大型海上波浪能發電裝置拖航方案

關鍵詞：拖航；波浪能發電裝置；拖航阻力分析中圖分類號：

文獻標志碼：A

Towing Scheme for Large Offshore Wave Energy PowerGenerationDevice

WEI Hanqun12，CHEN Xin1.2 （1.CoscoSipingaustry（Guangdog）Cotd.oggan46ina;.GangdongroicialKeyaboatorad ManufacturingTechnology forMarine EnergyFacilities，Dongguan523146，China）

Abstract： This paper presents the overall planning and implementation of the towing scheme for the \"Nankun\" largeoffshore wave energy power generation device.The towing scheme was determined through technicalanalyses， including calculations of towing resistance，stability，and strength.For complex towing environments such as docks，inland rivers，and open seas，direct towing by ocean tugboats was employed.Three tugboats were utilized for offshore shifting and anchoring of the device，enabling rapid completion of ofshore anchoring and tow-release operations.This approach simplified the towing process，reduced operational difficulty and costs，and achieved fast and economical towing of the device.The proposed scheme provides a reference for towing similar large and irregular offshore installations.

Key words： towing; wave energy power generation device; towing resistance analysis

1引言

波浪能是海洋中蘊含的巨大能源，因其具有可再生性和綠色環保的優點，已成為一種亟待開發的新能源，具有廣闊的發展前景和巨大的經濟價值。波浪能發電是利用海洋表面波浪所具有的動能和勢能來生產電能的一種可再生能源發電方式，隨著技術的不斷進步和成本的逐漸降低，波浪能發電有望在未來能源體系中發揮更加重要的作用。因此，近年來國內外紛紛研建波浪能發電裝置。

本拖航方案以大型兆瓦級波浪能發電裝置“南鯤號”為依托，研究設計其拖航作業流程及工藝要領。

波浪能發電裝置“南鯤號”為三角形結構形式，三角形邊長 88m 、型高 27m ，型寬遠大于常規海船或其他發電裝置，總重量約 6800t. 吃水約 4m ，圖1為該發電裝置的模型圖。該大型波浪能發電裝置因其空心三角形樣式、不規則外形和較高重心，造成拖航中發電裝置上各區域的風阻、水流阻力方向和角度等均不相同，所以不能按照常規船舶或海工平臺等對拖航阻力、穩性、強度等方法進行核算和設計拖航方案，因此需研究有針對性及創新性的可靠計算方法及拖航方案，才能準確核算并制定科學安全的拖航方案，確保順利完成產品拖航作業。

2 拖航總體策劃

海上大型漂浮式波浪能發電裝置，因其異形、尺寸龐大等特點，使發電裝置拖航作業成為其建造及投放使用的關鍵環節。拖航作業涉及到發電裝置自身的結構強度及穩性、拖曳阻力核算，拖曳設備及索具的設計安裝及相應的強度核算，拖船的配置及拖船性能，作業環境條件等多方面因素。通過詳細研究評估波浪能發電裝置拖航作業條件、方法、步驟，以“技術先進、節約成本、提高效率、確保安全”為宗旨，制定該發電裝置拖航方案。本拖航采用混合拖帶方式，既主拖為一艘海洋大拖輪，附加三臺輔助小拖輪，確保拖航作業施工安全及工作效率。拖航整體方案如圖2所示。

3.2拖航穩性計算

采用GHS（GeneralHydroStatics）軟件計算拖航穩性，滿足《海上拖航指南》第3章關于拖航完整穩性要求，根據該發電裝置的重心、浮心、初穩心高等參數，按拖航途經水域的水文環境及對應的拖航工況核算驗證拖航穩性。

3 拖航實施方案

該發電裝置拖航的實施工作主要包括前期的拖航阻力、穩性、強度計算，拖電設備設計及安裝，拖航準備，碼頭接拖、碼頭起拖、內河拖航、海上拖航、海上解拖等方法及施工作業要求。

3.1拖航阻力計算

拖航阻力是拖航方案設計實施的首要條件，由于發電裝置三角形的外形及中部鏤空形狀造成風、水等流體阻力系數不同常規船舶，按常規方法無法準確計算其拖航阻力。對發電裝置的拖航阻力計算，原則上依照CCS指導性文件《海上拖航指南》\"附錄2海上拖航阻力估算方法，先采取化整為零方法切片計算，再采取化零為整方法計算總拖航阻力，將發電裝置外形分為四個區域，如圖3所示，區域1為首部弧形區域，按類似普通船舶進行阻力計算，區域2為平面區域，風速及流速按 90^°"角系數計算，區域3及區域4，風速及流速按模型角度計算，如此可正確計算該發電裝置的拖航阻力，計算結果如下圖4拖航阻力曲線。

3.3拖電設備設計及配置

按發電裝置相關參數及拖曳需求，考慮拖航阻力大小、拖力點結構強度、拖曳索具破斷力及安全系數，結合拖航航線水文、環境條件，進行拖電設備及拖曳索具設計及配置，并進行強度校核[1]。

