漂浮式基础及其主动压载系统的制作方法

1.本发明涉及漂浮式基础平衡控制技术领域，具体而言，涉及一种漂浮式基础及其主动压载系统。


背景技术：

2.在水深较深的海域中，具有丰富的风能资源，而漂浮式风机具有对风能的利用率更高的能力且能持续利用风能，目前已经受到了广泛的关注。然而，漂浮式风机的载荷问题、系统稳定性问题以及制造成本问题等油然而生。对于漂浮式风机而言，面对的最大挑战就是风和波浪的问题，这种影响不仅会加大机组平台和塔架的俯仰运动，同时也会大大增加风电机组的结构受载。因此，利用结构的主动控制来提高风机的结构稳定性和发电效率可靠性是非常有必要的。
3.目前，用于提高风机结构稳定性和发电效率可靠性的方式有：
4.1)利用改变风机桨距角和发电机驱动扭矩来改善漂浮式支撑结构运动阻尼和负载；
5.2)通过在机舱内增加磁流变阻尼器结构、设计自适应控制器，对主动阻尼力进行控制，使其在一定范围内按期望值输出，达到稳定机舱状态的目的；
6.3)通过增加主动系泊和主动阻尼控制的方式，设计自适应控制器，能按期望值输出系泊锚链力和阻尼力，减少浮式基础不稳定运动；
7.4)通过在浮式基础上增加压载调节系统，有效调节平台纵倾角范围，提高浮式基础结构稳定性。
8.大连船舶重工集团有限公司专利号为cn111942533a的发明专利，通过在每个立柱内部设置压载水舱、建立通道通往每个舱室，通过压载管路和抽水设备将压载水输送到各个压载舱；利用压载泵将压载水抽吸排出。这套外部压载系统，管路长，输送距离远，在调节压载时，响应速度慢，调节时间长，且耗能大，对管路质量和防腐能力等要求高。
9.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司专利号为cn111469992a的发明专利，通过在浮式基础中心立柱中设置多个独立的注水用水密分舱，对分舱单独灌注压载水，控制结构吃水和重心位置，可以有效降低浮式基础的横摇、纵摇响应，从而改善结构运动状态。在压载调节时，同样存在响应速度慢、调节时间长、耗能大、对结构防腐要求高等情况。
10.经过对现有的典型压载调节系统对比研究，发现在实际应用时或多或少地存在一些不足。因此，急需找到一种可有效提高响应速度、减少调节时间的压载调节系统。


技术实现要素：

11.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
12.为此，本发明第一方面提供了一种漂浮式基础主动压载系统。
13.本发明第二方面提供了一种漂浮式基础。
14.本发明提供了一种漂浮式基础主动压载系统，包括浮筒筒体，其中，所述浮筒筒体
呈双层壳体结构，以将所述浮筒筒体分为密闭结构的浮力腔以及与外界连通的压载腔；进水口，形成于所述压载腔底部；进排气口，形成于所述压载腔的顶部；气压调节组件，连通所述进排气口，以调节所述压载腔的内部气压。
15.本发明提出的漂浮式基础主动压载系统，浮筒筒体采用双层壳体结构，将筒体分为密闭结构的浮力腔和设有与外界连通通道的压载腔，压载腔的底部封板设有可开闭进水口，其顶部封板设有进排气口；所述浮筒顶部，对应的设有气压调节组件。
16.其中，在拖航时关闭压载腔底部进水口，减小吃水量，适应港池制造和浅水拖航需求；当港池和海域的水深条件允许或漂浮式基础排水量满足要求时，则无需关闭压载腔底部进水口，但不额外注入水。
17.其中，在拖航就位后，开启压载腔底部进水口且开启顶部进排气口，此时结构自重大于浮力，海水自动灌入压载腔，结构整体下沉增大吃水量；直至浮力等于自重时，结构不再下沉，建立结构自重与浮力的平衡状态；此时，压载腔内气压等于外界气压，且腔内水面高度等于外界海水面高度。
