海上风机固定式基础、海上风机装置及海上风机整机的运输安装方法与流程

1.本发明实施例涉及风电技术领域，尤其涉及一种海上风机固定式基础、海上风机装置及海上风机整机的运输安装方法。


背景技术：

2.伴随着国际上对低碳排放的重视，风力发电产业得到迅速发展。海上具有丰富的风资源，且海上风速相对稳定、受地形影响小，因此，各国投入大量资源发展海上风力发电技术。我国海岸线广阔，海上风电发展的天然条件优越。近几年，我国海上风电的发展规模已经跃居世界前列。相对于陆上风电，海上风电的成本明显增加。因此，海上风电的长远发展，不得不面临降低成本的问题。
3.我国近海的水深较浅，基本都在50m之内，因此，固定式风机必然是我国海上风机的主流。海上固定式风机基础的形式包括单桩、重力式、多脚架式、高桩承台、导管架等，其中，成本较低且应用相对成熟的是单桩基础，但是，单桩基础却无法适用于较大的水深。随着水深的增加，譬如大于30m，成本较低的单桩和重力式基础的风机应用越来越受到限制。
4.早期海上固定式风机的基础、塔筒、机舱和叶片等需要通过运输船独立运输到机位点，然后通过大型起吊船完成安装。然而，运输安装费用高昂，效率较低。
5.因此，目前海上固定式风机常采用模块化运输到机位点后再进行安装。然而，该方法需要特殊的运输安装船或平台，且随着风机单机容量的提高，运输船尺寸及起吊能力都需要增加，因此，该方法的成本较高。另外，该方法在海上进行组装，难度大、效率低，对海洋环境非常敏感，施工窗口小。
6.另外，海上固定式风机也可以通过半潜船进行整体运输。然而，该方法对半潜运输船的要求较高，需要特殊设计，配备紧箍装置扶住风机。


技术实现要素：

7.本发明实施例的目的在于提供一种海上风机固定式基础、海上风机装置及海上风机整机的运输安装方法，能够通过基础的自身浮力而无需借助大型运输船舶即可实现运输，达到降低成本的目的。
8.本发明实施例的一个方面提供一种海上风机固定式基础。所述海上风机固定式基础包括坐底模块，所述坐底模块包括第一重力块和第二重力块。所述第一重力块包括第一外壳及形成于所述第一外壳中的第一空腔和第二空腔。所述第二重力块包括第二外壳及形成于所述第二外壳中的第三空腔。其中，所述第二重力块可嵌套于所述第一重力块的所述第二空腔中，并且，在所述第二重力块和所述第一重力块未完全安装时，所述第二重力块可在所述第二空腔中上下移动，在所述第一空腔和所述第三空腔中可灌注填充物，所述第一空腔和所述第三空腔在灌注之前可分别给所述第一重力块和所述第二重力块提供浮力，在灌注之后可分别给所述第一重力块和所述第二重力块提供重力。
9.本发明实施例的另一个方面还提供一种海上风机装置。所述海上风机装置包括如上所述的海上风机固定式基础、以及安装于所述海上风机固定式基础上的风机上部结构，所述风机上部结构包括塔架及安装于所述塔架上的风机。
10.本发明实施例的又一个方面还提供一种海上风机整机的运输安装方法。所述方法包括：让海上风机固定式基础的坐底模块依靠自身浮力漂浮在水面上，其中，所述坐底模块包括具有第一空腔和第二空腔的第一重力块及具有第三空腔的第二重力块，所述第二重力块可上下活动嵌套在所述第一重力块的所述第二空腔中；在岸边进行单桩与所述第二重力块的连接；将风机上部结构吊装于所述单桩上以构成风机整机；以及通过拖船将所述风机整机拖到指定机位点。
11.本发明上面所述的一个或多个实施例可以在港口和船坞完成风机装置的整体安装，实现风机装置的整体拖航，而无需借助大型运输船舶和海上吊装船舶，从而，可以降低安装运输成本。
附图说明
12.图1为本发明一个实施例的海上风机固定式基础安装完毕浮在水面上的示意图；
13.图2为本发明一个实施例的第一重力块的纵剖面示意图；
14.图3为本发明一个实施例的第二重力块的纵剖面示意图；
