海洋开发装备技术发展现状与未来趋势研判

曾晓光，金伟晨，赵羿羽，郎舒妍

(中国船舶重工集团公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

海洋储藏着丰富的油气资源、生物资源、空间资源和可再生能源资源等，是人类生存和经济发展的重要战略空间[1]。21 世纪以来，海洋成为国家经济发展和对外开放的重要窗口，在保护国家安全、维护国家主权和获取经济利益方面的作用日益突出[2]。海洋开发装备在人们认识和利用海洋的过程中起到了不可取代的作用，是认知海洋、开发海洋、利用海洋、维护海洋权益的基础和保障[3]。当前，世界海洋开发装备技术正向深水化、智能化、清洁化、系统化和集约化发展。

目前，海洋资源开发主要包含六方面内容：油气资源、生物资源、可再生资源、矿产资源、空间资源和海水资源[4]，本文将针对各类资源的开发装备，从装备技术发展现状和未来发展趋势两方面进行分析和系统介绍。

本文首先采用文献统计方法，利用CNKI 文献数据库对近十年相关的发文情况按照技术领域进行统计分析，可以发现油气资源、生物资源和可再生能源的发文总量较大，仍然是技术研发的主要方向，而矿产资源、空间资源和海水资源方面，虽然总体发文量较小，近年来呈现数量上升趋势，故可基本判断该类技术正处于发展期，值得关注的是海洋生物资源相关文章在数量和发展趋势上均呈现上升态势，有望成为未来海洋开发装备的技术发展重点。同时，采用Derwent 专利数据库进行专利分析，在关键词为Ocean Develepment 的情况下，专利分布情况如表1 所示。

表1 海洋开发相关专利的分布情况Tab. 1 Distribution of patents related to marine development

1 海洋油气资源开发装备现状与未来趋势

海洋油气资源装备是指用于油气资源勘探、开发、储运与后期服务等诸多方面的大型工程装备，可以划分为勘探装备、生产装备、海洋工程船、建造辅助船舶和水下生产系统等，具体装备包罗万象，如各类钻井平台（船）、生产平台、FPSO、穿梭油轮、起重船、铺缆铺管船、半潜船、三用工作船及平台供应船等。

1.1 装备发展现状

总体来说，在油气开发装备方面，美国、挪威等西方发达国家掌握着核心关键技术，特别是在装备的集成化、智能化和配套设备的深水化、专业化方面形成一定的技术垄断态势，我国则存在着国产化比例小、深水化程度低、配套设备能力差的问题。具体来说发展现状存在以下特点：

1）西方发达国家掌握着部分高精尖核心装备技术

美国、欧洲等西方发达国家以研发、建造深水、超深水等高技术附加值的海洋工程装备为核心，占据着高端油气勘探开发装备的设计、开发及关键配套件技术的垄断地位[5]。以海洋深水钻采装备为例，水下井口井控设备、水下采油及管汇生产装备，其技术长期以来一直被西方发达国家所垄断[6]。

2）韩国、新加坡等国制造能力强，技术定位明确

韩国、新加坡等国在多年技术研发的基础上，凭借先进的制造和管理经验，具备了建造大型FPSO 和高技术附加值海洋油气开发装备的能力，并已具备建造总承包能力，其中较为有代表性的企业包括韩国现代重工、三星重工、大宇造船，以及新加坡吉宝公司及胜科海事公司等，除大型海洋工程装备外，这些公司还具备较强的海洋工程配套设备的制造能力。

3）我国技术水平相对落后，核心关键技术缺乏，配套能力低

我国海洋石油勘探所需的关键设备和技术大量依赖进口，并且我国所研发的海上石油钻采装备产品有限，与发达国家相比，仍然存在较大差距。在常规水深勘探钻采装备方面，我国已经初步具备设计建造能力，但是核心关键技术仍然处于较低水平，配套能力有限，产品集成化和智能化水平较低。

1.2 未来趋势研判

1）系统化、智能化是大势所趋

从钻采、生产装备的发展趋势来看，数字钻机方案、钻井服务系统、水下生产集成测试系统等智能化作业方式的研究与开发工作，正在逐渐成为海洋油气勘探开发领域一个重要的方向，而从船舶的发展来看，无人船也正在受到越来越多人的关注。

