全球海洋新兴经济和技术发展全景扫描

春风里 · 发表于海洋技术发展 2022-11-21 15:24:43

进入21 世纪，以高新技术引领带动为主要特征的海洋战略性新兴产业发展迅速，已经成为海洋经济向质量效益型转变，实现高质量发展的关键一环和重要引擎。目前世界海洋国家都非常重视海洋开发，尤其是欧美发达国家，为了最大限度地开发、利用海洋，各国都制定了海洋发展战略，深海和南北两极已成为开发新热点。

1、海洋资源勘查与开发

海底矿产资源开发已上升为世界海洋强国的国家战略。国际海底资源勘查与开发技术总体上正朝着多样化、精确化、高效率、宽范围、大深度的目标发展，已初步形成深海固体矿产资源的开发能力，同时需要考虑采矿的环境效应。2014年，欧盟启动了大型深海采矿项目(Blue Mining)，旨在瞄准6000米水深的多金属结核和硫化物资源的三维勘探和开发；2017年，日本完成1600米水深多金属硫化物的采集和提升海试；2017年，荷兰、比利时等国家多次成功进行深海采矿装备海试与环境评估，相应深海矿产资源开发技术装备逐渐完善。国外通过大量的海上试验，建立了较为完善的深海矿产资源开发技术方案，掌握了关键技术研发和核心装备研制能力。我国深海采矿技术研发起步较晚，直到 2014年底才由北车船舶与海洋工程发展有限公司推出了采选一体矿船；2017年,福建马尾造船股份有限公司为加拿大鹦鹉螺矿业公司建造的国内第一艘深海采矿船开工建造；2021年，我国首座大洋勘探船正式开工建造；同时相关采矿重载作业装备、矿石输送装备、水面支持装备等关键设备也陆续研制成功并进行海试，为商业化应用奠定了坚实基础。深海采矿技术主要包括：海底矿石开采装备安全行走和高效采集、长距离泵管输送流动保障、水下动力输送、全系统协同控制、水下综合导航定位、重载装备海上布放回收等技术。由于深海环境条件恶劣，开采难度极大，且需要深入评估海底矿产资源开发对环境的影响。因此，目前深海矿产资源在世界范围内尚未形成商业化开采。

2、深远海养殖和休闲

人类对高品质海产品的需求刺激了海上渔业养殖设施技术的进步。世界渔业发达国家在深远海养殖设施研发应用方面进行了很多有益探索。挪威作为世界上海洋产业最完备的国家之一，其深远海养殖产业一直走在全球前列，其中代表性的深远海养殖设施是半潜式大型网箱“OCEAN FARM 1”与大型养殖工船“JOSTEIN ALBERT”。其中，“OCEAN FARM 1”是世界首座超大型漂浮式深海钢结构网箱，网箱主体为圆形，直径和高度分别为110米和69米，系泊系统采用8根缆索锚泊固定，可抗12级台风。经过近20年的发展，国内网箱技术已经呈现出百花齐放、百家争鸣之势，从坐底式、自升式到半潜式和漂浮式，已经建成近30座深远海养殖设施分布在黄海、东海及南海等远离岸线的海域。目前我国在深远海养殖网箱领域的研究与开发能力处于世界领先地位。深远海养殖设施技术主要需解决大型柔性网衣载荷及水动力预报、网箱钢结构安全评估、系泊系统优化及疲劳特性研究、养殖装备的智能和控制等，而且随着养殖设施的深水化、大型化、智能化以及环保化等发展要求，对于大型柔性网衣与钢制桁架结构的耦合分析、网箱结构的水弹性、配套装备技术及新材料应用等方面有待于深入研究。

