用于海上風機維護程序的天氣維護系統的制作方法
【專利說明】用于海上風機維護程序的天氣維護系統
[0001] 發明背景
[0002] 相關申請的交叉引用
[0003] 本申請要求于2013年3月15日提交的先前美國臨時專利申請號61/793,822的 權益。 發明領域
[0004] 本發明涉及對安裝在位于水體中的塔架上的風機的維護，并且更具體來說塔架和 風機均涉及用于向/從此類風機運輸工人或維護人員、工具以及零件的囊艙、用于向/從塔 架運輸此類囊艙的維護船舶，且涉及風機塔架上的用于促進囊艙的運輸的結構。
【背景技術】
[0005] 風機當前正用于或預期將用于海上的風電場。風電場本質上是設置在同一個場 所中以產生大量電力的多個風機。目前，在全世界的許多國家擁有數千個風電場來產生約 200千兆瓦特電能，并且預期這個數字在未來十年內驚人地增加，這是因為低成本供油被耗 盡并且對核能的恐懼因事故增加。僅在許多區域受到因燃煤電廠造成的空氣污染的影響的 中國，預期在數年內從風電場產生近750千兆瓦特電能。許多的風電場都在海上，因為風在 海上要比在陸地上更少受阻，使得在開闊水域上平均風速顯著更高。然而，海上風電場的構 建要比陸上風電場的構建更為昂貴，并且維護成本相對更高，在鹽水中尤其如此，因為鹽水 和海浪對風機的大多數部件有腐蝕性。在海上的大多數風電場具有描述為底部被固定的渦 輪機的風機，即，這些風機將它們的支撐塔架建立在海床上。近來，已構造出漂浮式風機，這 些漂浮式風機被錨定至處于甚至更深水域中的海床。電力借助海底線纜從海上渦輪機機傳 輸出來。
[0006] 其中必須在海上風電場中考慮到的狀況是波浪。波浪通常是在2. 5m以下，且平均 值應考慮為3m。然而，偶然也會出現狂浪狀況，并且最大成形波浪已確定為9. 7m。當前，出 于安全原因，當漲潮狀況超過I. 5m時，此時通常不應嘗試進行風機維護。
[0007] 存在當前可供風電場采用的許多維護系統。一種是階梯傳送系統。在這種系統中， 船舶從港口起航并按需要在相應風機上進行操作和維護。人從船舶走下登上保持住風機的 塔架上的梯子，并將他們自己系至位于梯子的兩個豎直極點之間的滑動安全束繩，并隨后 按需要向上攀爬。對使用階梯傳送系統的安全傳送而言，最大波浪高度通常是1.5m。階梯 傳送系統使用廣泛，并相對簡單且成本有效。然而，存在安全問題，并且可能難以在存在高 于I. 5m的高涌流或波浪高度時的時段期間執行所需的操作和維護。狂浪時段的出現可能 延滯進入和阻止離開，從而增加執行操作和維護的總體時間，并使有限數量的維護人員滯 留在風機塔架裝置上，這使階梯傳送系統效率變低。所需的是，風機塔架應當在約95%的時 間內都可進入，但已發現，階梯傳送系統夏季在約75%的時間內可供操作，而在冬天僅在低 于45%的時間內可供操作。這已判斷出，階梯傳送系統不可能是用于許多風電場的最佳方 法。
[0008] 另一系統涉及使用升降機和起重機，并且這目前是將工具和裝置傳送給海上渦輪 機上的工作人員的行業標準。升降機和起重機用于傳送裝置，但很少傳送人，這些傳送全都 要在相對良好天氣下進行。
