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海上油气开采工程与生产系统中海工业有限公司第一章海上油气开采工程概述海底油气资源的存在是海洋石油工业得以发展的前提。
海洋石油资源量约占全球石油资源总量的34%，全球海洋石油蕴藏量约1000多亿吨，其中已探明的储量约为380亿吨。
世界对海上石油寄予厚望，目前全球已有100多个国家在进行海上石油勘探，其中对深海进行勘探的有50多个国家。
一、海上油气开采历史进程、现状和将来一个多世纪以来，世界海洋油气开发经历如下几个阶段：早期阶段：1887年～1947年。
1887年在墨西哥湾架起了第一个木质采油井架，揭开了人类开发海洋石油的序幕。
到1947年的60年间，全世界只有少数几个滩海油田，大多是结构简单的木质平台，技术落后和成本高昂困扰着海洋石油的开发。
起步阶段：1947年～1973年。
1947年是海洋石油开发的划时代开端，美国在墨西哥湾成功地建造了世界上第一个钢制固定平台。
此后钢平台很快就取代了木结构平台，并在钻井设备上取得突破性进展。
到20世纪70年代初，海上石油开采已遍及世界各大洋。
发展阶段：1973年～至今。
1973年全球石油价格猛涨，进一步推进了海洋石油开发的历史进程，特别是为了应对恶劣环境的北海和深水油气开发的需要，人们不断采用更先进的海工技术，建造能够抵御更大风浪并适用于深水的海洋平台，如张力腿平台（TLP）、浮式圆柱型平台（SPAR）等。
海洋石油开发从此进入大规模开发阶段，近20年中，海洋原油产量的比重在世界总产油量中增加了１倍。
进军深海是近年来世界海洋石油开发的主要技术趋势之一。
二、海上油气开采流程海上油气田开采可划分为勘探评价、前期研究、工程建设、油气生产和设施弃置五个阶段：勘探评价阶段：在第一口探井有油气发现后，油气田就进入勘探评价阶段，这时开发方面的人员就开始了解该油气田情况，开展预可行性研究，将今后开发所需要的资料要求，包括销售对油气样品的要求，提交勘探人员。
前期研究阶段：一般情况，在勘探部门提交储量报告后，才进人前期研究阶段。
重型全回转起重船海洋资源开发利器作者：暂无来源：《上海信息化》 2017年第12期文/李朝阳姚海于蓓莉随着海洋油气开发、大型海上工程和海难救助事业的发展，大型起重船作为不可缺少的工程船舶之一，迫切需要工艺进步。
随着相关产业发展对船载起重机起重量的要求越来越高，搭载起重机的起重船平台及其设备的大型化趋势不断显现，自主研发重型全回转起重船，成为促进国家工业发展的重要工作。
随着社会发展和科学技术进步，人类社会对能源的需求越来越大。
陆上油气资源经过长时期大规模的开采，变得日益贫乏，世界范围的油气勘探与开发转向了资源丰富的、占地球表面71%左右的辽阔海洋。
海洋油气资源开发逐渐成了能源工业中投资高、风险大、高新技术密集的新领域。
而大型全回转起重船是典型的大型海洋装备，其在石油工程、港口工程、桥梁工程、打捞工程以及大型海上军事装备工程等领域都有着广泛应用，拥有举足轻重的地位。
企足而待起重船目前，国内能在近海域作业的大起重量全回转起重船数量很少，难以覆盖国家3.2万公里海岸线，在海事工程上常常因作业对象（各种海上平台、导管架和铺管设备等）在建造过程中无重型起重船而影响工期。
我国内大多数起重机都为固定臂式，无法在近海或者深海工作，而全回转的重型起重船国内甚少开发研制，只有“蓝疆号”3800t、“华天龙”4000t、“华西5000”4500t、“蓝鲸号”7500t、“威力号”3000t等几艘。
这是因为重型全回转起重船的制造有相当的技术难度，目前国内没有制造同类起重机的制造商；而国外制造商的报价则十分昂贵。
大型海洋工程技术与装备是《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020年）》提出的发展重点，也是国家“十三五”规划及《上海科技创新登山行动计划》重点支持的产业。
基于存在的问题和国家发展规划，建造一艘万吨级以上大型起重船作为中国“海上重型武器”，掌握超大型海上起重设备的设计与制造核心技术，并拥有自主知识产权，缩短与国外差距、提高国家深海资源的开采能力迫在眉睫。
国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用①李 清1,陆 海2,韩 睿1,王建军2(1.上海外高桥造船海洋工程有限公司,上海 201306;2.同济大学国家海底科学观测系统项目办公室,上海 201306)摘要 国家海底科学观测网是经国家发改委批准的重大科技基础设施建设项目,旨在全方位㊁多领域㊁立体观测海洋㊂与业务化运行的浮标网不同,海底科学观测网对浮标平台的数据采集和控制系统㊁水声通信㊁系统的防护和国产仪器实验平台等方面提出了新的更高的要求㊂针对这些科学目标的工程实现,探讨对现有浮标的改进和功能增删以满足整个海底观测网的需求㊂关键词 国家海底科学观测网;海洋资料浮标;数据采集和控制系统;水声通信中图分类号:P 714 文献标志码:A 文章编号:20957297(2023)011907d o i :10.12087/oe e t .2095-7297.2023.02.19D e s i g n o f C h i n a N a t i o n a l S c i e n t i f i c S e a f l o o r O b s e r v a t o r y B u o y Pl a t f o r m L I Q i n g 1,L U H a i 2,H A N R u i 1,WA N G J i a n ju n 2(1.S h