海洋空间与再生能源利用技术

1、海洋空间与再生能源利用技术第1页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五选取一个主题（港口、海洋油气、海洋空间、海洋可再生能源）主要内容和工程技术特点；工程实例所采用的工程技术简介；评价和讨论A4纸1页作业（2）结合工程实例谈海洋资源开发工程与技术第2页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五1、前言2、海上人工岛3、海底隧道4、潮汐能利用5、波浪能利用 主要内容第3页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五一、前言我国拥有大陆海岸线总长度18000多公里与6500多个面积在500平方米以上的岛屿。根据联合国海洋法公约我国所管辖的海域有近300万平方公里（相

2、当于我国陆地国土的1/3）我国是一个发展中国家，人口、资源和环境的压力相当沉重。中国要摆脱人均资源低下的一个重要出路就是走向海洋。我国现阶段总体上海洋开发程度低，并存在着对某些资源的浪费和环境的破坏。第4页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五海底矿产资源第5页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五海洋空间资源第6页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五海洋再生能源第7页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五海水资源第8页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五海洋生物资源第9页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星

3、期五海洋开发对海洋工程技术的挑战海洋环境条件的严酷性，使得海洋开发所依赖于海上工程设施技术复杂、投资多、风险大。随着海洋开发利用的规模日趋复杂和庞大，要求人类对海洋环境条件的认识、工程设施的设计理论与建造技术等必须有很大的提高，以期在保证安全可靠的前提下节约工程造价、缩短建设周期、减少维修工作和延长使用年限。第10页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五二、海上人工岛海上人工岛是为适应海洋开发、海上居住、海上旅游等需要而建造的海岛或海上建筑物。根据建造方法有 填海式 桩基式 浮动式第11页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五日本神户人工岛日本的神户人工岛，位于神户

4、市以南3km，水深12m的海面。1966年开工建设，用了15年的时间将8000万立方米的土石填入海中，建成东西长3km、南北宽2km，总面积为436万平方米的海上城市。专门建有一座长300m、宽14m的双层大桥通向神户市新港。拥有较齐全的现代化公建设施。拥有6000套公寓和住宅，可供6500户、2万多人居住。1995年1月17日，日本发生了里氏7级的阪神大地震。该人工城市的集装箱码头的深水岸壁和港区的大型装卸设施都遭到严重的破坏。第12页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五迪拜人工岛阿拉伯联合酋长国的第二大酋长国迪拜2001年开工的“朱美拉棕榈岛”是世界上最大的陆地改造项目之一

5、，它由一个像棕榈树干形状的人工岛、17个棕榈树形状的小岛以及围绕它们的环形防波岛三部分组成。岛长10公里，宽5公里，面积约4千公顷。预计2010年才能完全完工的“朱美拉棕榈岛”将被建成一座海上城市，全岛将有6万多户居民，5万多名服务人员分布在全岛32家旅馆，数十座商场以及游乐场所为岛民提供各种服务。 第13页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五迪拜人工岛-珠美拉棕榈岛珠美拉棕榈岛第14页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五海上机场填海式：就是把大量土石填入浅海，在人工岛上建设机场。日本在大阪湾东南离岸5km的外海建成的关西国际机场，是一座现代化的大型填海式机场。

6、一期工程于1987年1月动工，修建了面积为511万平方米的机场人工岛。飞机跑道长度为3500m。人工岛与海岸间的大桥全长3.75km，公路与铁路并用。桩基式：即把钢管打入海底，机场本体坐落在钢管桩墩上，美国纽约拉瓜迪亚机场就是在水深13米的海中打入3072根桩，建成的世界上第一个桩基式海上机场。浮式：它是将巨大钢制箱体焊接在许多钢制浮体上。箱体高出海面部分作为机场，浮体半潜于水中，以支持上部重量，整个机场用索链锚系于海上。第15页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五香港新国际机场香港新机场的工程于1992年正式动工，新机场位于大屿山以北的人工岛上，面积为12.5平方公里。人工岛

