王樹杰，王舉田，劉錦昆，袁 鵬，劉 臻，徐志剛，季文峰

(1.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院海洋工程山東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266100;2.中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東東營(yíng) 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(guó)已經(jīng)得到了相應(yīng)的發(fā)展與利用。據(jù)估計(jì)，全球各種海洋能理論可再生總功率達(dá)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(yùn)藏量如果得到合理利用，將會(huì)緩解當(dāng)前的能源危機(jī)［1-4］。

潮流能和波浪能發(fā)電是當(dāng)前海洋能利用的兩種主要方式，以英國(guó)為代表的歐洲國(guó)家已進(jìn)入商業(yè)化示范工程階段。英國(guó)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(dá)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(guó)克萊德河口海灣的世界上第一臺(tái)商用波能電機(jī)，于1995年8月開始發(fā)電，該電站裝機(jī)容量達(dá)2 000 kW［6］。同樣，在國(guó)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(xiàng)資金的支持下，得到了快速發(fā)展，已具備百千瓦級(jí)裝置的研發(fā)能力，規(guī)模化的開發(fā)項(xiàng)目也在不斷建成［7］。

海洋能利用技術(shù)日趨成熟的同時(shí)，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(diǎn)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(duì)于樁柱式或座海底式海洋能獲能裝置，設(shè)備的運(yùn)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(yán)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(yùn)營(yíng)和維護(hù)同樣需要利用一些大型海洋工程施工設(shè)備來進(jìn)行，這些費(fèi)用往往占到整個(gè)海洋能項(xiàng)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(jìn)一步發(fā)展，最終實(shí)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(hù)的低成本以及高的經(jīng)濟(jì)效益［8］。

隨著國(guó)家海洋戰(zhàn)略的不斷發(fā)展，進(jìn)海路和海上導(dǎo)管架石油平臺(tái)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(yùn)藏著豐富的海洋能資源，同時(shí)，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(tái)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(fèi)巨大，客觀上有在所在海域就地取能，利用海洋能實(shí)現(xiàn)能量供應(yīng)的需求。

基于對(duì)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(shí)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(yùn)營(yíng)，同時(shí)為石油平臺(tái)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

海洋能開發(fā)是一個(gè)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(yùn)營(yíng)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(dú)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(shí)例，但在國(guó)內(nèi)外的一些方案研究和設(shè)計(jì)構(gòu)思中，還是有可以借鑒和參考的思路。

英國(guó)的研究機(jī)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(jī)進(jìn)行發(fā)電，如圖1所示。同樣，韓國(guó)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(jī)支撐載體［9］，如圖 2 所示。

荷蘭海岸工程師提出動(dòng)態(tài)潮汐能(DTP)概念，如圖3所示。項(xiàng)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(yuǎn)端建立與海岸平行的壩體，從而形成一個(gè)龐大的“T”形。T型長(zhǎng)壩將干擾與海岸平行運(yùn)動(dòng)的潮汐波，從而壩體兩側(cè)產(chǎn)生水位差，帶動(dòng)壩體內(nèi)的雙向渦輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。由于壩的長(zhǎng)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(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)利用海洋工程結(jié)構(gòu)物與海洋能裝置進(jìn)行結(jié)合的構(gòu)思也不是很多。中國(guó)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(diǎn)，在國(guó)內(nèi)首次提出并設(shè)計(jì)了沉箱防波堤兼作岸式OWC波能裝置，并進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)，如圖4所示。試驗(yàn)中可以直觀的看到沉箱防波堤氣室內(nèi)水面的上下波動(dòng)，驗(yàn)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(tái)作為風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)建成了我國(guó)第一臺(tái)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(guó)第一臺(tái)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jìn)行海洋能集成利用的可行性，同時(shí)，海洋能集成利用可為海上油田開發(fā)或?yàn)槠h(yuǎn)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(jī)與進(jìn)海路集成利用方案

進(jìn)海路所處海域水深較淺，水流動(dòng)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(guó)海洋大學(xué)研制的柔性葉片轉(zhuǎn)子水輪機(jī)，對(duì)水位變化不敏感，在雙向潮流作用下只作單向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)啟動(dòng)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(jìn)海路結(jié)構(gòu)中使用。

考慮進(jìn)海路附近水深較淺，所以水輪機(jī)橫向放置，最高潮位時(shí)水輪機(jī)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(jìn)而提高水輪機(jī)轉(zhuǎn)速。柔性葉片水輪機(jī)具有負(fù)獲能區(qū)的特性，因此允許在最低潮位時(shí)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(shí)，可以根據(jù)水深條件決定水輪機(jī)直徑，通過加長(zhǎng)水輪機(jī)長(zhǎng)度可獲得較大的功率。漲落潮時(shí)，水輪機(jī)在雙向往復(fù)潮流作用下產(chǎn)生單向轉(zhuǎn)動(dòng)，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞到置于水面上的發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。另外，水輪機(jī)可沿兩側(cè)導(dǎo)柱上下滑動(dòng)，便于檢修和根據(jù)潮位進(jìn)行淹沒水深調(diào)整，如圖7所示。

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

圖6 進(jìn)海路示意Fig.6 Sketch of perforated sea road

圖7 進(jìn)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(jī)與導(dǎo)管架石油平臺(tái)集成利用方案

垂直軸潮流能水輪機(jī)與石油平臺(tái)結(jié)合的方式可以考慮利用導(dǎo)管架平臺(tái)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(jī)安裝在平臺(tái)下方，潮流帶動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，水輪機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，如圖8所示。

