海工构筑物海洋能集成利用技术探讨

王树杰，王举田，刘锦昆，袁 鹏，刘 臻，徐志刚，季文峰

(1.中国海洋大学工程学院海洋工程山东省重点实验室，山东青岛 266100;2.中石化石油工程设计有限公司，山东东营 257000)

随着石油、煤炭和天然气等传统化石燃料的枯竭，新能源的开发已经成为备受人类关注的课题。海洋能作为一种新兴的清洁能源，在各国已经得到了相应的发展与利用。据估计，全球各种海洋能理论可再生总功率达766×108kW，技术上可开发利用的总功率约有64×108kW，如此巨大的蕴藏量如果得到合理利用，将会缓解当前的能源危机［1-4］。

潮流能和波浪能发电是当前海洋能利用的两种主要方式，以英国为代表的欧洲国家已进入商业化示范工程阶段。英国MCT(Marine Current Turbines)公司研发的潮流能装备Sea Gen额定输出功率可达到1.2 MW，该装置安装在嵌入海底的钢结构中，现已并网发电［5］。位于英国克莱德河口海湾的世界上第一台商用波能电机，于1995年8月开始发电，该电站装机容量达2 000 kW［6］。同样，在国内，潮流能和波浪能作为海洋能的重要组成部分，近几年在海洋能专项资金的支持下，得到了快速发展，已具备百千瓦级装置的研发能力，规模化的开发项目也在不断建成［7］。

海洋能利用技术日趋成熟的同时，仍面临着诸多关键技术问题需要解决。目前制约海洋能开发应用的难点主要体现在:海洋能的能量不稳定，海洋环境恶劣，基础设施投资大等，尤其是基础设施的投资方面。目前，对于桩柱式或座海底式海洋能获能装置，设备的运行需要建造大型构筑体支撑结构，由于海洋环境的严酷和不稳定，建造这些支撑结构往往需要大规模复杂的海上施工，电站的运营和维护同样需要利用一些大型海洋工程施工设备来进行，这些费用往往占到整个海洋能项目投资的一半甚至更多，导致海洋能开发的成本巨大。因此海洋能要进一步发展，最终实现产业化，关键在于海洋能开发技术的稳定和高可靠性、建造和维护的低成本以及高的经济效益［8］。

随着国家海洋战略的不断发展，进海路和海上导管架石油平台等海工构筑物的建造层出不穷。这类海工构筑物所在海域往往蕴藏着丰富的海洋能资源，同时，其构筑体支撑结构也为海洋能获能装置的安装提供了便利。另外，离岸的海洋平台等海上设施的能源供应大量依赖天然气等化石能源，浪费巨大，客观上有在所在海域就地取能，利用海洋能实现能量供应的需求。

基于对以上问题的考虑，提出海工构筑物海洋能集成利用的概念，即利用海洋工程构筑物兼作海洋能利用装置的基础结构来实现海洋能开发技术的低成本建造和高综合效益的运营，同时为石油平台等海工构筑物提供必要的电力供应。

1 海洋能集成利用技术国内外研究现状

海洋能开发是一个新兴的领域，除了潮汐能发电之外，目前尚没有完全商业化运营的海洋能电站。虽然在已有的潮流能和波浪能示范工程中，大多使用独立的支撑结构，尚未有与海洋工程构筑物相结合的实例，但在国内外的一些方案研究和设计构思中，还是有可以借鉴和参考的思路。

英国的研究机构提出塞汶河口建造潮流电站的方案，即利用横跨河口的大桥桥墩之间的空间来安装水轮机进行发电，如图1所示。同样，韩国Uldolmok潮流电站方案提出利用跨海大桥结构兼作潮流能水轮机支撑载体［9］，如图 2 所示。

荷兰海岸工程师提出动态潮汐能(DTP)概念，如图3所示。项目主体为大型垂直于海岸的水坝型建筑物，它从海岸一直延伸到海里并可在大坝远端建立与海岸平行的坝体，从而形成一个庞大的“T”形。T型长坝将干扰与海岸平行运动的潮汐波，从而坝体两侧产生水位差，带动坝体内的双向涡轮机进行发电。由于坝的长度需要几十公里，工程量巨大，因此也提出与海洋工程结构物相结合的构想。