18.其中，当浮筒筒体完成在工作位置建立结构自重与浮力的平衡状态后，持续开启压载腔底部进水口且关闭压载腔顶部进排气口，通过气压调节组件从浮筒压载腔的内部向外部抽出气体，使压载腔内气压低于外界气压、压载腔内水位高出筒外海水水平面，进一步增加吃水量，整个结构的重心持续降低。当整个结构的重心降至设计预定值后，停止抽气。此时，压载腔内气压低于外界气压，压载腔内水位高出外界海水面一定高度(简称为初始水位差)，结构自重小于浮力。浮力与结构自重的差值，建立起主动压载系统的初始状态。
19.根据本发明上述技术方案的漂浮式基础主动压载系统，还可以具有以下附加技术特征：
20.在上述技术方案中，还包括滞水板，形成于所述浮筒筒体的底部。
21.在本技术方案中，滞水板可以为圆形或多边形，可提供大量的额外垂荡阻尼，可有效降低结构垂荡方向上的运动响应，使整个风电设备运行平稳。
22.在上述技术方案中，还包括隔离板，设置于所述压载腔底部，并随着海水量的增加或减少，沿所述压载腔内壁上浮或下沉。
23.在本技术方案中，在主动压载系统内部的压载腔底部封板处设置有密度比海水小的隔离板。当进水口开启，海水进入舱室后，隔离板漂浮在海水面上，随海水的增加或减少，沿压载腔内壁自由上浮、下沉，从而减小因气溶于水对舱室内气压的不良影响。
24.在上述任一项技术方案中，所述浮力腔至少形成一个。
25.在本技术方案中，浮力腔可以为一个或多个，根据实际工况进行调整，在此不做具体限定。
26.在上述任一项技术方案中，所述压载腔至少形成一个。
27.在该技术方案中，压载腔可以为一个或多个，对应地，进水口和进排气口与其数量对应，并分别设置在每个压载腔。当然，压载腔的具体数量按实际工况进行调整，在此不做具体限定。
28.在上述任一项技术方案中，所述气压调节组件至少由空气储气罐、气压检测单元和气路开闭控制单元组成；或
29.所述气压调节组件至少由空气压缩单元、空气过滤单元、气压检测单元和气路开
闭控制单元组成。
30.在本技术方案中，气压调节组件可以由空气储气罐+气压检测单元+气路开闭控制单元组成，也可以由空气压缩单元+空气过滤单元+气压检测单元+气路开闭控制单元组成，或其他能实现气压调节的方式。可以由一套(或多套)气压调节组件对所有浮筒进行气压补偿，也可以一套(或多套)气压调节组件对逐个浮筒进行气压补偿，具体形式根据实际调节需求进行设置。
31.由所述浮筒、进水口、进排气口以及气压调节组件组成的主动压载系统，其工作原理与也可以用类似的气缸(或液缸)原理实现。因此，可以理解为，利用气缸(或液缸)原理实现的主动压载调节组件也应在本发明涵盖范围内。
32.在上述任一项技术方案中，还包括环境监测系统，收集位移信号以及角度信号并对所述进水口和所述气压调节组件进行调节。
33.在本技术方案中，环境监测系统用于对海上的环境进行监测。例如，当本主动压载系统应用于海上风机时，将环境检测系统设置于风机的塔筒，收集海上风机位移、纵横摇倾角等变化量传递至信号收集及处理系统，经过信号放大处理后发送至控制系统，发出动作指令，控制气压调节组件的充/放气以及进水口的启闭动作，从而实现主动压载。
34.在上述技术方案中，所述环境监测系统至少包括：信号监测系统，收集位移信号以及角度信号；信号收集及处理系统，对收集的位移信号以及角度信号进行处理；控制系统，根据位移信号和角度信号发出动作指令，以调节所述进水口的启闭以及所述气压调节组件的充/放气。
35.在本技术方案中，信号监测系统收集位移信号以及角度信号，例如海上风机的位移、纵横摇倾角等变化量，由位移传感器、角度传感器组成。随后输送给信号收集及处理系统，经过信号放大后传输给控制系统，最后由控制系统调节所述进水口的启闭以及所述气压调节组件的充/放气。
