波浪能海上試驗平臺的設(shè)計可行性研究

侯曉蕊 ，李運霞 ，王 鑫 ，金 鑫 ，路 寬 ，宋雨澤 ,韓林生

（1.天津海油工程技術(shù)有限公司，天津300100，2.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

1 開發(fā)海洋能的必要性及需求分析

海洋是一個巨大的能源寶庫，包括溫度差能、波浪能、潮汐與潮流能、海流能、鹽度差能、岸外風(fēng)能、海洋生物能和海洋地?zé)崮艿?種，儲存量高達(dá)天文數(shù)字，是蘊藏于海上、海中、海底的可再生資源，屬新能源范疇。人們可以把這些海洋能以各種手段轉(zhuǎn)化成電能、機(jī)械能或其他形式的能量，供人類使用。

海洋能具有以下特點：

（1）它在海洋總水體中的蘊藏量巨大，而單位體積、單位長度所擁有的能量較小。這就是說，要想得到大能量，就得從大量的海水中獲得。

（2）它具有可再生性。海洋能來源于太陽輻射能與天體間的萬有引力，只要太陽、月球等天體與地球共存，這種能源就會再生，就會取之不盡用之不竭、用之不竭。

圖1 點頭鴨式裝置

（3）海洋能屬于清潔能源，也就是海洋能一旦開發(fā)后，其本身對環(huán)境污染影響很小。

《國家“十一五”海洋科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中也指出，要“加強(qiáng)海洋科技平臺建設(shè)，提高海洋科技基礎(chǔ)能力”，“建設(shè)共享的綜合研究試驗平臺”；《國家海洋事業(yè)發(fā)展綱要》提出“建設(shè)國家科技試驗室和海上試驗場等研發(fā)平臺”。波浪能、潮流能海上試驗與測試場的建成與投入使用，將大大節(jié)省波浪能、潮流能裝置實海況試驗前期調(diào)查與海上基礎(chǔ)工程建設(shè)的經(jīng)費與時間，極大推動波浪能、潮流能開發(fā)利用技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，因此有必要通過國家的專項資金的支持盡快開展相關(guān)工作，為我國海洋能事業(yè)的發(fā)展提供保障與支持。

2 發(fā)電設(shè)備

鴨式裝置外形像一只巨型的鴨頭，漂浮在海中，在波浪的推動下上下擺動，故名點頭鴨。由于體型比較龐大，運動時能帶動發(fā)電裝置產(chǎn)生電流。如圖1所示。

3 海上平臺設(shè)計

波浪能試驗平臺為半潛式浮式平臺，如圖2～圖3所示，由旁通、橫撐、立柱、上部結(jié)構(gòu)（操作平臺）及分布式多點系泊系統(tǒng)組成，是一小型半潛式平臺。其所采用的設(shè)計、建造、安裝及操作技術(shù)均為成熟的工業(yè)技術(shù)。

系泊系統(tǒng)為4組×3根的分布式系泊系統(tǒng)，單根系泊纜長度為600 m（從導(dǎo)纜孔到錨端），系泊纜由純錨鏈構(gòu)成，錨鏈公稱直徑為56 mm，系泊錨優(yōu)先選擇大抓力錨，當(dāng)海底泥面處為基巖時，用重力錨代替大抓力錨。

圖2 波浪能試驗平臺（側(cè)視圖）

圖3 波浪能試驗平臺（俯視圖）

波浪能發(fā)電裝置通過吊裝或拖拉進(jìn)入半潛式平臺的月池內(nèi)，發(fā)電裝置需要維修或撤離時，通過升降系統(tǒng)提升到操作平臺上進(jìn)行維修或為撤離做準(zhǔn)備。波浪能發(fā)電裝置的可利用空間尺寸為25 m×15 m×16 m，供發(fā)電裝置設(shè)計參考。

4 設(shè)計

試驗平臺按照50 m水深進(jìn)行設(shè)計，系泊系統(tǒng)強(qiáng)度按照百年一遇的風(fēng)暴條件進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計極端環(huán)境條件為：百年一遇極端波浪條件有效波高Hs=7.01 m，有效周期Ts=11.41 s；百年一遇最大風(fēng)速為36.08 m/s；極端工況流速按2.5 m/s考慮。在本設(shè)計階段，考慮到方向性不甚明顯，故按照上述極值來進(jìn)行試驗平臺各方向的性能分析。分析中保守考慮為風(fēng)、浪和流為同向，且考慮任意來向的可能性。

除各工況穩(wěn)性分析之外，還需要針對在位的浮態(tài)進(jìn)行多點系泊系統(tǒng)設(shè)計。多點系泊系統(tǒng)系泊纜的受力安全系數(shù)遵循美國石油學(xué)會的《浮式結(jié)構(gòu)物定位系統(tǒng)設(shè)計與分析》規(guī)定。具體安全系數(shù)如表1所示。

表1 系泊纜設(shè)計安全系數(shù)

4.1 平臺設(shè)計參數(shù)

平臺設(shè)計的主尺度如表2所示。

其坐標(biāo)系參照圖4所示，平臺的原點為浮體基線平面的形心，Z 軸方向為垂直向上。

4.2 拖航階段穩(wěn)性分析

試驗平臺濕拖時，其重量重心等數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 試驗平臺主尺度

圖4 坐標(biāo)系統(tǒng)和環(huán)境條件方向

考慮到平臺的對稱性，僅僅考慮0～90°范圍內(nèi)的完整穩(wěn)性工況，選擇0°、45°、90°三個特征角度作為參考軸計算平臺拖航時的穩(wěn)性。穩(wěn)性計算考慮的風(fēng)速為100 kn，3個工況的穩(wěn)性計算結(jié)果如表4所示。