图1 英国塞汶河口潮流电站方案Fig.1 The Severn estuary tidal power station scheme in England

图2 韩国Uldolmok潮流电站构想Fig.2 The Uldolmok tidal power station scheme in Korea

图3 荷兰工程师提出的T型坝概念Fig.3 The concept of T-type dam in Holland

国内利用海洋工程结构物与海洋能装置进行结合的构思也不是很多。中国海洋大学根据沉箱防波堤与岸式振荡水柱波能发电装置的交叉关联特点，在国内首次提出并设计了沉箱防波堤兼作岸式OWC波能装置，并进行了物理模型试验，如图4所示。试验中可以直观的看到沉箱防波堤气室内水面的上下波动，验证了沉箱防波堤兼作岸式OWC波能装置的可行性［10］。另外，中海油利用废弃的绥中361海上平台作为风机的基础建成了我国第一台海上风力发电机组，如图5所示。

图4 沉箱防波堤兼作岸式OWC波能装置模型Fig.4 Model of caisson breakwater as OWC

图5 中国第一台海上风力发电机组Fig.5 Chinese first offshore wind turbine

以上的构思和概念，从侧面反映了利用海上油田等海工构筑物来进行海洋能集成利用的可行性，同时，海洋能集成利用可为海上油田开发或为偏远区块提供电力供应。

2 海洋能发电装置与海工构筑物集成利用技术探讨

2.1 潮流能装置与海工构筑物集成利用

2.1.1 柔性叶片潮流能水轮机与进海路集成利用方案

进海路所处海域水深较浅，水流动力条件弱，泥沙复杂，因此比较难与波浪能装置及潮流能装置结合，如图6所示。中国海洋大学研制的柔性叶片转子水轮机，对水位变化不敏感，在双向潮流作用下只作单向转动，同时启动流速低，在较低流速下获能系数较高［11］，因此较适合于在进海路结构中使用。

考虑进海路附近水深较浅，所以水轮机横向放置，最高潮位时水轮机全部淹没。透空处结构可以考虑建成收缩导流增速型式，提高通过透空涵洞的流速，进而提高水轮机转速。柔性叶片水轮机具有负获能区的特性，因此允许在最低潮位时20%高度露出水面而不影响其能量转换效率。采用横置安装时，可以根据水深条件决定水轮机直径，通过加长水轮机长度可获得较大的功率。涨落潮时，水轮机在双向往复潮流作用下产生单向转动，水轮机的转动通过传动机构传递到置于水面上的发电机进行发电。另外，水轮机可沿两侧导柱上下滑动，便于检修和根据潮位进行淹没水深调整，如图7所示。

将进海路支撑结构作为潮流能水轮机的安装载体，可大幅降低水轮机设备投入的成本，另外，该系统可以为进海路周围的照明设备供电，具有良好的综合效益。

图6 进海路示意Fig.6 Sketch of perforated sea road

图7 进海路与潮流能装置结合示意Fig.7 Concept of flexible tidal current turbines integrated with perforated sea road

2.1.2 垂直轴潮流能水轮机与导管架石油平台集成利用方案

垂直轴潮流能水轮机与石油平台结合的方式可以考虑利用导管架平台支撑腿兼作垂直轴潮流能获能装置的支撑结构，将垂直轴水轮机安装在平台下方，潮流带动水轮机转子旋转，水轮机通过传动机构带动发电机发电，如图8所示。

该方案可采用升力型Kobold水轮机，将其安装在海洋平台立柱内侧空间，整个潮流能装置可以一起沿两侧导柱上升和下降，以便升上水面进行检修，如图9所示。采用这种方案时，需要考虑平台桩柱间横撑与斜撑杆的阻流效应，可通过数值模拟和模型试验来确定其影响的大小，然后提出改进方案。在设计新建的结合海洋能装置的海洋平台时，要充分考虑这一因素，在保证不影响平台安全性和可靠性前提下适当减小横撑与斜撑对水流的影响，或设计成能提高流速改变流场的导流结构。

图8 发电装置示意Fig.8 Concept of vertical axis current turbine integrated with oil platform

图9 装置检修示意Fig.9 Schematic diagram of maintenance

2.1.3 水平轴潮流能水轮机与导管架石油平台集成利用方案

水平轴潮流能水轮机的获能系数较高，因此是目前应用最广泛最有前景的潮流能装置，但与垂直轴水轮机相比，它在安装时需要对准潮流的流向，并且需要有足够的水深保证整个叶轮没入水中。

水平轴潮流能水轮机与石油平台结合，可以利用平台的导管架做为水轮机的支撑载体，但如果直接将水平轴水轮机安装在导管架上，导管架的阻流效应将影响水轮机的获能。基于对以上问题的考虑，对平台结构进行局部改装，在导管架两侧各焊接添加水轮机支撑桁架，同时水轮机的安装方向要保证轴线与水流方向平行，这样就可以避免导管架对水轮机获能的影响，如图10所示。