2）深水、极地探测装备的研发得到重视

世界海洋油气资源勘探与开采主要需要水面工作船与各类海洋工程平台和操纵控制设备完成[7]。在深水和极地油气开发作业的过程中，无人探测器（ROV）、深海拖曳测绘系统（TMS）和载人深潜器（HOV）等将产生巨大的工程作用，而北冰洋海底蕴藏着丰富的石油、煤炭、天然气、可燃冰等资源，因此，极地船舶的研制也正在逐渐成为船舶市场上的一大亮点。

3）新型海洋工程船舶迅速增长

随着海洋油气开发技术趋于成熟，具有特殊功能的海洋工程船舶开始受到市场青睐。同时，新型海洋工程船舶设计聚焦节能减排。其主要原因是环境保护问题变得日益突出，诸多国家与国际非政府组织提高了对于船舶废水、废气等污染物的排放控制要求，IMO 更是在近期提出了2050 年船舶实现零排放的愿景，对研发单位而言，这既是挑战也是机遇[8]。

2 海洋生物资源开发装备现状与未来趋势

从目前的应用情况和装备发展进程来看，在海洋生物资源开发装备方面，发展较为迅速且较为成熟的是海洋渔业装备，其中包括鱼类探测装备、养殖工船和深水养殖网箱等。而另一方面，海洋药物与生物制品相关技术与装备的研究正在起步阶段，以海洋生物为原料或提取生物活性物质、特殊生物基因等成分，进行海洋药物、功能食品、生物材料等的生产工作正在进行之中。

2.1 装备发展现状

图1 海洋开发装备体系图Fig. 1 Marine development equipment system

总体来看，在海洋生物资源的开发方面，深远海鱼类养殖装备及其相关技术的发展最为迅猛，在该领域，挪威深海养殖装备日益完善，日本、希腊、智利等国加速发展，我国也在相关装备的建造方面取得了长足的进步。具体特点如下：

1）挪威深海养殖装备大型化，配套日益完善

挪威深海养殖装备的研发在世界中处于领先位置。挪威大型深海网箱一般配备自动投饵系统、鱼苗自动计数设备、水下监控系统、自动分级收鱼和自动收集死鱼设备等一体智能管理系统，挪威深海网箱养殖业中配套设施的普遍运用将人力从养殖活动中逐渐解放出来，从事有关养殖管理和研发工作，逐步实现生产自动化、智能化。

2）日本深海养殖装备因地制宜，但存在诸多问题

日本深海网箱养殖起步较早，但在其发展过程中，出现一系列问题。一是日本深海养殖没有形成较大的规模，故收益方面相对有限；二是政府支持力度不足，且养殖必须在政府规定允许的范围内进行；三是饵料配比不科学，对于疾病的控制和预防力度不足。

3）希腊、智利等国加大海洋养殖业研发力度

希腊的海水网箱养殖非常重视新品种的开发。ISO 和HACCP 已经被引入希腊的养殖管理体系，同时其渔业养殖的机械化和自动化水平也在不断提升。智利政府则适当加大了渔业养殖的科研经费投入，为鱼类多样化做出了贡献，提升了鱼类养殖在智利国内的产业竞争力和经济价值[9]。

4）我国海洋生物资源开发技术研究起步较晚，但正在逐步缩小差距

近年来我国加强了渔业船舶的船型优化技术研究与应用并取得了成效，在标准化渔船建设工程中发挥作用，远洋渔船、深海养殖网箱的建造技术基础也初步形成[10]。同时，我国海洋生物制品产业也迎来了快速发展期，以海洋生物酶、生物制剂和新功能材料为代表的海洋生物技术逐渐取得突破。

2.2 未来趋势研判

1）渔业养殖装备向专业化、大型化、智能化发展

近海渔船装备向专业化发展，渔船机械化作业水平、节能减排水平与智能保障能力得到进一步提高；远洋渔船装备工业化水平不断提高，鱼类监测设备、捕捞设备等配套设备的自动化、信息化水平不断提高；新能源推进方式、数字化手段和新型环保材料的应用在渔船中将逐步完善；深海养殖网箱的发展向着更深水深、更加智能、更大产量的方向不断进步。

2）海洋药物和生物制品技术的表现为三大趋势海洋药物和生物制品领域的主要表现为三方面的发展趋势：一是生物资源的利用范围逐步由近海向远海迈进；二是资源的有效利用率将不断提升；三是海洋生物产品也将逐渐走入海洋相关技术研究的主流，最终形成产业化、规模化。

