海工構(gòu)筑物海洋能集成利用技術(shù)探討

王樹杰，王舉田，劉錦昆，袁 鵬，劉 臻，徐志剛，季文峰

(1.中國海洋大學(xué)工程學(xué)院海洋工程山東省重點實驗室，山東青島 266100;2.中石化石油工程設(shè)計有限公司，山東東營 257000)

隨著石油、煤炭和天然氣等傳統(tǒng)化石燃料的枯竭，新能源的開發(fā)已經(jīng)成為備受人類關(guān)注的課題。海洋能作為一種新興的清潔能源，在各國已經(jīng)得到了相應(yīng)的發(fā)展與利用。據(jù)估計，全球各種海洋能理論可再生總功率達766×108kW，技術(shù)上可開發(fā)利用的總功率約有64×108kW，如此巨大的蘊藏量如果得到合理利用，將會緩解當前的能源危機［1-4］。

潮流能和波浪能發(fā)電是當前海洋能利用的兩種主要方式，以英國為代表的歐洲國家已進入商業(yè)化示范工程階段。英國MCT(Marine Current Turbines)公司研發(fā)的潮流能裝備Sea Gen額定輸出功率可達到1.2 MW，該裝置安裝在嵌入海底的鋼結(jié)構(gòu)中，現(xiàn)已并網(wǎng)發(fā)電［5］。位于英國克萊德河口海灣的世界上第一臺商用波能電機，于1995年8月開始發(fā)電，該電站裝機容量達2 000 kW［6］。同樣，在國內(nèi)，潮流能和波浪能作為海洋能的重要組成部分，近幾年在海洋能專項資金的支持下，得到了快速發(fā)展，已具備百千瓦級裝置的研發(fā)能力，規(guī)?；拈_發(fā)項目也在不斷建成［7］。

海洋能利用技術(shù)日趨成熟的同時，仍面臨著諸多關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決。目前制約海洋能開發(fā)應(yīng)用的難點主要體現(xiàn)在:海洋能的能量不穩(wěn)定，海洋環(huán)境惡劣，基礎(chǔ)設(shè)施投資大等，尤其是基礎(chǔ)設(shè)施的投資方面。目前，對于樁柱式或座海底式海洋能獲能裝置，設(shè)備的運行需要建造大型構(gòu)筑體支撐結(jié)構(gòu)，由于海洋環(huán)境的嚴酷和不穩(wěn)定，建造這些支撐結(jié)構(gòu)往往需要大規(guī)模復(fù)雜的海上施工，電站的運營和維護同樣需要利用一些大型海洋工程施工設(shè)備來進行，這些費用往往占到整個海洋能項目投資的一半甚至更多，導(dǎo)致海洋能開發(fā)的成本巨大。因此海洋能要進一步發(fā)展，最終實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，關(guān)鍵在于海洋能開發(fā)技術(shù)的穩(wěn)定和高可靠性、建造和維護的低成本以及高的經(jīng)濟效益［8］。

隨著國家海洋戰(zhàn)略的不斷發(fā)展，進海路和海上導(dǎo)管架石油平臺等海工構(gòu)筑物的建造層出不窮。這類海工構(gòu)筑物所在海域往往蘊藏著豐富的海洋能資源，同時，其構(gòu)筑體支撐結(jié)構(gòu)也為海洋能獲能裝置的安裝提供了便利。另外，離岸的海洋平臺等海上設(shè)施的能源供應(yīng)大量依賴天然氣等化石能源，浪費巨大，客觀上有在所在海域就地取能，利用海洋能實現(xiàn)能量供應(yīng)的需求。

基于對以上問題的考慮，提出海工構(gòu)筑物海洋能集成利用的概念，即利用海洋工程構(gòu)筑物兼作海洋能利用裝置的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)海洋能開發(fā)技術(shù)的低成本建造和高綜合效益的運營，同時為石油平臺等海工構(gòu)筑物提供必要的電力供應(yīng)。

