用于海上风机维护程序的天气维护系统的制作方法
【专利说明】用于海上风机维护程序的天气维护系统
[0001] 发明背景
[0002] 相关申请的交叉引用
[0003] 本申请要求于2013年3月15日提交的先前美国临时专利申请号61/793,822的 权益。 发明领域
[0004] 本发明涉及对安装在位于水体中的塔架上的风机的维护，并且更具体来说塔架和 风机均涉及用于向/从此类风机运输工人或维护人员、工具以及零件的囊舱、用于向/从塔 架运输此类囊舱的维护船舶，且涉及风机塔架上的用于促进囊舱的运输的结构。
【背景技术】
[0005] 风机当前正用于或预期将用于海上的风电场。风电场本质上是设置在同一个场 所中以产生大量电力的多个风机。目前，在全世界的许多国家拥有数千个风电场来产生约 200千兆瓦特电能，并且预期这个数字在未来十年内惊人地增加，这是因为低成本供油被耗 尽并且对核能的恐惧因事故增加。仅在许多区域受到因燃煤电厂造成的空气污染的影响的 中国，预期在数年内从风电场产生近750千兆瓦特电能。许多的风电场都在海上，因为风在 海上要比在陆地上更少受阻，使得在开阔水域上平均风速显著更高。然而，海上风电场的构 建要比陆上风电场的构建更为昂贵，并且维护成本相对更高，在盐水中尤其如此，因为盐水 和海浪对风机的大多数部件有腐蚀性。在海上的大多数风电场具有描述为底部被固定的涡 轮机的风机，即，这些风机将它们的支撑塔架建立在海床上。近来，已构造出漂浮式风机，这 些漂浮式风机被锚定至处于甚至更深水域中的海床。电力借助海底线缆从海上涡轮机机传 输出来。
[0006] 其中必须在海上风电场中考虑到的状况是波浪。波浪通常是在2. 5m以下，且平均 值应考虑为3m。然而，偶然也会出现狂浪状况，并且最大成形波浪已确定为9. 7m。当前，出 于安全原因，当涨潮状况超过I. 5m时，此时通常不应尝试进行风机维护。
[0007] 存在当前可供风电场采用的许多维护系统。一种是阶梯传送系统。在这种系统中， 船舶从港口起航并按需要在相应风机上进行操作和维护。人从船舶走下登上保持住风机的 塔架上的梯子，并将他们自己系至位于梯子的两个竖直极点之间的滑动安全束绳，并随后 按需要向上攀爬。对使用阶梯传送系统的安全传送而言，最大波浪高度通常是1.5m。阶梯 传送系统使用广泛，并相对简单且成本有效。然而，存在安全问题，并且可能难以在存在高 于I. 5m的高涌流或波浪高度时的时段期间执行所需的操作和维护。狂浪时段的出现可能 延滞进入和阻止离开，从而增加执行操作和维护的总体时间，并使有限数量的维护人员滞 留在风机塔架装置上，这使阶梯传送系统效率变低。所需的是，风机塔架应当在约95%的时 间内都可进入，但已发现，阶梯传送系统夏季在约75%的时间内可供操作，而在冬天仅在低 于45%的时间内可供操作。这已判断出，阶梯传送系统不可能是用于许多风电场的最佳方 法。
[0008] 另一系统涉及使用升降机和起重机，并且这目前是将工具和装置传送给海上涡轮 机上的工作人员的行业标准。升降机和起重机用于传送装置，但很少传送人，这些传送全都 要在相对良好天气下进行。
[0009] 另一系统称为"Waterbridge"，它是附接至船舶并通过将线缆附接至风机基座来 通向风机的可充气桥。线缆保持与恒定张力绞盘的张紧。该技术的目标在于通过被动使用 可充气桥吸收船舶运动，并且船舶将会具有与锚泊时将具有的相同运动。在使用中，船舶接 近风机基座，并且线缆经由过渡件上的一组向上弯曲"犀牛角状部分"被钩住。线缆张紧并 且船舶从风机处撤退。随后，可充气桥绞起线缆以与涡轮机塔架上的梯子积极接触。人员 随后跨越桥传送至梯子。Waterbridge是具有成本效益的，因为它可在必要时从船舶上部署 并且对于所有涡轮机而言仅需一个平台。它可被改型到现有进入船只。出于安全目的，需 要下落牵索。然而，针对Waterbridge仅执行有限现场测试。另一缺点在于，边界浪涌状况 下的传送可能较为困难，因为Waterbr i dge被固定在祸轮机处，并且Waterbr i dge仍将在船 只端部处显著地上下移动，因为它仅使用波浪的被动阻尼。
