本發(fā)明涉及的是一種海洋工程領(lǐng)域的技術(shù)，具體涉及一種變長(zhǎng)度恒張力系泊系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、隨著對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電需求的增加，海上風(fēng)電技術(shù)正在從淺海向深海發(fā)展，在水深超過(guò)60米的海域大規(guī)模部署由浮動(dòng)基礎(chǔ)支撐的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的需求越來(lái)越大。在過(guò)去的十多年里，數(shù)十種創(chuàng)新型的浮動(dòng)海上風(fēng)電平臺(tái)概念應(yīng)運(yùn)而生。相比之下，用于漂浮式海上結(jié)構(gòu)物的系泊系統(tǒng)理論和技術(shù)幾十年來(lái)沒(méi)有顯著進(jìn)步?，F(xiàn)有的系泊系統(tǒng)概念和技術(shù)都是過(guò)去70多年間為海洋油氣開(kāi)采而發(fā)展起來(lái)的。

2、目前，這些傳統(tǒng)的系泊系統(tǒng)技術(shù)正在用于漂浮式海上風(fēng)電平臺(tái)。然而，這兩個(gè)行業(yè)之間存在非常顯著的差異?，F(xiàn)有的系泊系統(tǒng)概念主要是為安裝在距離海岸線(xiàn)較遠(yuǎn)(200公里以外)的深水海域(300至3000米)的大型獨(dú)立且極為昂貴的浮式油氣平臺(tái)設(shè)計(jì)的，是定制化的，對(duì)成本不敏感。另一方面，對(duì)于海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)，漂浮式海上風(fēng)電平臺(tái)通常部署在距離海岸線(xiàn)較近(50公20里以?xún)?nèi))的相對(duì)較淺的水域(60至300米)，有50至100座平臺(tái)，是為大規(guī)模商業(yè)開(kāi)發(fā)的海上風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)的，是標(biāo)準(zhǔn)化的，對(duì)成本很敏感。

3、另外，采用傳統(tǒng)的系泊系統(tǒng)通常會(huì)覆蓋數(shù)百平方公里的海洋空間，這給新興的漂浮式風(fēng)電產(chǎn)業(yè)帶來(lái)前所未有的技術(shù)、環(huán)境、商業(yè)和供應(yīng)鏈挑戰(zhàn)。目前，傳統(tǒng)的系泊系統(tǒng)概念主要有三種，即懸鏈線(xiàn)式、拉緊(或半拉緊)支腿式及張力腿式。所有現(xiàn)有的系泊系統(tǒng)概念都是基于一種默認(rèn)的“恒定長(zhǎng)度變化張力”的傳統(tǒng)系泊理論。該理論設(shè)定，浮體上的系泊點(diǎn)(如導(dǎo)纜器)與海床上的錨樁點(diǎn)之間的系泊纜的物理長(zhǎng)度是恒定的，這里不包括在張力作用下系泊纜/鏈的線(xiàn)性或非線(xiàn)性拉伸，當(dāng)浮體在海風(fēng)和波浪載荷作用下從其平衡位置發(fā)生水平偏移時(shí)，系泊纜的張力隨著浮體偏移的變化而變化。

4、對(duì)于“恒定長(zhǎng)度變化張力”的系泊系統(tǒng)而言，系泊纜的張力本質(zhì)上是動(dòng)態(tài)的，這是因?yàn)楹ｏL(fēng)和波浪載荷是動(dòng)態(tài)的。在高度動(dòng)態(tài)的臺(tái)風(fēng)波浪載荷作用下，隨著浮體偏移的增加，系泊纜的張力通常會(huì)呈指數(shù)形式增加，系泊纜被拉緊并拉伸到其整個(gè)物理長(zhǎng)10度，直到張力超過(guò)極限值而導(dǎo)致系泊纜被最后拉斷。當(dāng)前，這一傳統(tǒng)“恒定長(zhǎng)度變化張力”系泊理論被視為海上浮式結(jié)構(gòu)物系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)體系的理論基礎(chǔ)。同時(shí)，也是目前所有系泊系統(tǒng)在系泊纜/鏈動(dòng)態(tài)峰值極限張力、疲勞和長(zhǎng)期可靠性等方面面臨技術(shù)挑戰(zhàn)的理論根源所在。目前，懸鏈線(xiàn)式系泊是應(yīng)用最為廣泛的海上浮體定位的系泊系統(tǒng)概念。當(dāng)一個(gè)浮體從其平衡位置發(fā)生水平偏移時(shí)，其系泊纜的懸鏈線(xiàn)形狀通過(guò)懸浮在水中的鋼鏈和/或鋼纜的重量提供所需的順應(yīng)性偏移范圍和水平約束恢復(fù)力。這里通常會(huì)有一段由重鋼鏈組成的系泊纜/鏈平躺在海床上，這樣會(huì)使作用在錨上的垂直方向上的力為零，從而允許使用低成本的拖曳錨。

