自安装的顺应式单点系泊模块及其使用方法

本发明涉及海洋风能利用领域，具体地，涉及一种自安装的顺应式单点系泊模块及其使用方法。

背景技术：

1、海洋蕴藏着丰富的资源，如海上风能，尤其在超出50m水深的深远海区域可开发利用的风能资源前景更为广阔。除此之外，海上光伏，渔业养殖等海上开发行业也都具备大规模开发的经济和生态效益。在深远海区域，这些可开发利用的各类资源更多也更优质，为了实现更大规模的开发，开发低成本高性能的浮式风机，浮式光伏平台和浮式养殖等海上资源开发先进装备成为了关键问题。然而，这些海上浮式装备都面临一个共性的问题，传统的悬链线、张紧式或张力腿型的系泊系统成本过高，安装复杂，这些缺陷阻碍了深远海资源开发的商业化进程，且这些传统的系泊系统方案海况适应性较差，系泊缆内易出现张力峰值现象不利于系泊缆寿命。

2、为了解决当前远海浮式装备缺少匹配的系泊系统难题，现有技术cn104632549b提出了一种浮动式风机系泊系统、海上风力发电机组及其安装方法，采用将刚性重块通过缆索连接在浮动基础下方的结构，将多个缆索固定部的受力均衡到整个刚性重块上，使得浮动基础能够在风浪中保持平稳。但是该装置无法有效降低系泊缆内的张力变化，对疲劳特性的改善幅度有限，尽管系泊布置直径较传统悬链线方案小，但是海域利用率仍然较低。现有技术cn202211625457.2公开了一种漂浮系统的系泊设备以及漂浮式风机系统，该系泊系统包含固定在水底的支撑部件和支撑部件内部固定的滑轮组及可上下移动的配重块，系泊缆绕过滑轮组一端和配重块相连另一端和水面上的漂浮系统相连接，可在为浮体提供回复刚度的同时，维持系泊缆内张力始终近似为配重块重力，避免极端工况下的系泊缆张力巨大波动。但是该系统固定在水底的钢制支撑部件需要插入海底10-30m，一套系泊系统涉及多组支撑部件的安装，安装工序复杂，成本相对较高；滑轮件固定在海底支撑部件上，维修更换难度较高；系泊半径依然较大，相对占用较多海域面积。

3、综上所述，工程上亟需一种疲劳特性优良，安装维护简便，成本低廉的浮式装备系泊系统。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种自安装的顺应式单点系泊模块及使用方法。

2、根据本发明提供的一种自安装的顺应式单点系泊模块,包括：外浮筒、内浮筒、滑轮组环形阵列模块、悬挂配重、重力锚以及系泊缆，所述外浮筒套设在所述内浮筒的外侧，且二者能够绕竖直方向相对转动，所述滑轮组环形阵列模块紧固安装在所述内浮筒内，且能够沿竖直方向上下移动，所述悬挂配重和所述重力锚均设置有载荷监控和压载水调控系统；

3、所述滑轮组环形阵列模块包括多组内侧偏置的上方滑轮和外侧偏置的下方摆动滑轮，多根所述系泊缆沿周向对称布置，所述系泊缆的一端与所述重力锚连接，另一端依次绕过所述下方摆动滑轮的内缘、所述上方滑轮的外缘、所述上方滑轮的内缘与所述悬挂配重连接。

4、优选地，所述外浮筒的主体为圆环型柱状结构，底部外缘沿周向设置有垂荡抑制结构，底部内缘沿周向设置有系泊缆防磨装置，所述系泊缆防磨装置自所述外浮筒的内壁向下倾斜延伸，且其内径逐渐增大；

5、所述内浮筒的主体为圆环型柱状结构，所述内浮筒的外径小于所述外浮筒的内径，所述内浮筒的高度小于所述外浮筒的高度，所述内浮筒的上下两端均不延伸至所述外浮筒外；

6、优选地，所述外浮筒顶部沿周向设置有顶部限位结构，所述顶部限位结构下方沿周向设置有第一凹槽，所述第一凹槽内布置有多个顶部滑动滚子；

7、所述内浮筒顶部外缘沿周向设置有顶部承载结构，所述顶部承载结构嵌设在所述第一凹槽内，且所述顶部承载结构垂向设置于所述顶部滑动滚子上，所述顶部限位结构与所述顶部承载结构之间存在间隙；

8、所述外浮筒内缘中部沿周向设置有第二凹槽，所述第二凹槽内布置有多个中部转动滚子，所述内浮筒外缘中部沿周向设置有中部承载结构，所述中部承载结构与所述中部转动滚子水平周向接触。

9、优选地，所述滑轮组环形阵列模块主体为环形柱状结构，所述主体的外径小于所述内浮筒的内径，所述滑轮组环形阵列模块包括多组沿周向等间距布置的所述上方滑轮、所述下方摆动滑轮以及连接结构，且组数大于等于；

10、所述上方滑轮的外缘和其对应的所述下方摆动滑轮的内缘处于同一垂直投影点上，所述上方滑轮的外缘与其对应的所述下方摆动滑轮的内缘之间的所述系泊缆呈竖直状态，所述滑轮组环形阵列模块主体在投影点处具有上下贯通的通孔，所述上方滑轮的内缘与所述悬挂配重之间的所述系泊缆呈竖直状态。

11、优选地，所述内浮筒底部内缘沿周向间隔设置有多个底部承载结构，所述底部承载结构与所述连接结构一一对应，任一所述底部承载结构上均设置有连接孔，所述底部承载结构通过所述连接孔与所述连接结构紧固连接，所述下方摆动滑轮能够从相邻两个所述底部承载结构之间的间隙处通过。