a n g h a i W a i g a o q i a o S h i p b u i l d i n g &O f f s h o r e C o .,L t d .,S h a n gh a i 201306,C h i n a ;2.P r o j e c t M a n a g e m e n t O f f i c e o f C h i n a N a t i o n a l S c i e n t i f i c S e a fl o o r O b s e r v a t o r y ,T o n g j i U n i v e r s i t y ,S h a n gh a i 201306,C h i n a )A b s t r a c t C h i n a N a t i o n a l S c i e n t i f i c S e a f l o o r O b s e r v a t o r y (C N S S O )i s a m a j o r s c i e n c e a n d t e c h n o l o g yi n f r a s t r u c t u r e p r o j e c t a p p r o v e d b y t h e N a t i o n a l D e v e l o pm e n t a n d R e f o r m C o m m i s s i o n (N D R C ),w h i c h a i m s t o o b s e r v e t h e o c e a n f r o m v a r i o u s a s p e c t s a n d f i e l d s .U n l i k e t h e b u o y n e t w o r k o p e r a t e d b y t h e g o v e r n m e n t ,C N S S O r e qu i r e s s m a r t d a t a a c q u i s i t i o n a n d c o n t r o l s y s t e m ,u n d e r w a t e r a c o u s t i c c o m m u n i c a t i o n ,s ys t e m p r o t e c t i o n a n d d o m e s t i c i n s t r u m e n t e x p e r i m e n t p l a t f o r m.I n r e s p o n s e t o t h e r e a l i z a t i o n o f t h e s e s c i e n t i f i c g o a l s ,i m pr o v e m e n t s n e e d s t o b e m a d e f o r t h e b u o y p l a t f o r m t o m e e t t h e r e qu i r e m e n t o f C N S S O .K e y wo r d s C N S S O ;b u o y ;d a t a a c q u i s i t i o n a n d c o n t r o l s y s t e m ;u n d e r w a t e r a c o u s t i c c o m m u n i c a t i o n 0 引 言长期以来,人们对于海洋观测的认识局限于岸边和表层,对于海洋内部的认识比较少㊂而随着科学研究的需要和工程技术的进步,众多国家开始建立第三代海洋观测平台海底科学观测网㊂相比于调查船测量和卫星遥感,海底科学观测网可以深入海洋内部,提供定点㊁长期㊁连续的观测数据,有助于更加深入理解海洋随时间的变化[1]㊂在海底科学观测网中,浮标观测平台能够获取海气界面的科学数据,包括大气数据和近海面水体参数,是观测网系统的重要组成部分㊂本文将从浮标平台的发展现状㊁海底观测网的功能需求分析㊁平台设计探讨㊁柴发太阳能混合能源系统4个部分来阐述㊂1 浮标观测平台的发展现状根据功能的不同,浮标观测平台可以包括浮标①基金项目:同济大学国家海底科学观测系统㊂作者简介:李清(1980 ),男,大学本科,高级工程师,主要从事船舶与海洋工程装备制造生产管理方面的研究㊂E -m a i l:l i q i n g@c h i n a s w s .c o m ㊂第10卷 第2期2023年6月海洋工程装备与技术O C E A N E N G I N E E R I N G E Q U I P M E N T A N D T E C H N O L O G YV o l .10,N o .2J u n .,2023㊃120㊃海洋工程装备与技术第10卷体㊁锚系㊁传感器系统㊁数据采集和控制系统㊁能源管理系统和通信系统㊂1.1浮标体浮标体是整个平台的载体,可以为系统提供足够的浮力,与锚系共同确保整个平台在海洋环境中的稳定工作㊂按照结构类型划分,浮标体可以分为圆盘型㊁船型和柱型等结构㊂其中,应用最广泛的㊁历史最悠久的是圆盘型浮标㊂圆盘型浮标通常按照直径分为大型㊁中型和小型3种类型㊂国外的浮标平台使用源于20世纪60年代,当时多采用12m 直径和10m直径的大型浮标[2]㊂随着材料技术的进步,美国的国家数据浮标中心(N a t i o n a l D a t a B u o y C e n t e r,N D B