[0010] Ampelmann是独立海上进入系统。Ampelmann必须与大型船舶一起使用。使用逆 航行模拟器补偿船只下方的波浪运动相当复杂。Ampelmann已被用于油气工业。它能够在 长度超过50m的任何船舶上使用，并能够被个子小的船员使用。它无需对船舶的动态定位 或调整。然而，它非常昂贵且可能不具成本效益。它还相当复杂，具有需要高维护的复杂移 动零件。另一问题在于液压装置可能泄漏。
[0011] Momac海上传送系统500 ( "MOTS 500"）是用于通过主动补偿船舶运动而非通过 液压装置和阻尼的被动补偿提供至海上结构的安全通路的自稳定系统。MOTS 500使用已被 证明的机器人技术以及实时运动测量装置。它可安装在小型快速船舶上，并可用于现有传 送结构而不需要修改。已经发现，MOTS 500即使在功率击穿或其它故障的情况下仍是安全 的，并且需要低程度的维护并且具有适合于航海的构造 。MOTS 500的问题是先前并未在海 上风机项目中测试过。它无法改型至现有船舶，并且必须能够在船尾/船首处运载最少三 吨重量。
[0012] 海上进入系统/海上传送系统（"0AS/0TS"）本质上是Waterbridge和Ampelmann 的组合。0AS/0TS是从船只延伸到祸轮机的被动桥，并以与Waterbridge相同的方式锚定在 涡轮机上，并以类似Ampelmann部署的方式来部署。有效的是，它固定到涡轮机塔架处的梯 子，并且允许更长的时间来将下落牵索固定在梯子处。然而，0AS/0TS体积较大，需要大型 船舶。它仅通过现有实践针对狂浪高度做出小的改进。过渡件将可能需要若干修改。OAS/ OTS尚未用于海上风机，并且可能成本很高。
[0013] 小型水线面双体船（"SWATH"）是用于维护风机的另一种可能手段。这种系统使 用作为非常稳定的船舶的特殊类型的双体船。前述阶梯传送系统可在人员将被传送至涡轮 机时用双体船或供安装在双体船舶上特殊设计的平台实现。SWATH已在北海使用多年，并 可与可部署的增强可充气船只（"RIB"）一起使用。此外，双体船将减少晕船发生。然而， 双体船确实具有约3m的的的吃水深度，这将限制它的浅水操作。此外，提议的双体船将长 29m，这是相当长的，并且将会增加系统操作费用。
[0014] 用于海上风机的维护的另一可能系统是安全海上港口（ "SASH"，这是瑞典语的缩 写）。SASH是船坞系统，其中登上固定结构的人可通过从一水平面仅踏一步至另一个水平 面上实现踏至其上。这个过程使得登船人员暴露于或易受风险时间减至最小。船只为系统 的集成部分，并有利于至固定结构的传送，因为它有提升平台。系统本身具有若干提升平 台，以供踏到风机塔架的提升平台上。船只可以围绕船坞点在船只与塔架之间移动180°。 完整SASH系统针对每个风机具有两个对角安装的粧，使得船只能够始终乘浪而行。就横摇 和竖直移动而言，船只的船首和护栏使得有可能使用船只引擎控制保持船只稳定所需的摩 擦力。登船人员不需要跳跃或攀爬，而是能够在无应力且无任何时间压力的情况下从一个 固定结构踏上另一固定结构。这是快速且改进的方法。然而，由于压点之间仅仅存在单个 铰接位点，因此这会在可能使这个系统不安全的高海况期间放大平台与船舶间的间隙。而 且，SASH系统可能不适用于所有基座类型。它未针对潮汐进行适配，这种适配将被认为是 必要的。这个系统当前仅仅用于瑞典灯塔并且需要船舶船长技术水平较高。
[0015] 滑梯（"SLILAD"）是来自生产前述MOTS 500的德国公司（Momac GmbH&Co. KG.) 的安装在涡轮机上的被动系统。在操作中，SLILAD被固定到船舶，使得当人员跨过梯子时， 并不存在相对移动。一旦人员安全登上SLILAD，那么如果在SLILAD与平台之间没有相对移 动，SLILAD就变为固定到平台并且人员能够攀登到平台上。由于SLILAD具有自动潮位调 整，因此在后者所用部分上将不生长出贻贝或植物。SLILAD具有简单的且适合于航海的构 造，并且易于使用。然而，Momac不再开发SLILAD，因此这此后将不会进行市售。存在涉及 维护SLILAD的费用，并存在因大量移动零件而损坏的风险。
