对地静止的浮动平台的制作方法

1.本发明描述了一种具有内置系统的半潜式浮动平台，以用于在波浪和潮汐运动时在海平面变化时保持恒定的浮力。


背景技术：

2.这样的平台可能具有巨大的分布潜力，可用于在海底开采矿物、在海底开采石油和天然气，作为浮桥、风力涡轮机、太阳能发电或其他建造物的基础。


技术实现要素：

3.提供一种浮动平台，该浮动平台包括由放置在一个或更多个浮力体上的一个或更多个柱承载的结构部，其特征在于：
4.‑
所述一个或更多个柱包括内置的上升罐，且在下部配备有至少一个开口，从而在上升罐与水体之间提供流体连通；以及
5.‑
上升罐的容积随高度的上升而增加，因此上升罐在水位上升时具有增大的水面面积。
6.在上部，上升罐与充气室气体连通。
7.在一个实施方式中：
8.‑
上升罐经由第一阀与第一箱气体连通，第一箱容纳例如空气之类的气体，并且第一箱被构造成具有比在上升罐中的水处于高水位时上升罐中的最高压力更高的压力，并且
9.‑
上升罐经由第二阀与第二箱气体连通，第二箱容纳例如空气之类的气体，并且第二箱被构造成具有比在上升罐中的水处于低水位时上升罐中的压力更低的压力。
10.第二箱优选地包括用于向大气通气的第三阀。压缩机可以与第一箱气体连通，并且被布置为维持第一箱中的超压。
11.在一个实施方式中，所述一个或更多个柱在上升罐上方的部分处具有向上减小的外径。
12.所述一个或更多个浮力体有足够的吃水深度(挪威语：dypgang)以用于不受表面波浪的重大影响的。浮动平台优选是半潜式平台(挪威语：halvt nedsenkbar plattform)。
13.这里提到的平台包括经过水面的一个或更多个柱，每个柱基于足够深的浮力体，因而不会由于表面上的波浪运动而升高或降低。
14.本发明描述了一种没有可动部件的抵消升沉自动压载系统。该系统包括上升罐，该上升罐在下部中具有一个或更多个开口，其中，上升罐中的水面高度由在略微超压状态下的有限体积的空气或其他气体平衡。上升罐的顶部水平必须在往来的波浪的底部处围绕柱的最低水面以下。空气体积与所携带的储集器的调整后的尺寸有关。在浪高上升时，上升罐中的静水压力增加并推动水面向上且压缩该受限制的空气体积。包围柱的水位的上升导致浮力增加，同时，由于空气体积被压缩，在飞溅区域下方，上升罐中的水的体积增加导致浮力相应降低。这两个体积可以随时相互抵消，从而抵消了浮动设备的升沉力。
15.为了使系统保持能量中立，压力值乘以封闭的空气储集器中的体积必须恒定、即pv＝常数。柱的截面积、最大浪高以及pv＝常数是设计依据的主要标准。
16.半潜式浮动平台具有一个或更多个柱，这些柱布置为经过周围波浪的水位变化的飞溅区域，并与浮体连接，该浮体具有足够的吃水深度，从而不受波浪的飞溅区域中变化的水位的某些限度内的表面波浪的重大影响。本发明包括用于恒定位移的内置系统，从而消除了在浪高变化时平台的升沉效应。这是通过以下方法实现的：在低于波浪底部的水位上，将平台建到具有增大的水面的上升罐中，该上升罐通过位于上升罐中的最低水平下方的水平上的一个或更多个开口与周围水体流体连通地连接。上升罐中水面的水平由浮体中受限制的、经压缩的填充气体体积控制，该填充气体体积要么直接位于上升罐中水面的最高水位的上方，要么位于平台中另一处，然后与管道或通道连接。在柱周围水位上升时，上升罐中的静水压力增加，上升罐中的水位上升并压缩其上方的空气体积。在水位上升时，浮力会随着飞溅区域中的柱的位移量的增加而增加，并且上升罐中水面以下的精确对应的体积会增加，压缩该受限制的空气，从而相应地降低浮力。上升罐的面积变化与所容纳气体体积一起配置为，使气体体积的pv值在整个体积变化范围内保持恒定，并且上升罐中水面上方的增加的气压与水面面积的增大会导致浮力分量增加，而该浮力分量增加通过在浪高上升时在飞溅区域中减小柱的潮湿面积来弥补。