5、但現(xiàn)有的懸鏈線(xiàn)式系泊的主要缺點(diǎn)是：1)在海床上的覆蓋區(qū)面積大，對(duì)海洋環(huán)境影響大；2)對(duì)于深水20海域，懸鏈線(xiàn)系統(tǒng)重量太重，成本太高；3)對(duì)于淺水海域，由于水柱太淺，系泊纜在浮體上的系泊點(diǎn)到海床上的錨樁點(diǎn)之間無(wú)法形成足夠的懸鏈線(xiàn)形狀來(lái)限制浮體的極限水平偏移，因此在淺水中其定位能力不是很有效。例如，對(duì)于安裝在60至100米左右水深的漂浮式風(fēng)電平臺(tái)，采用懸鏈線(xiàn)式系泊，平臺(tái)的最大水平偏移通常會(huì)超過(guò)水深的30％，由于系泊纜的動(dòng)態(tài)張力與平臺(tái)水平偏移增加呈指數(shù)形式增加，因而對(duì)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)造成很大挑戰(zhàn)；同時(shí)，懸鏈線(xiàn)式系泊纜的在海底的長(zhǎng)度通常是水深的數(shù)倍，因而成本也很高。綜上所述的，現(xiàn)有系泊系統(tǒng)理論和概念存在諸多技術(shù)不足，簡(jiǎn)單采用傳統(tǒng)浮式油氣平臺(tái)的現(xiàn)有系泊系統(tǒng)概念和技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)今浮式風(fēng)電產(chǎn)業(yè)面臨的系泊系統(tǒng)的高成本和高環(huán)境影響的雙重挑戰(zhàn)。隨著海上浮式風(fēng)電技術(shù)進(jìn)入商業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用階段，市場(chǎng)迫切需要一種全新的成本低、環(huán)境影響小、安全性更高的系泊系統(tǒng)概念和技術(shù)解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種變長(zhǎng)度恒張力系泊系統(tǒng)及方法。

2、本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、本發(fā)明涉及一種用于漂浮式海上結(jié)構(gòu)物的變長(zhǎng)度恒張力系泊方法，當(dāng)一個(gè)漂浮式海上結(jié)構(gòu)物，即浮體從初始平衡位置在外部載荷作用下產(chǎn)生水平偏移時(shí)，其系泊系統(tǒng)中系泊纜的內(nèi)部張力通過(guò)一個(gè)連接在浮體上的恒定張力導(dǎo)纜器裝置固定，同時(shí)浮體上的系泊點(diǎn)與海床上的錨樁點(diǎn)之間的系泊纜的物理長(zhǎng)度隨著浮體水平偏移的變化而變化，從而產(chǎn)生一個(gè)系泊系統(tǒng)恢復(fù)力；

4、當(dāng)所述的外部載荷消失時(shí)，在系泊系統(tǒng)恢復(fù)力作用下，浮體回到初始平衡位置的同時(shí)，系泊纜的物理長(zhǎng)度恢復(fù)到初始長(zhǎng)度，系泊纜的內(nèi)部張力不變。

