创新型海洋平台概念设计及强度分析

第16卷 第12期 中 国 水 运 Vol.16 No.12 2016年 12月 China Water Transport December 2016

收稿日期：2016-09-10

作者简介：高 超，本科，安徽省淮河船舶检验局，工程师。

创新型海洋平台概念设计及强度分析

高 超

（安徽省淮河船舶检验局，安徽 蚌埠 233000）

摘 要：考虑到我国深海考察能力薄弱，海洋工程装备单一导致海洋资源开发落后等问题，经过我们大量数据研究分析，认为利用半潜式海洋平台设计海上研究基地具有更好的价值和方便性。在数据研究分析过程中，我们总结了大量的海洋平台类型和科考船数据，然后根据我国制造业能力和海洋需求设计了深海半潜式科考与补给保障平台的基本模型，达到解决深海科考的目的，以及满足考察船、海警船等临时停靠的需求。 关键词：深海；考察；半潜式；补给；保障平台

中图分类号：U656.6 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2016）12-0001-04

一、研究背景

党的十八大提出“海洋强国”的战略目标，工信部发布的《海洋工程装备制造业中长期发展规划》中《海洋工程装备科研项目指南（2013年版）》提出了深远海浮式基地的科研方向。2015年8月，中国工程院院士、著名船舶专家吴有生院士在中国海洋大学做了一次关于深海战略的报告，提到了中国走向深海的战略，重点讲述了中国深海装备亟需发展以及中国深海的装备的现状，其中提到了科考是走向深海的重要一步。

考察船、海警船以及补给船等后勤补给和安全得不到较好的保障，在远海工作中出现补给短缺、信息接收迟缓等多种弊端。我们考虑到在海上补给方面主要分为“海上航行补给”、“海上锚泊补给”和“海上垂直补给”，而海上航行补给多用于军用舰艇，成本高，被补给船也要求与补给船的设备相互匹配；海上锚泊补给需要合适的抛锚区，受海域限制，耗时长，返程距离远，限制了船舶活动范围；海上垂直补给通常采用直升机补给，直升机无法进行大宗液货的补给，受天气影响较大，成本较高。

经过我们的分析，为了弥补考察船深海科考的不足，提高海上长期考察能力，于是采用稳定性好、作业时间长、作业面积大的可移动的半潜式海洋平台建立海上研究基地、海上中转基地，同时为了更好的利用海洋平台，充分发挥海洋平台的价值，满足考察船临时停靠的需求，因此我们在此基础上提出了既具有考察能力，又可以补给重要船舶的“创新型海洋平台”。

二、设计思路 1．主体设计

（1）海洋平台的选择

目前海洋平台的种类主要有半潜式海洋平台、张力腿平台（TLP）、水柱式筒式平台（Spar）等。通过数据分析半潜式平台相对总投资小，更大的工作水深范围，易于改造，无

需海上安装。考虑到投资的成本，工作的地域还有服役的年限等因素，半潜式平台是最佳的选择。

（2）三视图和结构简述

“考察与补给多功能海洋平台”以半潜式海洋平台为主体，整体为上下结构，下结构布有两个浮箱，四根立柱，立柱与立柱之间有支撑连接，浮箱提供主要浮力；上层主要建筑有一栋主实验室、三栋副实验室、两台船用起重机、两台大型H 型垂直轴发电机、一个直升机停机坪；双层甲板里分

有多个货舱。

正视图

侧视图

俯视图 轴测图

图1 三视图

2 中 国 水 运 第16卷

（3）主尺度（参考模型比例1：100）

表1 海洋平台主尺度

浮箱长×宽×高（m） 90×12×7.5

立柱长×宽×高（m） 10×10×30

主甲板长×宽（m) 60×60

自存状态 吃水：15m 排水量：38,450t

拖航状态 吃水：7.5m 排水量：16,605t

总储存能力 20,000t

2．平台考察功能设计思路

（1）考察功能简介

重点用于需要长期定点科考的开发区域或建设海上考察站。利用海洋平台作业甲板空间宽阔、抗风能力强、稳定性好等特点，进行全天候、全季度科考，可同时进行信息收集、信息处理、海上实验、收放深海探测设备等作业。为中国提供海洋资源、海洋地质、生物与生态、大气等综合科学考察信息，也可为海上电厂、海上工厂等大型工程建设提供理论支持[4]。同时采用新能源发电装置为一些科考设备和海洋平台照明等提供电力，节约能源，减少污染物的排放。