3 海洋可再生能源开发装备现状与未来趋势

在海洋可再生能源的开发方面，根据能源形势可划分为潮汐能、离岸风能、潮流能、波浪能、温差能和盐差能。近年来，海洋新能源开发装备技术发展顺利，不同能源领域各有千秋，各国均获得了一定的技术突破，并开展相应的工程应用。

3.1 装备发展现状

不同海洋可再生能源的获取技术成熟度发展水平各不相同，大体上包含成熟商业化、初步商业化和实验室向工程应用转化3 个不同阶段，其中潮汐能和离岸风能已相对成熟，潮流能和波浪能已具备初步商业化基础，而盐差能和温差能利用则仍存在一定的技术难点尚待突破。具体特点如下：

1）潮汐能已实现长期商业化运行，发展迅猛

国外潮汐发电技术已经相对成熟，并进入商业化运行阶段。进入21 世纪以来，潮汐能开发利用工作进入高速发展阶段。这个阶段，在充分考虑环境影响的基础上，世界一些国家开始大型潮汐电站的研建工作，但近年来，潮汐能发电技术的发展相对迟缓，脚步有所减慢。

图2 潮汐能发电装置Fig. 2 Tidal power generation equipment

图3 波浪能发电装置Fig. 3 Wave energy generating equipment

图4 潮流能水轮机Fig. 4 Tidal power turbine

2）离岸风电技术处于大规模开发阶段

海上风电技术朝着深远海、大装机、阵列式应用发展。欧洲海上风电技术领先，目前全球建成的海上风电场绝大部分都在欧洲，截止到2016 年，全球海上风电累计装机容量达14 384 MW[11]，其中，中国累计装机量突破1.5 GW，跻身世界前三。

3）潮流能、波浪能发电技术基本成熟，逐渐步入商业化阶段

国际上水平轴式技术较为成熟，基本进入了实海况示范运行甚至前商业化应用阶段。代表性潮流能发电装置包括英国MCT 公司的Sea Gen（1.2 MW），爱尔兰Open Hydro 公司的Open-Center（1 MW），挪威Hammerfest 公司的HS1000（1 MW），英国Atlantis 公司的AR-1000（1 MW）等[12]。

国际上已有多种技术类型的波浪能装置开展了长期海试，但尚未具备商业化运行条件。代表性波浪能发电装置包括美国OPT 公司的PowerBuoy（最大150 kW），英国Aquamarine Power 公司的Oyster（800 kW），西班牙Mutriku 波浪能电站（296 kW）等。

4）温差能、盐差能利用处于实验室向工程应用过渡阶段

海洋温差能技术朝着大型化发展。美国、日本等国开展研究较早，技术领先，但基本处于试验研究阶段。开展了综合利用方面的研究，致力于解决大直径冷海水管施工、高效氨透平研发等关键问题。

盐差能技术朝着低成本发展。挪威、荷兰和日本等国开展了先期研究，基本处于试验研究阶段。目前专用渗透膜等关键组件的成本居高不下，制约了温差能技术的发展。

3.2 未来趋势研判

1）加快研发波浪能发电厂关键技术装备

波浪能发电装置在能量俘获效率、转换效率、可靠性、生存性、可维护性等关键技术上有待进一步提升。应加快突破百千瓦级波浪能发电装备关键技术，以及阵列式布放研究，推进兆瓦级波浪能发电场建设及运行维护，培育波浪能高端装备制造产业。

2）加快研发兆瓦级潮流能发电技术装备

潮流能发电机组可靠性、稳定性、阵列式应用、支撑载体工程等关键技术仍有待提升。应加快突破潮流能机组关键技术，逐步降低运行成本，促进高可靠兆瓦级潮流能机组产业化，积极推进潮流能发电场建设，培育潮流能高端装备制造产业。

3）推进深远海海上风能利用技术装备研发

加快研发漂浮式深海风电机组关键技术、远距离深水大型海上风电场开发及运维关键技术、与潮流能及波浪能的综合利用技术，建成百兆瓦级深海风电场，实现5 MW 以上深海风机装备产业化。

4）开展海洋能综合利用与评估技术研究

海洋能原创技术较少，应研究针对海洋能资源特点的高效利用技术，抓紧突破温差能及其综合利用关键技术和示范，研制新型海洋能转换装置，开展海洋能综合利用及规模化开发环境综合评估技术研究。

4 海洋矿产资源开发装备现状与未来趋势

此类装备可划分为海洋矿产资源勘探装备和海洋矿产资源开发装备两大类，装备研发和相关技术的攻关围绕多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物等不同矿物的采集作业特点进行。虽然整体上距大规模商业化开采还存在一定差距，但在关键装备技术上还是取得了相应的进展。