C)逐渐发展出了直径3m的标准浮标,成为美国浮标观测网的主力浮标[3]㊂我国的海洋浮标研制起步较晚,现在也进入了业务化运行阶段㊂我国已经初步建立了包含约130个浮标的近海浮标观测网,包括10m大型浮标㊁6m中型浮标和3m小型浮标,主要型号是10m大型浮标[4]㊂究其原因,我国近海渔业活动频繁,采用大型浮标可以降低丢失和损坏的风险,能够提高浮标系统的稳定性㊂而国外的海况比较良好,渔业活动较国内稀少,因此,采用易于运输和维护的3m小型浮标,只有在比较恶劣的海况才使用大型浮标㊂1.2锚系锚系通常由锚和系缆组成,能够为整个浮标系统提供足够的系泊力,与浮标体共同保证系统的稳定运行㊂根据系留方式的不同,锚系可以分为单点系留和多点系留㊂其中,单点系留又可以分为全锚链式系留㊁拉紧式系留㊁半拉紧式系留㊁倒S型系留和弹性系留系统[5]㊂锚的类型有有杆锚㊁无杆锚㊁大抓力锚和特种锚㊂系缆的材料类型有锚链㊁钢丝绳㊁化纤缆绳和弹性系缆原件㊂弹性系留是比较新的系留方式,可以降低海流导致的系缆运动,改善浮标的随波状态,提高浮标的数据质量[6]㊂1.3数据采集和控制系统数据采集和控制系统是整个浮标系统的控制中心和数据处理中心,能够完成对传感器的数据采集㊁远程控制和电源管理㊂数据采集系统结构可以分为采集电路㊁控制芯片㊁存储设备和相应软件等㊂当前,我国浮标平台普遍采用的数据采集和控制系统主要支持海洋气象㊁物理海洋和少量海洋传感器的采集和控制,满足国家海洋局㊁气象局等单位的业务化运行需要㊂对于这些业务化运行的浮标平台,增减传感器数量和种类都需要重新设计,增加了工作量㊂国外的发展趋势是,研制可以应用浮标㊁潜标和水下滑翔机等多种平台的低功耗的智能型数据采集和控制系统[7],其关键是模块化设计和标准化设计㊂国内的各个机构,包括中国海洋大学㊁山仪所㊁中船重工七一五所等都设计了自身的基于C A N总线的数据采集和控制系统[8㊁9],具有较好的扩展性㊂1.4电源管理系统电源管理系统是数据采集控制系统㊁通信系统和传感器系统的能量来源,能够实现电源的补充和管理㊂通常,浮标平台采用太阳能和蓄电池结合的方式实现能量的采集和存储㊂在阳光充足的时候,太阳能电池板可以将光能转化成电能,除了供应传感器消耗之外,将多余的电能储存在蓄电池中㊂在没有阳光的时候,蓄电池中的能量可以满足整个系统的运行㊂其中,电源管理模块可以监测并显示电池的电压㊁电流和温度等要素,防止蓄电池过充㊁过放和过热等[10],最终,实现系统的长期平稳运行㊂1.5通信系统通信系统是浮标平台和岸基站之间的联系通道,可以实现数据和控制指令的双向传输㊂浮标上常用的通信方式有V H F㊁C D M A㊁G P R S㊁北斗卫星和海事卫星等多种方式㊂在近海和湖泊中,手机信号比较强,采用C D M A或者G P R S信号通信具有速度快㊁费用低和稳定的特点㊂在离岸较远的区域,通信基站较少,卫星通信成为唯一的方式㊂为了避免数据的泄露和高昂的流量费,国内的浮标平台普遍采用北斗卫星通信,其在寻址方式㊁信道畅通率㊁用户容量㊁通信实时性和价格方面都优于国际海事卫星通信,但是一次只能传递78个字节,每次通信需要分成多个数据包才能完成[11]㊂1.6传感器系统传感器系统是整个浮标系统的工作部分,可以实现对多种海洋环境参数的测量㊂根据观测的科学目标的不同,搭载的传感器包括气象传感器㊁物理海洋传感器㊁海洋化学传感器和海洋生物传感器等㊂目前,国内浮标观测网搭载的传感器一般采用国外的产品,价格昂贵,维护比较麻烦㊂而国产传第2期李清,等:国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用㊃121㊃感器的问题在于,没有相应的产品,产品精度不能达到使用要求,或者没有在浮标上的使用经验㊂这些问题限制了国产传感器的研发和使用,导致与国外传感器产品差距越来越大,最终国内传感器产业萎缩甚至消失㊂2海底科学观测网浮标平台功能性分析在东海海域,海底科学观测网需要从海面到海底,全方位立体协同观测,从而深入理解人类活动影响下的长江口东海的物质交换及其生态环境效应,研究东海低氧区的形成机制㊁生物地球化学过程及对生态环境的影响,探索长江冲淡水与西太平洋边界海流的相互作用㊂因此,海底观测网的浮标平台提出了新的更高的要求㊂2.1搭载的传感器数量多㊁学科全㊁控制要求高业务化运行的浮标平台一般搭载海洋气象传感器㊁海洋物理传感器和少量海洋化学传感器,主要测量指定海域的气象特征㊁温度盐度深度和流速等水文特征㊂而海底科学观测网的目标在于对东海的全方位观测,不局限于气象和水文特征㊂因此,海底观测网的浮标平台除了搭载常见的海洋气象传感器(风速㊁风向㊁气压㊁气温㊁湿度等)㊁物理海洋传感器(流速㊁流向㊁水温㊁波浪等)外,还要搭载众多的海洋化学传感器,比如用于测量p H值㊁溶解氧㊁水气C O2㊁硝酸盐㊁甲烷等的传感器㊂另外,浮标平台还要搭载激光粒度仪㊁光合辐射仪㊁三波长荧光计㊁光量子效率仪和浮游生物成像和分类系统,来观察水体中的浊度㊁光合作用㊁叶绿素㊁有机质和生物丰富度㊂如此多的传感器,对浮标系统的测量项目㊁传输方式及接口㊁防护等级㊁供电及功耗㊁体积与安装㊁连续工作时间与维护周期等方面,提出了较高的要求㊂浮标平台上传感器的稳定协调工作是海底观测网长期稳定运行的重要保证㊂2.2观测网防护要求除了需要搭载传感器实现海气界面的观测之外,浮标平台还要承担守护海底缆系的作用㊂东海地区繁忙的渔业活动对于海底的缆系具有较大的威胁,需要浮标平台提供一定的示警和防护作用,来提醒渔民注意指定海域底部的缆系,从而提高整个海底科学观测网的稳定性㊂2.3水声通信要求为了实现海底科学观测网的全方位观测,除了浮标平台,还需要潜标㊁四脚架㊁观测塔等平台同时工作㊂而这些平台的能量和数据是通过海底的光电复合缆传输的㊂浮标和部分无缆的潜标必须使用无线通信,才能