基于模块化和混合系泊的超大型浮式平台的制作方法

本发明属于海洋能利用领域，涉及大型海洋浮式结构，尤其涉及一种基于 模块化和混合系泊的超大型浮式平台。

背景技术：

由于陆地资源开发逐渐趋于饱和，各国开始把发展目光投向海洋，海洋中 蕴含着各种丰富的资源等待开发，为了促进海洋资源的开采和利用，研究人员 提出了超大型浮式结构(VLFS)的概念，并投入了大量的研究，VLFS是一种特殊 的海洋平台结构，具有面积宽广、易于多功能化、综合性能强等特点，不仅能 作为海洋资源开发的平台，还可用作城市拓建、海上军事基地等。但由于VLFS 尺寸巨大，且要承受巨大的海洋荷载，它必定要进行模块化，由若干种基本离 散的模型拼接而成，并采用简单而高效的系泊系统系泊，以便于在保障VLFS 的结构安全和稳定的前提下能不断拓展和完善VLFS结构。因此VLFS的模块化 和系泊方式具有十分重要的研究意义。

现有技术中，VLFS主要有箱式、半潜式等，其中箱式适用于较平静的海域， 而半潜式便于模块化，减弱海况对VLFS的整体影响，可适用于海况相对恶劣 的海域。VLFS模块之间的连接方式主要有刚性连接，柔性连接等，其中刚性连 接可以有效控制模块之间的相对运动，但连接器承受荷载巨大，而柔性连接器 允许模块之间有相对运动，以此减弱作用于连接器上的荷载。波浪能发电装置 种类繁多，各有千秋，包括点头鸭式、振荡水柱式、推摆式、收缩波道式、波 力发电船式、环礁式、整流器式等多种。

现有技术的不足是：VLFS对防浪墙或天然屏障如岛屿的依赖性比较强，对 没有屏障的深海载荷抵御能力差。VLFS设计方案大多采用锚链系泊，其相关混 合系泊系统及消波策略的研究还非常有限。而且大多数VLFS模块连接构件的 设计存在设计载荷较大，限制模块相对运动的效果差等问题。大多数波浪能发 电装置在实际应用中成本较高，能量转化效率较低。目前还缺少能够结合利用 波浪能发电装置和模块连接构件进行能源补给及减弱波浪力荷载的VLFS。

技术实现要素：

本发明目的在于提出一种基于模块化和混合系泊的超大型浮式平台，采用 模块化连接器与波浪能装置相结合的方式，在减弱深海波浪荷载对超大型浮式 平台的作用的同时，提高海洋波浪能的利用效率并降低发电成本，并为其提出 了张力腿与锚链混合系泊系统以改善VLFS的运动响应。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

基于模块化和混合系泊的超大型浮式平台包括中心大平台模块1、若干小平 台模块2、张力腿系统3、锚链系统4、盖板5、振荡浮子式波浪能发电装置、 模块连接构件、橡胶防撞装置22。小平台模块2分布于中心大平台模块1周围。

所述张力腿系统3包含若干呈对称分布的张力腿，其上端与中心大平台模 块1、小平台模块2的下方铰接，下端固定在海底，用于限制中心大平台模块1、 小平台模块2的平面外扭转运动。每个平台模块都采用张力腿系统，结合波浪 能发电装置、模块连接构件及平台模块的水动力载荷特征，根据平台模块尺寸、 选址地点的水深及地址条件，优化设计张力腿的数量和截面尺寸，使各小平台 模块有一定的自稳定性，减弱其对中心大平台的依赖性，减缓中心大平台的载 荷效应，利于进行平台模块的功能性及规模化拓展。

所述锚链系统4包含若干呈对称分布的锚链，其上端锚固在中心大平台模 块1的四个端角处，下端固定在海底，用于系泊中心大平台模块，限制超大型 浮式平台1的整体水平位移。锚链系统4和张力腿系统3共同保证超大型浮式 平台的安全性和稳定性。

