南侧旁通的边角空间布置蓄电池和应急配电中心，在南侧布置公共交流二次室及中控室，主变与gis所在位置的设置有吊装及设备搬运区域；（4）第四层为动力层，四角空间分别布置三个柴油发电机和站动力中心；（5）第五层为暖通与给排水层，四角空间分别布置水泵房与暖通机房。

作为本发明的优选技术方案：所述下浮体的水平面呈“回”字型或“井”字型，内部为多个分隔的压载水舱，用于调节平台的吃水，并在四角空间布置系泊与定位控制室。

作为本发明的优选技术方案：所述系缆锚固系统由锚机、导缆器、锚链和锚体组成，分别布置于深吃水半潜式海上换流站的下浮体的四角位置，每个角点安装有3根锚链，呈4×3布置，满足深吃水半潜式海上换流站的永久式锚泊要求；所述锚机具有调节锚链长度的功能，在不同的服役工况下提供不同的定位性能；所述锚链通过导缆器调节方向，将换流站受到的荷载传递到安装于海床的锚体；所述锚体预先安装于工程海域，视现场情况可选用抓力锚、吸力锚、桩基础或重力锚。

作为本发明的优选技术方案：在建造基地内完成各主体部分的制作、安装与设备调试，完成后由拖船牵引运输至服役场地进行锚泊定位与海缆接入，所述主体部分包括上部组块、四个支撑立柱、旁通空间、下浮体和系缆锚固系统。

作为本发明的优选技术方案：可根据不同情况调节深吃水半潜式海上换流站的吃水：正常运营时，海平面的变动位于支撑立柱中电气设备层范围内，以下各层均位于水面之内，始终处于深吃水状态；进行设备检修时，选择良好天气情况，减少压载水，使得立柱电气设备层可浮出水面，通过吊装平台进行设备的搬运；风暴自存状态时，增加压载水，使得电气设备层全部浸没在水面以下，增加平台的整体稳性。

作为本发明的优选技术方案：所述系缆锚固系统的配套海缆均采用动态设计方法，通过布置在支撑立柱与下浮体“回字形”内部边壁上的j型管接入上部组块；在支撑立柱中电气设备层范围内，“回字形”外部边壁上设置必要的靠船设施。

作为本发明的优选技术方案：所述深吃水半潜式海上换流站的结构各部分外表面均进行防腐防渗设计处理。

本发明的有益效果是：

1）除拖拉船舶外，不必动用任何特种船机设备或设置附加的防碰撞对接缓冲设施，规避了浮托法安装所带来的结构失效风险，也不必受制于服役场址的地质条件，施工过程简便易行，可适用范围广；

2）结构的重心除可满足水平面内的偏心容许要求之外，在垂向上高度也大大降低，能够显著提高结构在动力工况下的承载能力，同时规避了固定式结构最不利的抗震问题；

3）结构可重复利用，可灵活调整所处位置，并且灾后或除役后的返厂运输过程操作简单，不必进行海上切割。

附图说明

图1为本发明的三维示意图。

图2为上部组块的平面图。

图3为支撑立柱第一层的平面图。

图4为支撑立柱第二层的平面图。

图5为支撑立柱第三层与旁通空间的平面图。

图6为支撑立柱第四层的平面图。

图7为支撑立柱第五层的平面图。

图8为下浮体的平面图。

图9为下浮体与系缆锚固系统连接位置的局部图。

具体实施方式

为进一步说明本发明内容、特点与功效，兹列举一个实施例，并配合附图说明如下。

（1）如图1所示，本实施例包含以下组成部分：1-上部组块，2-连接转换层，3-冷却设备层，4-电气设备层，5-动力层，6-暖通与给排水层，7-下浮体，8-系缆锚固系统。本实施例中平面尺寸为90m×70m，总高61m，上部组块1的高度为18m，连接转换层2的高度为3m，冷却设备层3的高度为6m，电气设备层4的高度为12m，动力层5、暖通与给排水层6的高度均为6m，下浮体7的高度为10m，平均海平面位于连接转换层2和冷却设备层3之间，各区角落位置采用半径为3m的圆弧过渡，改善水动力性能。各分区在码头基底进行建造，并在码头基地合拢组装与设备调试，完成后由拖船牵引运输至服役场地（水深40~50m），通过连接在下浮体7下方的四组系泊锚固系统8进行定位与锚固，最后接入海缆，将换流站投入生产作业。本实施例中电气设备层4和下浮体7的中间形成月池100，使整体换流站减小水平方向的响应，起到了水平惯性荷载的缓冲作用。

（2）如图2所示：上部组块1的西侧布置南北对称的换流阀厅11a和11b；东侧布置南北对称的直流室12a和12b；在直流室上方布置设备吊装和搬运区13；在四角各布置一个电梯井9a和电缆井10a，该区域保证上下贯通。

（3）如图3所示：连接转换层2分别位于四角，与上层电梯井9a和电缆井10a对应位置布置相应的电梯井9b和电缆井10b；在每个连接转换层2布置8个垂向的结构阻尼器21，用于缓冲上部组块1受到的平台的升沉惯性作用。

（4）如图4所示：冷却设备层3与连接转换层2布置在支撑立柱空间中，同样位于四角，贯通有电梯井9c和电缆井10c。西北角和西南角布置换流阀冷却室31，其内布置换流阀冷却设备；东北角布置主变冷却室32，其内布置主变压器冷却设备；东南角布置海水泵房33，其内布置海水泵房与水处理设备。

（5）如图5所示：电气设备层4为旁通空间，检修人员由电梯井9d进入，电缆由电缆井10d进入。电气设备层4的在西侧的旁通空间内布置252kvgis室41和550kvgis室42；在北侧靠近立柱位置布置配电间43、应急配电中心44和蓄电池室45，三个房间从北向南布置；北侧和东侧各布置一个主变室46，在主变室间（东北角）布置开关柜及站用变室47；南侧从西往东依次布置6个蓄电池室45，二次交流设备室48和中控室49，主变与gis所在位置的设置有吊装及设备搬运区域40。电气设备层4的中心区域形成月池100，以减小换流站的水平动力响应。

（6）如图6所示：动力层5与电气设备层4的布置相同，在对应位置布置电梯井9e和电缆井10e，东北角、西南角和西北角布置柴油机房51，东南角布置换流站动力中心室52。

（7）如图7所示：暖通与给排水层6与动力层5布置在支撑立柱空间中，该层通过电梯井9f和电缆井10f与动力层5连通，西北角和东南角布置暖通机房61，西南角和东北角布置消防泵房62。

（8）如图8、9所示：下浮体7上除四个角之外均为压载水舱71，四角各布置一系泊控制室72，每个72内安装有3根锚链，呈4×3布置；8由锚链81、锚体82、锚机83和导缆器84组成。布置于下浮体7上四角的锚机83可以通过调节锚链81长度和导缆器84的方向来调整浮式换流站的定位性能，在正常工作工况下收紧锚链81，限制换流站的运动幅度；在极端生存工况下放松锚链81，减小锚链81所受的张力，保证锚链81不发生破断及锚体82不发生走锚。

（9）本实施例中的海缆全部采用动态设计，通过布置在连接转换层2至下浮体7之间的“回字形”内部边壁上的j型管接入上部组块1；在电气设备层4的高程范围内，“回字形”外部边壁上设置必要的靠船设施。

9）本实施例中，上部组块1至下浮体7的结构各部分外表面均进行防腐防渗设计处理。

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。