36.在上述任一项技术方案中，还包括压载腔监测系统，用于对压载腔内进行密闭监测以及液位监测。
37.在本技术方案中，压载腔监测系统能够实时对压载腔内的情况进行监控，包括但不限于压载腔的密闭性以及液位高度。
38.在上述项技术方案中，所述压载腔监测系统包括：空气检测探头，设置于所述压载腔。
39.在本技术方案中，空气检测探头用于检测压载腔内的密闭性。
40.在上述项技术方案中，所述压载腔监测系统还包括：液位传感器，设置于所述压载腔；浮子开关，与所述液位传感器电连接。
41.在本技术方案中，液位传感器用于检测有压载腔内液位高度。浮子开关则作为液位传感器的启闭元件，不做具体限定。
42.本发明还提供了一种漂浮式基础，包括漂浮式基础；如上述任一项技术方案所述的漂浮式基础主动压载系统，通过连接臂与所述漂浮式基础连接。
43.本发明提供的漂浮式基础，适用水上各种漂浮物的基础。当其应用在海上风机基础时，当浮式风机结构受到一定范围内的小波浪载荷、小垂荡效应或小风载荷时，浮式风机结构将会产生一定的摇摆及升沉运动，这类运动将引起压载腔内外水位差发生变化，同时
浮力也将发生变化。此时，保持开启压载腔底部进水口且关闭压载腔顶部进排气口，压载腔内外水位差的变化将引起压载腔内外气压差的变化。而气压差的变化会引起压载腔内水位升高或降低，在一定程度上对浮力的变化趋势起反向增益补偿，实现被动调节，减小浮力变化幅值，对整个结构运动产生阻尼作用，达到减小整个结构的运动幅值，使整个风电设备运行平稳；
44.当浮式风机结构受到超出一定范围的较大的波浪载荷、垂荡效应或风载荷时，可以通过以下两种方式实现主动压载调节：
45.1)通过安装在浮筒顶部的气压调节组件进行压载腔气压调节，升高或降低压载腔内水位以实现增大或减小排水量，从而实现漂浮式风机的主动压载调节；
46.2)通过启闭压载腔底部进水口改变浮筒自重(启闭前压载腔内存在的水量即为该部分自重改变量)，从而实现漂浮式风机的主动压载调节。
47.具体地体现为：
48.a)浮筒下沉时，通过气压调节组件向压载腔内充气达到增大气压，进一步增大该浮筒的排水体积，进而增大该浮筒产生的浮力，使浮力与重力的差值进一步增大，实现增大系统结构的回复力；
49.b)浮筒上升时，单一地通过气压调节组件从压载腔内往外抽气，从而减小该侧的排水体积，进而减小该浮筒的浮力，使浮力与重力的差值进一步增大，实现增大系统结构的回复力；
50.c)浮筒上升时，单一地将压载腔内存水锁定在压载腔内，使压载腔内海水成为浮筒的一部分，变为浮筒自重，从而增大结构自重，使浮力与重力的差值进一步增大，实现增大系统结构的回复力；
51.d)浮筒上升时，先按b)情况使压载腔内水位继续升高，减小该浮筒的浮力；再按c)情况使系统结构自重增大。在此消彼长的双重作用下，使浮力与重力的差值进一步增大，实现增大系统结构的回复力。通过a)、b)、c)、d)等不同的主动压载调节办法，可快速地调整或减小浮式风机的运动幅值，使整个风电设备运行平稳。
52.在上述技术方案中，还包括系泊系统，连接所述漂浮式基础主动压载系统。
53.在本技术方案中，系泊系统用于辅助漂浮式基础主动压载系统的稳定。具体地，系泊系统可以由多根系泊链构成。
54.在上述技术方案中，漂浮式基础可以具体应用到漂浮式风机上。具体地，将所述漂浮式基础配置为漂浮式风机基础。
55.在本技术方案中，漂浮式风机基础主动压载系统至少设置三个，并沿所述漂浮式风机基础的周向均匀布置。
56.在本技术方案中，还包括塔筒，设置于所述漂浮式风机基础；风电机组，设置于所述塔筒顶部；叶片，连接所述风电机组。