15.图4为本发明一个实施例的第一重力块的横剖面示意图；
16.图5为图4所示的垫梁的侧面示意图；
17.图6为本发明一个实施例的第二重力块的横剖面示意图；
18.图7为本发明一个实施例的海上风机装置整体安装完毕在运输过程的整体示意图；
19.图8为图7所示的圆圈部分的放大图；
20.图9为本发明一个实施例的海上风机装置在第一重力块的第一空腔中灌注填充物的示意图；
21.图10为本发明一个实施例的海上风机装置在第二重力块的第三空腔中灌注填充物的示意图；
22.图11为本发明一个实施例的海上风机装置完全坐底的整体示意图；
23.图12为本发明另一个实施例的第一重力块的纵剖面示意图；
24.图13为本发明另一个实施例的海上风机装置安装完毕后完全坐底的整体示意图；
25.图14为本发明又一个实施例的第一重力块的横剖面示意图；
26.图15为本发明又一个实施例的海上风机装置安装完毕后完全坐底的整体示意图；
27.图16为本发明一个实施例的海上风机整机的运输安装方法的一部分流程图；
28.图17为本发明一个实施例的海上风机整机的运输安装方法的另一部分流程图。
具体实施方式
29.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施例并不代表与本发明相一致的所有实施例。相反，它们仅是与如所附权利
要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置的例子。
30.在本发明实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。除非另作定义，本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
31.图1揭示了本发明第一实施例的海上风机固定式基础10安装完毕浮在水面上的示意图。如图1所示，本发明第一实施例的海上风机固定式基础10包括坐底模块，该坐底模块包括第一重力块11和第二重力块12。
32.图2和图4揭示了本发明第一实施例的第一重力块11的示意图，其中，图2为第一重力块11的纵剖面示意图，图4为第一重力块11的横剖面示意图。如图2和图4所示，第一重力块11包括第一外壳110及形成于第一外壳110中的第一空腔111和第二空腔112。
33.图3和图6揭示了本发明一个实施例的第二重力块12的示意图，其中，图3为第二重力块12的纵剖面示意图，图6为第二重力块12的横剖面示意图。如图3和图6所示，第二重力块12包括第二外壳120及形成于第二外壳120中的第三空腔121。
34.如图2至图4和图6并配合参照图1所示，第二重力块12可嵌套于第一重力块11的第二空腔112中，并且，在第二重力块12和第一重力块11未完全安装时，第二重力块12可在第二空腔112中上下移动。在一些实施例中，第二重力块12的第二外壳120的外形与第一重力块11的第二空腔112的形状相匹配，从而在运输时第二重力块12和第一重力块11嵌套在一起，可以避免第二重力块12和第一重力块11的相对位移，以保证安全运输。
35.在一些实施例中，第一重力块11的第一外壳110在顶部中间呈凸起构型。第一重力块11的该中间凸起构型可以增加第一重力块11与第二重力块12的接触面积，从而可以有效加强海上风机固定式基础10的结构。
36.在第一重力块11的第一空腔111和第二重力块12的第三空腔121中可分别灌注填充物。在第一重力块11的第一空腔111的顶壁上可以设置第一灌注口(未图示)，在第二重力块12的第三空腔121的顶壁上可以设置第二灌注口(未图示)，可以通过第一灌注口和第二灌注口分别向第一重力块11的第一空腔111和第二重力块12的第三空腔121中灌注填充物，例如水泥等。第一重力块11的第一空腔111和第二重力块12的第三空腔121在灌注之前可分别给第一重力块11和第二重力块12提供浮力，在灌注之后可分别给第一重力块11和第二重力块12提供重力，从而可以增加坐底模块的重力，保持坐底模块的平稳性。