所述盖板5搭设于相邻平台模块之间(盖板一端固定于一平台上，另一端 搭接在另一相邻平台上)，用于连通相邻平台模块，提高超大型浮式平台的整 体性。

所述振荡浮子式波浪能发电装置布置于最外层平台模块的侧面，浮在海面 上，利用该波浪能发电装置获取波浪能，同时减弱入射波浪对浮式平台的载荷 作用。所述振荡浮子式波浪能发电装置包括圆柱体浮子6、连杆结构7、齿轮传 动装置、双向液压发电装置，双向液压发电装置布设于各个平台模块内部，同 一个平台模块内双向液压发电装置可酌情并行设计。所述的齿轮传动装置包括 齿轮结构9、固定轴10、齿条11、水平活塞杆12。所述双向液压发电装置包括 液压缸13、第一单向入流阀14、节流阀15、液压马达16、发电装置17、第一 单向出流阀18、第二单向入流阀19、第二单向出流阀20、储能器21。所述圆 柱体浮子6通过连杆结构7与齿轮结构9固接，齿轮结构9可以绕着固定轴10 转动，并与齿条11啮合连接，固定轴10固定于小平台模块2内；齿条11固定 在水平活塞杆12的一端，水平活塞杆12的另一端深入水平向液压系统的液压 缸13中。

所述波浪能发电装置中，圆柱体浮子6的摆动带动齿轮结构9绕固定轴10 旋转，固定轴10与平台固接，再通过与齿轮结构9啮合的齿条11驱动水平活 塞杆12拉压往复运动；当水平活塞杆12做压缩运动时，带动液压缸13内的液 体经第一单向入流阀14和节流阀15进入液压马达16，驱动其旋转，从而带动 发电装置17发电，最终液体经第一单向出流阀18回流至液压缸13；当水平活 塞杆12做拉伸运动时，带动液压缸13内的液体经第二单向入流阀19和节流阀 15进入液压马达16驱动其旋转，从而带动发电装置17发电，最终液体经第二 单向出流阀20回流至液压缸13内；节流阀15和储能器21主要起到稳定液压 系统压力及保护液压系统安全的目的。

所述模块连接构件包括模块连接杆8、齿轮传动装置、双向液压发电装置。

该双向液压发电装置的结构及发电原理与振荡浮子式波浪能发电装置中的 双向液压发电装置相同。所述模块连接杆8用于连接相邻平台模块，位于盖板5 下方。模块连接构件按照连接平台的相对尺寸分为两种方式，结合波浪能发电 装置及平台模块的水动力荷载特征，根据浮式平台模块尺寸和间距、消波效果、 发电功率要求等，优化设计模块连接构件各部件的主要参数，使其有效约束平 台模块之间的相对运动，并尽可能利用其相对运动发电，有效减弱作用于模块 连接构件上的载荷。两种方式具体为：

第一种为小平台模块2与中心大平台模块1之间的连接，利用小平台模块2 与中心大平台模块1之间的相对扭转及水平两向运动进行发电：模块连接杆8 一端与齿轮传动装置的齿轮结构9固接，齿轮结构9设置于小平台模块2内， 记为A端；模块连接杆8另一端深入中心大平台模块1内的大型的双向液压发 电装置中，记为C端，当小平台模块2与中心大平台模块1发生相对运动时， 不仅能通过模块连接杆8带动A端齿轮结构9绕固定轴10旋转，以此通过齿轮 齿条传动方式驱动固定于小平台模块2内部的双向液压发电装置发电(原理同 波浪能发电装置)，还能够通过模块连接杆8在C端中心大平台大型双向液压 发电系统液压缸中的拉压往复运动驱动其发电。

第二种为小平台模块2与小平台模块2之间的连接，利用小平台模块2之 间的相对扭转进行发电：模块连接杆8一端与齿轮传动装置的齿轮结构9固接， 齿轮结构9设置于其中一个小平台模块2内，记为A端；模块连接杆8另一端 固定于另一个小平台模块2内部，记为B端；当两个相邻的小平台模块2发生 相对摆动运动时，通过模块连接杆8带动A端齿轮结构9绕固定轴10旋转，以 此通过齿轮齿条传动方式驱动固定于小平台模块2内部的双向液压发电装置发 电(原理同波浪能发电装置)。

