大型海上波浪能發(fā)電裝置拖航方案

關(guān)鍵詞：拖航；波浪能發(fā)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(huán)保的優(yōu)點，已成為一種亟待開發(fā)的新能源，具有廣闊的發(fā)展前景和巨大的經(jīng)濟價值。波浪能發(fā)電是利用海洋表面波浪所具有的動能和勢能來生產(chǎn)電能的一種可再生能源發(fā)電方式，隨著技術(shù)的不斷進步和成本的逐漸降低，波浪能發(fā)電有望在未來能源體系中發(fā)揮更加重要的作用。因此，近年來國內(nèi)外紛紛研建波浪能發(fā)電裝置。

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

波浪能發(fā)電裝置“南鯤號”為三角形結(jié)構(gòu)形式，三角形邊長 88m 、型高 27m ，型寬遠大于常規(guī)海船或其他發(fā)電裝置，總重量約 6800t. 吃水約 4m ，圖1為該發(fā)電裝置的模型圖。該大型波浪能發(fā)電裝置因其空心三角形樣式、不規(guī)則外形和較高重心，造成拖航中發(fā)電裝置上各區(qū)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(guī)船舶或海工平臺等對拖航阻力、穩(wěn)性、強度等方法進行核算和設(shè)計拖航方案，因此需研究有針對性及創(chuàng)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(chǎn)品拖航作業(yè)。

2 拖航總體策劃

海上大型漂浮式波浪能發(fā)電裝置，因其異形、尺寸龐大等特點，使發(fā)電裝置拖航作業(yè)成為其建造及投放使用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。拖航作業(yè)涉及到發(fā)電裝置自身的結(jié)構(gòu)強度及穩(wěn)性、拖曳阻力核算，拖曳設(shè)備及索具的設(shè)計安裝及相應(yīng)的強度核算，拖船的配置及拖船性能，作業(yè)環(huán)境條件等多方面因素。通過詳細研究評估波浪能發(fā)電裝置拖航作業(yè)條件、方法、步驟，以“技術(shù)先進、節(jié)約成本、提高效率、確保安全”為宗旨，制定該發(fā)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(yè)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(wěn)性計算

采用GHS（GeneralHydroStatics）軟件計算拖航穩(wěn)性，滿足《海上拖航指南》第3章關(guān)于拖航完整穩(wěn)性要求，根據(jù)該發(fā)電裝置的重心、浮心、初穩(wěn)心高等參數(shù)，按拖航途經(jīng)水域的水文環(huán)境及對應(yīng)的拖航工況核算驗證拖航穩(wěn)性。

3 拖航實施方案

該發(fā)電裝置拖航的實施工作主要包括前期的拖航阻力、穩(wěn)性、強度計算，拖電設(shè)備設(shè)計及安裝，拖航準備，碼頭接拖、碼頭起拖、內(nèi)河拖航、海上拖航、海上解拖等方法及施工作業(yè)要求。

3.1拖航阻力計算

拖航阻力是拖航方案設(shè)計實施的首要條件，由于發(fā)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(shù)不同常規(guī)船舶，按常規(guī)方法無法準確計算其拖航阻力。對發(fā)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(fā)電裝置外形分為四個區(qū)域，如圖3所示，區(qū)域1為首部弧形區(qū)域，按類似普通船舶進行阻力計算，區(qū)域2為平面區(qū)域，風速及流速按 90^°"角系數(shù)計算，區(qū)域3及區(qū)域4，風速及流速按模型角度計算，如此可正確計算該發(fā)電裝置的拖航阻力，計算結(jié)果如下圖4拖航阻力曲線。

3.3拖電設(shè)備設(shè)計及配置

按發(fā)電裝置相關(guān)參數(shù)及拖曳需求，考慮拖航阻力大小、拖力點結(jié)構(gòu)強度、拖曳索具破斷力及安全系數(shù)，結(jié)合拖航航線水文、環(huán)境條件，進行拖電設(shè)備及拖曳索具設(shè)計及配置，并進行強度校核[1]。

拖電設(shè)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(fā)電裝置結(jié)構(gòu)強度為3倍拖船系柱拖力。

發(fā)電裝置拖電設(shè)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(shè)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(fā)電裝置拖電設(shè)備及索具布置圖

3.4拖航強度校核

拖航強度校核包括發(fā)電裝置整體強度及拖電設(shè)備強度，均經(jīng)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(fā)電裝置主體強度計算模型及強度應(yīng)力圖。

3.5拖航航線

按發(fā)電裝置預定放置海域位置，其拖航航線包括內(nèi)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(yè)環(huán)境

拖航作業(yè)環(huán)境具有復雜性和不確定性，需要密切關(guān)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(yè)前要充分研究環(huán)境因素影響，選擇合適的環(huán)境條件進行拖航，為拖航作業(yè)安全及提高作業(yè)效率提供重要保障。

發(fā)電裝置拖航作業(yè)環(huán)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(yè)期間發(fā)電裝置、拖電設(shè)備吃水要求，水底凈空不小于 1m 。

3.7接拖方案

根據(jù)港口碼頭作業(yè)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(jié)省下一步的拖航中途接拖作業(yè)。考慮到水域狹窄、水深小等因素，本發(fā)電裝置接拖直接采用海洋拖輪接拖。

