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吴有生院士:海洋装备技术的重点发展方向

2022-08-19   前瞻科技杂志   阅读量:534

    全文刊载于《前瞻科技》2022年第2期“深潜科学与技术专刊”。

    来源:微信公众号“前瞻科技杂志”

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    吴有生,研究员,中国工程院院士,船舶力学与船舶工程专家,三维水弹性力学奠基人,中国船舶集团中国船舶科学研究中心名誉所长,工业和信息化部高技术船舶研究计划专家咨询委员会主任。

文章摘要

    海洋装备是支撑海洋科学研究、资源开发和安全保障事业的“脊梁骨”。文章简要分析了中国当前在海洋装备领域面临的机遇和挑战,针对船舶技术与产业、海洋资源开发装备和深海装备,概要介绍了世界海洋强国和中国的相关技术现状,择要梳理了最值得关切的前沿技术内涵和重点发展方向。

文章速览

    中国是一个陆海兼备的发展中海洋大国,海洋是中国经济社会发展重要的战略空间。世界海洋平均水深约3897 m,90%是超过1000 m的深海,蕴藏着丰富的能源、矿产和生物资源。但是当前人类对深海的认识仍停留在初级阶段,大量基础科学问题和关键技术亟待研究。党的十八大提出建设海洋强国战略,2016年习近平总书记明确指出,“深海蕴藏着地球上远未认知和开发的宝藏,但要得到这些宝藏,就必须在深海进入、深海探测、深海开发方面掌握关键技术”,为中国海洋装备技术发展指明了重点方向。

中国海洋装备面临的机遇和挑战

    中国虽为邻海大国,但人均海域面积只居世界第122位,近海与外海的渔业可捕量仅占世界海洋渔业总可捕量的1.16%~1.75%。中国的资源并不丰富,已探明的人均石油储量为世界平均水平的1/9,人均天然气储量为世界平均水平的1/20。经过数十年稳定发展,中国已深度融入全球经济一体化,2020年进口石油5.42亿 t,铁矿石11.7亿 t,粮食约1.3亿 t,是全球最大的资源、原材料进口国,也是全球最大的工业加工品输出国。

    这种外向型经济带动了中国船舶与海洋装备技术与制造业的高速发展。2003年以来中国船舶产业规模和综合实力迅猛扩大,研发能力显著增强。根据英国克拉克森研究公司的数据,2014年以来,中国船舶设计机构参与设计船舶的份额约占全世界的30%~35%,日本约占20%~25%,韩国约占10%~20%,欧洲约占10%~15%。中国船舶海工装备领域研究试验设施的齐全程度超过美国和俄罗斯,数量超过欧洲的总和。

    中国经济运行对外依存度高,需要不断寻找新的资源来源,也对海洋装备尤其是深海装备技术和产业的发展不断提出新的需求。海洋是远未充分开发的资源宝库,人类对海洋资源开发利用不足5%。海底稀土储量约是陆地800倍;深海富钴结壳矿的钴、镍、铅、铂储量约为210亿 t。地球上约40%有远景的油气盆在水深3000 m以下的海底;有机碳的总储能是陆上煤、石油、天然气总储能的2倍;中国仅南海油气储量就达350亿 t油当量,占全国海域油当量50%;天然气水合物资源量为680亿 t油当量,约为陆上与近海油气总资源量的1/2。

    海洋风能、波浪能、温差能储量巨大。仅南海海域,温差能理论装机容量即为3.67×108 kW,占中国海域海洋能资源潜在量的52%,其中技术可开发装机容量为2.57×107 kW。南海还有丰富的渔业资源。研究表明,南海深水养殖环境条件优越,美济礁泻湖内网箱养鱼生长速度与质量均远高于近海养殖。因此,有效地开发利用海洋是支撑中国经济社会可持续发展的重要保障。

    历史经验表明,海权竞争的激烈程度与各大国的综合实力和发展态势相关。因此,当前形势下,如何保证海域和海上交通线安全,如何加快海洋资源开发利用,如何深化海洋尤其是深海的前沿科学研究,是中国在海洋方面面临的3大挑战。为应对这3大挑战,中国必须提高海洋安全保障、资源开发、科学研究3个方面的能力,海洋装备技术及产业是支撑这3个方面能力的“脊梁骨”。