37.本发明实施例的海上风机固定式基础10能够通过基础的自身浮力而无需借助大
型运输船舶即可实现运输，达到降低成本的目的。
38.如图2和图4所示，第一重力块11包括形成于第一外壳110中的多个第一舱壁113，多个第一舱壁113将第一空腔111分隔成多个，例如在图4中被示例性地示出为六个。多个第一舱壁113可以对第一外壳110起到结构加强的作用。多个第一舱壁113可以对称等间距地形成于第一外壳110中。第一重力块11的第一外壳110和第一舱壁113例如可以主要由混凝土构成。
39.在一些实施例中，在第一重力块11的第一空腔111中设置多个配筋115。多个配筋115彼此相互连接，多个配筋115在第一空腔111中呈周向和径向排布，从而可以用来增强第一外壳110的结构强度。
40.在另一些实施例中，多个第一舱壁113延伸穿至第一外壳110的壁中，从而可以进一步增强第一外壳110的结构强度。
41.如图4并配合参照图5所示，第一重力块11还包括安装在多个第一舱壁113的端部并延伸至第二空腔112中的垫梁114，垫梁114可以用来隔开第一重力块11与第二重力块12。在垫梁114的侧面开设置有多个环向的开孔1140，多个开孔1140可以起到加强灌浆连接的作用。
42.如图3和图6所示，第二重力块12包括多个第二舱壁123，多个第二舱壁123将第三空腔121分隔成多个，在图6中被示例性地示出为六个。多个第二舱壁123可以对第二外壳120起到结构加强的作用。第二重力块12的第二外壳120和第二舱壁123例如可以由钢板组成。
43.多个第二舱壁123延伸出第二外壳120之外以形成外挡板124。外挡板124的宽度可以与第一重力块11的垫梁114相近。在运输过程中，垫梁114可以通过约束外挡板124进而来约束第二重力块12的转动。在第一重力块11和第二重力块12之间灌浆后，也可以有效地约束第二重力块12的转动。
44.第二重力块12包括与第二外壳120连接的连接管122，连接管122用于第二重力块12与单桩13的连接，连接管122呈圆管结构。在一些实施例中，连接管122可以直接延伸至第二外壳120的底部，从而可以增加连接管122的结构强度。
45.继续参照图1所示，在一些实施例中，本发明第一实施例的海上风机固定式基础10还包括单桩13，单桩13与第二重力块12的连接管122连接，从而将单桩13固定到第二重力块12上。
46.在一些实施例中，本发明第一实施例的海上风机固定式基础10还包括斜拉索14，斜拉索14安装在单桩13与第一重力块11之间。在单桩13与第一重力块11之间安装斜拉索14，可以增强单桩13的刚度。优选地，斜拉索14在水平面上的投影与第一重力块11的第一舱壁113共线，从而可以提高斜拉索14在第一重力块11上的安装强度。在本发明实施例的海上风机固定式基础10的上方未安装风机上部结构20时，斜拉索14处于预张紧状态。可以根据需要，来设置斜拉索14的预紧力。
47.在单桩13上设置用于支撑风机上部结构20的支撑件15，支撑件15位于斜拉索14的顶端位置的下部。
48.图7揭示了本发明第一实施例的海上风机装置1整体安装完毕在运输过程的整体示意图，图8为图7所示的圆圈部分的放大图，其揭示了支撑件15与第一重力块11的连接示
意图。如图7和图8所示，在本发明第一实施例的海上风机固定式基础10的上方安装风机上部结构20构成本发明第一实施例的海上风机装置1时，单桩13和第二重力块12可向下移动直到单桩13上的支撑件15接触到第一重力块11，由单桩13上的支撑件15实现对风机上部结构20的支撑，以避免单桩13和第二重力块12的继续下移。而且，随着单桩13的下移使得斜拉索14慢慢松弛下来，斜拉索14处于松弛状态。风机上部结构20可以包括塔架21及安装于塔架21上的风机22。