[0016] 直升飞机传送是众所周知的。直升吊拉器垫安装在每个风机上。人和装置一次向 下吊送一个。使用直升机可传送最多五名技术人员。直升飞机是昂贵的，并且虽然它们能够 在多种海况下操作，但是如果是在恶劣天气下或风机正在操作时，它们当然也会发生危险。 直升飞机传送是快速的，但却非常昂贵，而且人员数量以及每次运送可运载的装置量有限。 存在风险、健康和安全的担忧。直升飞机具有更高维护需求，能效相对较低，且受操作范围 限制。
[0017] 另一可能系统是人员传送系统（"PTS")，它是仅在此时开发出的起重机和绞盘系 统。它是远程操作，并且涉及带模糊逻辑控制的船舶。它可将一个装置负载和一个人传送至 涡轮机。这种要利用的技术尚无任何实例，不过存在考虑到这种技术的至少一个研究。它 的一个优点在于，不存在与攀登作为PTS提升装置的过渡件型梯子相关联的风险。PTS可改 型至现有船舶，并且在船舶与涡轮机之间没有机械接触。然而，它的弱点在于：一次仅可传 送一人，这使这种技术缓慢并会涉及因人员等待传送造成的显著等待时间。另外，当仅通过 束绳挂在海上方的几米处时，人们将会产生不安全感，因此救生套装是必要的。更重要地， 这种类型维护系统仅仅处于初步阶段，且未准备好运行。
[0018] 最新发展是博尔德（Boulder)的涡轮机进入系统（"HTAS")。它本质上是类似于 前述0AS/0TS的被动阻尼机构，但呈可装配到小型船舶上的更小规模。它具有独特调谐阻 尼系统以减少船首处的船舶运动响应，但不试图使船首相对于塔架保持固定。进入斜坡是 取决于塔架配置而借助梯子或平台来补偿摇摆和垂荡的，以便提供相对于塔架的恒定传送 位置。HTAS已被示为在2m波高下提供安全传送，而不在进入斜坡与平台位置之间发生任何 相对移动。它的优点在于，将会要求对现有程序和船舶设计进行较小调整，并且是相对廉价 的，而且在经济上可比先前所述SWATH和其它系统更有利的。然而，针对超过0. 5m(从I. 5m 至2m)的浪涌高度仅增加了安全入口，但这来自不具有足够的信誉或经验的公司，因而将 会需要许多测试。
[0019] 用于维护海上风机的新的提议是波浪偏转海港。这个装置的目的在于完全消除波 浪。它将装配在过渡件上方并附接至到轴承，所述轴承根据水流方向围绕定位件来自由旋 转。当船只接近时，偏转海港将会能够通过使用远程控制操作的制动机构来锁定到适当位 置，所述远程控制操作的制动机构类似于停止一些风电场的涡轮机叶片所用的制动机构。 波浪偏转海港为一对壁，这一对壁是平坦的，且汇聚于一点，具有通过弯壁连接的分隔壁。 所提议的设计将驻点更向后移动到进入的水中，使得水将尝试更远离过渡件来再次附接， 当它这样做时，所提议的设计实际上将帮助船舶进入本地海航。波浪偏转海港自由旋转确 保船舶将会处于正确位置，以便实现期望流动条件的发生。最大设计约束是施加于基座的 力。它的优点在于，在长期运行时节省成本，能够增加允许海上涌浪大小，并且可应用于许 多的风电场。然而，虽然在这个设计阶段中波浪偏转海港是平静的，但它不具成本效益、将 会增加资金投入、将会需要更多时间进行研究、测试以及制造原型、可能不可操作于一些基 座类型上，并且波浪可来自不同于当前方向的方向上，而且会对本地海况产生不利影响。
[0020] 海上风电场的维护船舶已由英荷海上船只设计公司（Offshore Ship Designers) 制备。预期的是，改进对深水风机的选项，减少维护成本，并且下降碳排放量。母船留在海 上深水风电场中，并且具有运载风机工程人员来维修风机的多个双体式工作船。它是一种 可潜坞式船只，预期用于护送上述工程人员以及船员、维修人员、船只以及后勤人员。另外 预期的是，留在海上而非驶入港口，并且工作船从坞式船只部署。预期的是，快速双体式或 单体式工作船驶离海岸驶向更靠近海岸的风电场、而非深水区风电场。坞式船只还预期来 支援自助救生和回收小艇，所述自助救生和回收小艇是安全的水上小艇，并能够在紧急或 救生操作中支援远离母船的潜艇和直升飞机操作，唯一限制在于它们对天气的适应能力较 差。最大母船预期容纳多达200名工程人员，并且将会具有大量娱乐性设施、餐饮设施以及 废物处理装置。支援船舶预期运载25名风机工程人员，并且运载燃料、可饮用水、干燥且冷 冻的存储容器。建议设起重机、行道以及两个子工作船。这个概念呈现为非常广泛的。 发明概要