接入海底科学观测网㊂无线电波和激光等信息载体在水下衰减剧烈,无法实现水下信息的传输,因此声波成为水下通信的唯一载体㊂在海底观测网中,水声通信系统共有3个主要作用:将无缆区域的浮标和潜标纳入实时海底观测网,将有缆区域的无缆浮标纳入海底观测网㊁海底电缆通信故障时的数据出水应急通道㊂借助水声通信,将浮标㊁潜标㊁四脚架等平台真正整合为一个有机整体,从而更好地实现数据的实时传输㊂2.4仪器国产化要求和国外传感器相比,国产的传感器优势在于价格便宜㊁维护方便以及可以提供必要的技术支持,打破国外的技术封锁㊂缺点在于测量精度不够㊁稳定性不够和没有使用经验不足等㊂另外,某些保密性的数据也只能通过国产的仪器采集和处理㊂在海底科学观测网中,为了降低后期的运行维护成本,保证声学数据的保密性,需要传感器的国产化㊂3浮标平台设计探讨3.1智能型数据采集和控制系统设计针对当前浮标数据采集和控制系统主要支持海洋气象㊁物理海洋和少量海洋化学传感器的现状,研制模块化程度高㊁扩展能力强㊁人机交互良好㊁具备辅助预警决策功能的智能型控制系统㊂该数据采集系统主要包括主控芯片㊁C A N总线控制模块㊁分布式数据采集预处理模块和预警辅助决策模块等㊂图1所示为数据采集和控制系统结构框图㊂为了保证传感器数量的迅速扩展,采用C A N总线和分布式预处理模块结合的方法㊂分布式预处理模块包括数据采集电路㊁数据处理和控制芯片以及相应的硬件模块化设计㊂当需要增加或者改变传感器时,只需要将传感器装在预处理模块上,再将预处理模块与C A N总线相连,从而实现传感器的迅速扩展㊂另一方面,还要开发易于操作的人机界面,使得科学家在岸上能够实时监测设备的健康状况,提前发现可能出现的设备故障,发出预警,并通㊃122㊃海洋工程装备与技术第10卷图1浮标数据采集和控制系统F i g.1B u o y d a t a a c q u i s i t i o n a n d c o n t r o l s y s t e m过交互式远程控制系统对设备进行控制,从而保障海底观测网的稳定工作㊂3.2水声通信数据链为了实现潜标和浮标平台之间的水声通信,需要在浮标和海床基上加装水声通信机㊂浮标上的水声通信机基阵采用柔性线阵列,在柔性保护管内部安装发射换能器和接受水听器,外部安装透声保护罩㊂基阵主要由8个接受水听器和1个发射换能器组成,阵元间距为200m m,整体长度为2m左右㊂基阵下端配重,保证基阵在一定流速范围内可以保持基阵垂直㊂在浮标系统中,金属锚链的振动声㊁连接头旋转的声音㊁海浪冲击标体的声音等都会影响水声通信的效果㊂为了减弱这些噪声的影响,通信机基阵需要伸出浮标底部一定距离,其下端应伸出浮标地面5m左右㊂3.3浮标平台防护措施为了保证浮标平台的安全和整个海底观测网的长期运行,需要在浮标上增加安全防护装置㊂首先是报警系统,具体包括人员闯入报警㊁事故报警和故障报警等㊂这些报警系统需要加装相应的传感器,例如舱开门㊁舱进水㊁浮标移位㊁浮标倾斜等传感器㊂其次,在浮标上要加装A I S防撞系统,实时监测浮标周围12海里海域内的过往船只,对驶入2k m范围内的船只进行识别跟踪,并利用海事和渔政系统对其发出警告㊂为了避免某些没有加装A I S 系统或者A I S系统关闭的船只,可以采用V H F电台对其广播,使其远离浮标㊂最后,为了激发渔民的主动保护意识,除了每年对渔民进行宣传之外,还可以借助观测数据开发相应的数据产品以服务渔民,保障渔民的生命财产安全㊂例如,可以在渔船靠近时,向渔民的手机发送该海域的天气状况及预测,帮助渔民了解海上天气状况,减少损失㊂3.4仪器实验平台建设为了提高仪器的国产化水平,促进海洋传感器的发展,需要在浮标平台上搭建传感器的实验平台㊂在海底科学观测网中,每一个锚定点附近会有一个实验标和两个警戒标,在观测海底的同时,起到保护海底电缆的作用㊂而在每个浮标上会开6~ 8个仪器安装井,在保证海底观测网的长期稳定运行的基础上,可以将部分安装井作为国产传感器的实验平台,以验证㊁完善其使用性能㊂还可以同时搭载国外同种传感器产品,提供数据比对,以明确改进方向和验证数据的准确性㊂4柴发太阳能混合能源系统传统太阳能发电系统的发电功率与太阳能板的数量成正比,通常仅能支持低频率的数据采集㊂太阳能发电的效率受天气影响较大,无法满足浮标平台在连续阴雨天㊁台风等极端天气的用电需求㊂为了实现多种传感器全天候的高频连续观测㊁高带宽数据的实时传输,浮标平台采用柴油发电机和太第2期李清,等:国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用㊃123 ㊃阳能板混合发电,经蓄电池存储转换后供所有仪器设备用电㊂4.1 柴油发电机的布置柴油发电机在各类大小船舶中应用非常成熟,工作期间的振动㊁噪声和散热大,通常布置在独立的机舱中㊂在浮标平台上,柴油发电机布置在能源室深处远离浮标中心的方向,能够降低对浮标小平台仪器㊁仪器室数采设备的影响㊂油柜布置在发电机外侧,配置油位计,如图2所示㊂柴油发电机周围应预留设备维护空间,满足定期保养和检修需求㊂图2 柴油发电机的布置F i g .2 A r r a n g e m e n t o f d i e s e l ge n e r a t o r s 4.2 柴油发电机的冷却系统船用柴油发电机通常采用海水直接冷却的方式㊂海水经过滤后进入发电机冷却水管,具有冷却效率高的优点;缺点是冷却水管内部易发生腐蚀或堵塞㊂浮标平台以无人值守的方式长期工作在东海近岸含沙量高的海水中,需要采用间接海水冷却的方式㊂在冷却水管路中充满淡水,以内循环的方式冷却发电机㊂一部分冷却水管穿过舱壁后进入冷却水舱,由海水对冷却水管进行降温冷却㊂经验证,间接海水冷却的方式完全能够满足发电机的使用工况㊂4.3 