4.1 装备发展现状

20 世纪50 年代末，美国、英国、法国、德国、日本、加拿大等发达国家以及苏联开始研究大洋锰结核资源勘查与开采技术[13]。西方国家自2 0 世纪70-80 年代就已多次成功开展5 000 m 的深海采矿试验，初步完成了深海多金属结核资源开采系统装备研制，具备了进行商业化开采的技术条件。1978 年，由美、比、意合资的海洋采矿协会（OMA）在1 000 m 水深环境下进行了第1 次结核采矿原型试验。同年，美国海洋矿产公司在水深1 800 m 处进行多次试验，1979 年进行了5 500 m 水深的采矿试验，成功地进行了系统的布放回收并采集了约1 000 t 的结核样品，验证了深海采矿技术上的可行性。韩国分别于2009 年、2012 年、2013 年进行了浅海、200 米级水深及千米级水深海上试验；印度于2000 年进行了410 m 水深的海上采矿试验，并于2006 年与德国再次合作进行了451 m 水深浅海的采矿试验研究。近年来，比较活跃的国外采矿公司有加拿大的鹦鹉螺矿业公司（Nautilus Minerals）和澳大利亚的海王星矿业公司（Neptune Minerals），2 家公司分别提出了可商业化开采的深海采矿系统，主要针对多金属硫化物的开采。

4.2 未来趋势研判

1）生态化、绿色化的开采作业

世界各国深海矿产资源开采关注深海采矿时生态环境的修复的问题。不以海洋生态环境受损为代价的、安全可靠的开采技术与装备研发将成为主攻方向。深海矿产的生态开采技术将得到不断强化。

2）自动化、智能化的作业装备

基于数字化、信息化技术开发的自适应、自制智能矿石采集及输运等装备将成功开发并应用。

3）系列化、标准化的设计建造流程

面向多种矿产资源开采的共性技术，如多金属结核、富钴结壳、热液硫化物的智能采掘装备和提升输运系统等，实现系列化标准化设计。同时先进成熟的海洋油气开发平台技术等相关技术成果，将创新移植应用。

5 海洋空间资源开发装备现状与未来趋势

海洋空间资源开发是指将水面、水下和水面上空的空间资源用于交通、生产、居住和娱乐的诸多海洋开发与生产活动。传统的海洋空间资源包括海洋港口与海洋运输。新型海洋空间资源包括人工岛、海上桥梁、海上机场、海上/海底工厂、海上娱乐场、海上城市、海底隧道、海底仓库等[14]。其中，大型海上浮式结构物和载人潜器是较为有代表性的装备。

5.1 装备发展现状

1999 年，日本在神奈川县横须贺港海面上建成了1 个海上漂浮机场。这个海上漂浮机场是1995 年开始研制的，它由6 块长380 m、宽60 m、厚3 m 的模块焊接而成，有1 条1 000 多米长、最宽处达120 m 的起降跑道。该机场于2000 年进行飞机起降试验，成功后将其拆除[15]。该机场具有很大的军事价值，战时可以作为支援作战飞机的移动基地使用。此外，英国也有过利用大型浮式结构物在原有机场旁建设新跑道的规划。

观光载人潜水器方面，其作为一种新型的旅游工具，为用户提供了一种全新水下旅游体验，开创了一个新兴的水下旅游观光产业。在20 世纪80 年代中后期，观光载人潜水器迎来了发展的黄金时期，在此后几十年的时间内，观光载人潜水器发展十分迅猛。美国、荷兰等已经研制了多艘观光载人潜水器。

5.2 未来趋势研判

1）新型海洋空间资源开发装备向安全、可靠、环保发展

在开发海洋大型浮式结构物的过程中需要解决一系列的理论问题和工程实际问题，未来将集中于突破动力特性预报技术，建立相应的设计规范，开发快速方便的设计软件，解决可服役性、耐久性和可维性，开展事故载荷及风险评估，考虑环境及生态问题等，保障海洋大型浮式结构物作业安全、可靠、环保。

2）水下旅游资源开发装备向全通透、豪华化发展

全通透和豪华型的观光载人潜水器是未来的发展趋势，美国已经在这方面开展了大量的工作。全通透观光潜水器能为乘客带来全方位的观景感受，有一种身临其境的感觉。随着亚克力材料和制造工艺的进步，人们已将越来越多的目光投向了全通透型的观光潜水器产品