49.在海上风机装置1整体安装完毕之后，可以通过拖船拖航到指定机位点进行海上风机装置1的坐底模块的安装。在海上风机装置1整体运输时，单桩13上的支撑件15可通过紧固件16，例如螺栓连接到第一重力块11上，从而可以避免运输过程出现风机的转动。
50.到达指定机位点之后，首先可以卸掉支撑件15与第一重力块11之间连接的紧固件16，然后，可以分别在第一重力块11的第一空腔111和第二重力块12的第三空腔121中灌注填充物。图9揭示了本发明第一实施例的海上风机装置1在第一重力块11的第一空腔111中灌注填充物81的示意图。如图9所示，当在第一重力块11的第一空腔111中灌注填充物81，例如水泥时，第一重力块11将下沉。图10揭示了本发明第一实施例的海上风机装置1在第二重力块12的第三空腔121中灌注填充物82的示意图。如图10所示，当在第二重力块12的第三空腔121中灌注填充物82，例如水泥时，第二重力块12将下移。图11揭示了本发明第一实施例的海上风机装置1完全坐底的整体示意图。如图11所示，在第一重力块11的第一空腔111中持续灌注水泥，第一重力块11继续下沉，直到海上风机固定式基础10实现完全坐底为止。与此同时，随着第一重力块11的下沉，连接单桩13与第一重力块11的斜拉索14从松弛逐渐变成张紧，当海上风机固定式基础10的第一重力块11和第二重力块12完全坐底后，斜拉索14将自动恢复到初始的预张紧状态，从而实现斜拉索14的自动张紧。
51.在一些实施例中，可以先在第二重力块12的第三空腔121中灌注水泥，完成第二重力块12的坐底，在第二重力块12坐底之后，然后再在第一重力块11的第一空腔111中持续地灌注水泥，保证第一空腔111中灌满水泥，完成第一重力块11的坐底。这种灌注方式的好处是，因为第二重力块12坐底需要灌注的水泥相对较少，因此，灌注所用的时间也较少，而第二重力块12坐底后，可以在一定程度上减轻波浪的影响。在第一重力块11的多个第一空腔111中灌注水泥的过程中，需要在第一重力块11四周的多个第一空腔111内均匀加注，以保证第一重力块11没有倾角。最后，再在第一重力块11和第二重力块12之间的空隙中灌浆。
52.图12揭示了本发明第二实施例的第一重力块31的纵剖面示意图。如图12所示，与图2所示的第一实施例的第一重力块11的不同之处在于，第二实施例的第一重力块31在第一外壳110的四周进一步设置向上凸伸的边缘墙311。
53.图13揭示了本发明第二实施例的海上风机装置3安装完毕后完全坐底的整体示意图。本发明第二实施例的海上风机装置3包括海上风机固定式基础30，该海上风机固定式基础30采用图12所示的第二实施例的第一重力块31。如图13所示，可以在第一重力块31的边缘墙311围成的空间内填充第三填充物83，例如用碎石压载。
54.本发明第二实施例的海上风机装置3及海上风机固定式基础30通过在第一重力块31的四周增加边缘墙311，可以在边缘墙311内填充例如碎石压载，边缘墙311内的碎石可以提供有效压载，因此，可以在减小第一重力块31直径的情况下提供足够的坐底压载力。而且，边缘墙311内的空间可以给第一重力块31提供较大的浮力，因此，可以减小第一重力块
31内的第一空腔111的体积，降低第一重力块31灌注水泥坐底的时间。
55.图14揭示了本发明第三实施例的第一重力块41的横剖面示意图。如图14所示，与图2所示的第一实施例的第一重力块11的不同之处在于，第三实施例的第一重力块41上设置多个桩孔411。