所述橡胶防撞装置22以模块连接杆为轴对称分布设置于平台模块A端，固 定于平台内，用于防止极端情况下模块连接杆与平台内部的剧烈碰撞。

本发明基于模块化和混合系泊的超大型浮式平台，采用易于建造及拓展的 模块化和混合系泊的设计理念，利用波浪能发电装置、可发电的柔性模块连接 构件，以及张力腿与锚链相结合的锚泊系统，在确保超大型浮式平台系统安全 性与稳定性的前提下，为未来超大型浮式平台的功能模块化拓展提供可能，其 有益效果是：

(1)振荡浮子式波浪能发电装置布置于超大型浮式平台系统外侧，作为波 浪能采集系统可以吸收入射波浪，同时减弱入射波浪对浮式平台的载荷作用， 在为整个超大型浮式平台系统提供可观能源补给的同时，降低平台运动响应， 从而提高整个超大型浮式平台系统的安全性能。

(2)采用模块化方式将超大型浮式平台离散成多个模块，便于超大型浮式 平台的功能区域化、多元化以及规模拓展。

(3)平台模块之间采用新型可发电的柔性模块连接构件，利用平台模块之 间的相对运动发电，在减弱作用于模块连接构件上的载荷和保证整个超大型浮 式平台系统的整体性的同时，能够为整个超大型浮式平台系统提供可观能源补 给。

(4)中心大平台模块采用张力腿和锚链混合系泊的约束系统，可以有效改 善其运动性能，即：张力腿结构约束其扭转运动；锚链结构约束其水平运动。

(5)每个小平台模块都设置张力腿系统约束各自平台的运动，各小平台具 有一定的自稳定性，不显著增加作用在中心大平台的荷载，有效地减弱模块间 的相对运动，保证了超大型浮式平台系统的安全性和稳定性，利于平台模块的 功能性及规模化拓展。

附图说明

图1是本发明基于模块化和混合系泊的超大型浮式平台的正视示意图，其 中虚线表示海平面。

图2(a)是本发明基于模块化和混合系泊的超大型浮式平台的俯视示意图(含 盖板)，虚线表示平台模块边线。

图2(b)是本发明基于模块化和混合系泊的超大型浮式平台的俯视示意图(不 含盖板)，其中A、B、C字母对应上述模块连接构件各端。

图3(a)是本发明振荡浮子式波浪能发电装置系统的正视示意图。

图3(b)是本发明振荡浮子式波浪能发电装置系统的俯视示意图；其中固定轴 9两端固定于平台内部，E表示不含液压缸部分的双向液压发电装置。

图4(a)是本发明浮式平台模块连接构件模式一的正视剖视示意图。

图4(b)是本发明浮式平台模块连接构件模式一的俯视剖视示意图。

图5(a)是本发明浮式平台模块连接构件模式二的正视剖视示意图。

图5(b)是本发明浮式平台模块连接构件模式二的俯视剖视示意图。

图中：1中心大平台模块；2小平台模块；3张力腿系统；3a张力腿系统上 部平台连接处；3b张力腿系统下部海底连接处；4锚链系统；5盖板；6圆柱体 浮子；7连杆结构；8模块连接杆；9齿轮结构；10固定轴；11齿条；12水平 活塞杆；13液压缸；14第一单向入流阀；15节流阀；16液压马达；17发电装 置；18第一单向出流阀；19第二单向入流阀；20第二单向出流阀；21储能器； 22橡胶防撞装置。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