[0021] 本发明的目标是提供用于维护海上风机的有效系统。
[0022] 本发明的另一目标是提供用于维护风电场中的风机的维护系统。
[0023] 本发明的更具体的目标是提供用于海上风电场中所使用的风机塔架装置的维护 系统，所述维护系统包括：囊舱，用于向/从风机塔架运载维护人员、工具以及零件；维护船 舶，用于向/从不同风机塔架装置运载相应囊舱；以及起重机组件，用于向/从相应风机塔 架装置和维护船舶传送囊舱。
[0024] 本发明的另一目标是提供如上所述的维护系统，所述维护系统具有维护囊舱，所 述维护囊舱可无视天气或海上状况而快速且安全地在维护船舶与风机塔架装置之间传送。
[0025] 本发明的另一目标是提供如上所述的风机维护系统，所述风机维护系统具有船 舶，所述船舶被配置成保持维护囊舱，并在船舶与相应风机塔架装置之间运输所述囊舱。
[0026] 本发明的目标也是提供用于从维护船舶处布放囊舱并在维护船舶上接收、移动和 存储囊舱的布放/回收（"L/R"）托架。
[0027] 本发明的又一额外目标是提供如上所述的风机维护系统，所述风机维护系统具有 囊舱，所述囊舱是水密的，并且能够装载多达5名且可能更多的修理人员连同用于移除和 替换相应风机上的有缺陷或磨损的零件或诊断和重启它们的必要工具和零件。
[0028] 本发明的另一目标是提供用于将囊舱线从设置于海中的囊舱传送至维护船舶的 装置。
[0029] 本发明的另一目标是提供用于如上所述风机塔架装置的维护系统，所述维护系统 具有维护囊舱，所述维护囊舱是易浮的，以防所述维护囊舱可能落入周围海中，从而既保护 了船上任何修理人员，也保护了船上运载的零件和装置。
[0030] 本发明的又一目标是提供如上所述的维护囊舱，所述维护囊舱能够装载多达5名 且可能更多的修理人员以及大量或更多的装置。
[0031] 本发明的另一目标是提供用于风机塔架装置的维护系统，所述维护系统具有起重 机组件，所述起重机组件包括支撑结构，用以帮助在船舶与所述风机塔架装置之间运输具 有修理人员和装置的维护囊舱。
[0032] 本发明的另一目标是提供如上所述的起重机组件，所述起重机组件具有旋转驱动 系统，用以使起重机相对于风机来移动。
[0033] 本发明的又一目标是提供用于风机的维护系统的起重机组件，所述起重机组件具 有用于以超过船舶上的布放/回收托架最大可能竖直速度的速度将维护囊舱从可在最恶 劣的天气期间浮于水面上的维护船舶上的布放/回收托架提升的起重机。
[0034] 本发明的另一目标是提供包括吊车的起重机组件，所述吊车具有用于将维护囊舱 固定至所述吊车的适当闩锁机构。
[0035] 本发明的另一目标是提供吊运车，所述吊运车用于在海上风机塔架装置与维护船 舶之间安全且稳定地传输囊舱。
[0036] 本发明的又一额外目标是提供吊运车，所述吊运车用于将装载修理人员、工具以 及装置的囊舱与将固定至囊舱的合适的线附接，以便将囊舱运输至吊运车以及海上风机塔 架装置。
[0037] 本发明的另一目标是提供如上所述的起重机组件，所述起重机组件在需要时是由 并非源自正进行维护的风机的电力来驱动。
[0038] 本发明的相关目标是提供用于风机维护系统的起重机组件，所述起重机组件用于 接收来自将所连接的动力涡轮机连接至海上风电场的其它风机或船上储电系统的输电线 的电力。
[0039] 本发明的另一目标是提供用于海上风机的维护系统，并且所述维护系统采用不容 易从背景热辐射识别的提升线缆和/或船绳以及其它部件，且用于提供此类线缆、绳子以 及其它部件的装置可见，这在晚间时间期间尤其如此。
[0040] 本发明的另一目标是提供用于海上风机的风机维护系统，所述风机维护系统采用 小型船只，用以接收所述维护系统中使用的前驱体线并且自动将那些线运载至适当维护船 舶上。
[0041] 本发明的一般目标是提供用于海上风机塔架装置的全天候维护系统，所述全天候 维护系统在操作上安全、高效并且有效，并且能够经济地构造和使用。
[0042] 本领域的技术人员将从以下描述和随附权利要求书中清楚这些以及其它目标。
[0043] 附图简述