该方案中，水轮机通过焊接在石油平台导管架上的支撑结构固定在导管架两侧，同时，采用铰接的连接方式，使得水轮机在需要检修或者保养时，可以绕铰接点旋转，提升至水面以上，这样可以减小检修、维护与保养的难度。但由于水轮机安装在石油平台导管架的侧面，水轮机正常工作时，会给平台增加较大的附加力矩，不利于平台结构的稳定。同时，由于平台周围经常需要船舶停靠或航行，侧面安装的水轮机会给船舶的航行带来一定的安全隐患。

2.2 波浪能装置与海工构筑物集成利用

2.2.1 振荡浮子式波能装置与导管架石油平台集成利用方案

该装置充分利用导管架支撑结构中的空隙，将振荡浮子及其支撑均置于平台之下。浮子结构可沿中间的支撑柱做单自由度的往复运动，同时浮子与波浪直接接触，波浪的波动即是浮子运动的动力，实现装置的一级能量转换。浮子配合齿轮与齿条结构连接发电机组或通过液压系统二次转换，即可完成波浪能向电能的转换，如图11所示。

该波能发电装置充分利用了海洋石油钻井平台的内部空间，采用振荡浮子，可有效克服潮差变化带来的影响。振荡浮子的支撑结构与导管架平台融为一体，结构的整体性较好。其主要问题在于，该利用方案对原有的导管架平台改动较大，需对其安全稳定性能做进一步研究，才可进一步实施应用。

图10 石油平台结合水平轴潮流能发电装置示意Fig.10 Concept of horizontal axis current turbines integrated with oil platform

图11 振荡浮子波能发电装置示意Fig.11 Concept of oscillating buoy integrated with a jacket platform

2.2.2 OWC波能装置与沉箱防波堤集成利用方案

振荡水柱装置(OWC)是目前世界上应用最为广泛的岸式波能发电装置［12］。该类型装置波能转换率较高，对地形的依赖性较小，此外，波能以气室内的空气作为媒介传递，透平发电机组不与海水接触，减少了波浪的破坏性，避免了海水腐蚀和机组密封等问题，使装置的可靠性增加，从而提高了在海洋环境下的生存能力。沉箱防波堤是一种具有稳定性好、工程造价低、施工速度快、适用于大水深特点的结构形式，如图12所示。

沉箱防波堤与岸式OWC波能装置均设在水深不超过20 m的海域;二者均需要承受波浪力，吸收转化能量;二者断面尺度相似，且沉箱防波堤可设计建造成与OWC装置相似的气室结构。基于以上分析，中国海洋大学的史宏达教授等人在国内首次提出并设计了沉箱防波堤兼作岸式OWC波能装置，并进行了物理模型试验。试验中可直观的看到沉箱防波堤气室内水面上下波动，验证了沉箱防波堤兼作岸式OWC波能装置的可行性［10］。

图12 沉箱防波堤Fig.12 caisson breakwater

3 海洋能集成利用需要解决的问题

海工构筑物海洋能集成利用作为海洋能利用技术的新探索，在为海上设施提供电力供应、节约海洋能开发成本的同时，对于利用方式的选择、装置选型和装置相互之间的干涉影响等方面还存在着几点需要解决的问题。

1)合理选择适合海工构筑物及其所在海域海况特点的利用方式。海工构筑物与海洋能发电装置的集成利用，需要结合海工构筑物的结构特点以及所处海域海流、波浪特性和资源状况进行合理的选择与布置，从而提高海洋能装置的利用效率，获得更好的综合效益。在海洋能资源水平较低的海域，例如潮流(海流)平均流速低于1.0 m/s的海域，由于潮流能获能装置发电效率低下，不应考虑安装潮流能发电装置。同样，在浪高较小的海域，波浪能发电装置也不能实现电能的高效率转化。因此，海洋能集成利用首先需要掌握海工构筑物所在海域的资源状况及水文特点，根据海工构筑物的结构进而选择合理的利用方式。

2)海洋能获能装置选型的优化与匹配。近些年海洋能利用技术虽已取得较大进展，但潮流能、波浪能装置的选型和获能效率有待进一步优化。如针对我国潮流流速普遍偏小的特点，研制适合低流速的潮流能装置以提高获能效率，同时，应减少能量传递过程中的损失，提高能量传递效率。根据海工构筑物的结构特点，设计制造适合其安装的海洋能获能装置。如对于与导管架石油平台相结合的方案中，可以考虑建成收缩导流增速型式，提高通过水轮机的水流流速，减小导管架支撑构件对水流的影响。