[0009] 另一系統稱為"Waterbridge"，它是附接至船舶并通過將線纜附接至風機基座來 通向風機的可充氣橋。線纜保持與恒定張力絞盤的張緊。該技術的目標在于通過被動使用 可充氣橋吸收船舶運動，并且船舶將會具有與錨泊時將具有的相同運動。在使用中，船舶接 近風機基座，并且線纜經由過渡件上的一組向上彎曲"犀牛角狀部分"被鉤住。線纜張緊并 且船舶從風機處撤退。隨后，可充氣橋絞起線纜以與渦輪機塔架上的梯子積極接觸。人員 隨后跨越橋傳送至梯子。Waterbridge是具有成本效益的，因為它可在必要時從船舶上部署 并且對于所有渦輪機而言僅需一個平臺。它可被改型到現有進入船只。出于安全目的，需 要下落牽索。然而，針對Waterbridge僅執行有限現場測試。另一缺點在于，邊界浪涌狀況 下的傳送可能較為困難，因為Waterbr i dge被固定在禍輪機處，并且Waterbr i dge仍將在船 只端部處顯著地上下移動，因為它僅使用波浪的被動阻尼。
[0010] Ampelmann是獨立海上進入系統。Ampelmann必須與大型船舶一起使用。使用逆 航行模擬器補償船只下方的波浪運動相當復雜。Ampelmann已被用于油氣工業。它能夠在 長度超過50m的任何船舶上使用，并能夠被個子小的船員使用。它無需對船舶的動態定位 或調整。然而，它非常昂貴且可能不具成本效益。它還相當復雜，具有需要高維護的復雜移 動零件。另一問題在于液壓裝置可能泄漏。
[0011] Momac海上傳送系統500 ( "MOTS 500"）是用于通過主動補償船舶運動而非通過 液壓裝置和阻尼的被動補償提供至海上結構的安全通路的自穩定系統。MOTS 500使用已被 證明的機器人技術以及實時運動測量裝置。它可安裝在小型快速船舶上，并可用于現有傳 送結構而不需要修改。已經發現，MOTS 500即使在功率擊穿或其它故障的情況下仍是安全 的，并且需要低程度的維護并且具有適合于航海的構造 。MOTS 500的問題是先前并未在海 上風機項目中測試過。它無法改型至現有船舶，并且必須能夠在船尾/船首處運載最少三 噸重量。
[0012] 海上進入系統/海上傳送系統（"0AS/0TS"）本質上是Waterbridge和Ampelmann 的組合。0AS/0TS是從船只延伸到禍輪機的被動橋，并以與Waterbridge相同的方式錨定在 渦輪機上，并以類似Ampelmann部署的方式來部署。有效的是，它固定到渦輪機塔架處的梯 子，并且允許更長的時間來將下落牽索固定在梯子處。然而，0AS/0TS體積較大，需要大型 船舶。它僅通過現有實踐針對狂浪高度做出小的改進。過渡件將可能需要若干修改。OAS/ OTS尚未用于海上風機，并且可能成本很高。
[0013] 小型水線面雙體船（"SWATH"）是用于維護風機的另一種可能手段。這種系統使 用作為非常穩定的船舶的特殊類型的雙體船。前述階梯傳送系統可在人員將被傳送至渦輪 機時用雙體船或供安裝在雙體船舶上特殊設計的平臺實現。SWATH已在北海使用多年，并 可與可部署的增強可充氣船只（"RIB"）一起使用。此外，雙體船將減少暈船發生。然而， 雙體船確實具有約3m的的的吃水深度，這將限制它的淺水操作。此外，提議的雙體船將長 29m，這是相當長的，并且將會增加系統操作費用。
[0014] 用于海上風機的維護的另一可能系統是安全海上港口（ "SASH"，這是瑞典語的縮 寫）。SASH是船塢系統，其中登上固定結構的人可通過從一水平面僅踏一步至另一個水平 面上實現踏至其上。這個過程使得登船人員暴露于或易受風險時間減至最小。船只為系統 的集成部分，并有利于至固定結構的傳送，因為它有提升平臺。系統本身具有若干提升平 臺，以供踏到風機塔架的提升平臺上。船只可以圍繞船塢點在船只與塔架之間移動180°。 完整SASH系統針對每個風機具有兩個對角安裝的粧，使得船只能夠始終乘浪而行。