用于安装适合于支撑海上风力涡轮机的桩柱的船舶和方法
阅读说明：本技术 用于安装适合于支撑海上风力涡轮机的桩柱的船舶和方法 (Vessel and method for installing a pile suitable for supporting an offshore wind turbine ) 是由 D·T·W·A·韦赫梅热尔 M·M·斯德弗雷根 于 2020-04-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于安装适合于支撑海上风力涡轮机的桩柱(50)的船舶(1)和方法。该方法包括以下步骤：a)在基本上竖直的定向上将桩柱(50)从起重缆绳(20)悬吊下来；b)在持桩系统(42)中提供桩柱(50)的下端,从而限制由所述持桩系统(42)固持的桩柱部分的水平运动；以及c)在所述持桩系统(42)固持所述桩柱的情况下降低所述桩柱(50),其中降低至少包含降低所述桩柱通过水体的飞溅区,其中在步骤c)期间,在持桩系统(42)与起重缆绳(20)之间的位置处,两条卷扬机钢丝(32、33)直接或间接连接到所述桩柱(50),操作所述卷扬机钢丝(32、33)以在两个各自的水平方向上抑制所述桩柱的运动。(The invention relates to a vessel (1) and a method for installing a pile (50) suitable for supporting an offshore wind turbine. The method comprises the following steps: a) suspending the pile (50) from the load line (20) in a substantially vertical orientation; b) providing a lower end of a pile (50) in a pile handling system (42) limiting horizontal movement of a pile portion held by the pile handling system (42); and c) lowering the pile (50) with the pile holding system (42) holding the pile, wherein lowering at least comprises lowering the pile through a splash zone of the body of water, wherein during step c) at a location between the pile holding system (42) and the load line (20) two hoist wires (32, 33) are connected directly or indirectly to the pile (50), the hoist wires (32, 33) being operated to inhibit movement of the pile in two respective horizontal directions.)
技术领域
本发明涉及一种用于安装适合于支撑海上风力涡轮机的桩柱的船舶和方法。
背景技术
在用于安装海上风力涡轮机的已知方法中，桩柱形式的基座首先通过将桩柱打入海底来安装，然后或者通过作为整体一次安装风力涡轮机，或者通过将风力涡轮机分批地组装在桩柱上而将风力涡轮机安装在桩柱上。