船舶技术与产业发展方向

    中国船舶技术与产业发展现状

    中国船舶行业快速发展,与21世纪初相比生产能力大幅提升。2001年以来,英国克拉克森研究公司发布的中国、日本、韩国按载重吨计算的造船完工量见表1,20年以后中国已成为世界第一造船大国。近年中国持续在全球造船业的造船完工量、新接订单、手持订单3大指标的排序中保持世界第一。

    中国研发能力显著增强,形成了涵盖船舶基础科学、船舶设计、新型动力与船用配套设备研发等全链条科研技术能力;具备建造几乎所有船型的能力,散货船、集装箱船、油轮3大主流船型实现了系列化、批量化建造,大型液化天然气(LNG)船、双燃料推进超大型集装箱船、大型邮轮、极地考察破冰船、汽车滚装船、各类科考船等高技术船舶的设计建造在国际上形成了显著的优势;智能航行操控、能源动力智能管理、辅机运行智能监控、洁净新能源和减阻节能等新技术装备研发应用取得显著进展,2018年中国船级社给文冲船厂建造的38800 t散货船授出了全球第一个智能船标志;中国形成了较为完整的船舶装备技术链与产业链,中国船舶集团有限公司已是世界第一大造船企业。

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表1  中国、日本、韩国造船完工量

    船舶技术与产业的重点发展方向

    世界船舶技术与产业的发展方向是“智能、绿色、深海、极地”

    船舶智能技术包括智能设计、智能制造和智能船舶(装备)。中国工业和信息化部发布的《智能船舶发展行动计划(2018—2020年)》明确给出了智能船舶的定义:“智能船舶是融合感知、通信、网络、控制、大数据、人工智能等先进技术,具备船舶自身、航行环境、物流状态自动感知及多等级自主决策及控制的能力,在船舶航行、管理、维护、载运或作业等方面实现智能化运行,从而比传统船舶更加安全可靠、经济高效、环保舒适的新一代船舶”。

    显然,智能船舶技术不等同于“无人航行”技术,它包括下列8大类技术。

    ①感知基础器件技术(船用物理量/化学量/生物量传感器)。

    ②智能航行操控技术(航行环境智能感知与分析、智能自动驾驶、恶劣海况智能应对安全操控、航线安全性与经济性智能优化决策)。

    ③能源与动力系统智能管理技术(船用低/中/高速智能内燃机、发电机组—综合电力系统智能安全监控、供能储能用能智能调控管理)。

    ④辅机安全运行智能监控技术(辅机设备运行状态智能监测、辅机设备智能控制与故障诊断)。

    ⑤全船安全智能监控技术(全船网络安全、机电设备安全、舱室环境安全、船体结构安全、火情火灾监测与处置)。

    ⑥绿色性能智能监控技术(能耗与排放全航程实时监控、CO2/SOx/NOx减排系统监控、三大噪声源激励状态实时监测、船舶辐射噪声实时评估与智能控制)。

    ⑦货物与物流智能监管技术(海运物流网系统、货物状态与环境管理控制系统)。

    ⑧船舶一体化信息系统技术(船海陆空天一体化通信与信息网络、综合智能导航与定位、信息智能化融合处理系统)。

    中国的薄弱环节及发展智能船舶技术的重点不是“船型和船体”,而是船舶的“大脑、神经与内脏”。必须加快感知探测控制元器件、智能船用动力系统、数控配套设备、一体化观通导航信息系统及智能软件的研究开发,改变长期以来产业结构与科研安排中“总体设计与总装建造”及“动力配套与观导信息”前重后轻的不协调现象,推动船舶产业与产品的“数字化转型、智能化升级”。

    绿色船舶是“通过采用先进技术,把传统的‘使用功能和性能要求’与21世纪的‘节约资源与保护环境的要求’紧密结合,在船舶设计、制造、使用与拆解的全周期中,节省资源和能源,减少或消除环境污染,保障生产和使用者健康安全、友好舒适的新技术船舶”。

    中国船舶领域绿色技术发展应关注4个重点方向。

    ①从“注重产量”转向“注重效率效益”,着力解决“高三耗”问题是发展绿色产业的根基。制造每吨位船舶的能耗、材耗、工耗直接决定了绿色技术水平与经济效益。目前中国船厂的“三耗”远高于日本和韩国。必须开发船舶设计制造一体化工业软件,加快应用人工智能、虚实结合、5G技术,进一步突破智能制造装备与工艺的关键共性技术,提升船体制造切割/成形/装配/焊接/涂装、机电设备制造、物流和仓储的智能化水平。