图1 国外深海采矿船“MAC Goliath”号

图2 国外“OCEAN FARM 1”深远海养殖设施

图3 国外“Jostein Albert”养殖设施

图4 国内“长鲸1号”养殖设施

近些年来，海上旅游产业发展迅猛，带动了大型海上旅游、休闲综合体技术的发展。国外的海上旅游平台目前处于探索与设计阶段，形式较为多样化，从海洋石油平台的改建到功能多样的海上漂浮城市，如俄罗斯建筑事务所雷米工作室设计了拱形海上漂浮酒店，其浮体结构型式为水上部分呈拱形、水下部分呈船型的壳状结构，如图6所示。法国研究人员设计的“Lilypad”号海上综合体，采用圆形类花状的设计形式，由不同浮体模块连接组成，依托中央区域进行拆分以及自由组合，直径可达 1000米，设计容纳 5万人的正常生活，如图7所示。我国针对海上旅游平台的探索和研究工作逐渐起步。2017年，“海上牧歌”旅游平台成功投入运营，该平台包含住宿区、餐饮区和休闲区3个功能区域；2020年，海洋牧场综合体平台“耕海1号”在烟台运营，在海上渔业养殖的基础上，具备了垂钓、餐饮、休闲等旅游功能；国内很多沿海城市都将大型海上旅游综合体列入建设规划。目前国内外实际建造和投入使用的旅游平台的主尺度基本在百米以内，且功能相对单一，大型浮式旅游综合体的研究工作还处于概念设计阶段。对于海上旅游综合体设施，主要解决人员逃救生、新颖结构的安全设计、大型浮体水动力及运动响应、浮体稳性、锚固系统强度与疲劳研究等关键技术，尤其是与养殖、海洋能发电、海底观光等功能的进一步融合，为该类大型综合体设计、建造和运维带来更大挑战。

图5 国内“澎湖号”波浪能发电−养殖−旅游平台

图6 国外“ARK”浮式旅游平台(概念图)

图7 国外“Lilypad”海上浮式综合体(概念图)

图8 国内“海上综合体”(概念图)

3、海洋能高效综合利用

海洋可再生能源主要包括风能、潮汐能、潮流能、波浪能、温差能、盐差能以及光能，开发潜力巨大，也是未来新能源开发的主要方向之一。目前海上风电、潮汐能已经实现商业化运行阶段，潮流能、波浪能、深远海风电已开始尝试规模化应用，温差能、盐差能等正从实验室走向海洋测试。总体来说，海洋能利用工程仍需解决高效率、高可靠性、高稳定性、易维护和低成本等技术问题。欧洲海上风电技术发展很快，截至2021年，欧洲海上风电累计装机容量超过28GW，满足了欧盟和英国2.8%的全部电力需求。目前已经开始研制15MW以上的海上风机机型，并开始尝试商业化海上浮式风电项目，预计近2年投产应用的浮式风电项目达10多个。尽管我国海上风电起步较晚，但发展迅猛，2021年国内海上装机总容量达到26.4GW，已经跃居世界第一位。在全球绿色浪潮与“双碳”目标的双重驱动下，通过不断科技创新、技术引领，我国海上风电已经形成了完整的具有领先水平和全球竞争力的风电产业链与供应链。2021年，亚洲最大的江苏如东海上风电柔性直流换流站建成投运，中国首台漂浮式海上风电试验样机“三峡引领号”建成并网发电，后续还有重庆海装“扶摇号”、中海油首个“双百”深远海浮式风机相继开工建造和安装，预计近几年国内还有多个浮式风电项目陆续上马。浮式风电起源于欧洲，借鉴传统油气海洋工程技术，其基础类型包括4种，如图11所示。浮式风电装备除考虑传统浮体设计外，需要攻克刚-柔多体耦合分析、结构时域疲劳分析、稳性计算、一体化设计、气动特性研究、锚固强度和疲劳优化、模型试验等关键技术，而且如何尽可能地降低建造运行成本，也是困扰浮式风机发展的重要原因。除了利用浮式风机进行传统的并网输电之外，利用浮式风机为油气平台、附近设施供电，与深远海养殖业融合发展，与海上制氢结合，这些都为浮式风电发展提供了更多的应用场景。

图9 葡萄牙“WindFloat”浮式风机

图10 法国“DampingPool”浮式风机

图11 浮式风机基础类型

图12 浮式风电与制氢融合(概念图)

海上光伏发电具有发电量高、土地占用少、易与其他产业相结合等特点，已经成为海上清洁能源利用的研究热点。国外发达国家很早就开始水上光伏技术的研发工作，如日本、英国、挪威和美国等国家，相继进行了工程示范应用，但主要集中于湖泊、水库和岸边。近几年欧洲开始致力于近海的漂浮式光伏技术开发研究，如比利时海工巨头DEME牵头在北海开发全球首个海上浮式光伏发电项目，并在未来着眼于和海上发电及海洋牧场产业相结合。我国水上光伏起步较晚但发展很快，目前海上光伏建设虽然刚刚起步，尚处于试验示范的“科研+工程”阶段，但已经成为全球最大的水上漂浮光伏建设国家。海上漂浮式光伏开发的技术难点有系泊设计、抗浪能力、抗风能力及柔性光伏组件的波浪抨击等，同样漂浮式光伏仍面临能否规模化、市场化（平价上网）以及适应海洋环境条件等困难，但可以预计的是，国内很快就能看到近海漂浮式光伏的示范和应用。