就橫搖 和豎直移動而言，船只的船首和護欄使得有可能使用船只引擎控制保持船只穩定所需的摩 擦力。登船人員不需要跳躍或攀爬，而是能夠在無應力且無任何時間壓力的情況下從一個 固定結構踏上另一固定結構。這是快速且改進的方法。然而，由于壓點之間僅僅存在單個 鉸接位點，因此這會在可能使這個系統不安全的高海況期間放大平臺與船舶間的間隙。而 且，SASH系統可能不適用于所有基座類型。它未針對潮汐進行適配，這種適配將被認為是 必要的。這個系統當前僅僅用于瑞典燈塔并且需要船舶船長技術水平較高。
[0015] 滑梯（"SLILAD"）是來自生產前述MOTS 500的德國公司（Momac GmbH&Co. KG.) 的安裝在渦輪機上的被動系統。在操作中，SLILAD被固定到船舶，使得當人員跨過梯子時， 并不存在相對移動。一旦人員安全登上SLILAD，那么如果在SLILAD與平臺之間沒有相對移 動，SLILAD就變為固定到平臺并且人員能夠攀登到平臺上。由于SLILAD具有自動潮位調 整，因此在后者所用部分上將不生長出貽貝或植物。SLILAD具有簡單的且適合于航海的構 造，并且易于使用。然而，Momac不再開發SLILAD，因此這此后將不會進行市售。存在涉及 維護SLILAD的費用，并存在因大量移動零件而損壞的風險。
[0016] 直升飛機傳送是眾所周知的。直升吊拉器墊安裝在每個風機上。人和裝置一次向 下吊送一個。使用直升機可傳送最多五名技術人員。直升飛機是昂貴的，并且雖然它們能夠 在多種海況下操作，但是如果是在惡劣天氣下或風機正在操作時，它們當然也會發生危險。 直升飛機傳送是快速的，但卻非常昂貴，而且人員數量以及每次運送可運載的裝置量有限。 存在風險、健康和安全的擔憂。直升飛機具有更高維護需求，能效相對較低，且受操作范圍 限制。
[0017] 另一可能系統是人員傳送系統（"PTS")，它是僅在此時開發出的起重機和絞盤系 統。它是遠程操作，并且涉及帶模糊邏輯控制的船舶。它可將一個裝置負載和一個人傳送至 渦輪機。這種要利用的技術尚無任何實例，不過存在考慮到這種技術的至少一個研究。它 的一個優點在于，不存在與攀登作為PTS提升裝置的過渡件型梯子相關聯的風險。PTS可改 型至現有船舶，并且在船舶與渦輪機之間沒有機械接觸。然而，它的弱點在于：一次僅可傳 送一人，這使這種技術緩慢并會涉及因人員等待傳送造成的顯著等待時間。另外，當僅通過 束繩掛在海上方的幾米處時，人們將會產生不安全感，因此救生套裝是必要的。更重要地， 這種類型維護系統僅僅處于初步階段，且未準備好運行。
[0018] 最新發展是博爾德（Boulder)的渦輪機進入系統（"HTAS")。它本質上是類似于 前述0AS/0TS的被動阻尼機構，但呈可裝配到小型船舶上的更小規模。它具有獨特調諧阻 尼系統以減少船首處的船舶運動響應，但不試圖使船首相對于塔架保持固定。進入斜坡是 取決于塔架配置而借助梯子或平臺來補償搖擺和垂蕩的，以便提供相對于塔架的恒定傳送 位置。HTAS已被示為在2m波高下提供安全傳送，而不在進入斜坡與平臺位置之間發生任何 相對移動。它的優點在于，將會要求對現有程序和船舶設計進行較小調整，并且是相對廉價 的，而且在經濟上可比先前所述SWATH和其它系統更有利的。然而，針對超過0. 5m(從I. 5m 至2m)的浪涌高度僅增加了安全入口，但這來自不具有足夠的信譽或經驗的公司，因而將 會需要許多測試。