17.本发明还包括一种半潜式浮动平台，该浮动平台通过用于抵消升沉的内置系统而动态地竖向定位，该浮动平台配备了用于正或负的附加能量的系统，以抵消由外壳上的粘性摩擦或系统中的水动力和/或空气动力学阻力系数造成的不希望的升沉趋势。系统中的空气储集器联接到存储压力低于上升罐中最低水位时的最低系统压力的箱；并联接到存储压力高于上升罐中最高水位时的最高系统压力的第二箱，使得与对地静止参考物相连的具有已开发算法的控制系统可以针对每个柱预测性地主动而单独地对此进行控制，从而使平台保持水平并抵消升沉。
18.附图说明及具体实施方式
19.在下文中，描述了具有用于系统的不同内置替代方案的三种不同的半潜式平台构架。
20.图1示出了单柱平台，其中，附图标记1表示柱，该柱此处具有圆形横截面。附图标记2表示上升罐，附图标记3表示浮力体——即浮筒——在此通过在更深处附接的均匀质量的压载模块3a(例如混凝土)延伸，以赋予平台足够的稳定性。压载模块3a是可选的，本发明应不限于此实施方式。此外，附图标记4表示比如说例如有效载荷的台面之类的结构部，并且附图标记5表示零浪高时的水位。上升罐2在此建立在圆形浮筒中。
21.图2示出了具有与图1所示的相同的元件的三柱平台，但是此处浮筒3成形为六边形的环。这种具有三个柱和“环状物”形浮筒的构架的概念在于：无论方向如何，它都应受到海流的同等影响。上升罐2围绕圆柱1建造。
22.图3示出了具有四个柱1和在纵向方向上的两个浮筒3的平台。在该实施方式中，柱1具有近似方形的横截面，并且上升罐2在此建立在成形为具有方形的横截面的柱1中。
23.图4是图1中平台的竖向中心部段。图6中的字母标记是进行计算的参考标记。附图标记6是零波浪时的海平面，附图标记7是浪底的最低位，附图标记8是浪峰。柱1具有部分9，该部分9的外径向上、即朝向浪峰8减小。在经由开口40与周围水体流体连通的上升罐2中，
中间水位10对应于零波浪水位6。上升罐中的最低水位为11而最高水位为12。上升罐2的内径13朝向峰值水位12减小，使得上升罐的容积随着高度增大(即，沿朝向台面4的方向向上)而同步增加。腔室14构成储集器(气体，但优选地且最实际地为空气)并经由构造内部的开口15与上升罐2的顶部连接。在该平台构造中的柱1具有贯通开口16。因此，通过输水管线的面积差由直径d和di之间的差给出。
24.图5示出了浮筒3、上升罐2、弯曲的内壁13和空气储集器14的放大的截面。箭头16标示气压的竖向向上的分力，箭头17标示相同压力的向下的分力。在水位上升时，水的表面积增加，同时，储集器中的压力也增加。这导致浮力分量增加，必须对其进行补偿。这种补偿通过如图4的附图标记9所示的在上升水位下的包围柱的增大的水面来获得。
25.通过图6、图7、图8以及图9中的计算，对柱9的外径和上升罐13的内径曲率的数学描述进行论证。
26.图6示出了在图7的excel表中列出的差异比对的初始值和常数。下面的公式已从excel工作表中复制出。
27.图6中b列的初始值的解释：
28.·
单元格b1到b4中的初始值是构造的基本标准。
29.·
将单元格b5中的hl的初始值设置得尽可能低，以使等式平衡。这同样适用于b8中的总空气体积的值va。
30.·
单元格b6中的初始值c是实际上的平衡值。