拖電設備及索具強度要求[2：主拖纜、短纜破斷強度為2倍拖船系柱拖力；連接卸扣、三角板破斷強度為3倍拖船系柱拖力；拖力點的拖力眼板、拖纜樁、發電裝置結構強度為3倍拖船系柱拖力。

發電裝置拖電設備及索具包括拖力眼板、防磨鏈、導纜孔、龍須纜、三角板、短纜及卸扣、主拖纜及卸扣、回收纜等。拖曳設備及索具部布置如圖5示意及主拖纜連接詳圖6，連接艉部左右拖力眼板、導纜孔布置與f部一致，用于輔拖拖帶。

① 一拖力眼板； ② 一防磨鏈； ③ 一導纜孔； ④ 一龍須纜； ⑤ 一三角板；⑥一 短纜連接卸扣； ⑦ 一主纜連接卸扣； ⑧ 一回收纜。

圖5發電裝置拖電設備及索具布置圖

3.4拖航強度校核

拖航強度校核包括發電裝置整體強度及拖電設備強度，均經過建模后采用有限元分析核算，確保計算的準確性。圖7為發電裝置主體強度計算模型及強度應力圖。

3.5拖航航線

按發電裝置預定放置海域位置，其拖航航線包括內河珠江航道及海上南海近海，總航程約 400nmile 整個拖航航線如圖8所示。

3.6拖航作業環境

拖航作業環境具有復雜性和不確定性，需要密切關注航道水文、交通流、氣象等多方面的因素，采取科學有效的方案措施。拖航作業前要充分研究環境因素影響，選擇合適的環境條件進行拖航，為拖航作業安全及提高作業效率提供重要保障。

發電裝置拖航作業環境條件選擇：拖航航線、錨地及港口風速不大于 20m/s ；拖航航線、錨地及港口波高及流速，有義波高不大于 5m ，流速不大于 2m/s 拖航航線、錨地及港口能見度不小于 2km ；航線水域的水深滿足在拖電作業期間發電裝置、拖電設備吃水要求，水底凈空不小于 1m 。

3.7接拖方案

根據港口碼頭作業條件，主拖可選擇港作拖輪或者海洋拖輪，如選海洋拖輪，可節省下一步的拖航中途接拖作業。考慮到水域狹窄、水深小等因素，本發電裝置接拖直接采用海洋拖輪接拖。

接拖作業方案如圖9所示，先要將防磨鏈、龍須纜、三角板、短纜、卸扣與發電裝置上拖力點連接，并檢驗確認連接方式符合拖航要求；再將主拖輪調整到距離發電裝置約 30m 位置，主拖纜與短纜連接妥當；然后兩個輔拖輪依次到位并將拖航纜繩連接到發電裝置的拖力點上（纜樁或拖力眼板）；最后調整主拖及輔拖位置，調節拖纜長度，確認所有拖電設備和索具處于適拖狀態，完成接拖工作。

3.8起拖方案

起拖前，首先確認環境（風速、流速、浪高、水深、水域干涉物等）是否滿足作業要求，復查接拖階段各個纜繩連接和發電裝置狀態是否滿足起拖要求。起拖各拖輪布置參見上圖9，起拖時，先收緊兩個輔拖纜繩，或應急輔拖協助，穩住發電裝置的狀態；再解除發電裝置與碼頭系泊纜，根據潮流方向，利用輔拖緩慢將發電裝置脫離碼頭約 10m 左右距離，發電裝置離開碼頭時機一般為平潮時段，如在漲退潮階段，則選擇拖航行駛方向為水流的反方向，可以較好控制發電裝置狀態，以保障起拖安全；然后調整輔拖及主拖位置，調節各拖輪纜繩長度，使發電裝置處于拖航行駛方向狀態；最后主拖逐漸收緊纜繩及加車，分階段加速按拖航方向行駛，完成起拖作業。

3.9內河拖航方案

內河水域通常狹窄、彎曲、水流復雜，因此拖航作業需要充足方案策劃及準備工作。在內河拖航階段，根據內河水域環境條件（風速、流速、浪高、水深等），調整主拖及輔拖位置以保障拖帶安全和效率。內河拖航方案如圖10所示。輔拖為吊拖方式，拖纜正常處于松弛狀態，僅作為應急時拖航輔助，調整拖航速度及航向。引航拖輪應對復雜水域和天氣條件提供瞭望和護航服務，確保拖航安全。發電裝置完全依靠主拖提供拖航動力。主拖同時做為拖航指揮中心，統籌協調指揮拐點轉向及避讓，應急情況處理。

3.10海上拖航方案

在海上拖航階段，拖航前同樣需要確認海域環境滿足拖航作業要求。進入海域前，需在預定合適水域進行輔拖解拖，輔拖解拖方法是先收緊輔拖纜繩，穩住發電裝置狀態，再調整主拖主纜長度，以適合海上拖航，并檢查確認發電裝置及主拖狀況，如拖航拖曳設備及索具，最后解除所有輔拖與發電裝置的連接。

