[發明專利]減搖裝置、浮動基礎和海上風力發電機

有效

• 申請號: 201410007696.0
• 申請日: 2014-01-07
• 公開（公告）號: CN103708004A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: 李榮富;張建海;朱海飛;張新剛
• 申請（專利權）人: 新疆金風科技股份有限公司
• 主分類號: B63B35/00
• 分類號: B63B35/00;F03D9/00;F03D1/00
• 代理公司: 北京銘碩知識產權代理有限公司 11286
• 代理人: 王秀君;金玉蘭

技術領域

本公開涉及一種海上風力發電機，更具體地講，涉及一種減搖裝置以及具有該減搖裝置的浮動基礎。

背景技術

現階段為了開發深海風電場的需要，人們將海洋石油行業常用的深海漂浮式石油平臺型式應用在風電領域，相繼開發了采用單立柱平臺（SPAR）、半潛式平臺（Semi-submersible）、張力腿平臺（TLP）的浮動式風機及其它復合形式的浮動式風機。到目前為止，已有三個浮動式風機項目建成，如圖1所示，分別是Hywind、Blue?H和Windfloat。Hywind是由挪威國家海油海德羅公司（Statoil?Hydro）、法國德克尼普公司（Technip）和德國西門子公司聯合開發成功，于2009年在挪威附近的北海建成。Hywind采用的基礎概念為SPAR，漂浮結構是一個約為117m長的細長鋼質管，一端是底座，另一端為風機法蘭。安裝Hywind的浮動基礎時，用壓載水艙填滿的鋼管被運送至安裝地點并立于海面，使浮體的整個結構與海底通過三點纜索系錨相連。2007年，荷蘭Blue?H公司在意大利沿海安裝了一臺兩葉片風力渦輪原型機，使用了張力腿平臺設計，平臺的浮力大于重力，張力腿始終處于張緊狀態，以保持平臺的穩定。2011年底，Principle?Power、Vestas與EDP合作，在葡萄牙西海岸合作完成Windfloat項目，該浮動基礎為半潛式概念，主體由三個浮筒組成，風機立于其中一個浮筒上，動態壓載水可以自動抵消風傾力矩，底部通過四根懸鏈線系固在水深超過50m的海底。

Hywind項目中采用的SPAR平臺由于是傳統的單柱式平臺，不同于truss-spar，流體的附加阻尼較小，在風機載荷Mx、My、MZ的作用下，整個平臺的搖動會很大，風機極限工況下甚至會達到40°以上，這是風機設計所不允許的。如果采用SPAR平臺型式，需要附加阻尼器或調整纜索系固方式，這會給設計大大增加了難度，工程造價也會增加。

Blue?H項目采用的是傳統張力腿平臺，采用多根張緊的張力腿，這種定位方式較大的張力腿預張力使平臺平面外的運動（橫搖、縱搖和垂蕩）較小，近似于剛性。但是張力腿在平面內的運動（橫蕩、縱蕩和首搖）幅度較大，為了抑制平面內運動同樣需要在這些方向上設置阻尼器，這也會增加設計建造難度。

Vestas與Windfloat合作項目采用半潛式結構，主體由三個相距35m的浮筒組成，風機安裝在其中一個浮筒上，壓載水自動調整以抵御風傾力矩，定位系統采用系泊定位，在每個浮筒底部的設置阻尼板來增大垂蕩運動的阻尼，能有效的降低垂蕩運動幅度。該半潛式浮動風機安裝在其中一個浮筒上，作用在基礎上的重力載荷不對稱，需要調整三個浮筒中的壓載以抵消這部分載荷，而且在實際風機運行過程中，風向會發生變化，整個風機受到的風傾力矩方向會發生改變，需要動態調整壓載水的數量，這樣對風機控制策略和壓載泵的可靠性要求較高，設計難度大成本高。

應用于海上風電領域的浮動式風機基礎，承受的載荷不同于傳統的海油工程中的移動式平臺，浮動式海上風機基礎除了承受風浪流的聯合作用外，還要承受風機這一高聳結構運行所引起的陀螺回轉效應，傾覆力矩Mx，My以及繞垂直軸的扭矩Mz，整個風機會產生六個自由度的劇烈運動，包括X、Y和Z軸的軸向平動和繞軸的轉動，即橫蕩、縱蕩、垂蕩和橫搖、縱搖、首搖，這些運動給風機的變槳和偏航控制系統帶來巨大挑戰，會影響到風機的正常運行，橫/縱搖運動的影響尤其嚴重，將削減到達葉輪的來流風速，降低發電量，甚至會危及整個系統結構的安全。

由于浮動式風電發展時間尚短，可借鑒的工程經驗較少，只能借鑒與浮動式海上風電基礎工程比較接近的船舶行業和海油工程中的移動式平臺。目前，船舶行業中的減搖裝置主要有減搖鰭、舭龍骨、減搖水艙、減搖舵等，其中減搖鰭、舭龍骨和減搖舵都是利用船舶航行時作用在這些結構上的流體升力保持船舶穩定，航速越高船舶越穩定，而減搖水艙則是利用左右舷邊艙壓載水的壓差抵消船舶的橫搖傾覆力矩，保持船舶穩定。減搖水艙主要分為被動式和主動式兩類，其中被動式適用的頻率范圍窄，在許用頻率范圍外會產生增搖的不利后果；主動控制式主要靠開/關閥門控制，但相位反應遲滯和控制復雜限制了其使用；此外還有借助外力驅動減搖水艙中的液柱（比如西門子初期的研究成果），可做到較準確減搖，但能耗很大，且控制復雜，不具工程實用價值。海油工程中的移動式平臺的運動抑制裝置主要有阻尼板、減搖板，通過增加附加質量和附加阻尼，降低浮體的運動。