7、包括原赤鱲角岛、榄洲以及填海所得的土地。新机场面积的四分之三是填海而成，需要1.8亿立方米的填海材料。新机场于1998年7月6日启用。 第16页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五日本海上浮式试验机场1999年8月4日在日本神奈川县横须贺港海面建立了一个海上漂浮机场。这个海上漂浮机场是1995年开始研制的，目前已发展到由6块长380m、宽60m厚3m的巨型钢铁漂浮箱型结构组成，有一条1000多米长，最宽处达120m的起降跑道。该机场用于进行飞机起降试验，成功后将其拆除。第17页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五世界首个人工漂浮岛在韩国首尔面世世界首个人工“漂浮

8、岛”2010年2月6日在韩国首尔面世。飘浮岛Viva重2500吨，面积3271平方米，大如足球场，外形像一艘货船，可承受6400吨重的设施，完成后主要作举办文化活动之用。第18页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五上海临港新城曹妃甸工业开发区我国的填海造地工程第19页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五上海临港新城位于上海东南端南汇芦潮港，距上海市区50公里，规划面积为311.6平方公里，2003年11月30日正式启动。 上海临港新城第20页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五目前世界最大的城市景观人工湖滴水湖。滴水湖呈圆形，直径2.66公里，总

9、面积5.56平方公里，平均水深3.7米，其水域面积和杭州西湖相当。 上海临港新城第21页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五曹妃甸工业开发区 曹妃甸位于唐山市南部70公里南堡地区曹妃甸岛，为东北西南走向的带状沙岛，古滦河入海冲积而成。涨潮时面积4平方公里，距离大陆岸线约20KM。因岛上原有曹妃庙而得名。曹妃甸工业开发区拟围海造地310平方公里。第22页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五2003年动工，至2009年，原来涨潮时只有4平方公里的沙岛，现已绵延扩展成150平方公里的陆地。第23页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五海底隧道是为解决横跨

10、海峡、海湾之间的交通，又不妨碍船舶通航，而建在海底之下供人员及车辆通行的地下建筑物。世界上已建成许多海底隧道，也有一些正在研究中。目前，全世界建成和计划建造的海底隧道共计20多条，主要分布在日本、美国和西欧，较著名的海底隧道有青函海底隧道、英吉利海底隧道等。三、海底隧道第24页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五许多越水隧道成功地建成运行的事实使得人们的观念发生了变化，人们已意识到“遇水叠桥”不再是唯一的选择，在许多情况下以水下沟通两岸比建桥更为优越。与桥梁方案相比，采用隧道越海(江)的主要优点有：全天候运营；对航运、航空无干扰；隧道线路短，可快速过海(江)，且两岸拆迁少；保持

11、原有生态和自然环境不变；抗地震能力好；防战能力强；多用途，易维护，造价相对降低。 第25页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五盾构法 首先在海峡（江河）两岸开掘三个互相平行的隧道洞口，然后用盾式掘进机在水下深层挖掘。盾构的外壳是圆筒形的金属结构，各种施工设备就是在它的保护下进行工作的。这种施工方法，由于海底深层的挖掘工程量很大，因而工期长、造价高。第26页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五青函海底隧道青函海底隧道连接日本津轻海峡两岸的青森和函馆，全长达53.85km，其中长23.3km的主隧道部分在海平面以下240m、海床下100深处通过。主隧道直径11m、高

12、9m、铺设2条铁路，两侧为2条用于后勤供应的辅助隧道。青函海底隧道自1964年正式开工，到1988年3月建成通车，历时24年。该隧道工程共用去钢材16.8万吨，水泥79万吨，总投资37亿美元。第27页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五英法海底隧道英法隧道横贯多佛尔海峡，从英国的福克斯通到法国的桑加特。 该工程于1987年11月开工，1990年12月1日凿通。1994年5月6日正式建成通车。该隧道由2条直径为7.6m的火车隧道和中间的1条直径为4.8m的服务隧道组成，全长53km，其中38km在海底40m深的岩层中穿行，13km为两岸坡道，耗资170多亿美元（100多亿英镑）。

13、乘坐时速300公里的“欧洲之星”列车，穿越隧道只用26分钟，从巴黎到伦敦的用时缩短为3小时。 第28页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五随着我国经济实力的增长和海洋工程技术的进步，我国隧道工程业已进入了穿越江河海洋的时代。国内第一座海底隧道厦门翔安隧道已于2005年4月30日正式动工。翔安海底隧道由厦门本岛至翔安，工程全长8.69公里，其中海底隧道长6.05公里，跨越海面宽约4.2公里。隧道最深处位于海平面下约70米。第29页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五厦门翔安海底隧道2009年9月15日胜利贯通。 施工单位中铁十八局和中铁一局的建设者挥舞旗帜庆祝海底