柴油发电机的通风系统柴油发电机工作期间消耗新鲜空气,因此需要配置通风系统㊂新风从桅筒侧面的烟雾处理器进入结构风道㊁风机,一路直接送至能源室柴油发电机进风口附近,另外一路经电动风闸送至仪器室㊂发电机产生的废气经排烟管从桅筒背面一侧排至舱外,不影响舱内设备运行和人员工作㊂当人员需要进舱作业时,开启风机和仪器室的电动风闸,能够为仪器室快速注入新鲜空气,减少海上作业等待时间㊂4.4 柴油发电机油箱设计柴油发电机(以下简称柴发)选用K O H L E R13.5E F K O Z D ,可输出110~220V /50H z 共计7种电压,输出功率13.5k W ㊂油柜采用独立箱柜设计,按照系统的设备及柴发的设计工况,即75%负荷每日工作一小时,油耗为2.92L /h ,1500L 容积,可为柴发提供超过250天的续航,见表1㊂由于浮标平台为无人值守设计,需要设计远程读取液位数据,因此,在油柜顶部设计有浮球式磁性液位计;在侧面设计有翻转式磁性液位计,用物理显示的方式显示液位,保证了柴油液位监控的准确可靠,如图3所示㊂表1 柴油发电机油耗说明T a b .1 D i e s e l g e n e r a t o r f u e l c o n s u m p t i o n d e s c r i pt i o n 油耗60H z 50H z柴油,L /h (g ph ),%(载量)100%4.57(1.21)3.90(1.03)75%3.55(0.94)2.92(0.77)50%2.50(0.66)2.02(0.53)25%1.57(0.42)1.19(0.31)注:60H z 模式下16E K O Z D 油耗,50H z 模式下13.5E F K O Z D 油耗㊂㊃124㊃海洋工程装备与技术第10卷图3 柴油发电机示意图F i g .3 S c h e m a t i c d i a g r a m o f d i e s e l ge n e r a t o r s 4.5 水循环改进及设计柴油发电机原设计采用船用柴油机,其冷却水系统为开式二级循环冷却系统,即通过泵和管路抽取外部环境水,用环境水和发电机内部的缸套水进行热交换,是为一级循环;缸套水通过闭式循环管路再冷却柴油机气缸等部件,从而带走发电机运行产生的热量,是为二级循环㊂使用后的环境水通过排气管和高温气体一起排出㊂但是,该冷却水方式适合低盐水环境的内河环境使用,对于无人值守的海上浮标平台显然不适用㊂因此,需要将原有的开式二级循环系统改造为闭式三级循环冷却系统㊂在标体外围的浮力舱内单独划分出一个海水冷却水舱,使舱内有和吃水高度一致的海水,舱底布置耐腐蚀材质制成的热交换盘管,用来实现低温淡水与海水的热交换,是为一级循环;低温淡水部分设置有除气水箱,用于去除系统循环中产生的气体,气体通过水箱顶部的管路进入位于高位的膨胀水箱,再通过膨胀水箱上的透气管排出系统㊂膨胀水箱有两个功能:二级循环系统补水;承担系统运行时冷却水热膨胀释放㊂二级循环冷却水通过发电机内部的泵及热交换器和发电机内的三级循环系统进行热交换㊂通过改造,冷却水循环系统可大大提高冷却水系统的可靠性,从而满足浮标平台无人值守的要求,如图4所示㊂图4 水循环系统示意图F i g .4 D i a g r a m o f t h e w a t e r c i r c u l a t i o n s ys t e m 4.6 通风及排烟设计为满足浮标舱内设备散热及发电机运行对于新鲜空气的需求,浮标系统内还设计布置了通风系统㊂通风系统分为两路:日常设备运行通风及发电机送风㊂两路通风系统通过计算机控制风闸,考虑到海上环境对于设备的影响,进风口设计有盐雾过滤器㊂当日常设备运行时,风闸间歇性打开,通风第2期李清,等:国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用㊃125㊃系统可以带走设备运行时产生的热量,为系统可靠性提供保障㊂当柴发启动运行时,设备运行的风管分闸关闭,所有空气全部用于柴发送风㊂根据柴油机的运行需求,此时柴发的需求风量需要达到10000L/h㊂5结语本文首先介绍了浮标平台的结构组成以及国内外的进展;然后,提出了海底科学观测网对于浮标平台的功能性需求,包括对浮标数据采集和控制系统的要求㊁对水声通信的要求,和对海底电缆的防护要求和仪器国产化的要求;最后,针对海底观测网的这些需求,提出了一些建设的意见㊂总之,浮标平台未来将向智能化㊁系统化㊁网络化发展,这需要广大科技工作者的共同努力㊂参考文献[1]汪品先.从海洋内部研究海洋[J].地球科学进展,2013,28(5):517520.[2]M c c a l l J,K e r u t E,H a a s G,e t a l.E v o l u t i o n o f B u o yE l e c t r o n i c s a n d T e l e m e t r y[C].O c e a n s.I E E E,1978:19.[3]T a f t B,B u r d e t t e M,R i l e y R,e t a l.D e v e l o p m e n t o f a n N D B CS t a n d a r d B u o y[C].I E E E,2010:110.[4]王波,李民,刘世萱,等.海洋资料浮标观测技术应用现状及发展趋势[J].仪器仪表学报,2014,(11):24012414. [5]王军成.海洋资料浮标原理与工程[M].北京:海洋出版社, 2013.[6]王亚洲,杨永春,李忠君,等.一种波浪浮标弹性系留系统[J].