5、進(jìn)一步地，在構(gòu)建浮體及其系泊系統(tǒng)中系泊纜的數(shù)值模型時(shí)，設(shè)置系泊纜的初始張力為恒定張力值，并將系泊纜彈性模量設(shè)置為接近無(wú)限小，即系泊纜在極小的張力增加時(shí)可以被接近無(wú)限地拉長(zhǎng)，使得當(dāng)浮體在外部載荷作用下從其初始平衡位置發(fā)生水平偏移時(shí)，根據(jù)錨樁到與之相對(duì)應(yīng)的恒定張力導(dǎo)纜器裝置之間的直線(xiàn)距離得出系泊纜的長(zhǎng)度的同時(shí)，保證系泊纜的內(nèi)部張力始終等于其初始張力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系泊系統(tǒng)恒定張力物理現(xiàn)象的數(shù)值模擬。

6、本發(fā)明還涉及一種共享單錨變長(zhǎng)度恒張力系泊系統(tǒng)，包括：一套單錨恒定張力系泊系統(tǒng)和一個(gè)浮動(dòng)船體，其中：?jiǎn)五^恒定張力系泊系統(tǒng)包括：一個(gè)位于海床上的共享單錨和至少三條具有恒定張力的系泊纜/鏈及其對(duì)應(yīng)的連接在浮動(dòng)船體上的恒定張力導(dǎo)纜器裝置。

7、所述的共享單錨為可自安裝的混凝土重力錨、吸力錨樁或打入錨樁。

8、所述的系泊纜/鏈為鋼纜、鋼鏈，聚酯纜或尼龍纜或其組合。

9、所述的恒定張力導(dǎo)纜器裝置為連接在浮動(dòng)船體水線(xiàn)下方系泊點(diǎn)上的一種主動(dòng)式張力恒定長(zhǎng)度可變裝置、被動(dòng)式張力恒定長(zhǎng)度可變裝置或半主動(dòng)式張力恒定長(zhǎng)度可變裝置。

10、所述的可自安裝的混凝土重力錨，包括：一個(gè)共享重力錨主體、一個(gè)上部連接結(jié)構(gòu)，其下端連接重力錨主體，上端連接一個(gè)共享錨頭管狀結(jié)構(gòu)、多個(gè)系泊纜連接耳板連接到共享錨頭管狀結(jié)構(gòu)的上端，多個(gè)連接內(nèi)板位于共享錨頭管狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)部、一個(gè)下錐頭結(jié)構(gòu)嵌入海底土壤中。

11、所述的可自安裝包括：混凝土重力錨在碼頭組裝，處于漂浮狀態(tài)；通過(guò)拖輪將混凝土重力錨濕拖至海上風(fēng)場(chǎng)位置；向空倉(cāng)內(nèi)注入壓載水使整個(gè)混凝土重力錨下沉到海底；在下沉過(guò)程中，混凝土重力錨的下錐頭在重力作用下嵌入海底的泥面以下，完成自安裝流程。當(dāng)浮動(dòng)船體從初始平衡位置在外力作用下產(chǎn)生水平偏移時(shí)，其共享單錨恒定張力系泊系統(tǒng)中每一條系泊纜的內(nèi)部張力被固定于一個(gè)恒定值，同時(shí)每一條系泊纜的有效長(zhǎng)度，即浮動(dòng)船體上的系泊點(diǎn)與海床上的錨樁點(diǎn)之間的系泊纜的物理長(zhǎng)度，隨著浮動(dòng)船體水平偏移的變化而變化，其中有的系泊纜的有效長(zhǎng)度變長(zhǎng)，有的變短，從而產(chǎn)生一個(gè)系泊系統(tǒng)恢復(fù)力；當(dāng)外部作用力消失時(shí)，在系泊系統(tǒng)恢復(fù)力作用下，浮動(dòng)船體回到初始平衡位置，每一條系泊纜的有效長(zhǎng)度恢復(fù)到初始長(zhǎng)度，每一條系泊纜的內(nèi)部張力不變。

12、本發(fā)明還涉及一種多錨變長(zhǎng)度恒張力系泊系統(tǒng)，包括：多個(gè)位于海床上的錨樁和多條相對(duì)應(yīng)的具有恒定張力的系泊纜/鏈、一個(gè)浮動(dòng)船體和多套恒定張力系泊系統(tǒng)分系統(tǒng)。