57.当然，上述技术方案仅仅为本发明要保护的漂浮式基础的其中一种具体应用。
58.除此之外，漂浮式基础还可以具体应用到其他水上漂浮结构体上。例如，漂浮平台、漂浮式建筑等，在此不做具体限定。
59.本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
60.1.减小漂浮式基础吃水深度，避免在制造和拖航时受制于水深限制，减少制造和
拖航对场地的要求和额外的费用支出；
61.2.减小漂浮式基础纵倾角范围，提高结构稳定性，同时减小塔底弯矩所产生的疲劳损伤，延长风机寿命；
62.3.减小漂浮式基础纵倾角范围，减小风机因纵倾角过大导致的停机频率和持续时间，提高发电产能；
63.4.一定范围内的小波浪载荷、小垂荡效应或小风载荷情况下，无需额外耗能调整舱内压载，具有被动压载调节功能，减小运动幅值，使整个风电设备运行平稳；
64.5.超过一定范围的波浪载荷、垂荡效应或风载荷情况下，通过主动调整浮筒内部气压、自动启闭浮筒底部进水口等，从而实现主动压载调节，响应迅速、耗能少，可快速地使整个风电设备回复平稳；
65.6.通过自动启闭浮筒底部进水口，可随时、迅速地改变浮筒内海水对系统产生的作用性质，始终保持浮筒内海水对整个风电设备的稳性提供增益作用；
66.7.增大漂浮式基础的运动阻尼，减小风浪作用下的运动响应。
67.本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
68.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
69.图1是本发明一个实施例的漂浮式基础主动压载系统的立体图；
70.图2是本发明一个实施例的漂浮式基础主动压载系统的剖视图(隐藏隔离板)；
71.图3是本发明一个实施例的漂浮式基础主动压载系统的剖视图(安装隔离板)；
72.图4是本发明另一个实施例的漂浮式基础的立体图；
73.图5是本发明另一个实施例的漂浮式基础拖航前吃水状态图；
74.图6是本发明另一个实施例的漂浮式基础浮筒筒体在位自重压载后吃水状态图；
75.图7是本发明另一个实施例的漂浮式基础在工作环境下吃水状态图；
76.图8是本发明另一个实施例的漂浮式基础中主动压载系统工作原理图(初始平衡状态)；
77.图9是本发明另一个实施例的漂浮式基础中主动压载系统工作原理图(下沉状态)；
78.图10是本发明另一个实施例的漂浮式基础中主动压载系统工作原理图(上浮状态)；
79.图11是本发明另一个实施例的漂浮式基础中环境监测系统的连接示意图；
80.图12是本发明另一个实施例的漂浮式基础中环境监测系统的系统框图；
81.图13是本发明另一个实施例的漂浮式基础中第一种形式的气压调节组件的连接图；
82.图14是本发明另一个实施例的漂浮式基础中第二种形式的气压调节组件的连接图；
83.图15是本发明另一个实施例的漂浮式基础中第三种形式的气压调节组件的连接
图。
84.其中，图1至图15中附图标记与部件名称之间的对应关系为：
85.1主动压载系统；11滞水板；12浮筒筒体；12a浮力腔；12b压载腔；13进排气口；14气压调节组件；141空气压缩机；142空气过滤装置；143空气储气罐；144气路开闭控制单元；145抽气装置；146气压检测单元；15进水口；16环境监测系统；161信号收集及处理系统；162信号监测系统；163控制系统；17隔离板；
86.2漂浮式基础；3系泊系统；4塔筒；5叶片；6风电机组。
具体实施方式
87.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