56.图15揭示了本发明第三实施例的海上风机装置4安装完毕后完全坐底的整体示意图。本发明第三实施例的海上风机装置4包括海上风机固定式基础40，该海上风机固定式基础40采用图14所示的第三实施例的第一重力块41。如图15所示，该海上风机固定式基础40还包括在指定机位点预先打入的多个桩412，第一重力块41上设置的多个桩孔411可套设于多个桩412上。
57.本发明第三实施例的海上风机装置4及海上风机固定式基础40通过采用重力块压载与多桩相结合的固定方式，第一重力块41的主要作用是提供整体运输时的浮力，而其坐底时的抗倾覆力则主要由桩412来提供，且抗倾覆力矩更大，因此，第一重力块41的第一空腔111和/或第二重力块12的第三空腔121内可以加注水来代替水泥。而且，本发明第三实施例的海上风机装置4及海上风机固定式基础40适用的水深也更大。
58.本发明第三实施例的海上风机装置4采用多桩重力块与斜拉索14相配合的方式，可以增加单桩13结构的适用水深，替代导管架等基础形式，降低基础本身的成本。
59.例如，对于6mw风机，水深为40m的海域，如果采用第一实施例的第一重力块11的话，则可选用直径为40m的第一重力块11和直径为10m的第二重力块12，第一重力块11的高度为5m，可以在第一重力块11的第一空腔111和第二重力块12的第三空腔121内灌注水泥。如果采用第二实施例的第一重力块31，第一重力块31的边缘墙311高度为5m，则第一重力块31的直径可以减小到30m，可以先在第一重力块31的边缘墙311内填充碎石，然后，可以在第一重力块31的第一空腔111和第二重力块12的第三空腔121内灌注水泥。如果采用第三实施例的第一重力块41的话，则第一重力块41的直径可以减小到30m，可以在第一重力块41的第一空腔111和第二重力块12的第三空腔121内灌注水。
60.本发明上面所述的各个实施例的海上风机装置1、3、4可以在港口和船坞完成风机装置的整体安装，实现风机装置的整体拖航，而无需借助大型运输船舶和海上吊装船舶，从而，可以降低安装运输成本。
61.本发明上面所述的各个实施例的海上风机装置1、3、4可以在基础重力块坐底的过程中实现斜拉索14的自动张紧，达到降低成本的目的，有效解决了现有单桩斜拉索不易安装的缺陷。
62.图16揭示了本发明一个实施例的海上风机整机的运输安装方法的一部分流程图。如图16所示，本发明一个实施例的海上风机整机的运输安装方法可以包括步骤s11-s14。
63.在步骤s11中，让海上风机固定式基础的坐底模块依靠自身浮力漂浮在水面上。其中，海上风机固定式基础的坐底模块包括具有第一空腔和第二空腔的第一重力块及具有第三空腔的第二重力块，第二重力块可上下活动嵌套在第一重力块的第二空腔中。
64.在一些实施例中，海上风机固定式基础的建造地点可以在船坞内。因此，步骤s11的让坐底模块依靠自身浮力漂浮在海面上可以进一步包括：在船坞内完成坐底模块的建造；往船坞内放水，使得坐底模块自动浮起来；以及用拖船将坐底模块拖出船坞，使得坐底模块位于水平面上。
65.在另一些实施例中，海上风机固定式基础的建造地点可以在码头上。因此，步骤s11的让坐底模块依靠自身浮力漂浮在水面上可以包括：在码头上完成坐底模块的建造；通过轨道将坐底模块运输到驳船上；以及增加驳船的吃水来完成坐底模块的下水作业，使得坐底模块位于水平面上。
66.在步骤s12中，在岸边进行单桩与第二重力块的连接。
67.在一些实施例中，海上风机整机的运输安装方法在行进步骤s12的单桩与第二重力块的连接之后，还可以进一步包括步骤s15。在步骤s15中，在单桩和第一重力块之间安装斜拉索，并保持斜拉索处于预张紧状态，然后，过程再进入到步骤s13。
68.在步骤s13中，将风机上部结构吊装于单桩上以构成风机整机。