[0019] 用于維護海上風機的新的提議是波浪偏轉海港。這個裝置的目的在于完全消除波 浪。它將裝配在過渡件上方并附接至到軸承，所述軸承根據水流方向圍繞定位件來自由旋 轉。當船只接近時，偏轉海港將會能夠通過使用遠程控制操作的制動機構來鎖定到適當位 置，所述遠程控制操作的制動機構類似于停止一些風電場的渦輪機葉片所用的制動機構。 波浪偏轉海港為一對壁，這一對壁是平坦的，且匯聚于一點，具有通過彎壁連接的分隔壁。 所提議的設計將駐點更向后移動到進入的水中，使得水將嘗試更遠離過渡件來再次附接， 當它這樣做時，所提議的設計實際上將幫助船舶進入本地海航。波浪偏轉海港自由旋轉確 保船舶將會處于正確位置，以便實現期望流動條件的發生。最大設計約束是施加于基座的 力。它的優點在于，在長期運行時節省成本，能夠增加允許海上涌浪大小，并且可應用于許 多的風電場。然而，雖然在這個設計階段中波浪偏轉海港是平靜的，但它不具成本效益、將 會增加資金投入、將會需要更多時間進行研究、測試以及制造原型、可能不可操作于一些基 座類型上，并且波浪可來自不同于當前方向的方向上，而且會對本地海況產生不利影響。
[0020] 海上風電場的維護船舶已由英荷海上船只設計公司（Offshore Ship Designers) 制備。預期的是，改進對深水風機的選項，減少維護成本，并且下降碳排放量。母船留在海 上深水風電場中，并且具有運載風機工程人員來維修風機的多個雙體式工作船。它是一種 可潛塢式船只，預期用于護送上述工程人員以及船員、維修人員、船只以及后勤人員。另外 預期的是，留在海上而非駛入港口，并且工作船從塢式船只部署。預期的是，快速雙體式或 單體式工作船駛離海岸駛向更靠近海岸的風電場、而非深水區風電場。塢式船只還預期來 支援自助救生和回收小艇，所述自助救生和回收小艇是安全的水上小艇，并能夠在緊急或 救生操作中支援遠離母船的潛艇和直升飛機操作，唯一限制在于它們對天氣的適應能力較 差。最大母船預期容納多達200名工程人員，并且將會具有大量娛樂性設施、餐飲設施以及 廢物處理裝置。支援船舶預期運載25名風機工程人員，并且運載燃料、可飲用水、干燥且冷 凍的存儲容器。建議設起重機、行道以及兩個子工作船。這個概念呈現為非常廣泛的。 發明概要
[0021] 本發明的目標是提供用于維護海上風機的有效系統。
[0022] 本發明的另一目標是提供用于維護風電場中的風機的維護系統。
[0023] 本發明的更具體的目標是提供用于海上風電場中所使用的風機塔架裝置的維護 系統，所述維護系統包括：囊艙，用于向/從風機塔架運載維護人員、工具以及零件；維護船 舶，用于向/從不同風機塔架裝置運載相應囊艙；以及起重機組件，用于向/從相應風機塔 架裝置和維護船舶傳送囊艙。
[0024] 本發明的另一目標是提供如上所述的維護系統，所述維護系統具有維護囊艙，所 述維護囊艙可無視天氣或海上狀況而快速且安全地在維護船舶與風機塔架裝置之間傳送。
[0025] 本發明的另一目標是提供如上所述的風機維護系統，所述風機維護系統具有船 舶，所述船舶被配置成保持維護囊艙，并在船舶與相應風機塔架裝置之間運輸所述囊艙。
[0026] 本發明的目標也是提供用于從維護船舶處布放囊艙并在維護船舶上接收、移動和 存儲囊艙的布放/回收（"L/R"）托架。
[0027] 本發明的又一額外目標是提供如上所述的風機維護系統，所述風機維護系統具有 囊艙，所述囊艙是水密的，并且能夠裝載多達5名且可能更多的修理人員連同用于移除和 替換相應風機上的有缺陷或磨損的零件或診斷和重啟它們的必要工具和零件。