存在朝向更大风力涡轮机的趋势并且希望在具有比当前遇到的水深更深的位置处安装海上风力涡轮机。这两者都会导致基座更大更重。因此，预期在不久的将来，需要安装大于100米、可能120米或更大的桩柱。此类桩柱的重量可能大于1000mt，可能为1300mt或更重。
桩柱的安装目前使用自升式船舶来完成，其中支腿降入水中以将船舶至少部分地提升以离开水，使得波浪对船舶的影响有限或最小。其示例可以在EP2886722A1中找到。
尽管波浪对自升式船舶的影响有限或最小，但是在降低过程中，波浪和风对桩柱本身可能具有不可忽略的影响，从而在经由起重缆绳从起重机悬吊下来时导致桩柱的摇摆，即钟摆式运动。为了抑制这些运动，EP2886722A1教示使用具有可相对于船舶上的支撑结构移动的抓握构件的抓握构造，其中提供运动阻尼装置以抑制抓握构件相对于支撑结构的运动，从而抑制桩柱横向于其纵向方向的摆动运动。
EP2886722A1的教示的缺点在于，运动阻尼装置仅导致抑制桩柱像钟摆一样摆动的刚性主体本征模式或零本征模式。运动阻尼装置几乎不会抑制较高的本征模式，因此尤其在能够激发这些较高本征模式的更严重的波浪和风条件下，桩柱不期望地移动，从而阻碍所述桩柱的安装。随着未来桩柱的预期长度增加，此问题也会增加。
发明内容
因此，本发明的目标是提供一种用于安装适合于支撑海上风力涡轮机的桩柱的船舶和方法，所述船舶和方法分别允许在更恶劣的风和波浪条件下安装桩柱。
根据本发明的第一方面，提供一种用于安装适合于支撑海上风力涡轮机的桩柱的方法，所述方法包括以下步骤：
a)在基本上竖直的定向上将桩柱从起重缆绳悬吊下来；
b)在持桩系统中提供桩柱的下端，从而限制由持桩系统固持的桩柱部分的水平运动；以及
c)在持桩系统固持桩柱的情况下降低桩柱，其中降低至少包含降低桩柱通过水体的飞溅区，
其中在步骤c)期间，在持桩系统与起重缆绳之间的位置处，两条卷扬机钢丝直接或间接连接到桩柱，操作所述卷扬机钢丝以在两个各自的水平方向上抑制桩柱的运动。
此方法的优点在于，将桩柱的水平位置控制在两个不同的高度水平处，使得当受到波浪和/或风的激发时，可以有效地抑制更多的本征模式(eigenmode)，从而允许在更恶劣的风和波浪条件期间进行安装。
如果技术人员考虑将桩柱的水平位置控制在两个不同的高度水平处，则他将使用本领域已知的两个持桩系统并将它们布置在彼此之上，而不是使用持桩系统和卷扬机系统的组合，因为EP2886722A1教示使用一个此种持桩系统，而US2015/0110582A1教示不要使用卷扬机钢丝，因为它们仅拉动负载而不推动负载。然而，本发明人发现使用作用在不同水平方向上的两条卷扬机钢丝也可以充分地抑制桩柱运动。
在一个实施方案中，水体(即，海)中的波浪具有在平面图中看到的波浪传播方向。此外，两条卷扬机钢丝中的一条(即，第一卷扬机钢丝)在平面图中看到的第一卷扬机牵引方向上从持桩系统与起重缆绳之间的位置延伸，而两条卷扬机钢丝中的另一条(即，第二卷扬机钢丝)在平面图中看到的第二卷扬机牵引方向上从持桩系统与起重缆绳之间的位置延伸。第一和第二卷扬机牵引方向限定将第一和第二卷扬机牵引方向之间的角度分成两个相等部分的内部平分线。优选地，定位第一和第二卷扬机牵引方向，使得波浪传播方向在垂直于平分线的方向与垂直于第一卷扬机牵引方向的方向之间，或在垂直于平分线的方向与垂直于第二卷扬机牵引方向的方向之间。其优点可以是在桩柱本征模式的整个周期期间，两条卷扬机钢丝中的至少一个能够将拉力施加到桩柱，这导致本征模式的更有效抑制。