（2）考察能力分析

半潜式平台受季节和气候的影响较小，可常年工作，而“科学”号是中国最先进的科考船之一。其次半潜式平台可以容纳更多的工作人员，提供更多的实验室 的空间，因此给予了时间、人力和空间等让多种科考实验活动同时进行。使采集的数据更加完整，实验数据处理更加快捷，科考能力大大提升。下表是考察平台和科考船的对比分析。

表2 海洋平台与考察船对比

作业时间 抗风能力 作业面积工作人员 灵活性 夜间作业能力

海洋平台 全季度 可达18级 大 百人以上 差 夜间连续作业考察船 低于两个月 可达12级 小 几十人 好 大部分休息

（3）新能源发电装置在考察设备上的应用

采用新能源发电装置主要有两种：垂直轴风力发电机、双向翼型波浪发电装置，即风力—水力互补发电，主要用于一些低功率的监测设备，平台照明等，节约能源，减少污染物排放。

1）垂直轴风力发电机

现有的风力机多数采用垂直轴式。

因为垂直轴风力发电机具有与风力方向无关、启动风速低、利用效率较高、易于维护并且成本低等特点。所以本平台采用了H型垂直轴发电机，即叶片使用流线型机翼状，利用产生的升力旋转。如图1为H型垂直轴风力发电机示意图。

表3 垂直轴风力发电机主要参数

额定功率 额定转速 总高 总重 叶片数目 叶片高度 叶片材质5KW 120r/min 7m 783kg 5 3.5m 增强玻璃钢

2）双向翼型波浪发电装置

波浪能量是一种复杂多变的冲击动能（与利用势能的潮汐发电不同），不能直接进行计算，要想将波浪能量转换必须通过波浪冲击挤压空气室中的空气，压缩空气驱动双向翼型叶片，再带动发电机发电。

威尔斯双向叶片，利用其工作原理极大程度上增加了波浪能的利用率。双向翼型叶片的优势在于，不管气体向上或向下运动，叶片都是朝1个方向转动，能够有效提高发电效率。

采用漏斗型空气压缩管道，增加了气室内空气的速度，增大了发电机转动力矩，有效的提高气流速度，增强叶片的受力，提高叶片的旋转速度，从而提高发电量。

（4）新能源发电装置发电能力计算

1）风力发电计算

设海洋平台所处海域的额定风速V为8m/s，设计6kW 的垂直轴风力机，采用 H 型风轮，输出功率为 P=6kW，额定转速为 n =120r/min。由此对风轮的参数进行初步的设计计算。通过数据分析设定风力机传动系统和发电机的总效率为η=80%，风能利用系数为 CP=0.36，则自然界给风力机的功率为：

)

(

86

.

18kw

c

p

p

p

e

=

=

η

年总发电量为：

3652460.83652435,040()

Q p kw h kw h η

=⨯⨯⋅=⨯⨯⨯=⋅

2）波浪能发电计算

根据贝兹定律，在不可压缩的理想流体条件下，叶片的极限能量转换效率为59.3%，任何人设计的叶片都不可能超过这个效率。所以根据叶片的能量转换效率公式：

3

2

5.0v

r

P

C

P⋅

⋅

⋅

=

π

ρ

其中：p

C为能量转换效率；P为从来流中获得的能量值；v为来流速度。

在实验时测得流体流入和流出的速度，然后根据动能定理求得P的大小。在来流速度为1.3m/s时，正向来流时的转换效率约为38.46%，反向来流时的转换效率约为34.46% 正向来流时的输出功率：

3232

(1)

11

38.46%74.1%1,025 1.3 1.52,267.06()

22

out P

P C v r w ηρππ

=⋅=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=

反向来流时的输出功率：

3232

(2)

11

34.46%74.1%1,025 1.3 1.52,031.28()

22

out P

P C v r w ηρππ

=⋅=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=

年总发电量为：

(1)(2)

()36524

(2.27 2.03)74.1%3652427,911.98()

out out

Q p p kw h

kw h kw h

η

=+⨯⨯⋅

=+⨯⨯⨯⋅=⋅

其中：Pout为输出功率；741

.0=

η为发电机发电效率；

3

1,025/

kg m

ρ=为海水密度；为来流速度，r为叶片半径，r=1.5m。

所以风力发电和波浪发电能够供应海洋平台的照明和部分小功率电器。

3．平台补给功能设计思路

（1）平台补给功能简介

海上航行补给是指利用补给船或者直升机等装备为海上船只补充所需物资，一般用作军事用途。海上补给可以增强舰艇战斗力、延长舰艇海上活动时间、扩大舰艇海上活动半径、提高舰艇的生存能力。海上航行补给要求船只之间拥有较强的协调能力，相互之间拥有相互匹配的对接系统，所以一直难以推广到民用。因此海洋平台的补给功能弥补了这些缺点，犹如