12、优选地，所述悬挂配重内部沿周向设置多组水密隔舱，底部为固定压载舱，顶部为可变压载舱，所述可变压载舱与所述外浮筒上的压载泵通过软管连接；

13、所述重力锚内部沿周向设置多组水密隔舱，顶部为可变压载舱，底部为固定压载舱；

14、所述悬挂配重的重量不超出所述外浮筒的浮力范围，所述重力锚的重量大于所述悬挂配重的重量。

15、根据本发明提供的一种自安装的顺应式单点系泊模块的使用方法，所述使用方法为自安装的顺应式单点系泊模块的安装维护与载荷调节方法，包括如下阶段：

16、安装阶段、载荷调节阶段、维护阶段。

17、优选地，所述安装阶段包括如下步骤：

18、步骤101，所述外浮筒和所述内浮筒在码头完成建造合拢，通过码头吊机将所述滑轮组环形阵列模块进行起吊、与所述内浮筒完成对接安装；

19、步骤102，将排空压载水的所述悬挂配重悬挂固定于所述内浮筒内，将排空压载水的所述重力锚紧靠所述外浮筒底部悬挂固定，通过拖轮将装置整体拖行到指定安装海域，在拖航过程中，所述重力锚与所述悬挂配重可通过增加内部压载水降低装置的整体重心；

20、步骤103，抵达指定海域后，先使得所述重力锚调节所含压载水重量，待其自身重量大于自身浮力时，解除所述重力锚和所述外浮筒的固定连接，将所述重力锚抛入海底；

21、步骤104，待所述重力锚于海底完全稳定后，通过压载水调控系统增大其压载水含量，增大自身重量至指定的设计重量；

22、步骤105，通过压载水调控系统调节所述悬挂配重所含压载水重量，待其自身重量大于自身浮力时，解除所述悬挂配重和所述内浮筒的固定连接，将所述悬挂配重下放直至所述系泊缆张紧，控制其增加压载水，调节自身重量至指定的所述悬挂配重的设计重量。

23、优选地，所述载荷调节阶段包括如下步骤：

24、步骤201，装置应用于深远海浮式设施，在作业环境下所述外浮筒与所述内浮筒发生相对转动以发挥风向标效应，使得所述深远海浮式设施始终保持正对来流风；

25、步骤202，所述悬挂配重根据海况等级调节所含压载水重量，当风浪环境较为恶劣时，增大压载水重量；

26、步骤203，当环境条件为极端条件时，减小压载水重量。

27、优选地，所述维护阶段包括如下步骤：

28、步骤301，所述滑轮组环形阵列模块处于水下环境工作，当需要维护时，首先控制所述悬挂配重排出部分压载水，通过位于装置顶部工作甲板的吊机将所述悬挂配重提升并与所述内浮筒固定连接；

29、步骤302，将所述系泊缆和所述悬挂配重解除固定，将所述系泊缆该端与所述外浮筒底部连接，之后通过位于装置顶部工作甲板的吊机将所述滑轮组环形阵列模块起吊，直至所述滑轮组环形阵列模块顶部与所述内浮筒顶部工作甲板齐平并与所述内浮筒固定，在所述内浮筒顶部工作甲板进行维护工作；

30、步骤303，维护完成后解除所述滑轮组环形阵列模块与所述内浮筒之间的固定，通过位于装置顶部工作甲板的吊机将所述滑轮组环形阵列模块下放，解除所述系泊缆与所述外浮筒底部的连接，将所述系泊缆该端与所述悬挂配重对应位置连接；

31、步骤304，控制所述悬挂配重调整压载水含量，直至其自身重量大于自身浮力，解除所述悬挂配重与所述内浮筒间的固定连接，将所述滑轮组环形阵列模块再次下放，直至回到正常工作位置深度，所述系泊缆随之张紧；

32、步骤305，控制所述悬挂配重吸入压载水，调节自身重量至指定的所述悬挂配重的设计重量。

33、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

34、1、本发明通过采内外浮筒和可调间距环形布置的滚轮设计，实现了浮体和单点系泊模块间的相对转动，构造简单，成本较低，系泊半径小，解决了现有技术方法系泊系统造价高、安装难度大、占用海域面积广的问题。

35、2、本发明通过多组系泊缆和滑轮连接重力锚和悬挂配重，可使得浮体顺应式运动，减小系泊缆张力波动和断裂风险，系泊模块增大了浮体系统的垂荡和纵摇回复力矩，提升了系统的稳性，解决了现有技术方法难以平衡系泊缆疲劳强度安全与浮体运动性能的问题。

36、3、本发明通过采用滑轮模块尤其是下部布置的摆动滑轮，可减小非主运动方向上的系泊缆给滑轮带来的横向剪力，降低了水下滑轮模块的故障和失效概率，此外，整套滑轮模块可定期提升水面以上进行维护，解决了现有技术方法中水下工作部件故障率高难以维护的难题。

37、4、本发明通过采用模块化和自安装设计，采用可调压载的配重块和重力锚依次自行投放安装，解决了现有技术方法安装工艺复杂，维护难度大，成本过高的问题。

38、5、本发明通过采用可调压载的悬挂配重，调节悬挂配重的重量、重心和倾斜姿态，使得每根系泊缆内的张力相等，降低海底地形起伏对系泊缆初始张力的影响，解决了现有技术方法难以调节系泊缆中预张力，海况适应性较差的难题。

39、6、本发明可实现系泊模块的低难度低成本安装和定期维护，此外，通过载荷监测和压载调节系统，可根据海况等级自动调节悬挂配重的重量、重心和姿态，从而调节系泊缆张力和系泊刚度，提升了平台的运动性能，降低结构载荷，解决了现有技术方法安装工艺复杂，安装设备要求和成本过高的难题。