海上风机整体运输安装船及海上风机整体运输安装方法与流程

本发明涉及多功能海上作业船设计及其运输领域，具体是一种海上风机整体运输安装船及海上风机整体运输安装方法。

背景技术：

目前，海上风电技术日益进步且海上风场开发成本日渐降低，海上风电开发已成当下新能源技术开发和利用的主要形式之一。海上风电技术的发展正朝着大型化、大功率化、深远海方向发展。截至2019年，单座海上风机功率已从2010的3兆瓦发展到12兆瓦。随着风机功率的增加，风机叶片的尺寸、塔架的高度与风电机组的重量也随之增加。3兆瓦规格风机其叶片最高点大约在海平面上方120米，而12兆瓦风机叶片最高点距海平面高度可超200米。更大规格的13兆瓦~15兆瓦风机预计将在2020年代中期投入商业化使用。

海上风机结构物一般包括叶片、机舱、塔架及基础结构。随着风机大型化的发展，整体化运输与安装需考虑的叶片、机舱、塔架的重量高达2000吨以上。

海上风电机组的安装目前采用两种形式，一种为分段式安装，一种为整体式安装。分段式安装将塔架、机舱、叶片依次组装到预先安装的风电基础之上，再进行风电机组的海上调试。整体式安装中，风机叶片、机舱及塔架在岸基完成组装与调试工作，再整体运输至风场海域进行安装。

目前已完成的案例中，采用分段式安装较多。其中分段式安装采用配备吊机功能的自升式安装船完成，自升式安装船由于其自身限制，过往设计配备吊机的吊重小，吊高低，航速较低，起重作业前后需要完成复杂的插桩、拔桩作业，对作业海况要求较高。因此分段式安装海上作业时间较长，海上作业窗口要求较高，对作业海域海底土质亦有要求。由于自升式安装船桩腿长度限制及吊高不足，深远海风电开发中将不再适用。整体式安装案例中，多采用较为昂贵的重吊船完成。重吊船在海浪中运动较差，其作业海况要求较自升式安装船高，会出现海上作业窗口等待期较长的情况。

综上，目前海上风机安装作业船只存在较为明显的缺陷，吊高不足，海上作业复杂、难度大，对海况要求较高，海上作业时间较长，都将会增加海上风电场开发成本。

技术实现要素：

为克服海上分段式安装与整体式安装的局限性与缺陷，提高海上风电场开发的经济性与安全性，进一步缩短海上风电场安装周期与设备调试周期。本发明提供了一种海上风机整体运输安装船以及运输安装方法。可实现海上风电机组的整体运输与安装，能保证风机设备在安装前的调试工作充分进行，又可实现风机快速平稳运输及安装，将大大缩短海上风电场建设周期，也大大减少风电机组海上调试工作。本发明不仅针对固定式风机的整体运输与安装，也适用于浮式风机的整体运输与安装，同时还可用于风机基础的运输与安装、海上风机拆卸等作业，本发明公开了一种海上风机整体运输安装船及海上风机整体运输安装方法。

本发明的技术方案为：海上风机整体运输安装船，包括海上风机整体运输安装船，海上风机整体运输安装船包括船体，船体的甲板上安装有风机运输安装塔架，风机运输安装塔架两侧装有运动补偿卡箍，船体的一侧设有开口，船体包括三个相互平行的船体。

进一步地，海上风机整体运输安装船为双体船、三体船、或更多船体的多体船。

进一步地，相互平行的船体为小水线面船体，小水线面船体中间比左右更靠前，小水线面船体呈“品”字形分布，小水线面船体包括上船体、支柱体与下潜体，其中上船体与下潜体通过支柱体相连，下潜体为沉浸在水下的圆形或类似椭圆形的鱼雷状结构，支柱体在水线面附近为狭长垂向结构，水线截面呈扁薄、首尾端为流线型。

进一步地，风机运输安装塔架为可旋转的单柱桅杆式塔架，风机运输安装塔架位置接近海上风机整体运输安装船的重心，风机运输安装塔架毗邻开口前缘。

进一步地，风机运输安装塔架为桁架式结构或门架式结构。

进一步地，风机运输安装塔架侧立面装有运动补偿卡箍，运动补偿卡箍具有六个自由度主动运动补偿功能，风机运输安装塔架同一侧面装有至少两个运动补偿卡箍。

进一步地，运动补偿卡箍具有单自由度，或任意两自由度的组合、或任意三自由度的组合、或任意四自由度的组合、或任意五自由度的组合的主动运动补偿功能，六个自由度主动运动补偿功能为相对风机基础指向船长方向的纵荡、相对风机基础指向船宽的横荡、铅直方向的垂荡、相对风机基础绕船长转动的横摇、相对风机基础绕船宽转动的纵摇、相对风机基础绕铅直方向转动的艏摇。