山东科学,2011,24(4):7881.[7]T o m a D M,D e l R i o J,J i r k a S,e t a l.N e X O S S m a r tE l e c t r o n i c I n t e r f a c e f o r S e n s o r I n t e r o p e r a b i l i t y[C].O c e a n s.I E E E,2015:15.[8]王晓燕,裴亮,付晓.基于C A N总线的浮标数据采集系统设计[J].微计算机信息,2008,24(14):2021.[9]刘晓.基于C A N总线的海洋维权执法浮标的信息采集系统[D].青岛:中国海洋大学,2013.[10]谈作伟,李延涛,王腾,等.一种海气界面太阳能浮标电源的设计[J].电源技术,2014,38(8):15281530.[11]李文庆,付晓,王文彦,等.北斗二代卫星导航系统在海洋资料浮标监控与管理中的应用[J].山东科学,2012,25(6):2126.。
海底射流开沟机模型试验及效果分析!!李振旺!赵淮宾"于宗冰" &邹!丽"王!凯"曹!林%!!#中国船舶科学研究中心"江苏!无锡!"!%$$$&"#大连理工大学!船舶工程学院"辽宁!大连!!!($"%&&#大连理工大学!海岸和近海工程国家重点实验室"辽宁!大连!!!($"%&%#中国造船工程学会"北京!!$$.(!#摘要!为了保证海底管道与缆线的安全和稳定"人们采用了许多措施$其中"最为经济有效的方法是利用开沟机等相关设备将管道或缆线埋入海底$本文研究水下开沟"设计了一款具有轻型结构%可自主推进的水下射流开沟机"并对加工完成后的样机模型开展了水下开沟的试验$验证了所设计的开沟机在淹没状态下不仅可以完成自主推进工作"还能在管道流量达到+$O &'H 时破坏抗剪强度为.T ]A 的沙土"最大沟深可达$-%!O "为后续的模型优化以及管线埋设提供理论与依据$关键词!开沟机&水下射流&自主推进&开沟埋设中图分类号 Z &+.文献标志码*文章编号 "$'+,"',!"$"&#$$%%$.!"# !$-!"$.,'/001-"$'+,"',-"$"&-$%-$,J "!%/6%&4'-!N 00%)48-'/;&#&"01B 97'(#-%X %46(%-)*%(B C 2H 09M A 9:!;23*Z 3?A 7J 79";_)2/9:J 79:&;%;2Z )B 7";6*45b A 7";[*ZB 79+E !"=2/*&12/%1A /$*(/,/AV $8$&'A 2=$*($'0h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e ?7I O 0911/J ?N P 1H 0I 7I 0K 790/N S A J K 0791/1H 0L 0A @K //N R C 91H 7L I A I 0N ;A K 7:H 1X M 07:H 1;A ?1/9/O /?L K PI N /I 0K K 08?980N M A 10N Y 011N 09S H 0N H A L J 00980L 7:908A 98S /98?S 108?980N M A 10N 1N 09S H 79:10L 1L/91H 0O A S H 7908I N /1/1P I 0O /80K 1/Q 0N 7@P 1H A 11H 080L 7:9081N 09S H 0N S A 91N 09S H?980NL ?J O 0N :08S /98717/9;A 98S /O I K 0101H 0A ?1/9/O /?L I N /I ?K L 7/9M /N T1/80L 1N /P LA 98M 71HL H 0A N L 1N 09:1H /@.T ]AM H 091H 0I 7I0K 790@K /MN 0A S H 0L +$O &m H R D H 0O A h 7O ?O871S H 80I 1H S A 9N 0A S H $R %!OR D H 7LM /N T I N /Q 780L 1H 01H 0/N P A 98J A L 7L @/N L ?J L 0e ?091O /80K /I 17O 7U A 17/9A 98I 7I 0K 790J ?N 7A K R :%;<"(!&!1N 09S H 0N V L ?J O A N 790Y 01V A ?1/9/O /?L I N /I ?K L 7/9V 871S H A 98J ?N P =!引!言随着海上风电和跨洋通信的发展"海底电缆%光缆在保障能源和数据安全%稳定%高效传输中扮演着越来越重要的角色+!$&,$海底管道运输是海洋油气运输中最快捷%经济%可靠的方式"被称为海洋油气田生命线+%%+,$海底电缆和油气管道对数据传输和油气资源的运输有着非常重要的战略意义"而且随着对海洋开发利用的不断加深"海底管线埋设路线会与人类活动频繁的区域产生交集"!作者简介(李振旺!!'.')!#"男"硕士"主要从事船舶装备总体设计及[a <技术方向的研究工作$第!$卷!第%期!"$"&年!"月海洋工程装备与技术Z [W *4W 45C 4W W \C 45W >)C ]^W 4D*4<D W [34Z B Z 5_`/K -!$"4/-%<0S -""$"&第%期李振旺"等(海底射流开沟机模型试验及效果分析*%+!*!例如海运航道%围海造陆工程%捕鱼活动区以及船舶锚泊区"这些人类活动严重威胁了海底缆线的安全+(,$在海底开沟将管线埋设一定深度"可以提高管线的稳定性并防止外部机械损伤"这也是海底缆线和油气管道防护措施中最经济%最有效的方法+,$',$现今用于电缆和油气管线埋设的开沟方式有以下&种(犁式开沟%机械式开沟和喷射式开沟+!