图13 国内“三峡引领号”浮式风机

图14 海上光伏(概念图)

4、海洋空间资源开发

海洋空间资源是指与海洋开发利用有关的海上、海中和海底的地理区域的总称。海洋空间资源开发也是目前世界各国争夺的焦点，因此带动了相关开发装备技术的发展。海洋空间资源开发装备包括深海空间站、深潜器、大型浮式结构物及极地装备等。目前，世界上对深海空间站的公开宣传不多，但世界上海洋强国和军事强国都高度重视这类深海作业装备技术的研究，早在20世纪60年代，美国就提出水下工作站的概念，并成功研制NR-1水下空间站，主要用于海洋工程和科学研究；20世纪90年代，俄罗斯及挪威等国家也开始进行水下工作站的研究和制造；日本于2014年提出了“海底城市”的概念，计划2030年建成移动的海底城市。20世纪90年代初，我国开始在深海空间站领域开展相关论证和关键技术研究，并提出了“三步走”的深海空间站建设计划。期间通过独立设计、自主集成建设的“蛟龙号”“深海勇士”号、“奋斗者”等载人潜水器，积累了大量深海应用技术，为深海空间站的建设做了充裕的高精尖技术储备，“龙宫一号”深海空间站的研制成功，标志着我国深海空间站建设迈上了一个新的台阶。深海空间站研制是一个高度复杂的系统工程，涉及结构力学、水动力学和材料科学等多个学科领域，需要将不同学科领域的技术有效地融合，需要解决海底高压强、水下对接、能源供给以及人员安全保障等科学难题，还需进一步深入研究。

超大型浮式结构物(VLFS)对海洋空间开发利用性较好，可用于旅游观光、海上维权、海洋油气开发、渔业养殖或用作海上机场，已经引起了各国高度关注。日本很早就开始了VLFS研究，在超浮计划中将多个浮体连接，并建造了海上机场，进行了飞机起降试验；美国称之为移动式外海基地(MOB)，对MOB的结构型式、如何实施海上快速拼装、如何系泊船只等进行了大量研究。在上世纪90年代，我国相关研究院所也开展了大型浮式结构物相关机理、设计技术及应用技术的研究。2012年起，国内相关单位致力于大型浮式结构物关键技术研究，取得了卓有成效的应用技术成果，将为下一步该技术的工程化应用奠定理论和技术基础。超大型浮式结构物关键技术涉及极端波浪环境下的水弹性响应、非线性耦合运动、模块间连接方式以及连接器疲劳强度等科学难题，近些年由于仿真设计和试验手段的突飞猛进，超大型浮式结构物在我国海域出现将指日可待。

图15 深海空间站(概念图)

图16 日本研制的超大型浮式结构物

近年来，随着科技不断进步、全球气候变暖以及海冰加速融化，极地开发逐步成为世界强国关注的焦点。目前，许多国家和石油公司将北极油气资源的开发提上日程，着手开展相关装备的研发工作。俄罗斯是北极油气资源开发的主要推动者，建成了目前唯一的极地海上Prirazlomnoye油田。2015年，瑞士越洋钻探公司建造的“Polar Pioneer”极地钻井平台投入作业；德尼西布美信达公司(Technip FMC)将自升式平台和混凝土技术结合，开发了新概念北极抗冰平台，可实现极地全年钻井作业；荷兰古斯特(GustoMSC)公司也推出了适应北极严苛气候条件的Nanuq Q5000钻井船设计。然而，多数极地油气平台都处于研发设计阶段，距离实际投产应用仍有一定差距。我国参与北极油气开发规模和极地海洋工程装备能力与美国、俄罗斯等极区国家相比仍有不小的差距。2016年，我国“海洋石油720”物探船完成了北极圈海域两个区域的三维地震物探工作；我国深度参与了首个极地能源重大项目Yamal LNG项目，承担了项目大部分模块的建造工作；中集来福士海洋工程有限公司为挪威建造的极地半潜式钻井平台“维京龙”号，是我国建造的首座适合北极海域作业的深水半潜式钻井平台。极地开发装备的发展依赖于若干关键技术的突破与进步，包括耐低温新材料应用、极地海冰环境预报与管理、极地装备结构设计、钻井系统与工艺、环保与紧急救援体系、极地冰-结构物相互作用实验室模拟技术等。预计到2035年，各国极地油气资源开发装备将在北极地区初步运行；到2050年，将迎来北极地区油气资源的大规模商业开发利用。