88.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其它不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
89.下面参照图1至图15
90.来描述根据本发明一些实施例提供的漂浮式基础及其主动压载系统。
91.本发明第一个实施例提出了一种漂浮式基础主动压载系统，如图1、图2所示，主动压载系统1由滞水板11、浮筒筒体12、进排气口13、气压调节组件14、进水口15以及环境监测系统16组成。浮筒筒体12采用双层壳体结构，分为一个(或多个)浮力腔12a和一个(或多个)压载腔12b两部分，分别用于提供浮力和压载水。整个漂浮式基础2摇摆、升沉时，通过一个(或多个)浮力腔12a排水体积的改变，提供整个漂浮式基础2的部分回复力；通过一个(或多个)压载腔12b压载水的改变，提供整个漂浮式基础2的第二部分回复力。
92.此外，压载腔12b内设置空气检测探头，以监测其密闭性；或者还可以设置液位传感器组件，以监测其液位高度。液位传感器组件由液位传感器和浮子开关构成。
93.如图1所示，主动压载系统1下端采用大面积结构，形成滞水板11，改善漂浮式基础2运动性能。滞水板11为多边形或柱形结构，滞水板11周围根据需要设置加强肋，滞水板11能改善漂浮式基础2的震荡周期，提高漂浮式基础2的运动性能。
94.如图3所示，在主动压载系统1内部的一个(或多个)压载腔12b底部封板处设置有密度比海水小的隔离板17。当进水口15开启，海水进入舱室后，隔离板17漂浮在海水面上，随海水的增加或减少，沿压载腔12b内壁自由上浮或下沉，减小因气溶于水对舱室内气压的不良影响。
95.本发明第二个实施例提出了一种漂浮式基础，且在第一个实施例的基础上，在本实施例中，将漂浮式基础应用在海上风机领域，如图4所示，为主动压载系统1在整个漂浮式风机系统中的一种布置形式。三个(或多个)主动压载系统1均匀分布在漂浮式基础2周围，三个(或多个)主动压载系统1组成正三边(多边)形，通过钢梁连接臂连接。在漂浮式基础2上依次连接塔筒4、叶片5和风机机组6。浮筒筒体12下端均设置有滞水板11，与系泊系统3连接。气压调节组件14可以布置在浮筒筒体12顶部(如实施例所示)，也可以隐藏在钢梁连接臂内部(尺寸允许的情况下)，或其他有利于结构防腐、防侵蚀的位置。气压调节组件14可以
由空气储气罐+气压检测单元+气路开闭控制单元组成，也可以由空气压缩单元+空气过滤单元+气压检测单元+气路开闭控制单元组成，或其他能实现气压调节的方式。如图13至15所示，本实施例提出三种形式：
96.1)如图13所示，气压调节组件14由空气压缩机141、空气过滤装置142、空气储气罐143、气路开闭控制单元144、抽气装置145和气压检测单元146组成。本形式的优点在于，提前存储高压气体，向压载腔12b内充气快速，空气储气罐143内补充气体可与气压调节错峰进行，对压缩机功率要求较小。抽气装置直接将压载腔内气体抽至外界。
97.2)如图14所示，气压调节组件14由空气过滤装置142、空气储气罐143、气路开闭控制单元144、气压检测单元146和带压缩功能的抽气装置147组成。本形式的优点在于，抽气装置集抽气、压缩功能于一体，使气路形成闭环，减少设备种类和数量。
98.3)如图15所示，气压调节组件14由空气压缩机141、空气过滤装置142、气路开闭控制单元144、抽气装置145和气压检测单元146组成。本形式的优点在于，简化系统布置，无空气储气罐，即压缩即使用，对压缩机功率要求较大。