$$!",$不同的开沟方式意味着设计理念与应用范围也不相同+!&,$相较于其他两种开沟机"喷射式挖沟机结构简单%重量小&不容易受深海海流影响"维修成本低&不需要母船拖行"有自主行进能力&作业过程中噪音小"对周围环境的干扰小&还可以用于海底管道的维修$目前"国内自主研制的开沟机仍以喷射式为主"但往往存在效率低%故障率高%作业水深浅等缺点+!%$!(,$基于理论与概念模型的研究+!,$!',"设计了一种兼具射流开沟和自主推进的水下射流式开沟机"具有结构轻巧%适应性强%效率高%成本低的优点$本文介绍了模型的结构设计以及测试设备"并通过改变喷射臂和喷嘴角度进行试验"研究了开沟机在不同影响因素下的水下开沟效果"以此为依据优化了开沟机的技术性能$>!模型设计开沟机模型!图!#由支撑架%进流管道%喷冲臂%支撑轮组成$支撑架选用密度","$T :'O &的铝型材作为主体材料"框架的组装采用可调节式连接单元%焊接%定位螺栓等连接方式"如图"所示$铝型材之间用与其相匹配的特制螺母及连接单元连接"支撑轮的轮轴以焊接的方式安装在铝型材上"喷冲臂由定位螺栓固定在支撑架上$进流管道与前%后喷嘴以及管路连接件皆选用承压极限为!^]A 的]`[材料&前置喷嘴与后置喷嘴通过两通%三通等连接件布置在进流管道上"并在连接处加装阀门"用于调节前后喷嘴的流量$进流管道与喷冲臂之间的连接部件采用一种可变形的钢丝软管"可以配合试验中喷冲臂的调节$通过绑扎的方式将进流管道固定在铝型材框架上"完成试验模型的组装"模型参数如表!所示$图!!开沟机原理样机模型设计示意图a 7:-!!G S H 0O A 17S 87A :N A O/@I N /1/1P I080L 7:9/@871S H 79:OA S H 790图"!开沟机的加工%组装a 7:-"!]N /S 0L L 79:A 98A L L 0O J K P /@871S H 79:OA S H 790*%(!*海洋工程装备与技术第!$卷表>!开沟机模型参数6'9E >!I #4)*#-,7')*#-%7"!%/2'('7%4%(&结构车架]`[管道喷冲臂参数型长型宽最大型高最大型深进流内径前喷嘴内径后喷嘴内径壁厚型长型宽型厚壁厚尺寸'S O !'$!,$($($,-""-$!-+$-"!"(!.&$-+总质量'T :,+!!喷冲臂及喷嘴是开沟机模型最重要的部件"其精度及质量会直接影响到开沟机工作的效果$前置喷嘴用于冲沟"!+个喷嘴从上至下等间距布置在喷射臂上"如图&所示$采用直径为"S O 的渐缩式标准喷嘴&后置喷嘴设计为!-+S O "为开沟机提供前进动力$图&!喷嘴布置图a 7:-&!4/U U K 0K A P/?1?!试验设置试验内容主要包括破土效果试验%自主推进开沟试验和参数调节优化试验"如图%所示$首先开展破土效果试验"用于验证在管道流量达到+$O &'H 时"开沟机能否破坏抗剪强度为.T ]A 的沙土&自主推进开沟试验用于验证开沟机在水下能否实现自主推进开沟作业&最后"考虑到开沟机行进速度的大小是影响其开沟能力的重要因素+"$,"且埋深是海底电缆和油气管线埋设工程中较为重要的参数"故开展参数调节优化试验"探究开沟机的作业性能$自主推进开沟试验装置主要包括试验水池%供水池%水泵%水流管路%传送滑道%喷冲机构"测量仪器为剪切仪%流量计%自制的沟型测深杆等"如图+所示$试验方案如图(所示"先将开沟机模型放置于在试验水池中"向水池中注水使开沟机处于被淹没状态$然后"送水泵通过管路将供水池中的水输送至模型中"模型通过高速射流实现水下冲刷破土开沟"并借助射流的反作用力实现自主推进$此时"可借助流量计测得管道内的流量%流速"并以录像的形式记录开沟机的行走状态"可计算其开沟速度"利用测深杆可以在开沟机自主推进开沟的过程中测量其不同位移处的水下沟形"如图,所示$在参数调节优化试验中"设置喷冲臂与水平面之间的夹角分别为"'y %&'y %%'y"设置喷嘴全部垂向地面或者交替向内倾斜&$y"如图.所示"参数设置如表"所示"比较开沟机的行进速度与所测沟形的最大深度"选取最佳功能参数$!A#破土效果试验!J#自主推进开沟试验!S#参数调节优化试验图%!试验内容安排a 7:-%!*N N A 9:0O 091/@10L 1S /91091L第%期李振旺"等(海底射流开沟机模型试验及效果分析*%,!*!!A#微型十字板剪切仪!J#超声式管道流量计!S#测深杆图+!测量设备a 7:-+!^0A L ?N 79:0e ?7IO 091图(!自主推进开沟试验布置方案示意图a 7:-(!D H 0L S H 0O A 17S 87A :N A O/@L 0K @X I N /I 0K K 08871S H79:1L 1KAP/?1图,!测深杆测量水下沟形a 7:-,!D H 0L /?980NO 0A L ?N 0L 1H 0L H A I0/@1H 0?980N M A 10N 1N 09S H表!工况参数设置6'9E ?!6*%2'('7%4%(&%44#-,"0<"(Y #-,)"-!#4#"-工况喷冲臂与水平面夹角'!y#喷嘴布置喷冲臂间距'S O 管道流量'!O &'H#!%'垂向"$+$"%'交替"$+$&&'交替"$+$%&'垂向"$+$+"'垂向"$+$("'交替"$+$@!试验结果与分析在开沟机破土效果试验中"开沟机喷冲臂冲刷的沟形深度为$-&(O "宽度为$-%!O "冲沟两侧基*%.!*海洋工程装备与技术第!$卷图.!