在一个实施方案中，根据对桩柱的下降控制来控制两条卷扬机钢丝的操作，因为即使在不抑制运动的情况下，两条卷扬机钢丝也必须跟随桩柱的降低。
在一个实施方案中，在将负载连接器或附接装置连接到桩柱的上端之前，至少两条卷扬机钢丝连接到负载连接器或附接装置。
根据本发明的第二方面，提供一种用于安装适合于支撑海上风力涡轮机的桩柱的船舶，所述船舶包括：
-起重机，其具有起重缆绳和起重绞车，从而在基本上竖直定向上悬吊桩柱并且降低桩柱；
-持桩系统，其用于固持桩柱并且限制由持桩系统固持的桩柱部分的水平运动；
-卷扬机系统，其包含两条卷扬机钢丝和对应卷扬机绞车，所述卷扬机钢丝可在持桩系统与起重缆绳之间的位置处直接或间接连接到桩柱；以及
-控制系统，其用于控制起重绞车和两个卷扬机绞车，以使用起重绞车在桩柱由持桩系统固持的情况下降低桩柱，并且使用两个卷扬机绞车在两个各自的水平方向上抑制桩柱的运动。
在一个实施方案中，卷扬机系统设置在起重机上。
在一个实施方案中，起重机包括吊杆，所述吊杆可旋转地连接到一个结构以围绕基本上水平的旋转轴旋转，其中所述结构包括扩展器，以朝向持桩系统与起重缆绳之间的位置引导在吊杆的相对侧处的两条卷扬机钢丝。
在一个实施方案中，持桩系统与起重缆绳之间的位置在桩柱的上端上。
在一个实施方案中，持桩系统与起重缆绳之间的位置在由起重缆绳悬吊的负载连接器处。
在一个实施方案中，持桩系统与起重缆绳之间的位置在负载连接器与桩柱的上端之间的附接装置处。
在一个实施方案中，两条卷扬机钢丝包含第一卷扬机钢丝和第二卷扬机钢丝，其中卷扬机系统进一步包括用于第一卷扬机钢丝的第一卷扬机绞车以及用于第二卷扬机钢丝的第二卷扬机绞车，并且其中优选地第一和第二卷扬机绞车布置在起重机上，例如，在起重机的结构或吊杆上。
在一个实施方案中，卷扬机系统包含：第一卷扬机滑车轮，用于在第一卷扬机绞车与所述位置之间引导第一卷扬机钢丝；以及第二滑车轮，用于在第二卷扬机绞车与所述位置之间引导第二卷扬机钢丝，其中优选地第一和第二滑车轮布置在扩展器上。
在一个实施方案中，卷扬机系统布置在船舶的甲板上，或船舶上除起重机之外的另一结构上。
在一个实施方案中，持桩系统被配置成在与固持在持桩系统中的桩柱的基本上水平定向相对应的定向和与固持在持桩系统中的桩柱的基本上竖直定向相对应的定向之间枢转，并且其中所述卷扬机系统与持桩系统以及在持桩系统的任何定向上固持在持桩系统中的桩柱和固持在持桩系统中的管道基本上对准。
在一个实施方案中，两条卷扬机钢丝在基本上水平的方向上从持桩系统与起重缆绳之间的位置延伸。这可以通过在高于船舶的上甲板的升高位置处使用滑车轮将卷扬机钢丝导向持桩系统与起重缆绳之间的位置来实现，但也可以通过将整个卷扬机系统布置在高于船舶的上甲板的升高位置处来实现。
附图说明
现将参考附图以非限制性方式描述本发明，其中使用相似附图标记指示相似元件，并且在附图中：
图1示意性地描绘将用于船舶上和/或将用于根据本发明的实施方案的方法中的起重机；
图2示意性地描绘根据本发明的实施方案的船舶，其包含图1的起重机；
图3示意性地描绘图1的起重机的卷扬机系统的负载连接器和牵引方向的平面图；
图4示意性地描绘根据本发明的另一个实施方案的具有在基本上水平定向上的桩柱的船舶；以及
图5示意性地描绘具有在基本上竖直定向上的桩柱的图4的船舶。
具体实施方式
图1和图2示意性地描绘根据本发明的实施方案的船舶1以及将用于船舶1上和/或根据本发明的实施方案的方法中的起重机10。图1示意性地描绘与船舶1隔离的起重机10，并且图2示意性地描绘包含起重机10的船舶1，同时执行根据本发明的实施方案的方法。