基于模块化和混合系泊的超大型浮式平台包括中心大平台模块1、若干小平 台模块2、张力腿系统3、锚链系统4、盖板5、振荡浮子式波浪能发电装置、 模块连接构件、橡胶防撞装置22。小平台模块2分布于中心大平台模块1周围。 所述张力腿系统3包含若干呈对称分布的张力腿，张力腿系统3上端通过张力 腿系统上部平台连接处3a铰接在超大型浮式平台1下方，下端通过张力腿系统 下部海底连接处3b固定在海底。所述锚链系统4包含若干呈对称分布的锚链， 其上端锚固在中心大平台模块1的四个端角处，下端固定在海底，用于系泊中 心大平台模块，限制超大型浮式平台1的整体水平位移。所述盖板5搭设于相 邻平台模块之间，盖板5包括长方形盖板和正方形盖板。所述振荡浮子式波浪 能发电装置布置于最外层平台模块的侧面，浮在海面上，利用该波浪能发电装 置获取波浪能，同时减弱入射波浪对浮式平台的载荷作用。

采用两种新型的柔性模块连接构件连接相邻浮式平台模块，一种用于连接 小平台与中心大平台(模式一)，另一种用于连接两个小平台(模式二)，两 种模式都既能获得可观的能量供给，又有效缓解各模块间的相对运动，其中模 式一的模块连接构件可以利用小平台与中心大平台之间的相对扭转及水平两向 运动进行发电，模式二的模块连接构件可以利用两个小平台之间的相对扭转进 行发电，即为整个超大型浮式平台系统提供可观能源补给，并减弱模块间的相 对运动和保证整个超大型浮式平台系统的整体稳定性。

中心大平台采用对称分布的张力腿和锚链混合系泊约束系统，对称分布的 锚链主要限制其水平位移，张力腿系统主要限制其平面外扭转运动，即共同有 效地改善其运动性能，保证中心大平台的安全性和稳定性。小平台则采用张力 腿系统约束系统，一定程度上约束其运动，即每个小平台都具有一定的自稳定 性，不明显增加作用在中心大平台的荷载，既利于保证整个超大型浮式平台的 稳定性，也便于超大型浮式平台的规模拓展。

所述振荡浮子式波浪能发电装置包括圆柱体浮子6、连杆结构7、齿轮传动 装置、双向液压发电装置，双向液压发电装置布设于各个平台模块内部，同一 个平台模块内双向液压发电装置可酌情并行设计。所述的齿轮传动装置包括齿 轮结构9、固定轴10、齿条11、水平活塞杆12。所述双向液压发电装置包括液 压缸13、第一单向入流阀14、节流阀15、液压马达16、发电装置17、第一单 向出流阀18、第二单向入流阀19、第二单向出流阀20、储能器21。所述圆柱 体浮子6通过连杆结构7与齿轮结构9固接，齿轮结构9可以绕着固定轴10转 动，并与齿条11啮合连接，固定轴10固定于小平台模块2内；齿条11固定在 水平活塞杆12的一端，水平活塞杆12的另一端深入水平向液压系统的液压缸 13中。

所述波浪能发电装置中，圆柱体浮子6的摆动带动齿轮结构9绕固定轴10 旋转，固定轴10与平台固接，再通过与齿轮结构9啮合的齿条11驱动水平活 塞杆12拉压往复运动；当水平活塞杆12做压缩运动时，带动液压缸13内的液 体经第一单向入流阀14和节流阀15进入液压马达16，驱动其旋转，从而带动 发电装置17发电，最终液体经第一单向出流阀18回流至液压缸13；当水平活 塞杆12做拉伸运动时，带动液压缸13内的液体经第二单向入流阀19和节流阀 15进入液压马达16驱动其旋转，从而带动发电装置17发电，最终液体经第二 单向出流阀20回流至液压缸13内；节流阀15和储能器21主要起到稳定液压 系统压力及保护液压系统安全的目的。

所述模块连接构件包括模块连接杆8、齿轮传动装置、双向液压发电装置， 该双向液压发电装置的结构及发电原理与振荡浮子式波浪能发电装置中的双向 液压发电装置相同。所述模块连接杆8用于连接相邻平台模块，位于盖板5下 方；模块连接构件包括两种方式：