99.如图11和图12所示，通过安装在塔筒4适当位置的信号监测系统162，将收集到的海上风机位移、纵横摇倾角等变化量传递至信号收集及处理系统161，经过信号放大处理后发送至控制系统163，控制系统163发出动作指令，控制气压调节组件14的充/放气以及进水口15的启闭动作，从而实现主动压载。
100.如图5所示，为简化示意的拖航前漂浮式基础2吃水状态。该状态下，保持浮筒的进水口15处于关闭状态，确保一个(或多个)压载腔12b内无海水。若漂浮式基础2下部尺寸和浮筒筒体12尺寸足够大的情况下，浮筒的进水口15是否关闭可不受限制。此时，漂浮式基础2吃水深度浅，满足浅水区(如一定深度的港池内)进行基础制造组装、风机塔筒组装要求。
101.如图6所示，为简化示意的在位自重压载后漂浮式基础2吃水状态。该状态下，开启浮筒进水口15和进排气口13，确保一个(或多个)压载腔12b内同步加载且舱内气压等于外界大气压。此时，压载腔内气压等于外界大气压，压载腔内水位高度等于腔外海水面高度，结构自重等于浮力。
102.如图7所示，为简化示意的工作环境下漂浮式基础2吃水状态。为达到该状态，需在漂浮式基础2在位自重压载完成后，保持浮筒的进水口15处于开启状态，关闭进排气口13，开启气压调节组件14，抽吸一个(或多个)压载腔12b内气体，通过降低舱内气压的方式，使海水继续进入压载腔，以提高舱内水面线，使其高出外部水面线，舱内气压到达设计值。此时，压载腔12b内气压小于外界大气压，压载腔12b内水位高度高出腔外海水面高度，浮力大于结构自重，形成初始的主动压载系统。
103.如图8至图10所示，漂浮式基础2在各种运动状态下，主动压载系统1的工作原理为：
104.a)漂浮式基础2下沉时，气压调节组件14运行，向压载腔12b内充气，升高舱内气压，排出压载腔12b内海水，从而增大排水体积，浮力增加，使漂浮式基础2上浮；
105.b)漂浮式基础2上浮时，可单一地运行气压调节组件14，向舱外抽气，降低舱内气压，向压载腔12b内抽汲海水，从而减小排水体积，浮力减小，使漂浮式基础2下沉；
106.c)漂浮式基础2上浮时，也可单一地关闭浮筒的进水口15，将舱内存水转变为主动压载系统1的自重，即增加漂浮式基础2自重，使漂浮式基础2下沉；
107.d)漂浮式基础2上浮时，也可以先按b)步骤抽气使浮力减小，然后按c)步骤关闭浮筒进水口15，增加漂浮式基础2自重，在此消彼长的双重作用下，使浮力与重力的差值进一步增大，使漂浮式基础2下沉。
108.e)漂浮式基础2摇摆时，上升的主动压载系统1采取如b)、c)、d)步骤中的任一方式，实现主动压载调节，提供回复力，促使上升的主动压载系统1快速下沉回复原位；与此同时，下沉的主动压载系统1采取a)步骤的调节方式，实现主动压载调节，提供回复力，促使上升的主动压载系统1快速上升回复原位；通过主动压载系统的调节功能，使整个漂浮式基础2快速回复平稳，保证风机发电正常运行。
109.f)前5种情况均为超过一定范围的波浪载荷、垂荡效应或风载荷情况下，主动调整浮筒筒体12内部气压，改变结构排水量，从而改变结构自重与浮力之间的动态关系，提供结构回复力，使整个漂浮式基础2快速回复平稳，保证风机发电正常运行；而在一定范围内的小波浪载荷、小垂荡效应或小风载荷情况下，无需额外运行气压调节组件14，系统本身具有自动调节功能，使整个风电设备运行平稳。所述的一定范围的波浪载荷、垂荡效应或风载荷具体数值，根据实际设计情况确定并在气压调节组件14的控制单元内进行设定。
110.在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
111.凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。