1 海洋能集成利用技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

海洋能開發(fā)是一個新興的領(lǐng)域，除了潮汐能發(fā)電之外，目前尚沒有完全商業(yè)化運營的海洋能電站。雖然在已有的潮流能和波浪能示范工程中，大多使用獨立的支撐結(jié)構(gòu)，尚未有與海洋工程構(gòu)筑物相結(jié)合的實例，但在國內(nèi)外的一些方案研究和設(shè)計構(gòu)思中，還是有可以借鑒和參考的思路。

英國的研究機構(gòu)提出塞汶河口建造潮流電站的方案，即利用橫跨河口的大橋橋墩之間的空間來安裝水輪機進行發(fā)電，如圖1所示。同樣，韓國Uldolmok潮流電站方案提出利用跨海大橋結(jié)構(gòu)兼作潮流能水輪機支撐載體［9］，如圖 2 所示。

荷蘭海岸工程師提出動態(tài)潮汐能(DTP)概念，如圖3所示。項目主體為大型垂直于海岸的水壩型建筑物，它從海岸一直延伸到海里并可在大壩遠端建立與海岸平行的壩體，從而形成一個龐大的“T”形。T型長壩將干擾與海岸平行運動的潮汐波，從而壩體兩側(cè)產(chǎn)生水位差，帶動壩體內(nèi)的雙向渦輪機進行發(fā)電。由于壩的長度需要幾十公里，工程量巨大，因此也提出與海洋工程結(jié)構(gòu)物相結(jié)合的構(gòu)想。

圖1 英國塞汶河口潮流電站方案Fig.1 The Severn estuary tidal power station scheme in England

圖2 韓國Uldolmok潮流電站構(gòu)想Fig.2 The Uldolmok tidal power station scheme in Korea

圖3 荷蘭工程師提出的T型壩概念Fig.3 The concept of T-type dam in Holland

國內(nèi)利用海洋工程結(jié)構(gòu)物與海洋能裝置進行結(jié)合的構(gòu)思也不是很多。中國海洋大學(xué)根據(jù)沉箱防波堤與岸式振蕩水柱波能發(fā)電裝置的交叉關(guān)聯(lián)特點，在國內(nèi)首次提出并設(shè)計了沉箱防波堤兼作岸式OWC波能裝置，并進行了物理模型試驗，如圖4所示。試驗中可以直觀的看到沉箱防波堤氣室內(nèi)水面的上下波動，驗證了沉箱防波堤兼作岸式OWC波能裝置的可行性［10］。另外，中海油利用廢棄的綏中361海上平臺作為風機的基礎(chǔ)建成了我國第一臺海上風力發(fā)電機組，如圖5所示。

圖4 沉箱防波堤兼作岸式OWC波能裝置模型Fig.4 Model of caisson breakwater as OWC

圖5 中國第一臺海上風力發(fā)電機組Fig.5 Chinese first offshore wind turbine

以上的構(gòu)思和概念，從側(cè)面反映了利用海上油田等海工構(gòu)筑物來進行海洋能集成利用的可行性，同時，海洋能集成利用可為海上油田開發(fā)或為偏遠區(qū)塊提供電力供應(yīng)。

2 海洋能發(fā)電裝置與海工構(gòu)筑物集成利用技術(shù)探討

2.1 潮流能裝置與海工構(gòu)筑物集成利用

2.1.1 柔性葉片潮流能水輪機與進海路集成利用方案

進海路所處海域水深較淺，水流動力條件弱，泥沙復(fù)雜，因此比較難與波浪能裝置及潮流能裝置結(jié)合，如圖6所示。中國海洋大學(xué)研制的柔性葉片轉(zhuǎn)子水輪機，對水位變化不敏感，在雙向潮流作用下只作單向轉(zhuǎn)動，同時啟動流速低，在較低流速下獲能系數(shù)較高［11］，因此較適合于在進海路結(jié)構(gòu)中使用。