所示的起重机10是装在支座上的起重机，但是本领域技术人员将清楚，本发明也可以与例如桅杆式起重机的其它类型的起重机一起使用。在此实施方案中，起重机10包含基座11、围绕基本上竖直的旋转轴相对于基座可旋转的结构12以及围绕基本上水平的旋转轴14相对于结构12可旋转的吊杆13。
起重机10可以进一步包括在结构12的上端与吊杆13的上端之间延伸的俯仰缆绳15，所述俯仰缆绳15被配置成使用俯仰绞车(未示出)拉进或放出，以相对于结构12设置吊杆13的角度定向。俯仰绞车可以布置在结构12内部。
起重机10进一步包括具有起重缆绳20的起重系统；连接到起重缆绳的负载连接器21；以及在起重缆绳上操作以降低或提升负载连接器21的起重绞车(未示出)。起重绞车还可以布置在结构12内部，其中起重缆绳20优选地经由旋转轴14处或附近的位置在起重绞车与负载连接器之间延伸，使得起重机使用俯仰缆绳15的俯仰操作最低限度地影响在吊杆13的上端与负载连接器21之间延伸的起重缆绳的长度。
在图1和图2的实施方案中，起重机10还配备有卷扬机系统，在此实施方案中，所述卷扬机系统包含：
-第一卷扬机绞车30；
-第二卷扬机绞车31；
-第一卷扬机钢丝32；
-第二卷扬机钢丝33；
-第一滑车轮34；以及
-第二滑车轮35。
第一卷扬机钢丝32被配置成经由第一滑车轮34从第一卷扬机绞车30延伸到负载连接器21，而第二卷扬机钢丝33被配置成经由第二滑车轮35从第二卷扬机绞车31延伸到负载连接器21。
为了避免第一卷扬机钢丝32和第二卷扬机钢丝33与吊杆13之间的干扰，结构12配备有扩展器16，其中第一滑车轮34和第二滑车轮35以相对较大的水平距离固定到扩展器16，从而允许第一卷扬机钢丝32和第二卷扬机钢丝33经过吊杆13并且连接到负载连接器21。扩展器16的另一优点在于，第一卷扬机钢丝32和第二卷扬机钢丝33在不同方向上从负载连接器延伸，并且因此能够在不同水平方向上将力施加到负载连接器12。
在图2中，起重机10布置在船舶1上，更具体来说，布置在船舶1的上甲板2上。船舶1是自升式船舶，其中支腿3可以降入水中以将船舶1至少部分地提升以离开水，使得波浪对船舶1的影响有限或最小。
船舶进一步包含布置在上甲板2上的持桩系统40。持桩系统包括支撑结构41以及由支撑结构41支撑的桩架42。桩架42包含抓握装置43，用于与桩柱50接合以固持桩柱50并且限制由桩架42固持的桩柱部分的水平运动。抓握装置43可以配备有多个滚子以与桩柱接合从而固持桩柱，并且允许桩柱相对于桩架在平行于桩柱的纵向轴线的方向上移动，同时限制由桩架42固持的桩柱部分的侧向运动。
与图2中所示的桩柱50类似的桩柱可以在船舶1上或在单独的供应船上以水平定向存储和/或运输。因此，在这种情况下，起重机10可以用于提升一端，即桩柱50的上端，直到桩柱在如图2中所示的基本上竖直定向上从起重缆绳悬吊下来。为此目的，附接装置22可以用作桩柱50与负载连接器21之间的接口，所述附接装置22可以被配置成允许桩柱50相对于负载连接器21旋转，而不彼此干扰。
在竖直定向上提供桩柱50之后，桩柱50的下方部分或下端设置在持桩系统40的桩架42中。因此，桩柱50的下方部分的位置由持桩系统40控制，并且桩柱50的上方部分的位置使用起重缆绳20(用于竖直定位)和两条卷扬机钢丝32、33(用于水平定位)控制。