喷冲臂角度调节和喷嘴的垂向%交替布置a 7:-.!D H 0A 9:K 0A 8Y ?L 1O 091/@1H 0L I N A P A N OA 981H 0Q 0N 17S A K A 98A K 10N 9A 10A N N A 9:0O 091/@1H 09/U U K 0本垂直"且能够在一定时间内保持沟形"如图'所示"验证了在管道流量达到+$O &'H 时"开沟机可以破坏抗剪强度为.T ]A 的沙土$在开沟机自主推进开沟试验中"所设计的海底射流开沟机在淹没%无外力牵引状态下实现了自主推进射流破土开沟"如图!$所示$图'!破土效果试验沟形a 7:-'!G /7K J N 0A T 79:0@@0S 110L1:N //Q 0L H A I0图!$!开沟机在淹没状态下实现自主推进开沟a 7:-!$!D H 0871S H 79:OA S H 790S A 9A S H 70Q 0L 0K @X I N /I 0K K 08871S H 79:?980N L ?J O 0N :08L 1A 10!!在开沟机相关参数优化试验中"用测深杆测得开沟机在(个工况下&个等间距不同位置处的水下沟形"如图!!所示$总体上看"各工况下的沟形基本呈倒梯形"且在同一工况下对比&个位置处的沟形可以看出(随着开沟机的前进与远离"沟形深度逐渐减小$这是由于开沟机由静止开始运动"速度缓慢增加最终到达稳定状态"单位时间内作用于沙土的水量逐渐减少"所以出现了深度逐渐减小的现象$第%期李振旺"等(海底射流开沟机模型试验及效果分析*%'!*!图!!!!$(工况下等间距三个不同位置处的沟形a7:-!!!5N//Q0L H A I0A11H N0087@@0N091I/L717/9LM71H0e?A K L I A S79:?980NM/N T79:S/98717/9L!)(*+$!*海洋工程装备与技术第!$卷!!通过录像时长与行进距离计算得出各工况下开沟机的行进速度"并对比各工况下开沟机冲刷所测得的最大沟深"如图!"所示$可以看出"在各个工况下开沟机的行进速度都大于"$$O'H"最大行进速度达到&("O'H$在最大开沟深度方面"工况(中开沟机冲出的沟形最深达到$-%!O$整体来说"喷嘴交替布置有利于提升开沟机的行进速度与开沟深度"一定程度上优化了开沟机的性能$各工况下实测沟形的最大深度皆超过$-&+O"平均深度达到$-&.O&在调节开沟机喷冲臂与水平面夹角过程中"测得最大型深为$-(O"并实现了在淹没状态下拥有一定的行进速度$另外"考虑到水下沟形两侧的泥沙会向沟中回淤"并且提供推进动力的水平射流会促使冲起的悬浮泥沙在开沟机的后方形成堆积"故开沟机冲出的实时沟形应该拥有图!"!各个工况下开沟机的平均行进速度与最大开沟深度a7:-!"!D H0A Q0N A:0L I008A98O A h7O?O80I1H/@871S H79:O A S H790?980N0A S HM/N T79:S/98717/9更大的深度$因此"判断所设计的开沟机在管道流量+$O&'H的情况下"稳定开沟深度可达$-%O"如图!&所示$图!&!推测开沟机所冲刷的实际沟形a7:-!&!C9@0N1H0A S1?A K:N//Q0L H A I0L S/?N08J P1H0871S H0NA!结!论根据需求"设计%加工了一款具备质量轻%易操作的自主推进式水下射流开沟机"通过破土效果试验与自主推进开沟试验"验证了开沟机可破坏抗剪强度为.T]A的土体"并可持续稳定地进行水下自主推进开沟作业$参数调节优化试验验证了开沟机在各工况下的平均行进速度都在"$$O'H以上"最大行进速度为&("O'H"实测最大开沟深度为$-%!O"在考虑泥沙淤积的情况下"开沟机可达到$-%O的稳定开沟深度$综合来看"当开沟机的喷冲臂与水平面之间的夹角为"'y"喷嘴交替向内倾斜&$y时"行进速度为&"%O'H"开沟深度达到$-%!O"性能相对最佳$在实际工程应用中"射流式开沟机的工作是一个十分复杂的过程"涉及了淹没射流%泥沙冲刷%泥沙输运%射流推进等相关过程$本文仅通过模型试验验证了所设计的开沟机自主推进开沟的可行性"但模型试验与实际工程施工存在一定的比例换算关系"无法完全呈现原型机施工时可能出现的所有问题"故仍需进一步开展研究"优化该型产品的性能$参考文献+!,赵靓-"$&$年全球海上风电市场展望+g,-风能""$"!"!!$#( %$%&-+",B7?_;2H A/r;6?g R*I I K7S A17/9G1A1?LA98]N/L I0S1/@ 3`<[G?J O A N790[A J K0]N/Y0S1L i g j R37:H`/K1A:0*I I A N A1?L;"$"";+.E"F k!.R+&,卢聃-海底光缆突围在即+g,-产城""$"!"!!!#(,$,!-+%,舟丹-世界海洋油气资源分布+g,-中外能源""$!,"""!!!#(++-++,牛爱军"毕宗岳"张高兰-海底管线用管线钢及钢管的研发与应用+g,-焊管""$!'"%"!(#(!(-+(,b/N8A H7^W;G H A I7N/G;B?S A L5R5K/J A K D N098L C9G?J O A N790[A J K0G P L10Oa A?K1L i[j R]N/S R G?J Z I17S;"$!(;!,R第%期李振旺"等(海底射流开沟机模型试验及效果分析*+!!*!i,j B7g3;b7O gD;B00^g;01A K R[/9S0I1?A K<0L7:9/@ Z I17O A K D H N?L1G P L10O@/NW@@7S7091[A J K0=?N P79:/@\Z`D H 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