考慮進海路附近水深較淺，所以水輪機橫向放置，最高潮位時水輪機全部淹沒。透空處結(jié)構(gòu)可以考慮建成收縮導(dǎo)流增速型式，提高通過透空涵洞的流速，進而提高水輪機轉(zhuǎn)速。柔性葉片水輪機具有負獲能區(qū)的特性，因此允許在最低潮位時20%高度露出水面而不影響其能量轉(zhuǎn)換效率。采用橫置安裝時，可以根據(jù)水深條件決定水輪機直徑，通過加長水輪機長度可獲得較大的功率。漲落潮時，水輪機在雙向往復(fù)潮流作用下產(chǎn)生單向轉(zhuǎn)動，水輪機的轉(zhuǎn)動通過傳動機構(gòu)傳遞到置于水面上的發(fā)電機進行發(fā)電。另外，水輪機可沿兩側(cè)導(dǎo)柱上下滑動，便于檢修和根據(jù)潮位進行淹沒水深調(diào)整，如圖7所示。

將進海路支撐結(jié)構(gòu)作為潮流能水輪機的安裝載體，可大幅降低水輪機設(shè)備投入的成本，另外，該系統(tǒng)可以為進海路周圍的照明設(shè)備供電，具有良好的綜合效益。

圖6 進海路示意Fig.6 Sketch of perforated sea road

圖7 進海路與潮流能裝置結(jié)合示意Fig.7 Concept of flexible tidal current turbines integrated with perforated sea road

2.1.2 垂直軸潮流能水輪機與導(dǎo)管架石油平臺集成利用方案

垂直軸潮流能水輪機與石油平臺結(jié)合的方式可以考慮利用導(dǎo)管架平臺支撐腿兼作垂直軸潮流能獲能裝置的支撐結(jié)構(gòu)，將垂直軸水輪機安裝在平臺下方，潮流帶動水輪機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，水輪機通過傳動機構(gòu)帶動發(fā)電機發(fā)電，如圖8所示。

該方案可采用升力型Kobold水輪機，將其安裝在海洋平臺立柱內(nèi)側(cè)空間，整個潮流能裝置可以一起沿兩側(cè)導(dǎo)柱上升和下降，以便升上水面進行檢修，如圖9所示。采用這種方案時，需要考慮平臺樁柱間橫撐與斜撐桿的阻流效應(yīng)，可通過數(shù)值模擬和模型試驗來確定其影響的大小，然后提出改進方案。在設(shè)計新建的結(jié)合海洋能裝置的海洋平臺時，要充分考慮這一因素，在保證不影響平臺安全性和可靠性前提下適當減小橫撐與斜撐對水流的影響，或設(shè)計成能提高流速改變流場的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)。

圖8 發(fā)電裝置示意Fig.8 Concept of vertical axis current turbine integrated with oil platform

圖9 裝置檢修示意Fig.9 Schematic diagram of maintenance

2.1.3 水平軸潮流能水輪機與導(dǎo)管架石油平臺集成利用方案

水平軸潮流能水輪機的獲能系數(shù)較高，因此是目前應(yīng)用最廣泛最有前景的潮流能裝置，但與垂直軸水輪機相比，它在安裝時需要對準潮流的流向，并且需要有足夠的水深保證整個葉輪沒入水中。

水平軸潮流能水輪機與石油平臺結(jié)合，可以利用平臺的導(dǎo)管架做為水輪機的支撐載體，但如果直接將水平軸水輪機安裝在導(dǎo)管架上，導(dǎo)管架的阻流效應(yīng)將影響水輪機的獲能?；趯σ陨蠁栴}的考慮，對平臺結(jié)構(gòu)進行局部改裝，在導(dǎo)管架兩側(cè)各焊接添加水輪機支撐桁架，同時水輪機的安裝方向要保證軸線與水流方向平行，這樣就可以避免導(dǎo)管架對水輪機獲能的影響，如圖10所示。