14、隧道胜利贯通。 第30页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五中国大陆第一条海底隧道 厦门翔安海底隧道2010年4月26日上午建成通车。从厦门岛到对岸省82分钟 第31页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五沉管法 在水底预先开挖好基槽，将岸上预制的钢筋混凝土结构沉管，两端用临时封板密封，分段运至隧道位置的水面上，然后向沉管内灌水以增加重量，再借助起吊装置，将沉管准确地沉放于预先挖好的水下沟槽内。沉管之间的接头，由橡胶垫和密封圈组成内外两道止水带，以防水的侵入。并回填基槽保护沉管，铺装隧道内部，从而形成一个完整的水下通道。第32页，共70页，2022年，5月20日，

15、2点0分，星期五挖 槽预 制浮 运沉 放回 填建 成第33页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五世界上第一条沉管隧道是于1910年建成的跨越美国与加拿大之间的底特律河铁路隧道，在这之后美国修建了许多的沉管隧道。荷兰的第一座沉管隧道是19371942年在鹿特丹修建的马斯河隧道，这标志欧洲开始使用沉管隧道。日本于1944年在大阪安治川建成了通过立坑的电梯而穿越河底的沉管隧道庵治河隧道。 沉管隧道在美国、荷兰、日本等国家的成功实例，以及沉管结构型式、防水、基础处理、结构抗震等关键技术问题的成功解决，使隧道成为跨江、海的重要手段，使得沉管建设隧道的方法日臻完善，促进了世界各国的沉管隧道

16、建设。第34页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五据统计，目前世界上已建成一百多座沉管水下隧道，仅美国就有30余座，日本和荷兰均已建成20余座。世界各国已建成的沉管隧道数量：第35页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五沉管隧道在我国的发展：沉管隧道在我国的发展起步较晚，我国的香港、台湾和大陆先后建成几座沉管隧道，如：香港九龙地铁隧道、西区地铁隧道、西区公路隧道；广州珠江沉管隧道(1992年,大陆第一座越江隧道)；宁波甬江(1995年)和常洪沉管隧道(2002年)；上海外环线沉管隧道(2003年，越江隧道，规模 世界第二、亚洲第一)。第36页，共70页，2022年

17、，5月20日，2点0分，星期五沉管隧道、挖孔(或盾构)隧道及桥梁的长度比较：长度：L沉管 L盾构 L桥梁影 响工程量、工期、造价第37页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五沉管比重小，对基底地质条件适应性强；沉管管节在干坞中采用工厂化方法预制，可使结构本身具有良好的自防水性，且管节长度大，接头数少，所以沉管隧道可以做到滴水不漏；沉管施工水上工期短，大部分作业可交叉进行，有利于缩短工期；沉管断面形状选择自由度大，断面利用率高，可以做到一管多用。第38页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五管段的沉放：管段的沉放可在波流水槽中进行沉放水工模型试验。通过试验确定不同水流

18、流速及波浪作用下管段在不同沉放阶段时的水动力(阻力、升力、矩等)以及定位缆绳的拉力。管节沉放主要靠加入压载水下沉，因此压载水的加载量(负浮力)以及管段下沉速度、下沉过程中管段稳定性(如沿流向漂移、倾斜等)可通过试验加以解决。 第39页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五沉管隧道的水力冲刷问题由于沉管隧道埋深较浅，当隧道建成后，如因海床冲刷、地基淘空等，将会威胁到隧道的正常使用和运行安全。当海底水流速较大时，水流对床面的作用较为强烈，可能使床面发生冲刷。在海底深槽部位，管段可能高出海床，而因水流作用和管段的阻水，可能造成冲刷而影响深槽部位的海床稳定。如果发生冲刷，冲刷动态如何扩展