海上拖航方案如圖11所示。海上拖航開始，主拖收緊纜繩及緩慢加車，在主拖拖力下，發電裝置同步按指定航線移動。海上拖航時，密切關注發電裝置及拖曳設備狀態，定期察驗，按應急預案處理各類緊急情況。

3.11海上解拖方案

海上解拖是拖航作業最后一個環節。發電裝置拖航到預定工作海域后進行海上解拖作業，解拖前發電裝置進行拋錨固定。拋錨解拖前確認海域環境滿足解拖需求。海上拋錨解拖方法如圖12所示，兩條輔拖先連接發電裝置，穩住發電裝置位置。接著拖輪將發電裝置移至尾右錨點位置，發電裝置拋尾右錨（左右對稱，可先拋尾左錨，按施工便利選擇）。拖輪再將發電裝置移至首錨點位置并拋艏錨。拋完崩錨后解除主拖主纜與發電裝置的連接，解除主纜與短纜的連接卸扣，利用發電裝置上絞車回收拖電索具，或解除龍須纜與拖力點的連接，將拖曳索具回收到主拖甲板上。然后輔拖將發電裝置移至尾左錨點位置，發電裝置拋尾左錨。如圖13所示，輔拖將發電裝置拖移至預定錨泊位置，收緊發電裝置上的錨泊系統，按衛星定位儀精確調整發電裝置至預定位置，最后解除所有輔拖與發電裝置的連接，完成海上解拖作業。

以上科學規范的拖航方法，合理解決了該發電裝置拖航作業的諸多難題，為拖航作業安全及效率提供可靠保障。

4拖航風險應急處置措施

發電裝置拖航涉及多種復雜水域，拖航風險高，針對拖航過程中較高發生率風險做預防處置措施，涵蓋預防、監測和緊急響應全流程。

風險應急處置措施主要包括如下方面：1）拖航作業應急事件處置總負責人為拖航作業總指揮，遇應急事件，拖航作業總指揮應在現場采取相應應急措施，安排人員看護現場，同時匯報監管部門及上級部門；2）遇艙室進水，則應停止拖航，并使用排水設備排水或封堵；3）突發惡劣天氣或自然災害，則應按照應急預案進人預定位置躲避；4）實際作業環境參數與預設不符、拖輪配置不滿足，則應終止作業，重新驗算拖航阻力及拖曳設備、索具負荷，更換拖輪或拖曳設備、索具；5）拖曳索具斷裂、喪失操縱，則應利用輔拖輪或護航拖輪臨時穩住平臺，按原方式重新連接應急備用索具；6）拖曳設備故障，則應使用備用設備或終止拖航作業；7）遇火災，則應按火情緊急救火或至安全水域避讓；8）遇擱淺、觸礁，則應檢查評估破損及進水情況，重新調壓載，按情況（能否調載排除擱淺，平臺破損或進水后的強度、穩性等）判斷是否終止拖航；9）遇突發不可預見情況或險情，應由拖航作業總指揮負責緊急處理，避險或停正拖航作業，并向監管部門及上級部門匯報并等待指示。

5 總結

該發電裝置的拖航方案并完成了實際拖航作業，經實踐證明具有很強操作性和安全性，如上所述接拖、起拖、內河拖航、海上拖航、海上解拖等方案，都具有國內先進示范性及社會效益。

5.1先進性

該發電裝置拖航方案具有多項先進示范性：1）拖輪接拖采用海洋拖輪直接接拖方式，通過先進工藝方案解決發電裝置及環境條件問題，避免了用內河拖輪接拖后還需換拖步驟，簡化拖航作業流程，減低作業難度；2）起拖采用主拖先離泊，利用輔拖配合作業方案，克服碼頭水域限制及順水起拖困難，安全完成起拖離碼頭；3）內河拖航采用單主拖及雙輔拖方式，可按航道條件調整拖航長度及拖航速度，增加拖航操控性能，提高拖航穩定性；4）海上拖航采用單主拖吊拖方式，按航道條件調整拖航長度及速度，高效安全完成作業；5）海上解拖采用三拖輪進行發電裝置移位拋錨，可快速將發電裝置定位拋錨后完成錨固及解拖作業，減小拖輪作業時間，避免利用浮吊或專用拖輪進行拋錨等作業成本。

5.2社會效益

該波浪能發電裝置成功拖航，為類似產品拖航提供了實踐經驗，其創新拖航工藝技術，成本更低、效率更高、安全可靠、可控性更強，對海上波浪能發電裝置的研發拓展具有里程碑的意義。

海上波浪能風電正在獲得大力開發，發電裝置向大型化發展，但自前國內還沒有兆瓦級大型波浪能發電裝置相應的拖航作業規范或類似浮式結構的拖航作業規范，該波浪能發電裝置的拖航方案已編制成行業標準提交審批，科學規范拖航作業步驟和方法，可為發電裝置拖航作業安全及高效提供可靠保障。

參考文獻

[1]中國船級社.海上拖航指南[S].北京：人民交通出版社，2011.

[2]中國造船工程學會.大型波浪能發電平臺拖帶作業規程：T/CSNAME091-2024.[S].北京：中國造船工程學會，2024.