該方案中，水輪機通過焊接在石油平臺導(dǎo)管架上的支撐結(jié)構(gòu)固定在導(dǎo)管架兩側(cè)，同時，采用鉸接的連接方式，使得水輪機在需要檢修或者保養(yǎng)時，可以繞鉸接點旋轉(zhuǎn)，提升至水面以上，這樣可以減小檢修、維護與保養(yǎng)的難度。但由于水輪機安裝在石油平臺導(dǎo)管架的側(cè)面，水輪機正常工作時，會給平臺增加較大的附加力矩，不利于平臺結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。同時，由于平臺周圍經(jīng)常需要船舶停靠或航行，側(cè)面安裝的水輪機會給船舶的航行帶來一定的安全隱患。

2.2 波浪能裝置與海工構(gòu)筑物集成利用

2.2.1 振蕩浮子式波能裝置與導(dǎo)管架石油平臺集成利用方案

該裝置充分利用導(dǎo)管架支撐結(jié)構(gòu)中的空隙，將振蕩浮子及其支撐均置于平臺之下。浮子結(jié)構(gòu)可沿中間的支撐柱做單自由度的往復(fù)運動，同時浮子與波浪直接接觸，波浪的波動即是浮子運動的動力，實現(xiàn)裝置的一級能量轉(zhuǎn)換。浮子配合齒輪與齒條結(jié)構(gòu)連接發(fā)電機組或通過液壓系統(tǒng)二次轉(zhuǎn)換，即可完成波浪能向電能的轉(zhuǎn)換，如圖11所示。

該波能發(fā)電裝置充分利用了海洋石油鉆井平臺的內(nèi)部空間，采用振蕩浮子，可有效克服潮差變化帶來的影響。振蕩浮子的支撐結(jié)構(gòu)與導(dǎo)管架平臺融為一體，結(jié)構(gòu)的整體性較好。其主要問題在于，該利用方案對原有的導(dǎo)管架平臺改動較大，需對其安全穩(wěn)定性能做進一步研究，才可進一步實施應(yīng)用。

圖10 石油平臺結(jié)合水平軸潮流能發(fā)電裝置示意Fig.10 Concept of horizontal axis current turbines integrated with oil platform

圖11 振蕩浮子波能發(fā)電裝置示意Fig.11 Concept of oscillating buoy integrated with a jacket platform

2.2.2 OWC波能裝置與沉箱防波堤集成利用方案

振蕩水柱裝置(OWC)是目前世界上應(yīng)用最為廣泛的岸式波能發(fā)電裝置［12］。該類型裝置波能轉(zhuǎn)換率較高，對地形的依賴性較小，此外，波能以氣室內(nèi)的空氣作為媒介傳遞，透平發(fā)電機組不與海水接觸，減少了波浪的破壞性，避免了海水腐蝕和機組密封等問題，使裝置的可靠性增加，從而提高了在海洋環(huán)境下的生存能力。沉箱防波堤是一種具有穩(wěn)定性好、工程造價低、施工速度快、適用于大水深特點的結(jié)構(gòu)形式，如圖12所示。

沉箱防波堤與岸式OWC波能裝置均設(shè)在水深不超過20 m的海域;二者均需要承受波浪力，吸收轉(zhuǎn)化能量;二者斷面尺度相似，且沉箱防波堤可設(shè)計建造成與OWC裝置相似的氣室結(jié)構(gòu)?；谝陨戏治?，中國海洋大學(xué)的史宏達教授等人在國內(nèi)首次提出并設(shè)計了沉箱防波堤兼作岸式OWC波能裝置，并進行了物理模型試驗。試驗中可直觀的看到沉箱防波堤氣室內(nèi)水面上下波動，驗證了沉箱防波堤兼作岸式OWC波能裝置的可行性［10］。

圖12 沉箱防波堤Fig.12 caisson breakwater

3 海洋能集成利用需要解決的問題

海工構(gòu)筑物海洋能集成利用作為海洋能利用技術(shù)的新探索，在為海上設(shè)施提供電力供應(yīng)、節(jié)約海洋能開發(fā)成本的同時，對于利用方式的選擇、裝置選型和裝置相互之間的干涉影響等方面還存在著幾點需要解決的問題。