13、所述的恒定張力系泊系統(tǒng)分系統(tǒng)包括：一個(gè)固定于海床上的錨樁、一條系泊纜/鏈及一個(gè)相對(duì)應(yīng)的連接在浮動(dòng)船體上的恒定張力導(dǎo)纜器裝置。

14、所述的多個(gè)位于海床上的錨樁在海底以浮動(dòng)船體為中心呈幾何對(duì)稱(chēng)向外向下延伸均勻布置，每個(gè)錨樁到相應(yīng)的浮動(dòng)船體上的恒定張力導(dǎo)纜器裝置的水平距離通常設(shè)定為水深的50％左右。

15、所述的多條系泊纜/鏈的每一根系泊纜的一端連接到相應(yīng)的一個(gè)恒定張力導(dǎo)纜器裝置，另一端連接到相應(yīng)的位于海底的一個(gè)錨樁。

16、所述的系泊纜/鏈的內(nèi)部張力為一個(gè)恒定值。

17、本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種多錨變長(zhǎng)度恒張力系泊方法，當(dāng)浮動(dòng)船體從初始平衡位置在外力作用下產(chǎn)生水平偏移時(shí)，其多錨恒定張力系泊系統(tǒng)中每一條系泊纜的內(nèi)部張力被固定于一個(gè)恒定值，同時(shí)每一條系泊纜的有效長(zhǎng)度，即浮動(dòng)船體上的系泊點(diǎn)與海床上的錨樁點(diǎn)之間的系泊纜的物理長(zhǎng)度，隨著浮動(dòng)船體水平偏移的變化而變化，其中連接浮動(dòng)船體遠(yuǎn)離的錨樁的系泊纜的有效長(zhǎng)度變長(zhǎng)，連接浮動(dòng)船體靠近的錨樁的系泊纜的有效長(zhǎng)度變短，從而產(chǎn)生一個(gè)系泊系統(tǒng)恢復(fù)力；當(dāng)外部作用力消失時(shí)，在系泊系統(tǒng)恢復(fù)力作用下，浮動(dòng)船體回到初始平衡位置，每一條系泊纜的有效長(zhǎng)度恢復(fù)到初始長(zhǎng)度，每一條系泊纜的內(nèi)部張力不變。

18、技術(shù)效果

19、本發(fā)明突破了傳統(tǒng)的“恒定長(zhǎng)度變化張力”系泊理論，提出了新的“可變長(zhǎng)度恒定張力”系泊理論。

20、第二，基于這一新的系泊理論，為海上浮動(dòng)結(jié)構(gòu)物提出兩種新型系泊系統(tǒng)及方法，即本發(fā)明披露的共享單錨變長(zhǎng)度恒張力系泊系統(tǒng)及多錨變長(zhǎng)度恒張力系泊系統(tǒng)。

21、第三，本發(fā)明共享單錨恒定張力系泊系統(tǒng)在海床上的占地面積只有一個(gè)錨樁大小，從海底錨樁到水面浮體之間被系泊系統(tǒng)所擾動(dòng)的海水體量很小，因此對(duì)海洋環(huán)境和海洋生物產(chǎn)生的不利影響也很小。第四，本發(fā)明共享單錨變長(zhǎng)度恒張力系泊系統(tǒng)的成本比傳統(tǒng)多錨懸鏈線(xiàn)式系泊系統(tǒng)要低50％以上。第五，與現(xiàn)有常規(guī)系泊系統(tǒng)(包括懸鏈線(xiàn)式、拉緊支腿式和張力腿式)相比，本發(fā)明變長(zhǎng)度恒張力系泊系統(tǒng)中系泊纜的最大張力(靜態(tài)張力+動(dòng)態(tài)張力)要小得多，理論上，本發(fā)明恒定張力系泊系統(tǒng)中系泊纜/鏈的張力只有靜態(tài)部分，其動(dòng)態(tài)部分為零，從而極大提高了系泊系統(tǒng)的安全性、可靠性和疲勞壽命。