[0028] 本發明的另一目標是提供用于將囊艙線從設置于海中的囊艙傳送至維護船舶的 裝置。
[0029] 本發明的另一目標是提供用于如上所述風機塔架裝置的維護系統，所述維護系統 具有維護囊艙，所述維護囊艙是易浮的，以防所述維護囊艙可能落入周圍海中，從而既保護 了船上任何修理人員，也保護了船上運載的零件和裝置。
[0030] 本發明的又一目標是提供如上所述的維護囊艙，所述維護囊艙能夠裝載多達5名 且可能更多的修理人員以及大量或更多的裝置。
[0031] 本發明的另一目標是提供用于風機塔架裝置的維護系統，所述維護系統具有起重 機組件，所述起重機組件包括支撐結構，用以幫助在船舶與所述風機塔架裝置之間運輸具 有修理人員和裝置的維護囊艙。
[0032] 本發明的另一目標是提供如上所述的起重機組件，所述起重機組件具有旋轉驅動 系統，用以使起重機相對于風機來移動。
[0033] 本發明的又一目標是提供用于風機的維護系統的起重機組件，所述起重機組件具 有用于以超過船舶上的布放/回收托架最大可能豎直速度的速度將維護囊艙從可在最惡 劣的天氣期間浮于水面上的維護船舶上的布放/回收托架提升的起重機。
[0034] 本發明的另一目標是提供包括吊車的起重機組件，所述吊車具有用于將維護囊艙 固定至所述吊車的適當閂鎖機構。
[0035] 本發明的另一目標是提供吊運車，所述吊運車用于在海上風機塔架裝置與維護船 舶之間安全且穩定地傳輸囊艙。
[0036] 本發明的又一額外目標是提供吊運車，所述吊運車用于將裝載修理人員、工具以 及裝置的囊艙與將固定至囊艙的合適的線附接，以便將囊艙運輸至吊運車以及海上風機塔 架裝置。
[0037] 本發明的另一目標是提供如上所述的起重機組件，所述起重機組件在需要時是由 并非源自正進行維護的風機的電力來驅動。
[0038] 本發明的相關目標是提供用于風機維護系統的起重機組件，所述起重機組件用于 接收來自將所連接的動力渦輪機連接至海上風電場的其它風機或船上儲電系統的輸電線 的電力。
[0039] 本發明的另一目標是提供用于海上風機的維護系統，并且所述維護系統采用不容 易從背景熱輻射識別的提升線纜和/或船繩以及其它部件，且用于提供此類線纜、繩子以 及其它部件的裝置可見，這在晚間時間期間尤其如此。
[0040] 本發明的另一目標是提供用于海上風機的風機維護系統，所述風機維護系統采用 小型船只，用以接收所述維護系統中使用的前驅體線并且自動將那些線運載至適當維護船 舶上。
[0041] 本發明的一般目標是提供用于海上風機塔架裝置的全天候維護系統，所述全天候 維護系統在操作上安全、高效并且有效，并且能夠經濟地構造和使用。
[0042] 本領域的技術人員將從以下描述和隨附權利要求書中清楚這些以及其它目標。
[0043] 附圖簡述
[0044] 圖1是根據本發明的優選實施例的維護囊艙的示意局部剖切透視視圖。
[0045] 圖IA是圖1所示的維護囊艙的上部部分的示意詳細橫截面圖。
[0046] 圖2是根據本發明的優選實施例的起重機組件的優選實施例的示意局部透視視 圖，所述起重機組件示為位于風機裝置的部分上，以向/從維護船舶運輸維護囊艙。
[0047] 圖3示出位于如圖2所示的風機塔架裝置上的起重機組件的局部透視橫截面圖。
[0048] 圖4示出根據本發明的優選實施例的位于從提升維護囊艙的海上風機塔架延伸 的桁架上的吊運車的示意局部橫截面圖。圖4A是附接至萬向架環的主體構件組件的局部 視圖，萬向架環又連接至下部環形構件。圖4B和圖4C是附接用于使吊運車沿起重機組件 移動的輪子的替代方式。圖4D是合并于吊運車中的閂鎖組件的部分的詳細分解視圖。