进一步地，开口为“u”字形或“凹”字形，开口前缘接近船重心位置，开口可呈现半圆形，方形或多边形。

进一步地，海上风机整体运输安装船用于海上风机基础的运输与安装、海上风机的拆卸。

海上风机整体运输安装船及海上风机整体运输安装方法，包括下列步骤：

1）海上风机整体运输安装船码头装载风机：在陆地或近岸将风机完成组装并进行调试工作和并网试验，海上风机整体运输安装船停靠在码头，使用运动补偿卡箍抱紧风机的塔架，调整船体的压载将风机的重量转移到运动补偿卡箍之上，再转动风机运输安装塔架，将另一里面的运动补偿卡箍转到船体的“u”字形或“凹”字形开口一侧；再次使用运动补偿卡箍抱紧风机的塔架，调整船体的压载转移风机重量至船上；通过此等步骤，海上风机整体运输安装船仅需顶靠码头，通过调整船体的压载与使用运动补偿卡箍抱紧风机塔架；

2）在第二座风机的重量转移到海上风机整体运输安装船之后，再次转动风机运输安装塔架九十度，将两座风机分别布置在风机运输安装塔架的左舷侧与右舷侧，再次分别调整运动补偿卡箍在风机运输安装塔架上的高度，将两座风机下放至船体甲板之上，由船体的甲板结构承担风机的重量，运动补偿卡箍在后续运输过程中仅需约束风机的水平运动，如果需要，在风机运输过程中，由运动补偿卡箍直接约束风机，承担风机重量及运输过程所受外力；

3）固定式风机基础在风场机位预先安装，海上风机整体运输安装船将指定风机运输至该机位附近，调整风机运输安装塔架两侧立面上的运动补偿卡箍的高度，将风机提升高度，风机的重量由船体甲板承担变成运动补偿卡箍承担，准备后续安装操作；风机运输安装塔架转动九十度，使待安装风机位于海上风机整体运输安装船“u”字形或“凹”字形开口上方；“u”字形或“凹”字形开口对准风机基础，将船体缓慢驶向风机基础；在风机的底部到达风机基础上方之后，停稳船体；使用运动补偿卡箍控制风机塔架底部的运动在较小范围内，将风电机组快速、平稳安装到风机基础之上并调整船体压载将风机重量转移到风机基础，与此同时开始安装连接风机与风机基础的螺栓以固定风机在风机基础上；在完成安装后，船体向前航行，驶出风机基础，进行下一座风机安装，全部安装完成后，返航；

4）安装浮式基础时，浮式风机基础预先就位，具备安装条件后，其余同步骤1）-3）。

本发明的有益之处：实现一船多套风机整机的运输与安装，安装目标囊括所有形式固定式基础风机与所有形式浮式基础风机，提供了一种快速、高效、安全的海上风电运输安装方法；实现风电机组陆地或近岸组装调试，缩短组装周期，增加安全性，大幅减小海上调试工作；运输安装船不受限于水深与海底条件限制，可进行近海风电场的运输安装，也可进行深远海风电场的运输安装；小水线面的船体设计，减小船体本身波浪载荷，运动性能优异；运动补偿卡箍的使用，可平稳、安全地将风电机组安装至风机基础之上；安全、高效、快速，极大地缩短了风电场建设周期，降低风电场开发成本。

附图说明

图1为海上风机整体运输安装船示意图。

图2为海上风机整体运输安装船的底部视角图。

图3为海上风机整体运输安装船船体的详细示意图。

图4为海上风机整体运输安装船的俯视图。

图5为风机安装过程的原理图。

图6和图7为海上风机整体运输安装船码头装载风机过程图。

图8-图11为固定式基础风机安装过程图。

图12-图15为浮式基础风机安装过程图。

其中：1、海上风机整体运输安装船，2、船体，3、风机运输安装塔架，4、运动补偿卡箍，5、风机，6、开口，7、小水线面船体，8、风机基础，9、码头，10、浮式风机基础，11、系泊缆，12、下潜体，13、支柱体，14、上船体。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的保护范围的限定。