1)合理選擇適合海工構(gòu)筑物及其所在海域海況特點的利用方式。海工構(gòu)筑物與海洋能發(fā)電裝置的集成利用，需要結(jié)合海工構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)特點以及所處海域海流、波浪特性和資源狀況進行合理的選擇與布置，從而提高海洋能裝置的利用效率，獲得更好的綜合效益。在海洋能資源水平較低的海域，例如潮流(海流)平均流速低于1.0 m/s的海域，由于潮流能獲能裝置發(fā)電效率低下，不應(yīng)考慮安裝潮流能發(fā)電裝置。同樣，在浪高較小的海域，波浪能發(fā)電裝置也不能實現(xiàn)電能的高效率轉(zhuǎn)化。因此，海洋能集成利用首先需要掌握海工構(gòu)筑物所在海域的資源狀況及水文特點，根據(jù)海工構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)進而選擇合理的利用方式。

2)海洋能獲能裝置選型的優(yōu)化與匹配。近些年海洋能利用技術(shù)雖已取得較大進展，但潮流能、波浪能裝置的選型和獲能效率有待進一步優(yōu)化。如針對我國潮流流速普遍偏小的特點，研制適合低流速的潮流能裝置以提高獲能效率，同時，應(yīng)減少能量傳遞過程中的損失，提高能量傳遞效率。根據(jù)海工構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計制造適合其安裝的海洋能獲能裝置。如對于與導(dǎo)管架石油平臺相結(jié)合的方案中，可以考慮建成收縮導(dǎo)流增速型式，提高通過水輪機的水流流速，減小導(dǎo)管架支撐構(gòu)件對水流的影響。

3)盡量避免和減少海洋能裝置與海工構(gòu)筑物之間的干涉和相互影響。對現(xiàn)役的海工構(gòu)筑物，應(yīng)探討海洋能裝置在海工構(gòu)筑物上的安裝方式，以及對海工構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)的局部改裝方式。在添加海洋能裝置時，充分考慮海洋能裝置的位置、布局、尺寸與結(jié)構(gòu)形式，盡可能不與海工構(gòu)筑物中必需的構(gòu)件和工作部分的操作空間發(fā)生影響和干涉，不影響海洋平臺的正常工作和維護。對新建的海工構(gòu)筑物，要根據(jù)其與海洋能集成利用技術(shù)的要求統(tǒng)一規(guī)劃，進行優(yōu)化設(shè)計，合理考慮其布局，保證海洋能裝置不對海洋構(gòu)筑物的功能造成不良影響，在設(shè)計方案確定后對整體結(jié)構(gòu)進行校核，保證其安全性和可靠性。

4 結(jié)語

結(jié)合海洋能開發(fā)項目基礎(chǔ)設(shè)施成本巨大及海工構(gòu)筑物能源供應(yīng)的需求，提出海工構(gòu)筑物海洋能集成利用的前瞻性概念，利用海洋工程構(gòu)筑物兼作海洋能獲能裝置的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)海洋能開發(fā)技術(shù)的低成本建造和高綜合效益的運營，同時為海上石油平臺等海工構(gòu)筑物提供電力供應(yīng)，這將大幅度降低海洋能開發(fā)的成本，促進海洋能事業(yè)的發(fā)展。

針對進海路、海上導(dǎo)管架石油平臺和沉箱防波堤等海工構(gòu)筑物，提出了多種與潮流能裝置和波浪能裝置的結(jié)合方案，并對各種方案進行了比較和分析。下一步研究中，可通過建立海工構(gòu)筑物海洋能集成利用的試驗?zāi)Ｐ蛠硌芯亢Ｑ竽苎b置與海工構(gòu)筑物之間的相互影響，分析集成利用裝置與海水的流固耦合關(guān)系，綜合分析海洋能裝置與海工構(gòu)筑物的水動力學(xué)性能及其結(jié)構(gòu)強度、剛度與穩(wěn)定性，確保結(jié)構(gòu)物的安全與穩(wěn)定。

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