    ②研发绿色动力设备是中国发展绿色船舶技术的重中之重。突破应用LNG、氢、氨、甲醇的双燃料发动机及气体发动机关键核心技术,发展智能检测、模块化设计、电控燃烧和排放、高压共轨燃油喷射、高效率涡轮增压等技术,开发高可靠、高效率、低油耗、低排放、轻量化、低噪音发动机。开发谱系化的千瓦级至百兆瓦级海洋核动力及适应极地特殊环境的绿色船用发动机。

    ③加快开发新一代船用绿色配套设备技术是补短板及提升国产化率的必要举措。主要技术包括新型高效节能低噪声发电机组技术,各类低功耗安静型数控船用泵、阀门、风机、空调和冷冻系统技术,主动力系统余热余能利用技术,高效压载水处理系统技术,不含三丁基锡(TBT)的防污与减阻涂料和表面处理技术等等。

    ④持续开发能效指数(船舶能效设计指数(EEDI)、船舶能效运营指数(EEOI))优异的绿色品牌船型是强化技术集成能力和竞争力的重要任务。全面采用船型多目标优化、减阻节能、增效推进、航线智能优化等各种水动力学新技术,材料与结构优化设计技术,风能、太阳能等洁净新能源辅助推进技术,双燃料与气体发动机技术,绿色智能辅机综合应用技术,牵引各项绿色与智能技术的有序发展和有效应用,开发新型绿色船舶。推动船舶“躯体”与“内脏”技术和产业的协调发展,是建设造船强国的必然要求。

海洋资源开发装备发展方向

    海洋油气资源开发装备

    海洋资源开发不断地走向深远海,2001年在墨西哥湾Alaminos Canyon的开采深度即已达2953 m。半潜式、立柱式、张力腿等不同系列的深水油气开发平台技术已经成熟(图1)。

图1  各类油气开发平台

    中国在海上稠油高效开发、近海边际油田开发、深水海洋平台等领域达到了国际领先水平。已掌握深海水下生产系统的部分关键技术。例如,2008年开工建造的“海洋石油981”平台,是中国自主设计、建造的第六代深水半潜式钻井平台,最大作业深度3000 m;2017年中国“蓝鲸一号”海上钻井平台在南海神狐岭海区完成全球首次可燃冰试开采;美钻石油钻采系统工程(上海)有限公司、重庆前卫科技集团有限公司等已可设计、制造、测试水深1500~3000 m的水下采油树等关键设备。

    受台风、巨浪、海冰等海面恶劣条件影响,海洋油气开发装备的长远发展趋势是从水面转入水下,俄罗斯、挪威等国提出了解决水下钻探、供能、转运问题的多种技术方案

    中国油气需求及进口量庞大,需要重点解决用于天然气水合物勘探、开采、供能、控制、输运及立体安全监测的水面与海底装备体系化技术,并全面掌握与下述装备相关的关键技术:深远海特大气区多功能液化天然气装置(FLNG)、深水圆筒形浮式生产储卸油装置(FPSO)、水下生产控制系统、水下多相增压泵与湿气压缩系统、水下变压变频供电系统、水下多相集输及监测系统、水下应急维护系统、多功能深远海油气田开发与远程补给装置、极地油气开发勘探和钻井装备、极地混凝土重力式平台和天然气开采工程化设施、极地油气开发远程补给系统等。

    针对长远需求,尤其要发展支持深海能源开发工程施工作业、海底供能及应急救援的移动与固定式深海工作站技术。

    海洋矿产资源开发装备

    最受关注的深海矿产资源是4000~5500 m海底多金属结核矿、1500~3500 m海底热液硫化物矿、800~3500 m深海山坡上厚度数厘米的富钴结壳矿。

    深海采矿技术研究始于20世纪50年代末。针对海底矿产向水面提升的技术问题,科研人员先后提出了连续链斗式(1972年)、管道提升式(1978年),穿梭艇式(1979年)等方案,但因可靠性、经济性等因素,至今未能实现商业化应用。其中,日本、印度、韩国等采用管道提升式原理进行深海多金属结核采矿试验并取得了不同程度的经验。