69.在将风机上部结构吊装于单桩上时，单桩及第二重力块下沉直到单桩上的支撑件与第一重力块接触，支撑件对风机上部结构进行支撑，斜拉索处于松弛状态。
70.在步骤s14中，通过拖船将风机整机拖到指定机位点。
71.本发明实施例的海上风机整机的运输安装方法在进行步骤s14的风机整机运输之前，还可以进一步包括步骤s16。在步骤s16中，将单桩上的支撑件与第一重力块通过紧固件，例如螺栓连接，以避免运输过程中风机的转动。
72.图17揭示了本发明一个实施例的海上风机整机的运输安装方法的另一部分流程图。如图17所示，本发明实施例的海上风机整机的运输安装方法还可以包括步骤s21。在步骤s21中，对第一重力块和第二重力块进行灌浆操作。在第一重力块和第二重力块完全坐底后，斜拉索将自动恢复到预张紧状态。
73.在海上风机整机的运输安装方法包括步骤s16的情况下，本发明实施例的海上风机整机的运输安装方法在步骤s21之前还可以包括步骤s22。在步骤s22中，卸载单桩上的支撑件与第一重力块之间连接的紧固件，然后，过程再进入到步骤s21的灌浆操作。
74.在一些实施例中，步骤s21的对第一重力块和第二重力块进行灌浆操作可以进一步包括步骤s211至s213。在步骤s211中，在第二重力块的第三空腔中灌注第一填充物，例如水泥等。然后，过程进入到步骤s212。
75.由于第二重力块的第三空腔内需要灌注的水泥相对较少，因此，灌注所用的时间也较少，第二重力块可以较快地完成坐底，而第二重力块坐底后，可以在一定程度上减轻波浪的影响。
76.在步骤s212中，在第一重力块的第一空腔中灌注第二填充物，例如水泥。在灌注水泥的过程中，需要在第一重力块四周的第一空腔内均匀加注，以保证第一重力块没有倾角。
77.在步骤s213中，在第二重力块和第一重力块完全坐底之后，可以在第一重力块和第二重力块之间的空隙中灌浆。
78.在一些实施例中，第一重力块11还可以包括从四周向上凸伸出的边缘墙。因此，在第一重力块的四周设置边缘墙的实施例中，本发明实施例的海上风机整机的运输安装方法在步骤s213的对第一重力块和第二重力块之间灌浆之前，还可以包括步骤s214。在步骤s214中，在第一重力块的边缘墙围成的空间中填充第三填充物，例如填充碎石压载等。
79.在另一些实施例中，可以在第一重力块上设置多个桩孔。因此，在第一重力块上设置多个桩孔的实施例中，本发明实施例的海上风机整机的运输安装方法还可以进一步包括：预先在指定机位点打桩；在进行步骤s21的灌浆操作时，微调第一重力块上的多个桩孔
套在桩上；以及在桩与第一重力块的桩孔之间灌浆。
80.在采用多桩重力块的实施例中，步骤s211的在第一重力块的第一空腔内灌注的第一填充物和步骤s212的在第二重力块的第三空腔内灌注的第二填充物可以用水来代替水泥。采用多桩重力块可以适用更大的水深。
81.本发明上面所述的各个实施例的海上风机整机的运输安装方法可以在港口和船坞完成风机装置的整体安装，实现风机装置的整体拖航，无需借助大型运输船舶和海上吊装船舶，从而可以降低安装运输成本。
82.本发明上面所述的各个实施例的海上风机整机的运输安装方法可以在基础重力块坐底的过程中实现斜拉索的自动张紧，有效解决现有单桩斜拉索不易安装的缺陷。
83.以上对本发明实施例所提供的海上风机固定式基础、海上风机装置及海上风机整机的运输安装方法进行了详细的介绍。本文中应用了具体个例对本发明实施例的海上风机固定式基础、海上风机装置及海上风机整机的运输安装方法进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想，并不用以限制本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也均应落入本发明所附权利要求书的保护范围内。