波浪能海上试验平台的设计可行性研究

侯晓蕊 ，李运霞 ，王 鑫 ，金 鑫 ，路 宽 ，宋雨泽 ,韩林生

（1.天津海油工程技术有限公司，天津300100，2.国家海洋技术中心，天津 300112）

1 开发海洋能的必要性及需求分析

海洋是一个巨大的能源宝库，包括温度差能、波浪能、潮汐与潮流能、海流能、盐度差能、岸外风能、海洋生物能和海洋地热能等8种，储存量高达天文数字，是蕴藏于海上、海中、海底的可再生资源，属新能源范畴。人们可以把这些海洋能以各种手段转化成电能、机械能或其他形式的能量，供人类使用。

海洋能具有以下特点：

（1）它在海洋总水体中的蕴藏量巨大，而单位体积、单位长度所拥有的能量较小。这就是说，要想得到大能量，就得从大量的海水中获得。

（2）它具有可再生性。海洋能来源于太阳辐射能与天体间的万有引力，只要太阳、月球等天体与地球共存，这种能源就会再生，就会取之不尽用之不竭、用之不竭。

图1 点头鸭式装置

（3）海洋能属于清洁能源，也就是海洋能一旦开发后，其本身对环境污染影响很小。

《国家“十一五”海洋科学和技术发展规划纲要》中也指出，要“加强海洋科技平台建设，提高海洋科技基础能力”，“建设共享的综合研究试验平台”；《国家海洋事业发展纲要》提出“建设国家科技试验室和海上试验场等研发平台”。波浪能、潮流能海上试验与测试场的建成与投入使用，将大大节省波浪能、潮流能装置实海况试验前期调查与海上基础工程建设的经费与时间，极大推动波浪能、潮流能开发利用技术与产业发展，因此有必要通过国家的专项资金的支持尽快开展相关工作，为我国海洋能事业的发展提供保障与支持。

2 发电设备

鸭式装置外形像一只巨型的鸭头，漂浮在海中，在波浪的推动下上下摆动，故名点头鸭。由于体型比较庞大，运动时能带动发电装置产生电流。如图1所示。

3 海上平台设计

波浪能试验平台为半潜式浮式平台，如图2～图3所示，由旁通、横撑、立柱、上部结构（操作平台）及分布式多点系泊系统组成，是一小型半潜式平台。其所采用的设计、建造、安装及操作技术均为成熟的工业技术。

系泊系统为4组×3根的分布式系泊系统，单根系泊缆长度为600 m（从导缆孔到锚端），系泊缆由纯锚链构成，锚链公称直径为56 mm，系泊锚优先选择大抓力锚，当海底泥面处为基岩时，用重力锚代替大抓力锚。

图2 波浪能试验平台（侧视图）

图3 波浪能试验平台（俯视图）

波浪能发电装置通过吊装或拖拉进入半潜式平台的月池内，发电装置需要维修或撤离时，通过升降系统提升到操作平台上进行维修或为撤离做准备。波浪能发电装置的可利用空间尺寸为25 m×15 m×16 m，供发电装置设计参考。

4 设计

试验平台按照50 m水深进行设计，系泊系统强度按照百年一遇的风暴条件进行设计，设计极端环境条件为：百年一遇极端波浪条件有效波高Hs=7.01 m，有效周期Ts=11.41 s；百年一遇最大风速为36.08 m/s；极端工况流速按2.5 m/s考虑。在本设计阶段，考虑到方向性不甚明显，故按照上述极值来进行试验平台各方向的性能分析。分析中保守考虑为风、浪和流为同向，且考虑任意来向的可能性。

除各工况稳性分析之外，还需要针对在位的浮态进行多点系泊系统设计。多点系泊系统系泊缆的受力安全系数遵循美国石油学会的《浮式结构物定位系统设计与分析》规定。具体安全系数如表1所示。

表1 系泊缆设计安全系数

4.1 平台设计参数

平台设计的主尺度如表2所示。

其坐标系参照图4所示，平台的原点为浮体基线平面的形心，Z 轴方向为垂直向上。

4.2 拖航阶段稳性分析

试验平台湿拖时，其重量重心等数据如表3所示。

表2 试验平台主尺度

图4 坐标系统和环境条件方向

考虑到平台的对称性，仅仅考虑0～90°范围内的完整稳性工况，选择0°、45°、90°三个特征角度作为参考轴计算平台拖航时的稳性。稳性计算考虑的风速为100 kn，3个工况的稳性计算结果如表4所示。