    2014—2018年,阿联酋MAC公司为投资方,加拿大鹦鹉螺矿业公司为用户,新加坡SEATACH公司为设计方,中国马尾船厂为建造方,研制世界上第一艘深海多金属硫化物采矿船。其目的是利用位于英国的SMD公司研制成的切割、碎矿、集矿3台重型设备构成的海底采矿系统,采用管道提升方式在巴布亚新几内亚专属经济区马努斯盆地水深1600 m的Solwara 1矿区开展多金属硫化物矿的商业性勘探开发(图2)。但由于经济与生态风险等多种因素,完成船体建造后,2018年6月终止了造船合同。

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图2  多金属硫化物采矿系统

    中国船企、矿企、中国科学院、高校在国家科技部、自然资源部、教育部支持下,针对不同矿种、不同开采方式,开展了深海采矿关键技术的攻关。已研制成海底多金属硫化物采矿机、富钴结壳采矿机、深海扬矿中继站(图3)的样机,完成了部分海试

    图3  中国科学院研制的深海富钴结壳采矿机(a)及中国船舶集团有限公司研制的工作水深1700 m的水下管道扬矿中继站(b)

    深海矿产资源开发技术正处于发展的初级阶段。需要解决下述采矿装备涉及的关键技术和前瞻技术:大型采矿船上数百吨重采矿机布放回收与止荡技术、水面支持船的矿物预处理与脱水排放技术、超大潜深大功率中压输配电技术、大功率供电与控制信息传输复合脐带缆技术、深海海底采矿机驱动与行进指控技术、强振强噪干扰环境中采矿机械高精度运动的综合水声导航定位技术、海床地表矿物高效掘削破碎技术、矿浆垂直管道输送技术、长距离垂直管道粗颗粒固液两相流输送技术、高效节能防堵粗粒浆体特殊混输泵技术、对海洋环境影响的评估与控制技术、低扰动智能化辅助作业水下机器人技术等。

    同时,必须加强深海采矿(海底作业搅动、触发有毒化合物排放、尾矿处理及尾水排放)对生态环境的影响研究。

    海洋渔业资源开发装备

    发展深水远岸海洋养殖渔业对调整中国渔业结构有重要意义。近10余年来,大型智能化网箱养殖平台及大型深远海智慧渔业养殖工船两类集约化、智能化渔业养殖装备的技术在中国快速发展,一系列大型深海渔业养殖平台已投入使用。

    典型的装备为:上海振华重工(集团)股份有限公司研制的养殖水体容积1.3万m3的“振渔1号”养殖平台,中国水产科学研究院南海水产研究所设计的养殖水体容积3万m3的“德海1号”平台,马尾造船厂建造的养殖水体容积15万m3的“海峡1号”平台,中国船舶集团有限公司武昌船舶重工集团有限公司承建的直径110 m、总高69 m、养殖水体容积25万m3的“海洋渔场1号”平台(图4)。

    2022年5月,青岛北海船厂有限责任公司建造的“国信一号”10万t级深远海智慧渔业养殖工船交付使用。其养殖水体近9万m3,可“船载舱养”,年产大黄鱼、石斑鱼、黄条鰤等高品质鱼类3700 t。

    图4  “海洋渔场1号”平台(来源:http://www.hinews.cn/news/system/2020/08/20/032405067.shtml)

    中国的深远海渔业养殖装备技术虽取得显著进展,但绿色与智能化技术水平尚待提高,岸海一体工业化、集约化、信息化深远海养殖与服务保障体系尚待建设。

    为建设大型智能网箱养殖产业链,需进一步提升下述装备技术:台风海域的可定深全潜悬浮式大型养殖网箱及半潜漂浮式动力定位大型养殖网箱技术、深水网箱定深与姿态精确控制系泊技术、智能养殖辅助装备技术(渔网污附物智能清除系统技术、高密度鱼苗船网间高效传输系统技术、生长状态智能监测与投饵投药精益养殖技术、饵料智能投喂技术、轮缘驱动活鱼无伤吸捕高效出箱技术、声光融合感知识别死鱼吸取机器人技术、死鱼自动集处技术)、养殖网箱绿色供能技术、大型网箱集群养殖场的气象及鱼情多源信息集成智能管理技术、活成鱼运输及速冻和智能精准加工保障船技术等。养殖工船还涉及养殖水体交换、水质调控、减振降噪、养殖舱智能集控等技术。