当使用起重缆绳20降低桩柱50时，桩柱50将首先通过水体的飞溅区，所述飞溅区是在将桩柱降低到水中时并且在桩柱经受波浪的地方从空气到水的过渡。船舶1(优选起重机10)包含控制系统，用于控制起重绞车和两个卷扬机绞车30、31以在桩柱50由持桩系统40固持的情况下使用起重绞车降低所述桩柱，并且使用两个卷扬机绞车30、31在两个各自的水平方向上抑制桩柱50的运动。因此，当波浪和/或风激发刚性主体本征模式或更高本征模式时，持桩系统和卷扬机系统能够在降低桩柱50期间抑制所导致的运动。这使得能够安装适合于在更恶劣的风和/或水条件下支撑海上风力涡轮机的桩柱。
可替代地，卷扬机系统可以由第二持桩系统替换，但这将使船舶显著地复杂化，因为相对较大且沉重的第二持桩系统应布置在另一持桩系统40上方。此外，两个持桩系统之间的竖直距离将始终是优选地允许两个持桩系统在尽可能长的降低高度上固持桩柱的小距离与优选地在桩柱的下方部分由下部持桩系统固持时在初始降低期间将桩柱适当地固持在适当位置的大距离之间的折衷。
图3以平面图示意性地描绘负载连接器21，其中第一卷扬机钢丝32和第二卷扬机钢丝33远离负载连接器延伸。第一卷扬机钢丝32在第一卷扬机牵引方向TP1上从负载连接器21延伸，并且第二卷扬机钢丝33在第二卷扬机牵引方向TP2上从负载连接器21延伸。第一卷扬机牵引方向TP1和第二卷扬机牵引方向TP2限定将第一和第二卷扬机牵引方向之间的角度分成两个相等部分α和β的内部平分线BI。优选地，在安装桩柱期间，定位第一和第二卷扬机牵引方向，使得波浪在海中的波浪传播方向如使用实线阴影所指示在垂直于平分线BI的方向D1与垂直于第一卷扬机牵引方向TP1的方向D2之间，或如使用虚线/气泡阴影所指示在垂直于平分线BI的方向D1与垂直于第二卷扬机牵引方向TP2的方向D3之间。其优点可以是在负载连接器在基本上平行于波浪传播方向的方向上移动的桩柱本征模式的整个周期期间，两条卷扬机钢丝32、33中的至少一条能够将拉力施加到桩柱，这导致更有效地抑制本征模式。
尽管以上示例将卷扬机系统描述为起重机的一部分或布置在起重机上，但是卷扬机系统也可以设置在船舶上的其它地方，包含但不限于布置在船舶的甲板、持桩系统或单独的船舶上。现在下文将更详细地描述设置在船舶的甲板上的卷扬机系统的示例。
图4和图5描绘根据本发明的另一个实施方案的船舶1。图4仅描绘桩柱50、持桩系统40、卷扬机系统，以及起重机10的一部分。在图4中，桩柱50处于基本上水平的定向上。图5描绘桩柱50、持桩系统40、卷扬机系统的一部分和起重机10，其中桩柱50在基本上竖直的定向上。
船舶1是自升式船舶，其中支腿3(在图4中部分可见，但在图5中完全可见)可以降入水W中以经由其对应支脚3a与海底B接合，以便将船舶1至少部分地提升以离开水W，使得波浪对船舶1的影响有限或最小。
持桩系统40布置在船舶1的上甲板2上。持桩系统40包括支撑结构41以及由支撑结构41支撑的桩架42。桩架42可以包含抓握装置，用于与桩柱50接合以固持桩柱并且限制由桩架42固持的桩柱部分的侧向运动。侧向运动是垂直于桩柱50的纵向轴线51的运动。
持桩系统40被配置成使得桩架42可围绕基本上水平的枢转轴PA在如图4中所示与由桩架42固持的桩柱50的基本上水平定向相对应的桩架42的基本上竖直定向和如图5中所示与由桩架42固持的桩柱50的基本上竖直定向相对应的桩架42的基本上水平定向之间枢转。由于桩柱50的长度，所述桩柱通常在基本上水平的定向上运输。具有能够如上文所描述那样枢转的桩架42使得能够将桩柱50引入桩架42中，同时仍处于水平定向上，由此使桩架42有助于在竖立期间引导桩柱50的下端。
持桩系统40进一步包含附接到桩架42的底端支撑件BES，使得底端支撑件BES能够与桩架42一起枢转。底端支撑件BES被配置成与桩柱50的底端接合，以在竖立期间固持底端。