[0044] 图1是根据本发明的优选实施例的维护囊舱的示意局部剖切透视视图。
[0045] 图IA是图1所示的维护囊舱的上部部分的示意详细横截面图。
[0046] 图2是根据本发明的优选实施例的起重机组件的优选实施例的示意局部透视视 图，所述起重机组件示为位于风机装置的部分上，以向/从维护船舶运输维护囊舱。
[0047] 图3示出位于如图2所示的风机塔架装置上的起重机组件的局部透视横截面图。
[0048] 图4示出根据本发明的优选实施例的位于从提升维护囊舱的海上风机塔架延伸 的桁架上的吊运车的示意局部横截面图。图4A是附接至万向架环的主体构件组件的局部 视图，万向架环又连接至下部环形构件。图4B和图4C是附接用于使吊运车沿起重机组件 移动的轮子的替代方式。图4D是合并于吊运车中的闩锁组件的部分的详细分解视图。
[0049] 图5是根据本发明的优选实施例的运输维护囊舱的吊运车的下部部分的透视示 意视图。
[0050] 图6是根据本发明的优选实施例的万向架式闩锁组件的阻尼机构部分的示意局 部横截面图。
[0051] 图7是根据本发明的优选实施例的维护船舶的示意局部剖切透视视图。图7A示 出图7所示的那条路径的替代路径。
[0052] 图8是图7所说明的维护船舶的示意详细局部剖切视图，该图示出用于在其上传 送维护囊舱的部件。
[0053] 图9是根据本发明的优选实施例的布放/回收（"L/R"）托架的示意局部剖切透 视视图。
[0054] 图9A是图9所示L/R托架的基部的示意透视视图，该图显出驱动组件。
[0055] 图9B、图9C、图9D和图9E是用于图9所示L/R托架的齿轮驱动组件的示意俯视 图、仰视图、侧视图以及端视图。
[0056] 图9F是图9B所示齿轮驱动组件的替代齿轮驱动组件的俯视图。
[0057] 图9G是维护船舶的甲板的示意横截面图，该图示出L/R托架在甲板上运输时所处 的狭槽。
[0058] 图9H是图9所示L/R托架中使用的惰轮组件的示意透视视图，并且图91是示出 根据本发明的实施例的维护船舶的甲板中的狭槽的示意横截面图，图9H的惰轮组件示为 处于其中。
[0059] 图10是示出图8所示维护船舶的船尾的细节的示意透视视图。
[0060] 图11是用在如图10所示的船舶船尾上的升降机和吸震装置的示意透视试图。
[0061] 图12是位于图7所示维护船舶的甲板部分上的L/R托架的部分、及与L/R托架协 作的维护囊舱的示意详细横截面图。
[0062] 图13是根据本发明的优选实施例的位于维护船舶的船尾部分中的船门布置的详 细俯视横截面图，并且图14示出图13所示船门布置的替代船门布置。
[0063] 图15是图7所示维护船舶的船尾部分的详细侧视横截面图。
[0064] 图16是合并有根据本发明的优选实施例的方面的风机塔架的下部部分的示意透 视视图，该图示出维护船舶将维护囊舱传送至风机塔架并且用于沿塔架将带轮子的装置箱 盒向上提升。
[0065] 图17是根据本发明的实施例的柔性服务器件载体以及吊运车的一部分的透视视 图，并且图17A是吊运车、起重机吊架以及刚性服务器件载体的示意端视视图。
[0066] 图18是在支撑吊运车的起重机吊架中的柔性服务器件载体的透视视图，并且图 19是起重机吊架中的柔性服务器件载体的透视视图。
[0067]图20和图20A是根据本发明的方面的用于模块化载体或柔性服务器件载体的齿 条式传动链的局部透视试图以及局部侧视视图。
[0068] 图21是图16所示涡轮机塔架的上部部分的示意透视视图。
[0069] 图22是具有合并于其中的根据本发明的优选实施例的方面的图16、图21和图27 所示维护塔架的部分的放大视图，。
[0070] 图23是示为其中具有根据本发明的优选实施例的各种方面的风机塔架的顶部上 的机舱的放大横截面图，并且图23A是运载储物箱盒的货物升降机的局部剖切侧视视图。
[0071] 图43是部分地示出的货物升降机上的特别高的储物箱盒的侧视横截面图。
[0072] 图25、图25A、图25B和图25C是示出与本发明的优选实施例一起使用的齿条式传 动链的若干部分的示意透视视图。
[0073] 图26和图26A是图20所示齿条