6 海水资源利用装备现状与未来趋势

海水综合利用主要包括海水淡化、海水直接利用和海水化学元素利用3 个方面。其中海水淡化技术发展最为迅猛，工业化程度也相对较高，其方法一般分为热法（蒸馏法）和膜法两大类。

6.1 装备发展现状

目前，在世界上已诞生的海水淡化技术中，以反渗透（SWRO）为代表的膜法海水淡化技术和以低温多效（LT-MED）、多级闪蒸（MSF）为代表的热法淡化技术得到最广泛应用。在这两大主流技术中，膜法淡化技术在设备投资、运行能耗和应用规模等方面更具有优势，将成为未来发展的主导。美国、以色列、日本、新加坡、韩国、西班牙、德国、法国、英国等在该技术领域居于世界领先地位，是主要的海水淡化技术及产品输出国。这些发达国家有的生产海水淡化配套核心部件和关键设备，有的专业从事海水淡化工程设计、总承包和水务运营等。中东地区仍是世界上生产海水淡化水量最大的地区[16]。

在海水化学资源开发利用方面，随着科技的不断发展，如何进一步降低化学资源提取能耗和生产成本，而且从海水中的常量元素提取向微量元素（如锂、铀、重氢）延伸，是发展的必然趋势。目前，在海水化学资源开发利用方面技术领先的国家包括美国、以色列、日本、英国等，所采用的工艺技术主要包括空气吹出法、离子筛、电渗析、膜浓缩、多效蒸馏、机械热压缩蒸发等。

6.2 未来趋势研判

海水资源利用装备整体向着经济、高效、环保的方向发展。节省能源、降低成本、绿色发展是海水资源利用技术和产业发展的共同趋势。未来，以压力、热能、电能等为驱动方式的新型多元化海水利用技术不断涌现，并在适用领域得到推广。新型分离膜材料、膜组件、高性能的能量回收技术与设备，以及膜-膜耦合、热-膜耦合等多种工艺组合的海水淡化技术得到充分发展，海水淡化投资和运行成本进一步降低，经济效益显现，缺水问题得到有效缓解。同时，利用绿色能源如太阳能、波浪能等绿色能源为主，现有火力发电为辅，进行海水淡化等。

7 结 语

海洋开发装备具有高投入、高风险的特点，且呈现出大型化、深水化、多样化和高端化的趋势。目前，主要的海洋开发技术依然掌握在韩国、美国、日本、欧洲等国家手中，特别是美国和欧洲在深水或超深水平台和核心技术设备方面始终占据着垄断地位。总体看来，海洋开发装备的发展阵营大体上可以分为3 部分，即以美国、欧洲为代表的高端装备集团，以韩国、新加坡为代表的工程总包与关键配套设备研发与制造集团和以中国为代表的总装建造和低端制造集团。鉴于此，我国应当积极应对国际技术竞争态势，主动出击，具体可从以下几方面具体考虑：

1）加大研发支持力度，完善科技协同创新体系

持续稳定地开展海洋开发装备研发项目的立项支持，对重大集成性系统工程设立专项资金，鼓励基础共性研究。建立健全保障海洋开发装备研发的体制机制，建立鼓励和激励开展自主创新的制度，形成面向行业内外、多学科交叉融合、“产、学、研、用”相结合的开放式协同创新研发体系。

2）加强海洋装备设计、建造和配套产业等工业基础能力建设

海洋开发装备的设计、建造和配套产业的发展将推动船舶行业高端产业的发展，并拉动一批科技产业。应重视海洋装备的工业能力，加强装备设计、建造和配套设备的研发能力建设，提升装备的自主研制能力。

3）进一步加强科技人才队伍建设

引进、培养一批专业水平高、创新能力强的高级专业人才，培养技术操作熟练、专业知识扎实的专业高技能人才，通过人才引进和自我培养，不断完善壮大海洋开发装备研发、建造、管理的专业人才队伍。鼓励科技人员采取多种方式转化高新技术成果、参与创办高新技术企业，鼓励采用专利实施许可、专利权转让、发明专利出资入股、知识产权质押等形式，促进创新成果转移转化和产业化。

4）加强国际交流合作

大力开展多层次、多渠道、多方式的国际技术交流活动，采取科技合作、技术转移、技术并购、资源共同开发与利用、参与国际标准制定等多种方式，提升我国海洋开发装备技术发展水平与创新能力。