桩柱50的竖立通过使用起重机10实现。起重机10可以与图1和图2中的实施方案的起重机10具有相似类型和设计。图4描绘起重系统的一部分。起重系统包含起重缆绳20以及连接到起重缆绳20的负载连接器(例如，挂钩)21。
起重机10用于提升一端，即桩柱50的上端，直到桩柱在如图5中所示的基本上竖直的定向上从起重缆绳20悬吊下来。为此目的，附接装置22可以用作桩柱50与负载连接器21之间的接口，所述附接装置22可以被配置成允许桩柱50相对于负载连接器21旋转，而不彼此干扰。
当桩柱50处于基本上竖直的定向上且桩柱50的总重量由起重机10承载时，可以移除或移开底端支撑件BES以允许桩柱50降入水W中。
卷扬机系统包含可由相应卷扬机绞车31操作的卷扬机钢丝32。在图4和5中示出卷扬机钢丝32，并且在图4中仅示出对应卷扬机绞车31。卷扬机绞车31布置在船舶1的上甲板2上。卷扬机系统还包含布置在船舶1的上甲板2上的滑车轮34以及布置在附接装置22上的滑车轮35。如图4中所示，卷扬机钢丝32经由滑车轮34从卷扬机绞车31延伸到滑车轮35，然后返回到上甲板2，例如被附接到滑车轮34或接近滑车轮34。卷扬机钢丝32然后在持桩系统40与起重缆绳20之间的位置处间接地连接到桩柱50，即连接到附接装置22。
在所示实施方案中，当桩柱处于基本上水平定向上时，卷扬机绞车31和卷扬机钢丝32布置在桩柱50下方。这表示在桩架42和桩柱50的任何定向上，卷扬机系统与持桩系统40和桩柱50对准。
当使用起重缆绳20降低桩柱50时，桩柱50将首先通过水W的飞溅区，所述飞溅区是在将桩柱50降低到水W中时并且在桩柱50经受波浪的地方从空气到水的过渡。船舶1(可能起重机10)包含控制系统，用于控制在起重缆绳20上操作的起重绞车以及卷扬机绞车31以在桩柱50由持桩系统40固持的情况下使用起重绞车降低所述桩柱，并且使用卷扬机绞车31在水平方向上抑制桩柱50的运动。因此，当波浪和/或风激发刚性主体本征模式或更高本征模式时，持桩系统40和卷扬机系统能够在降低桩柱50期间抑制所导致的运动。这使得能够安装适合于在更恶劣的风和/或水条件下支撑海上风力涡轮机的桩柱。
尽管在图4和图5的实施方案中，卷扬机系统包含仅一条卷扬机钢丝和对应卷扬机绞车，但是卷扬机系统可以例如在图1和图2的实施方案中所示配备有额外卷扬机钢丝和对应卷扬机绞车，以在至少两个不同的水平方向上实现抑制。卷扬机系统然后可以总体上与持桩系统和桩柱对准，但是其部分，例如单独的一对卷扬机钢丝和卷扬机绞车可以不对准。因此，卷扬机系统围绕在水平和竖直定向上延伸穿过桩柱的纵向轴线的平面进行对称布局，所述对称布局也可以称为对准的卷扬机系统。
尽管以上示例表明两条卷扬机钢丝连接到负载连接器，但是任何其它位置也是可能的，包含但不限于在负载连接器与桩柱的上端或桩柱自身的上端之间的附接装置。
尽管整个描述表明两条卷扬机钢丝，即第一和第二卷扬机钢丝的使用，但是还设想使用大于两条卷扬机钢丝，因此使用三条、四条或更多条卷扬机钢丝。还可以存在两条卷扬机钢丝的多个组，每一组被配置成作用于桩柱的不同部分上或者作用于桩柱的相同部分上但在不同的时间段期间。例如，两条卷扬机钢丝的第一组可以在第一降低阶段期间在桩柱上操作(直接或间接)，而两条卷扬机钢丝的第二组可以在后续降低阶段期间在桩柱上操作。当桩柱具有相对较大的长度并且下降可能导致卷扬机钢丝与其它卷扬机钢丝相比获得相对于桩柱不那么优选的定向时，这很可能是这种情况，从而使得这些卷扬机钢丝可以接管阻尼过程。