19、，冲刷程度如何，沉管自身的稳定性是否有保证，尤其是当发生最大冲刷时沉管是否安全，这些问题显然是沉管隧道的安全性问题应该考虑的。 第40页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五港珠澳大桥 港珠澳大桥主体工程长29.6千米，在距香港口岸6千米处，大桥跨过一个人工岛钻入海底，通过一条长6.7千米的海底隧道，又在另一个人工岛上浮出水面。 2009年底开工建设，预计2015年底通车。 第41页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五四、潮汐能利用潮汐能是以位能形态出现的海洋能，是指海水潮涨和潮落形成的水的势能。海水涨落的潮汐现象是由地球和天体运动以及它们之间的相互作用而引起的。

20、潮汐是因地而异的，不同的地区常有不同的潮汐系统，它们都是从深海潮波获取能量，但具有各自独特的特征。 第42页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五潮汐能的分布据科学家估计，整个地球上潮汐能约10亿多千瓦，如果充分利用起来，比全世界发电总量还要多。我国潮汐能理论蕴藏量达1.1108千瓦，其中浙江、福建两省蕴藏量最大，约占全国的80.9 。第43页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五潮汐发电原理及发电形式 潮汐发电与普通水利发电类似.在涨潮时将海水储存在水库内，以势能的形式保存，然后，在落潮时放出海水，利用高、低潮位之间的落差，推动水轮机旋转，带动发电机发电。潮汐发电

21、与普通水利发电差别蓄积的海水落差不大，但流量较大，并且呈间歇性，从而潮汐发电的水轮机结构要适合低水头、大流量的特点。潮水的流动与河水的流动不同，它是不断变换方向的。第44页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五潮汐发电有以下三种形式（1）单池单向发电即落潮发电。涨潮时坝门打开，海水充满蓄水池；落潮时坝门关闭，潮水驱动水轮机发电。（2）单池双向发电即落潮和涨潮都发电，且与扬水并用。为了保持落差，并非落潮一开始就发电，而是向蓄水池泵水，然后停机待机，直到潮水落到潮差的一半时才开始放水发电。（3）双池双向发电此时备有上、下两个蓄水池，发电机组则布置在两池之间。涨潮时上池被充满，落潮时将

22、下池放水，从而形成两池之间的水位差。利用该水位差可使机组连续运转。但这种发电型式在经济上不合算，实际应用很少。 第45页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五双向水流发电的实现立轴式灯泡贯流式全贯流式第46页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五法国朗斯潮汐电站-第一潮汐电站法国朗斯潮汐电站建于1966年，是世界上最大的海洋能发电工程，年发电5.4亿度。电站位于法国西部圣马洛港上游两公里处的布里安太斯角和伯雷贝斯角之间，横跨La Rance河口。这里大潮潮差10.9米，最大13.5米，平均潮差8.5米。电站大坝长750米，高15米。水库有效库容1.84亿立方米。共装

23、有24个单机容量1万千瓦的bulb turbines，总装机容量24万千瓦，该潮汐电站至今运行良好。第47页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五第48页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五SeaGen潮汐发电涡轮机SeaGen是世界最大的商业潮汐能转换系统，能发出150千瓦的电力。满负荷运行时，SeaGen的输出功率能达到1200千瓦，可以为1000个家庭提供电力。 第49页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五新型的双向潮汐能涡轮发电机的模型 2008年英国苏格兰的Rotech公司，利用自身在海洋石油作业方面的技术和经验设计出了新型的双向潮汐能涡

24、轮发电机的模型。 第50页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五我国潮汐能利用我国的潮汐能资源在沿海的分布是不均匀的，以福建和浙江为最多，站址分别为88处和73处。其次是长江口北支（属上海和江苏）和辽宁、广东。浙江、福建和长江口北支的潮汐能资源年发电量为573.7亿瓦时，如将其全部开发，相当每年为这一地区提供2000多万吨标准煤。第51页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五浙江温岭江厦潮汐电站1985年12月建成投产的温岭江厦潮汐电站，是我国已建成的最大的潮汐能双向发电站，双向贯流式机组6台，总装机容量3200干瓦，年发电量600万度。规模仅次于法国郎斯潮汐电站、