31.·
单元格b7中的初始值δh是图7中微分方程中水位h的从单元格a2到a26的增量。
32.·
单元格b9中的值是海水的比重。
33.基于上述初始值，计算图6中的从单元格b10至单元格b14的值
34.图7中的微分方程的从a列至q列的说明：
35.·
单元格a2中的值设置为0作为h的起始值。a3是a2加上增量1，该增量1来自图6的单元格b7。
36.·
b列计算了在上升的浪高h时增加压缩后的空气体积。b2中的值是从图6中的b8复制而来的。b3中的值是来自b1的值减去a3中的值乘以图6中的b11的柱的干燥面积得出的值。这是水位h上升后压缩后的新的空气体积。公式：b3＝(图6中的b8)－(图6中的b12)*a3)。
37.·
c列计算空气体积减少了多少。公式：c3＝b3－b2。d列计算新的静水压力高度h。这是图6中b14的pv常数除以b3的值的结果。公式：d3＝(图6中的b14)/b3)。
38.·
e列计算上升罐2中增加的水体积，其值与c列中的值相同，但符号相反。
39.·
f列计算上升罐2中的水位wl。f2是来自图6的b5的初始值。f3是a3中的值减去d3中的值。公式：f3＝a3－d3。
40.·
g列给出了上升罐2中水位wl的经递增后增量，这是f列中的新值与先前值之差。公式：g3＝
‑
f2 f3。
41.·
h列给出了上升罐2中水面的面积。其为e列中的值除以g列中同一行的值的结果。公式：h3＝e3/g3。
42.·
在i列中，针对每个经递增的水位wl，计算了上升罐2中的最终内径。上升罐的外径在图6中的b3中给出。由该外径给出的面积减去h列中的值而得到i列中的值。式：i3＝2*
rot((((图6中的b3)/2)^2*π－h3)/π)。
43.·
j列计算上升罐2中水面的面积的增加。值j3为h3减去h2。
44.·
k列将d列中的当前静水压力高度h转换为压力kpa。d列中的值乘以图6中的b9的海水比重以及重力g。公式：k3＝d3*(图6中的b9)*9.81。
45.·
l列表明针对上升罐2中每一增量水面上方气压增加。式：l3＝k3
‑
k2。
46.·
在m列中，计算了l列中气压增加时增大的浮力效应。通过将j列中的值乘以l列中同一行的值来显示这些值。公式：m3＝j3
×
l3。
47.·
在n列中，计算了补偿m列中浮力增加所需的压载体积。公式：n3＝m3/(9.81*(图6中的b9))。
48.·
在第o列中，计算了在浪高h的情况下包围柱1的增加的潮湿水面的面积。公式：o3＝n3/((图6中的b7))。
49.·
在p列中，计算了该柱的减小的直径。公式：p3＝p2－o3。(p2＝(图6中的b10))。
50.·
q列计算对于每个增量的调节后的柱直径。公式：q3＝2*rot(p3/pi())
51.图8示出了根据来自图7中电子表格的f列和i列的曲线图。水平轴“wl”是指上升罐中的水位、其源于图6中的单元格b5的水位hl和图7中的单元格f2——即为负20米——上升至图7中单元格f26的负4.8m。竖向轴“id cn”是指图7中从单元格i2到单元格i26所列出的上升罐的内径的减小。
52.图9示出了来自图7的a列和q列的曲线图。水平轴
‘
h’表示来自图7中从单元格a2到单元格a26的浪高值，竖向轴
‘
柱od’表示随着图7中的单元格q2到单元格q26所列出的浪高的增大，柱的外径的减小。