图17 “Polar Pioneer”极地钻井平台

图18 我国建造的“维京龙”号极地钻井平台

5、海洋环境立体综合观测

“经略海洋”集中体现在对海洋环境的感知、认知及预测能力、海洋资源的开发能力、海洋权益的维护能力、海洋生态环境的保护能力上，而感知海洋是后几种能力建设的基础。只有拥有能够广泛进入深海环境、全面感知海洋信息的各类海洋观测装备和技术，才能更好地实现对海洋的认知。世界各沿海国家都在积极发展从空间、陆地、水面、水下对海洋环境进行立体观测的高新海洋技术，美国的综合海洋观测系统(IOOS)、欧洲的海洋观测与预报服务系统(MyOcean)、全球海洋实时观测计划(GOOS)，以及全球综合地球观测系统(GEOSS)等的实施，为全球和区域尺度的长期观测、监测与信息网络的建设提供了可能。我国从上世纪80年代中期开始进行海洋环境观测系统的研究工作，目前已初步具备能力建设从观测、数据传输、分析预报、信息分发等环节组成的海洋环境观测信息化系统，如国家海洋局建成的海洋立体监测系统、正在建设的国家海底科学观测网，这些基础性工作为提升我国全球海洋尤其是“两洋一海”(西太平洋-南海-印度洋)和极区海洋环境信息获取能力奠定了基础。应加强海洋综合信息高精度探测传感技术、深远海平台载体技术、实时立体观测与海洋预警预报技术及海陆空立体层次观测数据融合处理技术等关键科学问题研究，建立自主研发核心装备能力，形成以“信息化、服务化、智能化”为主要特征的智慧海洋经略能力。

图19 海洋立体观测网（概念图）

图20 国内拟建海底数据中心(概念图)

6、海洋开发装备数字化、智能化

近年来，随着信息、材料、能源等领域先进技术的飞速发展，结合传感器技术、通讯技术、“互联网+”技术等的数字化、智能化理念深刻影响着未来海洋领域的结构转型及产业发展。数字孪生技术正是助推海工装备智能化发展的有效驱动器。自2015年起，世界多国已在海洋工程设施与装备的数字孪生技术研发上开始发力。美国通用电气公司GE依托工业物联网Predix平台，与知名钻井承包商Nobel Corporation、马士基钻井公司Maersk Drilling以及相关船级社合作，进行数字钻井船和数字孪生体的试点合作；2018年，丹麦Ramboll公司借助数字孪生技术平台的研发，在海洋工程结构完整性数字化管理上推出了一系列应用产品；2019年，美国能源部资助漂浮式风机WindFloat设计者Principle Power and Principal Investigator(PPI)，将开发世界上第一套适用于漂浮式海上风电的数字孪生软件DIGIFLOAT。近年来，我国在海上设施数字化研究中取得了许多成果。比如，将三维激光扫描技术与三维地理信息系统应用到海洋钻井平台模型的搭建，实现了海上钻井平台的三维可视化和信息化管理；对于新建深水油气平台，运用光纤光栅传感技术优选平台的有效部位，采用高效的数据采集和处理系统，设计测点布置网络，分析监测应力、运动、振动等参数的变化，评价安全性并进行预警；研发出“海上在役平台实时安全健康监测与评估系统”，应用数字化监测系统监测平台实际状态，利用智能算法对大数据进行处理和平台预警，并在渤海导管架平台上实现应用示范。这些工作是对海工装备实现数字孪生的有益探索，为将来海洋资源开发装备的数字化、智能化发展奠定良好基础。目前海工装备的数字化、智能化技术仍处于探索和研究阶段，需要对智能监测技术、物联网数据采集和降噪技术、模型构建与仿真技术、检验验证技术、大数据智能分析与决策技术以及构建技术标准体系等进行深入研究，并能够率先完成在海上设施的示范应用。总体来说，对于海洋开发装备的数字化和智能化技术仍处于研发上升期，尚未达到成熟期，世界各国技术水平相差不大，因此我国应加大该领域的技术研发和应用，争取能够在该技术方向上早日实现行业领跑。

图21 GE提出的钻井平台数字挛生体(概念图)

图22 浮式风电数字孪生体(概念图)

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