該方案可采用升力型Kobold水輪機(jī)，將其安裝在海洋平臺(tái)立柱內(nèi)側(cè)空間，整個(gè)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(jìn)行檢修，如圖9所示。采用這種方案時(shí)，需要考慮平臺(tái)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(yàn)來確定其影響的大小，然后提出改進(jìn)方案。在設(shè)計(jì)新建的結(jié)合海洋能裝置的海洋平臺(tái)時(shí)，要充分考慮這一因素，在保證不影響平臺(tái)安全性和可靠性前提下適當(dāng)減小橫撐與斜撐對(duì)水流的影響，或設(shè)計(jì)成能提高流速改變流場(chǎng)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(jī)與導(dǎo)管架石油平臺(tái)集成利用方案

水平軸潮流能水輪機(jī)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(jī)相比，它在安裝時(shí)需要對(duì)準(zhǔn)潮流的流向，并且需要有足夠的水深保證整個(gè)葉輪沒入水中。

水平軸潮流能水輪機(jī)與石油平臺(tái)結(jié)合，可以利用平臺(tái)的導(dǎo)管架做為水輪機(jī)的支撐載體，但如果直接將水平軸水輪機(jī)安裝在導(dǎo)管架上，導(dǎo)管架的阻流效應(yīng)將影響水輪機(jī)的獲能?；趯?duì)以上問題的考慮，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部改裝，在導(dǎo)管架兩側(cè)各焊接添加水輪機(jī)支撐桁架，同時(shí)水輪機(jī)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(duì)水輪機(jī)獲能的影響，如圖10所示。

該方案中，水輪機(jī)通過焊接在石油平臺(tái)導(dǎo)管架上的支撐結(jié)構(gòu)固定在導(dǎo)管架兩側(cè)，同時(shí)，采用鉸接的連接方式，使得水輪機(jī)在需要檢修或者保養(yǎng)時(shí)，可以繞鉸接點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，提升至水面以上，這樣可以減小檢修、維護(hù)與保養(yǎng)的難度。但由于水輪機(jī)安裝在石油平臺(tái)導(dǎo)管架的側(cè)面，水輪機(jī)正常工作時(shí)，會(huì)給平臺(tái)增加較大的附加力矩，不利于平臺(tái)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。同時(shí)，由于平臺(tái)周圍經(jīng)常需要船舶?？炕蚝叫校瑐?cè)面安裝的水輪機(jī)會(huì)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(tái)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(tái)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(yùn)動(dòng)，同時(shí)浮子與波浪直接接觸，波浪的波動(dòng)即是浮子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)裝置的一級(jí)能量轉(zhuǎn)換。浮子配合齒輪與齒條結(jié)構(gòu)連接發(fā)電機(jī)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(tái)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(tái)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(duì)原有的導(dǎo)管架平臺(tái)改動(dòng)較大，需對(duì)其安全穩(wěn)定性能做進(jìn)一步研究，才可進(jìn)一步實(shí)施應(yīng)用。

圖10 石油平臺(tái)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(duì)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(jī)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(jī)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(jià)低、施工速度快、適用于大水深特點(diǎn)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(jì)建造成與OWC裝置相似的氣室結(jié)構(gòu)?；谝陨戏治?，中國(guó)海洋大學(xué)的史宏達(dá)教授等人在國(guó)內(nèi)首次提出并設(shè)計(jì)了沉箱防波堤兼作岸式OWC波能裝置，并進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)。試驗(yàn)中可直觀的看到沉箱防波堤氣室內(nèi)水面上下波動(dòng)，驗(yàn)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(shí)，對(duì)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)以及所處海域海流、波浪特性和資源狀況進(jìn)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(shí)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(diǎn)，根據(jù)海工構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)展，但潮流能、波浪能裝置的選型和獲能效率有待進(jìn)一步優(yōu)化。如針對(duì)我國(guó)潮流流速普遍偏小的特點(diǎn)，研制適合低流速的潮流能裝置以提高獲能效率，同時(shí)，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(diǎn)，設(shè)計(jì)制造適合其安裝的海洋能獲能裝置。如對(duì)于與導(dǎo)管架石油平臺(tái)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(jī)的水流流速，減小導(dǎo)管架支撐構(gòu)件對(duì)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(duì)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(duì)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(shí)，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(tái)的正常工作和維護(hù)。對(duì)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理考慮其布局，保證海洋能裝置不對(duì)海洋構(gòu)筑物的功能造成不良影響，在設(shè)計(jì)方案確定后對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)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(xiàng)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(shí)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(yùn)營(yíng)，同時(shí)為海上石油平臺(tái)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(jìn)海洋能事業(yè)的發(fā)展。

針對(duì)進(jìn)海路、海上導(dǎo)管架石油平臺(tái)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(duì)各種方案進(jìn)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(yàn)?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(dòng)力學(xué)性能及其結(jié)構(gòu)強(qiáng)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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［11］王樹杰，趙龍武，李冬，等.柔性葉片水輪機(jī)數(shù)值模擬研究［J］.太陽能學(xué)報(bào)，2011，32(3):281-287.(WANG Shujie，ZHAO Longwu，LI Dong，et al.Numerical simulation on hydrodynamic performance of flexible blade turbine driven by tidal energy［J］.Acta Energiae Solaris Sinica，2011，32(3):281-287.(in Chinese))

［12］紀(jì)君娜，劉臻，紀(jì)立強(qiáng).振蕩水柱波能發(fā)電裝置氣室的三維數(shù)值模擬研究［J］.海岸工程，2011，30(2):7-13.(JI Junna，LIU Zhen，JI Liqiang.3D numerical simulation for oscillating water column chamber in wave-power convertor［J］.Coastal Engineering，2011，30(2):7-13.(in Chinese))