53.图10示出了用于图2中所图示的平台的柱中的一个柱的竖向中央截面。附图标记1至15具有与图4和图5相同的标示。在图10中，在柱1的外侧上同心地建造有上升罐2。为使柱以尽可能宽的范围穿过上升罐以保持其结构完整性，与图4中(附图标记)13的先前示例不同，上升罐2具有面朝外的曲率18以在水位上升的情况下增加水面。对于需要尽可能小的空气储集器的系统，柱被分为干燥的部段和通过飞溅区域的潮湿部段。干燥部段19被弯曲的隔板20包围。潮湿部段21被外侧的柱壁22并且在内侧被隔板20包围。为了使经过飞溅区域的柱保持其结构完整性，潮湿部段所必需的通气区域是通过开口、排水口23而确保的。
54.通过图11、图12和图13中的计算，对柱1中的干燥部段19的外径20和上升罐的外径18的曲率的数学描述进行论证。
55.图11在b1至b8中示出了用于图12中电子表格初始常数。基于这些常数计算单元格b9至b12中的值。
56.图12中电子表格中各列的说明：
57.·
a列基于来自图11中单元格b3和b6的常数计算了从单元格a2中的0到单元格a26中的12m的浪高。
58.·
b列计算浪高上升时系统中的空气量，b2是从图11的单元格b7复制而来的。单元格b3至b26计算在浪高增加时，柱的增大的位移量中的每个增量下的空气体积。
59.·
c列陈述空气体积的增量减少，并通过将b列中的同一行值减去上一行值来显示，例如，单元格值为c3＝b3减b2。
60.·
d列计算上升罐中水面以上的静水压力高度。单元格d2从图11中的单元格b4复
制得来。单元格d3中的值是通过将图11中的单元格b12的常数除以来自b列的同一行值而得出的，例如d3＝图11中b12的常数除以图12中的b3。
61.·
e列陈述上升罐中水体积的增量增加，这些值与c列中的值相同但符号相反。
62.·
f列计算上升罐中的水位的增量。f2中的值与单元格d2中的值相同但具有相反符号。单元格f3中的值通过将d列的同一行值减去d列的同一行值来显示，例如f3＝a3减d3。
63.·
g列计算上升罐中水位增加的增量，其中，例如g3＝
‑
f2加f3。
64.·
h列计算上升罐的对于每个水位的面积。h列中的值通过e列中的同一行值除以g列中的同一行值来显示，例如h3＝e3除以g3。h2从h3和h4中的值推断，h2＝h3
‑
(h4
‑
h3)。
65.·
i列根据h列中的面积和来自图11中单元格b9的常数来计算上升罐的对于每个水位的直径。例如i2＝2*√((图11中的b9 h2)/π)。
66.·
j列计算上升罐中的对于每个水位的面积的增加，其中，j3中的值是通过将h列中的同一行值从前一行值中减去来显示，j3＝h3减h2。
67.·
k列计算上升罐中的对于每个水位的单位为kpa的气压，例如k2＝d2乘以图11的单元格b8中的常数，再乘以g(9.81)。
68.·
l列计算上升罐中的对于每个水位的以kpa为单位的气压增加量，其中，例如l3＝k3
‑
k2。
69.·
m列计算上升罐中增大的水面面积和增大的气压的以kn为单位的增大的浮力效应(cbe)，其中，例如m3＝j3乘以l3。
70.·
n列计算了为补偿增大的浮力效应所必须的以m3为单位的压载水体积，其中，例如n3＝m3/(g*图11中的b8的常数)。
71.·
o列计算为了给该压载水提供空间所必需的围绕柱的水面的面积增大量，其中，例如o3＝n3除以图11中的b6的常数。
72.·
p列计算柱的对于每个水位的新潮湿面积，其中，例如p3＝o3 p2。
73.·
随后，q列计算柱的对于每个水位的新干燥面积，其中，例如q3＝图11的单元格b9的值减单元格p3的值。
74.·
最后，在r列中计算柱的干燥面积对于每个水位的新直径，其中r3＝2*√(q3/π)。