接拖作業(yè)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(fā)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(diào)整到距離發(fā)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(fā)電裝置的拖力點上（纜樁或拖力眼板）；最后調(diào)整主拖及輔拖位置，調(diào)節(jié)拖纜長度，確認所有拖電設(shè)備和索具處于適拖狀態(tài)，完成接拖工作。

3.8起拖方案

起拖前，首先確認環(huán)境（風速、流速、浪高、水深、水域干涉物等）是否滿足作業(yè)要求，復查接拖階段各個纜繩連接和發(fā)電裝置狀態(tài)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(yīng)急輔拖協(xié)助，穩(wěn)住發(fā)電裝置的狀態(tài)；再解除發(fā)電裝置與碼頭系泊纜，根據(jù)潮流方向，利用輔拖緩慢將發(fā)電裝置脫離碼頭約 10m 左右距離，發(fā)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(fā)電裝置狀態(tài)，以保障起拖安全；然后調(diào)整輔拖及主拖位置，調(diào)節(jié)各拖輪纜繩長度，使發(fā)電裝置處于拖航行駛方向狀態(tài)；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(yè)。

3.9內(nèi)河拖航方案

內(nèi)河水域通常狹窄、彎曲、水流復雜，因此拖航作業(yè)需要充足方案策劃及準備工作。在內(nèi)河拖航階段，根據(jù)內(nèi)河水域環(huán)境條件（風速、流速、浪高、水深等），調(diào)整主拖及輔拖位置以保障拖帶安全和效率。內(nèi)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(tài)，僅作為應(yīng)急時拖航輔助，調(diào)整拖航速度及航向。引航拖輪應(yīng)對復雜水域和天氣條件提供瞭望和護航服務(wù)，確保拖航安全。發(fā)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(tǒng)籌協(xié)調(diào)指揮拐點轉(zhuǎn)向及避讓，應(yīng)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(huán)境滿足拖航作業(yè)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(wěn)住發(fā)電裝置狀態(tài)，再調(diào)整主拖主纜長度，以適合海上拖航，并檢查確認發(fā)電裝置及主拖狀況，如拖航拖曳設(shè)備及索具，最后解除所有輔拖與發(fā)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(fā)電裝置同步按指定航線移動。海上拖航時，密切關(guān)注發(fā)電裝置及拖曳設(shè)備狀態(tài)，定期察驗，按應(yīng)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(yè)最后一個環(huán)節(jié)。發(fā)電裝置拖航到預定工作海域后進行海上解拖作業(yè)，解拖前發(fā)電裝置進行拋錨固定。拋錨解拖前確認海域環(huán)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(fā)電裝置，穩(wěn)住發(fā)電裝置位置。接著拖輪將發(fā)電裝置移至尾右錨點位置，發(fā)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(fā)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(fā)電裝置的連接，解除主纜與短纜的連接卸扣，利用發(fā)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(fā)電裝置移至尾左錨點位置，發(fā)電裝置拋尾左錨。如圖13所示，輔拖將發(fā)電裝置拖移至預定錨泊位置，收緊發(fā)電裝置上的錨泊系統(tǒng)，按衛(wèi)星定位儀精確調(diào)整發(fā)電裝置至預定位置，最后解除所有輔拖與發(fā)電裝置的連接，完成海上解拖作業(yè)。

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

4拖航風險應(yīng)急處置措施

發(fā)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(fā)生率風險做預防處置措施，涵蓋預防、監(jiān)測和緊急響應(yīng)全流程。

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

5 總結(jié)

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

5.1先進性

該發(fā)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(fā)電裝置及環(huán)境條件問題，避免了用內(nèi)河拖輪接拖后還需換拖步驟，簡化拖航作業(yè)流程，減低作業(yè)難度；2）起拖采用主拖先離泊，利用輔拖配合作業(yè)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(nèi)河拖航采用單主拖及雙輔拖方式，可按航道條件調(diào)整拖航長度及拖航速度，增加拖航操控性能，提高拖航穩(wěn)定性；4）海上拖航采用單主拖吊拖方式，按航道條件調(diào)整拖航長度及速度，高效安全完成作業(yè)；5）海上解拖采用三拖輪進行發(fā)電裝置移位拋錨，可快速將發(fā)電裝置定位拋錨后完成錨固及解拖作業(yè)，減小拖輪作業(yè)時間，避免利用浮吊或?qū)Ｓ猛陷嗊M行拋錨等作業(yè)成本。

5.2社會效益

該波浪能發(fā)電裝置成功拖航，為類似產(chǎn)品拖航提供了實踐經(jīng)驗，其創(chuàng)新拖航工藝技術(shù)，成本更低、效率更高、安全可靠、可控性更強，對海上波浪能發(fā)電裝置的研發(fā)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(fā)，發(fā)電裝置向大型化發(fā)展，但自前國內(nèi)還沒有兆瓦級大型波浪能發(fā)電裝置相應(yīng)的拖航作業(yè)規(guī)范或類似浮式結(jié)構(gòu)的拖航作業(yè)規(guī)范，該波浪能發(fā)電裝置的拖航方案已編制成行業(yè)標準提交審批，科學規(guī)范拖航作業(yè)步驟和方法，可為發(fā)電裝置拖航作業(yè)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(fā)電平臺拖帶作業(yè)規(guī)程：T/CSNAME091-2024.[S].北京：中國造船工程學會，2024.