波浪能海上試驗平臺的設計可行性研究

侯曉蕊 ，李運霞 ，王 鑫 ，金 鑫 ，路 寬 ，宋雨澤 ,韓林生

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

1 開發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、岸外風能、海洋生物能和海洋地熱能等8種，儲存量高達天文數字，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化成電能、機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后，其本身對環境污染影響很小。

《國家“十一五”海洋科學和技術發展規劃綱要》中也指出，要“加強海洋科技平臺建設，提高海洋科技基礎能力”，“建設共享的綜合研究試驗平臺”；《國家海洋事業發展綱要》提出“建設國家科技試驗室和海上試驗場等研發平臺”。波浪能、潮流能海上試驗與測試場的建成與投入使用，將大大節省波浪能、潮流能裝置實海況試驗前期調查與海上基礎工程建設的經費與時間，極大推動波浪能、潮流能開發利用技術與產業發展，因此有必要通過國家的專項資金的支持盡快開展相關工作，為我國海洋能事業的發展提供保障與支持。

2 發電設備

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，運動時能帶動發電裝置產生電流。如圖1所示。

3 海上平臺設計

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、上部結構（操作平臺）及分布式多點系泊系統組成，是一小型半潛式平臺。其所采用的設計、建造、安裝及操作技術均為成熟的工業技術。

系泊系統為4組×3根的分布式系泊系統，單根系泊纜長度為600 m（從導纜孔到錨端），系泊纜由純錨鏈構成，錨鏈公稱直徑為56 mm，系泊錨優先選擇大抓力錨，當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（側視圖）

圖3 波浪能試驗平臺（俯視圖）

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

4 設計

試驗平臺按照50 m水深進行設計，系泊系統強度按照百年一遇的風暴條件進行設計，設計極端環境條件為：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；百年一遇最大風速為36.08 m/s；極端工況流速按2.5 m/s考慮。在本設計階段，考慮到方向性不甚明顯，故按照上述極值來進行試驗平臺各方向的性能分析。分析中保守考慮為風、浪和流為同向，且考慮任意來向的可能性。

除各工況穩性分析之外，還需要針對在位的浮態進行多點系泊系統設計。多點系泊系統系泊纜的受力安全系數遵循美國石油學會的《浮式結構物定位系統設計與分析》規定。具體安全系數如表1所示。

表1 系泊纜設計安全系數

4.1 平臺設計參數

平臺設計的主尺度如表2所示。

其坐標系參照圖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 拖航階段穩性分析

試驗平臺濕拖時，其重量重心等數據如表3所示。

表2 試驗平臺主尺度

圖4 坐標系統和環境條件方向

考慮到平臺的對稱性，僅僅考慮0～90°范圍內的完整穩性工況，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性。穩性計算考慮的風速為100 kn，3個工況的穩性計算結果如表4所示。

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

表3 拖航工況重量參數

表4 拖航穩性分析結果

4.3 在位階段穩性分析

當平臺在試驗場地安裝就位后，可以進行波浪能發電試驗，需要校核發電裝置在作業和維修期間（其浮態和重心與自存工況類似）的穩性，考慮到作業狀態平臺整體重心低，穩性較維修更好，故在總體方案設計階段僅分析維修期間的穩性，維修階段的穩性要是滿足要求，操作狀態必然滿足要求。平臺在位時，發電裝置維修時（簡稱在位維修工況）的平臺重量重心等數據如表5所示。

考慮到平臺的對稱性，僅僅考慮0～90°范圍內的完整穩性工況，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性。穩性計算考慮的風速為100 kn，3個工況的穩性計算結果如表6所示。

穩性計算結果表明，該平臺具有較好的在位穩性。除了初穩心高度和面積比兩個規范要求的指標外，其他穩性指標也非常好，這里就不再一一羅列。

表5 在位維修工況重量參數

表6 在位維修工況穩性分析結果

4.4 水動力分析結果

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

從運動響應幅子（RAO）的結果來看，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較小。這就保證了在發電裝置工作時試驗平臺有較好的運動性能。

4.5 系泊分析結果

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

根據完整狀態系泊分析結果，選擇浪向90°工況下S2纜破斷，分析破損狀態下系泊系統受力和運動。計算結果如表7所示。

表7 破損狀態下系泊系統受力和運動結果

根據系泊分析結果，完整狀態最小安全系數為2.03，破損狀態的最小安全系數為1.56，且均沒有上拔力出現，滿足規范的要求。根據以往的系泊分析經驗，在如此水深以及極端環境條件作用下，準靜力法與全動力法計算的結果會比較接近。根據系泊力進行錨的選擇，選擇18 t左右的大抓力錨可以滿足項目的需求。在硬質巖石區域，需要選擇重力錨才能滿足要求。

5 結論

根據設計基礎和波浪能發電的需求，設計出本實驗平臺的形式——半潛式平臺。根據穩性、運動性能以及發電裝置尺寸等關鍵性能參數的需要，確定了平臺的主尺度。根據極端環境條件，設計了系泊系統。分析結果表明，本設計方案技術可行，且安全可靠。

[1]戴仰山，沈進威，宋競正.船舶波浪荷載[M].北京：國防工業出版社，2007.

[2]國家發展和改革委員會.SY/T10030-2004.海上固定平臺規劃、設計和建造的推薦做法工作應力設計法[S].北京：石油工業出版社，2004.

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