75.图13的上部示出了根据来自图12中电子表格的i列和f列的曲线图。水平轴
‘
wl’是指上升罐中的水位，其源于图11中单元格b6的水位hl和图12中单元格f2，其从负8.5m上升至图12的单元格f26的负1.2m。竖向轴“id cn”是指图12中从单元格i2到单元格i26列出的上升罐的外径的增大。
76.图13的下部的曲线图来自图12的a列和r列。水平轴
‘
h’表示图12中从单元格a2至单元格a26的浪高值，竖向轴
‘
d’标示图12中的单元格r2至单元格r26中列出的柱的干燥区域的外径随着浪高的增大而减小。
77.图14示出了用于图3所图示的四柱平台的各柱中的一个柱的外部以及该柱的竖向截面。附图标记1至23与图4和图10中的附图标记相同。附图标记11a和12a标示上升罐中的底部和顶部处的水位的增加。此处，上升罐2内置在柱1中。上升罐在此处构成柱的外壁与在柱的内部形成方形的芯的弯曲的隔板25之间的空间，上升罐的容积随高度的增大(即，沿台面4的方向向上)而增加。上升罐经由泄漏孔24与海连接。台面27将上升罐中的潮湿区域与
下方的内部干燥的柱隔离。台面28构成上升罐的顶部，并且水面上方的空气容积联接至管15和腔室14(气体(空气)储集器)。管15(开口)进一步连接至示意性地示出的以上布置。最好将图14与图15和图16一起阅读，其中图15和图16是三维图。第一阀29联接到第一箱33，该第一箱33以比在水位12的情况下的上升罐中的最高压力更高的压力存储有空气。此外，管15还联接到第二阀30，该第二阀30联接到第二箱34，第二箱34以比在水位11的情况下的上升罐中的压力低的压力存储有空气。第三阀31用于向大气通气。压缩机32是具有大容量的低压压缩机类型。压缩机维持第一箱33中的超压。阀29、30和31的打开和关闭的控制意在被联系至具有来自对地静止的参考物的输入数据的控制系统。在平台由于流体动力惯性效应以及粘性流体动力摩擦而无法保持完全平静时，可以激活被标记为wl
‑
和wl 、11a和12a的附加容量，并为此进行调整。该系统可以配备为此目的而开发的算法，该算法可针对4根柱肯定地并分别独立地作用，以保持平台在水平方向上稳定且抵消升沉。
78.图17在单元格c1至c9中示出了用于图18的电子表格的初始常数。单元格c10至c14中的值是基于这些常数计算的。
79.对图18中的电子表格中各列的说明基本上与图12中的相同，直到h列为止。在图18中的i列中，计算了构成上升罐的内壁的方形的芯的各侧部的外部线性测量值，如此处图14、15和16所示，它被建造成一个方柱。
80.此外，另一个区别是，在q列中，线性测量值是在从柱的外壁到弯曲的隔板的距离上计算的，该弯曲的隔板在柱的飞溅区域中将柱的潮湿区域与干燥区域分开。
81.图19的上部示出了来自图18中电子表格的i列和f列的曲线图。水平轴
‘
wl’是指上升罐中的水位、其来自于图17中的单元格c5的水位hl和图18中的单元格f2并从负8.9m上升到图18中的单元格f26的负1.0m。竖向轴
‘
b
×
l’是指图18中从单元格i2至单元格i26所列出的、构成上升罐的内壁的方形芯的各侧部的、增大的外部线性测量值。
82.图19下部的曲线图是来自图18的a列和q列。水平轴
‘
浪高’指示来自图18的单元格a2至单元格a26的浪高值，竖向轴
‘
ad壁长’表示图18中的单元格q2至单元格q26所列出的柱外壁到弯曲的隔板——该隔板在柱的飞溅区域中将柱的潮湿区域与干燥区域分开——的线性测量值的增大。