3)尽量避免和减少海洋能装置与海工构筑物之间的干涉和相互影响。对现役的海工构筑物，应探讨海洋能装置在海工构筑物上的安装方式，以及对海工构筑物结构的局部改装方式。在添加海洋能装置时，充分考虑海洋能装置的位置、布局、尺寸与结构形式，尽可能不与海工构筑物中必需的构件和工作部分的操作空间发生影响和干涉，不影响海洋平台的正常工作和维护。对新建的海工构筑物，要根据其与海洋能集成利用技术的要求统一规划，进行优化设计，合理考虑其布局，保证海洋能装置不对海洋构筑物的功能造成不良影响，在设计方案确定后对整体结构进行校核，保证其安全性和可靠性。

4 结语

结合海洋能开发项目基础设施成本巨大及海工构筑物能源供应的需求，提出海工构筑物海洋能集成利用的前瞻性概念，利用海洋工程构筑物兼作海洋能获能装置的基础结构来实现海洋能开发技术的低成本建造和高综合效益的运营，同时为海上石油平台等海工构筑物提供电力供应，这将大幅度降低海洋能开发的成本，促进海洋能事业的发展。

针对进海路、海上导管架石油平台和沉箱防波堤等海工构筑物，提出了多种与潮流能装置和波浪能装置的结合方案，并对各种方案进行了比较和分析。下一步研究中，可通过建立海工构筑物海洋能集成利用的试验模型来研究海洋能装置与海工构筑物之间的相互影响，分析集成利用装置与海水的流固耦合关系，综合分析海洋能装置与海工构筑物的水动力学性能及其结构强度、刚度与稳定性，确保结构物的安全与稳定。

［1］ WANG Shujie，YUAN Peng，LI Dong，et al.An overview of ocean renewable energy in China［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2011，15(1):91-111.

［2］ FRAENKEL P.Tidal current energy technologies［J］.International Journal of Avian Science，2006，148(4):145-151.

［3］ US Department of Energy.Proceedings of the hydrokinetic and wave energy technologies［C］//Technical and Environmental Issues Workshop.Washington D C，USA，2006:1-131.

［4］ 乔繁盛.大力开发新能源和可再生能源［J］.国土资源情报，2005，12:17-21.(QIAO Fansheng.Vigorously develop new energy and renewable energy［J］.Land and Resources Information，2005，12:17-21.(in Chinese))

［5］ 游亚戈，李伟，刘伟民，等.海洋能发电技术的发展现状与前景［J］.电力系统自动化，2010，34(14):1-12.(YOU Yage，LI Wei，LIU Weimin，et al.Development status and perspective of marine energy conversion systems［J］.Automation of Electric Power Systems，2010，34(14):1-12.(in Chinese))

［6］ 刘娅君.蝶形越浪式波能发电装置的系统设计及优化研究［D］.青岛:中国海洋大学，2011.(LIU Yajun.The system design and optimization study on dish-type overtopping wave energy convertor［D］.Qingdao:Ocean University of China，2011.(in Chinese))

［7］ YUAN Peng，LI Xicheng.Ocean renewable energy in China-challenge and opportunity［J］.Modern Energy Reviewer，2011，3(1):22-25.

［8］ YUAN Peng，WANG Shujie，LIU Jinkun，et al.Perspective study of marine structure in oil field integrating ocean energy devices［C］//EWTWC 2013.Aalborg:［s.n.］，2013.

［9］ 顾春江.潮流电站平台选型及锚泊系统设计研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2009.(GU Chunjiang.Study on lectotype of tidal current power platform and mooring system design［D］.Harbin:Harbin Engineering University，2009.(in Chinese))

［10］史宏达，杨国华，刘臻，等.新型沉箱防波堤兼作岸式OWC波能装置的设计及稳定性研究［J］.中国海洋大学学报，2010，40(9):142-146.(SHI Hongda，YANG Guohua，LIU Zhen，et al.Study on new caisson breakwater as OWC ［J］.Journal of Ocean University of China，2010，40(9):142-146.(in Chinese))

［11］王树杰，赵龙武，李冬，等.柔性叶片水轮机数值模拟研究［J］.太阳能学报，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］纪君娜，刘臻，纪立强.振荡水柱波能发电装置气室的三维数值模拟研究［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))