[0049] 圖5是根據本發明的優選實施例的運輸維護囊艙的吊運車的下部部分的透視示 意視圖。
[0050] 圖6是根據本發明的優選實施例的萬向架式閂鎖組件的阻尼機構部分的示意局 部橫截面圖。
[0051] 圖7是根據本發明的優選實施例的維護船舶的示意局部剖切透視視圖。圖7A示 出圖7所示的那條路徑的替代路徑。
[0052] 圖8是圖7所說明的維護船舶的示意詳細局部剖切視圖，該圖示出用于在其上傳 送維護囊艙的部件。
[0053] 圖9是根據本發明的優選實施例的布放/回收（"L/R"）托架的示意局部剖切透 視視圖。
[0054] 圖9A是圖9所示L/R托架的基部的示意透視視圖，該圖顯出驅動組件。
[0055] 圖9B、圖9C、圖9D和圖9E是用于圖9所示L/R托架的齒輪驅動組件的示意俯視 圖、仰視圖、側視圖以及端視圖。
[0056] 圖9F是圖9B所示齒輪驅動組件的替代齒輪驅動組件的俯視圖。
[0057] 圖9G是維護船舶的甲板的示意橫截面圖，該圖示出L/R托架在甲板上運輸時所處 的狹槽。
[0058] 圖9H是圖9所示L/R托架中使用的惰輪組件的示意透視視圖，并且圖91是示出 根據本發明的實施例的維護船舶的甲板中的狹槽的示意橫截面圖，圖9H的惰輪組件示為 處于其中。
[0059] 圖10是示出圖8所示維護船舶的船尾的細節的示意透視視圖。
[0060] 圖11是用在如圖10所示的船舶船尾上的升降機和吸震裝置的示意透視試圖。
[0061] 圖12是位于圖7所示維護船舶的甲板部分上的L/R托架的部分、及與L/R托架協 作的維護囊艙的示意詳細橫截面圖。
[0062] 圖13是根據本發明的優選實施例的位于維護船舶的船尾部分中的船門布置的詳 細俯視橫截面圖，并且圖14示出圖13所示船門布置的替代船門布置。
[0063] 圖15是圖7所示維護船舶的船尾部分的詳細側視橫截面圖。
[0064] 圖16是合并有根據本發明的優選實施例的方面的風機塔架的下部部分的示意透 視視圖，該圖示出維護船舶將維護囊艙傳送至風機塔架并且用于沿塔架將帶輪子的裝置箱 盒向上提升。
[0065] 圖17是根據本發明的實施例的柔性服務器件載體以及吊運車的一部分的透視視 圖，并且圖17A是吊運車、起重機吊架以及剛性服務器件載體的示意端視視圖。
[0066] 圖18是在支撐吊運車的起重機吊架中的柔性服務器件載體的透視視圖，并且圖 19是起重機吊架中的柔性服務器件載體的透視視圖。
[0067]圖20和圖20A是根據本發明的方面的用于模塊化載體或柔性服務器件載體的齒 條式傳動鏈的局部透視試圖以及局部側視視圖。
[0068] 圖21是圖16所示渦輪機塔架的上部部分的示意透視視圖。
[0069] 圖22是具有合并于其中的根據本發明的優選實施例的方面的圖16、圖21和圖27 所示維護塔架的部分的放大視圖，。
[0070] 圖23是示為其中具有根據本發明的優選實施例的各種方面的風機塔架的頂部上 的機艙的放大橫截面圖，并且圖23A是運載儲物箱盒的貨物升降機的局部剖切側視視圖。
[0071] 圖43是部分地示出的貨物升降機上的特別高的儲物箱盒的側視橫截面圖。
[0072] 圖25、圖25A、圖25B和圖25C是示出與本發明的優選實施例一起使用的齒條式傳 動鏈的若干部分的示意透視視圖。
[0073] 圖26和圖26A是圖20所示齒條