    加强上述关键技术的研发,将形成工业化深远海养殖产业链与服务保障体系,为提升全民食品质量,维护国家粮食安全开创新局面。

    海洋空间资源开发装备

    超大型浮体在海洋空间利用和资源开发方面有广泛的应用前景。采用模块化拼装拓展,形成大型海上基地,可提供生活居住、商务旅游、生产制造、能源供应、船舶停靠、飞机起降、物质存储、海水淡化、医疗救助等各类海上保障。

    近30余年来,美国、日本、中国、挪威、韩国、新加坡等多个国家先后开展了超大型海上浮式结构物技术的研究。然而,付诸实用的甚少。为使系泊定位更加可靠,超大型浮体往往需布设在离岸线不远或近岛礁的地理环境复杂的海域中。

    不同于无遮蔽开阔海域中的船舶,岛礁海域浮式结构物遭遇的波浪存在时空演化不均匀的特点,受力与响应受海底地形的影响,因而设计、评估、建造、部署和运行面临诸多前沿科学问题和新技术挑战,包括:岛礁海域风浪流时空分布不均匀性的演化机理和波流相互作用理论、复杂海洋地理环境中超大型浮体流固耦合理论、海洋超大型浮体复合系泊系统动力学与抗台定位技术、超大型浮体多模块柔性连接力学机理及连接技术、超大型浮体结构极值载荷与安全可靠性评估方法、高盐/高湿/高温/高光照条件下金属结构防腐防污技术、大型浮体全系统安全状态与环境智能监测技术等。

    还包括各类不同功能的超大型浮体(浮式科学实验基地、浮式综合旅游岛、浮式温差能发电与深层海水利用生产基地、浮式机场与海港、浮式油气开发保障基地等)设计、建造和运行技术。

    为了应对这些挑战,2012年以来,中国围绕上述问题开展了系统性研究,取得了丰硕的成果。除了理论研究、数值分析方法研究、实验室与水池的模型试验研究外,还设计并研制了双模块“永乐科考”科学试验平台。2019年以来在南海海域开展了相关技术的长期试验验证,持续积累丰富的环境与实用效果数据(图5)。

图5  “永乐科考”科学试验平台

深海装备发展方向

    海底探测网络

    海洋探测对象涉及物理海洋、海洋地质、地球物理学、海洋环境、海洋生物、化学海洋、大气科学、冰科学、军民船舶与海洋工程等多学科信息;探测对象具有时空演化特征。卫星与航空遥感海洋观测、船载海洋观测、岸基台站仪器与高频表面波雷达海洋观测、锚系/漂流浮标与潜标海洋观测、海底网络观测构成当今发展中的海洋立体观测系统。其中,海底长期探测(观测)网被称为继调查船和卫星之后的地球系统第3个海洋观测平台,也是军民海洋装备最受关注的部分。

    举若干国外实例。美国国家科学基金会的海洋观测系统(OOI)由区域网(RSN)、近岸网(CSN)和全球网(GSN)3部分构成,包括880 km海缆连接的7个海底主节点。2013年加拿大将VENUS海底实验站和东北太平洋的NEPTUE Canada观测网合并组建了加拿大海底观测网(ONC),其包括由800 km环形主干网连接的5个海底主节点,覆盖了离岸300 km的海域。

    欧洲多学科海底及水体观测系统(EMSO)由13个成员国共同承担,包含了11个深海节点和4个浅海试验节点,覆盖了从北冰洋、大西洋、地中海到黑海的欧洲主要水域。日本先后建设了地震和海啸海底观测密集网络(DONET、DONET 2)和日本海沟海底地震海啸观测网(S-net)。

    其中,DONET系统以15~20 km的间隔布设有线连接的22个观测点;DONET 2系统由450 km光电复合缆、2个登陆站,7个科学节点和29个观测平台组成。这两个系统覆盖了从近岸到海沟的广大海域。S-net系统沿日本海沟布设,缆线总长5700 km,由6个子系统组成,每个系统包括800 km缆线和25个观测站(图6)。