如图1-5，海上风机整体运输安装船包括海上风机整体运输安装船1，海上风机整体运输安装船为双体船、三体船、或更多船体的多体船。

海上风机整体运输安装船包括船体2，船体2的甲板上安装有风机运输安装塔架3，风机运输安装塔架3位置接近海上风机整体运输安装船1的重心，风机运输安装塔架3为可旋转的单柱桅杆式塔架，风机运输安装塔架3毗邻开口6前缘，风机运输安装塔架3为桁架式结构或门架式结构。

风机运输安装塔架3两侧设有两台风机5，风机5的叶片和支柱体的纵向平行，风机运输安装塔架3通过运动补偿卡箍4抱紧风机5上，运动补偿卡箍4具有六个自由度主动运动补偿功能，风机运输安装塔架3同一侧面装有至少两个运动补偿卡箍4。运动补偿卡箍4具有单自由度，或任意两自由度的组合、或任意三自由度的组合、或任意四自由度的组合、或任意五自由度的组合的主动运动补偿功能，六个自由度主动运动补偿功能为相对风机基础指向船长方向的纵荡、相对风机基础指向船宽的横荡、铅直方向的垂荡、相对风机基础绕船长转动的横摇、相对风机基础绕船宽转动的纵摇、相对风机基础绕铅直方向转动的艏摇。

船体2的一侧设有开口6，开口6为“u”字形或“凹”字形，开口6前缘接近船重心位置，开口可呈现半圆形，方形或多边形。

船体2包括三个相互平行的船体，相互平行的船体为小水线面船体，小水线面船体中间比左右更靠前，小水线面船体7呈“品”字形分布，小水线面船体7包括上船体14和与船体2连接的支柱体，以及和支柱体底部相连的下潜体12。下潜体为沉浸在水下的圆形或类似椭圆形的鱼雷状结构，之主体在水线面附近为狭长垂向结构，水线截面呈扁薄、首尾端为流线型。

海上风机整体运输安装船及海上风机整体运输安装方法，包括下列步骤：

1）海上风机整体运输安装船码头装载风机：在陆地或近岸将风机完成组装并进行调试工作和并网试验，如图6所示，海上风机整体运输安装船1停靠在码头9，使用运动补偿卡箍4抱紧风机5的塔架，调整船体2的压载将风机5的重量转移到运动补偿卡箍4之上，再转动风机运输安装塔架3，将另一里面的运动补偿卡箍4转到船体2的“u”字形或“凹”字形6开口一侧；如图7所示，再次使用运动补偿卡箍4抱紧风机5的塔架，调整船体2的压载转移风机5重量至船上；通过此等步骤，海上风机整体运输安装船1仅需顶靠码头9，通过调整船体2的压载与使用运动补偿卡箍4抱紧风机塔架；

2）在第二座风机5的重量转移到海上风机整体运输安装船1之后，再次转动风机运输安装塔架3九十度，将两座风机5分别布置在风机运输安装塔架3的左舷侧与右舷侧，再次分别调整运动补偿卡箍4在风机运输安装塔架3上的高度，将两座风机5下放至船体2甲板之上，由船体2的甲板结构承担风机5的重量，运动补偿卡箍4在后续运输过程中仅需约束风机的水平运动；如果需要，在风机运输过程中，由运动补偿卡箍直接约束风机，承担风机重量及运输过程所受外力；

3）固定式基础风机的安装过程如图8~图11所示，固定式风机基础8在风场机位预先安装，海上风机整体运输安装船1将指定风机5运输至该机位附近，调整风机运输安装塔架3两侧立面上的运动补偿卡箍4的高度，将风机5提升高度，风机5的重量由船体2甲板承担变成运动补偿卡箍4承担，准备后续安装操作；风机运输安装塔架3转动九十度，使待安装风机5位于海上风机整体运输安装船1“u”字形或“凹”字形开口6上方；“u”字形或“凹”字形开口6对准风机基础8，将船体2缓慢驶向风机基础8；在风机5的底部到达风机基础8上方之后，停稳船体2；使用运动补偿卡箍4控制风机5塔架底部的运动在较小范围内，将风电机组5快速、平稳安装到风机基础8之上并调整船体压载将风机重量转移到风机基础，与此同时开始安装连接风机与风机基础的螺栓以固定风机在风机基础上；在完成安装后，船体2向前航行，驶出风机基础8，进行下一座风机安装，全部安装完成后，返航；

4）浮式风机的安装过程如图12~图15所示，浮式风机基础10预先就位，系泊缆11预先连接至浮式风机基础10上或在风机5安装完成后再连接至浮式风机基础10之上；其余和步骤1）-3）一样。