稳性计算结果表明，该平台具有较好的拖航稳性，可以看出，除初稳心高度外，其他稳性指标都有较大的余量，这也符合大家对半潜式平台的预期，即：小的GM 值保证较好的运动性能，且整体稳性较好。稳性分析结果表明，在无合适的半潜驳船供平台干拖作业时，可以采取湿拖的拖航方式。

表3 拖航工况重量参数

表4 拖航稳性分析结果

4.3 在位阶段稳性分析

当平台在试验场地安装就位后，可以进行波浪能发电试验，需要校核发电装置在作业和维修期间（其浮态和重心与自存工况类似）的稳性，考虑到作业状态平台整体重心低，稳性较维修更好，故在总体方案设计阶段仅分析维修期间的稳性，维修阶段的稳性要是满足要求，操作状态必然满足要求。平台在位时，发电装置维修时（简称在位维修工况）的平台重量重心等数据如表5所示。

考虑到平台的对称性，仅仅考虑0～90°范围内的完整稳性工况，选择0°、45°、90°三个特征角度作为参考轴计算平台在位维修工况的稳性。稳性计算考虑的风速为100 kn，3个工况的稳性计算结果如表6所示。

稳性计算结果表明，该平台具有较好的在位稳性。除了初稳心高度和面积比两个规范要求的指标外，其他稳性指标也非常好，这里就不再一一罗列。

表5 在位维修工况重量参数

表6 在位维修工况稳性分析结果

4.4 水动力分析结果

根据SESAM/GENIE建立的水动力湿表面模型，在MOSES用三维绕射方法进行频域水动力分析。从水动力计算结果来看，相对于平台的排水量，本实验平台计算得到的附加质量较小，这与平台的型式有关，相对普通船型，半潜式平台通常有较小的附加质量系数和初稳心高。从波浪力计算的结果来看，去除部分不规则频率对应的结果（MOSES没有自动去除不规则频率的功能），试验平台的波浪力达到波幅约（160～250）t/m。这么大的波浪力为极端工况的系泊系统设计带来挑战。

从运动响应幅子（RAO）的结果来看，升沉RAO是典型的半潜式平台的升沉RAO，所不同的是，其两个峰值的固有周期较一般半潜式平台小，主要原因在于尺度的差异。其横摇和纵摇运动的幅值在波浪周期内较小。这就保证了在发电装置工作时试验平台有较好的运动性能。

4.5 系泊分析结果

根据上述方法，得到试验平台的系泊系统的设计方案，系泊系统为4组×3根的分布式系泊系统，单根系泊缆长度为600 m（从导缆孔到锚端），系泊缆由纯锚链构成，锚链公称直径为56 mm（破断负荷为346.5 t），系泊锚优先选择大抓力锚，当海底泥面处为基岩时，用重力锚代替大抓力锚。

根据完整状态系泊分析结果，选择浪向90°工况下S2缆破断，分析破损状态下系泊系统受力和运动。计算结果如表7所示。

表7 破损状态下系泊系统受力和运动结果

根据系泊分析结果，完整状态最小安全系数为2.03，破损状态的最小安全系数为1.56，且均没有上拔力出现，满足规范的要求。根据以往的系泊分析经验，在如此水深以及极端环境条件作用下，准静力法与全动力法计算的结果会比较接近。根据系泊力进行锚的选择，选择18 t左右的大抓力锚可以满足项目的需求。在硬质岩石区域，需要选择重力锚才能满足要求。

5 结论

根据设计基础和波浪能发电的需求，设计出本实验平台的形式——半潜式平台。根据稳性、运动性能以及发电装置尺寸等关键性能参数的需要，确定了平台的主尺度。根据极端环境条件，设计了系泊系统。分析结果表明，本设计方案技术可行，且安全可靠。

[1]戴仰山，沈进威，宋竞正.船舶波浪荷载[M].北京：国防工业出版社，2007.

[2]国家发展和改革委员会.SY/T10030-2004.海上固定平台规划、设计和建造的推荐做法工作应力设计法[S].北京：石油工业出版社，2004.

[3]中华人民共和国交通运输部.JTS144-1-2010.港口工程荷载规范[S].北京：人民交通出版社，2010.