穩(wěn)性計算結(jié)果表明，該平臺具有較好的拖航穩(wěn)性，可以看出，除初穩(wěn)心高度外，其他穩(wěn)性指標(biāo)都有較大的余量，這也符合大家對半潛式平臺的預(yù)期，即：小的GM 值保證較好的運動性能，且整體穩(wěn)性較好。穩(wěn)性分析結(jié)果表明，在無合適的半潛駁船供平臺干拖作業(yè)時，可以采取濕拖的拖航方式。

表3 拖航工況重量參數(shù)

表4 拖航穩(wěn)性分析結(jié)果

4.3 在位階段穩(wěn)性分析

當(dāng)平臺在試驗場地安裝就位后，可以進(jìn)行波浪能發(fā)電試驗，需要校核發(fā)電裝置在作業(yè)和維修期間（其浮態(tài)和重心與自存工況類似）的穩(wěn)性，考慮到作業(yè)狀態(tài)平臺整體重心低，穩(wěn)性較維修更好，故在總體方案設(shè)計階段僅分析維修期間的穩(wěn)性，維修階段的穩(wěn)性要是滿足要求，操作狀態(tài)必然滿足要求。平臺在位時，發(fā)電裝置維修時（簡稱在位維修工況）的平臺重量重心等數(shù)據(jù)如表5所示。

考慮到平臺的對稱性，僅僅考慮0～90°范圍內(nèi)的完整穩(wěn)性工況，選擇0°、45°、90°三個特征角度作為參考軸計算平臺在位維修工況的穩(wěn)性。穩(wěn)性計算考慮的風(fēng)速為100 kn，3個工況的穩(wěn)性計算結(jié)果如表6所示。

穩(wěn)性計算結(jié)果表明，該平臺具有較好的在位穩(wěn)性。除了初穩(wěn)心高度和面積比兩個規(guī)范要求的指標(biāo)外，其他穩(wěn)性指標(biāo)也非常好，這里就不再一一羅列。

表5 在位維修工況重量參數(shù)

表6 在位維修工況穩(wěn)性分析結(jié)果

4.4 水動力分析結(jié)果

根據(jù)SESAM/GENIE建立的水動力濕表面模型，在MOSES用三維繞射方法進(jìn)行頻域水動力分析。從水動力計算結(jié)果來看，相對于平臺的排水量，本實驗平臺計算得到的附加質(zhì)量較小，這與平臺的型式有關(guān)，相對普通船型，半潛式平臺通常有較小的附加質(zhì)量系數(shù)和初穩(wěn)心高。從波浪力計算的結(jié)果來看，去除部分不規(guī)則頻率對應(yīng)的結(jié)果（MOSES沒有自動去除不規(guī)則頻率的功能），試驗平臺的波浪力達(dá)到波幅約（160～250）t/m。這么大的波浪力為極端工況的系泊系統(tǒng)設(shè)計帶來挑戰(zhàn)。

從運動響應(yīng)幅子（RAO）的結(jié)果來看，升沉RAO是典型的半潛式平臺的升沉RAO，所不同的是，其兩個峰值的固有周期較一般半潛式平臺小，主要原因在于尺度的差異。其橫搖和縱搖運動的幅值在波浪周期內(nèi)較小。這就保證了在發(fā)電裝置工作時試驗平臺有較好的運動性能。

4.5 系泊分析結(jié)果

根據(jù)上述方法，得到試驗平臺的系泊系統(tǒng)的設(shè)計方案，系泊系統(tǒng)為4組×3根的分布式系泊系統(tǒng)，單根系泊纜長度為600 m（從導(dǎo)纜孔到錨端），系泊纜由純錨鏈構(gòu)成，錨鏈公稱直徑為56 mm（破斷負(fù)荷為346.5 t），系泊錨優(yōu)先選擇大抓力錨，當(dāng)海底泥面處為基巖時，用重力錨代替大抓力錨。

根據(jù)完整狀態(tài)系泊分析結(jié)果，選擇浪向90°工況下S2纜破斷，分析破損狀態(tài)下系泊系統(tǒng)受力和運動。計算結(jié)果如表7所示。

表7 破損狀態(tài)下系泊系統(tǒng)受力和運動結(jié)果

根據(jù)系泊分析結(jié)果，完整狀態(tài)最小安全系數(shù)為2.03，破損狀態(tài)的最小安全系數(shù)為1.56，且均沒有上拔力出現(xiàn)，滿足規(guī)范的要求。根據(jù)以往的系泊分析經(jīng)驗，在如此水深以及極端環(huán)境條件作用下，準(zhǔn)靜力法與全動力法計算的結(jié)果會比較接近。根據(jù)系泊力進(jìn)行錨的選擇，選擇18 t左右的大抓力錨可以滿足項目的需求。在硬質(zhì)巖石區(qū)域，需要選擇重力錨才能滿足要求。

5 結(jié)論

根據(jù)設(shè)計基礎(chǔ)和波浪能發(fā)電的需求，設(shè)計出本實驗平臺的形式——半潛式平臺。根據(jù)穩(wěn)性、運動性能以及發(fā)電裝置尺寸等關(guān)鍵性能參數(shù)的需要，確定了平臺的主尺度。根據(jù)極端環(huán)境條件，設(shè)計了系泊系統(tǒng)。分析結(jié)果表明，本設(shè)計方案技術(shù)可行，且安全可靠。

[1]戴仰山，沈進(jìn)威，宋競正.船舶波浪荷載[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[2]國家發(fā)展和改革委員會.SY/T10030-2004.海上固定平臺規(guī)劃、設(shè)計和建造的推薦做法工作應(yīng)力設(shè)計法[S].北京：石油工業(yè)出版社，2004.

[3]中華人民共和國交通運輸部.JTS144-1-2010.港口工程荷載規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2010.