25、加拿大芬地湾安娜波利斯潮汐电站，居世界第三 。电站座落在浙江南部乐清湾北端的江厦港，这里最大潮差8.39米，平均5.08米。港湾三面环山，开口宽度686米，港湾面积5.3平方公里，湾口筑有一道高15.5米的粘土心墙堆石坝，形成了一座库容490万立方米的港湾水库。第52页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五浙江温岭江厦潮汐发电站 第53页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五五、波浪能利用波浪能，是风的作用引起的海水水平方向周期运动而产生的能量。波浪能是巨大的，一个波高5米、波长100米的海浪，在一米波峰片上就具有3120kW的能量。据计算，全球可供开发利用的波浪能

26、为20亿30亿kW。发电能力是随波浪的大小成几何级数增长，如：当浪高1m时，可产生38kW的能量，浪高3米时功率增大到200kW，而浪高5米可产生1000kW的能量。第54页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五波浪能转换装置通常波浪能要经过三级转换： 第一级为受波体，它将大海的波浪能吸收进来； 第二级为中间转换装置，它优化第一级转换，产生出足够稳定的能量； 第三级为发电装置。第55页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五波浪中吸取能量的方法（a）振荡水柱式波浪发电系 统， 通过波浪引起竖井或沉 箱中的水柱上下运动来 发电。水柱的上下振荡可以使到竖井中水面上的空气来

27、回进出，从而推动涡轮旋转而发电。这类系统也称气动系统 。 第56页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五波浪中吸取能量的方法(b)收窄水道式波浪发电系统（ TAPCHAN ）包含一个不断变窄的水道以将波浪聚集到比海平面高数米的储水湖中。波浪进入缩减水道後越是接近储水湖，波浪高度也就越高。最终一些水会越过水道的围墙而进入储水湖。通过这个过程，波浪的动能转化为储水湖中的水位能。最後储水湖中的水会被送到水轮机进行发电。 第57页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五波浪中吸取能量的方法(c) 浮式波浪发电设备利用其浮水部分的谐波运动发电。浮水部分的起伏可以直接发电，也可以

28、驱动安装於海床的活塞或者软管泵，以推动涡轮机从而发电。 第58页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五波浪中吸取能量的方法(d) Pelamis波浪发电装置 一种部分浸入海水而状似海蛇的设备。该设备由活动铰连接在一起的钢管组成，每一个活动铰都装有一个液压泵。波浪导致活动铰的运动，牵引水力锤不断把高压油泵向液压马达，然後马达再牵引发电机进 行发电。该装置由缆绳系泊， 系泊系统由许多 浮物和重物组成，以避免缆绳绷紧。 第59页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五波浪能转换装置 第60页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五国外波浪能利用20世纪60年代，

29、日本研制成功用于航标灯浮体上的气动式波力发电装置。70年代以来，英国、日本、挪威等国为波力发电研究投入大量人力物力，成绩也最显著。 80年代，日本“海明”波浪发电试验船实现了海上浮体波浪电站向陆地小规模送电。1985年，英国在苏格兰的艾莱岛建造了一座75千瓦的振荡水柱波力电站。 1995年8月，英国建造了第一座商业性波浪能发电站近年來, 挪威、日本和前苏联都建立了波浪发电站。第61页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五挪威波力电站挪威Kvaerner公司于1984年在陴尔根市附近的Toftestallen岛上建成了一座装机容量为500千瓦的带“前港”的空腔多振荡水柱式（MOWC

30、）波力电站，1985年开始运行。不幸的是在1988年12月的一次百年一遇强台风袭击下，钢结构的气室顶部被打断，透平发电机组掉入海中。利用上述同样的原理，挪威Norwave公司于1986年在MOWC电站附近建造了一座装机容量350千瓦的收敛槽聚波水库电站（Tapered Channel）。它用集波装置将10千米范围内的波浪聚集到一个宽500米左右的窄口，这时波高已可达20米，由此进入一个大型的漏斗槽，被压到100米高的水库中，利用这个水位差来发电。第62页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五世界上第一个与电网相连的波浪发电站（苏格兰ISLAY岛，1985）第63页，共70页，2022年，5月20日，2点0分，星期五海蛇(Pelamis)海浪发电设备 葡萄牙制造了世界上第一个商用波浪能发电站。这个由Pelamis Wave Power开发的波浪能发电站在第一阶段包括三个长140米，直径2.5米，浮在海面上的多节结构波浪能转换器。由当海水压入转换器的同时推动每节上下运动，装置里面的水压泵就利用对上下运动所产生的