第一种为小平台模块2与中心大平台模块1之间的连接，利用小平台模块2 与中心大平台模块1之间的相对扭转及水平两向运动进行发电：模块连接杆8 一端与齿轮传动装置的齿轮结构9固接，齿轮结构9设置于小平台模块2内， 记为A端；模块连接杆8另一端深入中心大平台模块1内的大型的双向液压发 电装置中，记为C端，当小平台模块2与中心大平台模块1发生相对运动时， 不仅能通过模块连接杆8带动A端齿轮结构9绕固定轴10旋转，以此通过齿轮 齿条传动方式驱动固定于小平台模块2内部的双向液压发电装置发电，还能够 通过模块连接杆8在C端中心大平台大型双向液压发电系统液压缸中的拉压往 复运动驱动其发电。

第二种为小平台模块2与小平台模块2之间的连接，利用小平台模块2之 间的相对扭转进行发电：模块连接杆8一端与齿轮传动装置的齿轮结构9固接， 齿轮结构9设置于其中一个小平台模块2内，记为A端；模块连接杆8另一端 固定于另一个小平台模块2内部，记为B端；当两个相邻的小平台模块2发生 相对摆动运动时，通过模块连接杆8带动A端齿轮结构9绕固定轴10旋转，以 此通过齿轮齿条传动方式驱动固定于小平台模块2内部的双向液压发电装置发 电。

中心大平台模块采用对称分布的张力腿和锚链混合系泊系统，结合模块连 接构件及中心大平台模块的水动力载荷特征，根据中心大平台模块尺寸、选址 地点的水深及地址条件，优化设计张力腿的截面尺寸和锚链数量，改善超大型 浮式平台的运动性能，保证超大型浮式平台的安全性和稳定性；而每个小平台 模块采用张力腿系统，结合波浪能发电装置、模块连接构件及小平台模块的水 动力载荷特征，根据小平台模块尺寸、选址地点的水深及地址条件，优化设计 其张力腿截面尺寸，使小平台模块有一定的自稳定性，减弱其对中心大平台的 依赖性，减缓中心大平台的载荷效应，利于进行超大型浮式平台模块的功能性 及规模化拓展。

本发明设计要结合以下因素：

(1)根据选址地点的波浪统计特征、浮式平台模块尺寸以及泊位设计、消 波效果、发电功率等要求，优化选取波浪能发电装置浮子的尺寸、形状、数量 及分布方式，使波浪装置尽可能地吸收主入射波浪方向的波浪能，并有效减弱 作用于超大型浮式平台系统的波浪力载荷；

(2)结合波浪能发电装置及平台模块的水动力荷载特征，根据浮式平台模 块的尺寸和间距、消波效果、发电功率等要求，优化设计模块连接构件各部件 的主要参数，有效约束浮式平台之间的相对运动，并尽可能利用其相对运动， 有效减弱作用于模块连接构件上的载荷。

(3)结合波浪能发电装置及平台模块的水动力荷载特征，根据浮式平台模 块的尺寸、选址地点的水深及地址条件，优化设计对称分布式张力腿系统与锚 链系统的主要参数，有效限制浮式平台模块的扭转和水平运动，从而确保超大 型浮式平台系统和锚泊系统的安全性及耐久性。

基于模块化和混合系泊的超大型浮式平台的施工安装流程如下：①依据现有 张力腿平台施工工艺，按照设计将各张力腿系统3固定于各拟建平台模块地点 的海底；②在船坞将模块连接构件主体构件(不含模块连接杆8)对应安装在各 平台模块内部预设的开口，并试验组合调试模块连接构件；③将波浪能装置与对 应安装的小平台模块2进行拼接，并组合调试；④用专业施工船将中心大平台模 块1托运到对应张力腿系统3上方海域与张力腿系统3进行对接安装；⑤将中心 大平台模块1用锚链系统4锚泊；⑥按照以中心大平台为中心向外的顺序，用专 业施工船将各个小平台模块2托运到对应张力腿系统3上方海域与张力腿系统3 进行对接安装；⑦按照以中心大平台为中心向外的顺序，进行各平台之间的模块 连接构件安装和盖板搭设，完成基于模块化和混合系泊的超大型浮式平台的施 工安装。