南海浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置運(yùn)動(dòng)性能預(yù)報(bào)分析

韓旭亮，謝 彬，朱小松，趙晶瑞(中海油研究總院 技術(shù)研發(fā)中心，北京 100028)

南海浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置運(yùn)動(dòng)性能預(yù)報(bào)分析

韓旭亮，謝 彬，朱小松，趙晶瑞
(中海油研究總院 技術(shù)研發(fā)中心，北京 100028)

基于三維勢(shì)流理論和懸鏈線理論，系統(tǒng)地對(duì)南海百年一遇海況時(shí)不同載液率下浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行研究，并與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析。研究結(jié)果表明，南海浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置運(yùn)動(dòng)性能的數(shù)值預(yù)報(bào)和試驗(yàn)結(jié)果具有較好一致性。不同載液率裝載工況對(duì)浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置橫搖運(yùn)動(dòng)性能的影響較大，而系泊纜索張力幾乎不受艙內(nèi)液體晃蕩影響。該研究結(jié)果可為浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

深水；浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置；運(yùn)動(dòng)性能；分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)南?？刹墒唾Y源量為13.7×108t，可采天然氣資源量為66.2×1011m3，天然氣資源占整個(gè)南海油氣資源的83%，且70%的天然氣資源來(lái)自深水。荔灣3-1深水氣田的成功投產(chǎn)、“海洋石油981”在南海西部海域的成功鉆探以及陵水17-2區(qū)域1 000×108m3儲(chǔ)量深水氣田的重大發(fā)現(xiàn)，拉開(kāi)了我國(guó)深水油氣田勘探開(kāi)發(fā)的大幕。對(duì)于中國(guó)南海中南部深遠(yuǎn)海氣田，由于離岸距離遠(yuǎn)、周邊無(wú)依托設(shè)施，如果采用管線輸送的常規(guī)開(kāi)發(fā)模式，勢(shì)必會(huì)造成管線投資和安裝費(fèi)用大，同時(shí)還面臨流動(dòng)安全、下游對(duì)天然氣的需求等技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的制約和限制，使得采用常規(guī)管道輸送天然氣的方式不可行。因此，中國(guó)南海深水氣田開(kāi)發(fā)迫切需要研發(fā)海上浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置的新開(kāi)發(fā)模式和浮式裝置。

本文以單點(diǎn)系泊浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置為研究對(duì)象，基于三維勢(shì)流理論和懸鏈線理論，對(duì)南海浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行了系統(tǒng)全面地預(yù)報(bào)分析，將數(shù)值預(yù)報(bào)和模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證，預(yù)報(bào)分析了南海百年一遇生存海況時(shí)不同載液率裝載工況下浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置的運(yùn)動(dòng)性能。

1 研究概況

浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置是近年海洋工程界提出的，集海上天然氣/石油氣的液化、儲(chǔ)存和裝卸為一體的新型裝置，具有建設(shè)周期短、開(kāi)發(fā)設(shè)施少、開(kāi)采靈活、可獨(dú)立開(kāi)發(fā)、可重復(fù)利用等特點(diǎn)，可適用于小型、中型和大型氣田開(kāi)發(fā)，并適用于淺水和深水氣田開(kāi)發(fā)[1]。隨著相關(guān)技術(shù)逐步成熟，浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置已經(jīng)從概念設(shè)計(jì)走向工程實(shí)施，數(shù)量穩(wěn)步增長(zhǎng)，應(yīng)用前景十分廣闊。浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置項(xiàng)目對(duì)我國(guó)南海油氣資源開(kāi)發(fā)利用意義重大，也可對(duì)維護(hù)中國(guó)南海海洋權(quán)益，實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國(guó)、“一帶一路”等戰(zhàn)略部署提供有力技術(shù)保障。

南海海域風(fēng)、浪和流等形成較惡劣海洋環(huán)境，浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置在氣田開(kāi)發(fā)作業(yè)時(shí)需長(zhǎng)期系泊定位外海，面臨復(fù)雜惡劣海況作用，且連續(xù)生產(chǎn)作業(yè)時(shí)艙內(nèi)液位會(huì)經(jīng)歷多種裝載情況，無(wú)法始終維持安全范圍。因此，浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置比LNG運(yùn)輸船更易受艙內(nèi)液體晃蕩影響。浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)，激勵(lì)艙內(nèi)液體產(chǎn)生晃蕩，同時(shí)艙內(nèi)液體晃蕩會(huì)改變浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置的運(yùn)動(dòng)性能，兩者相互作用，特別是固有周期接近時(shí)，可能引起共振，劇烈的晃蕩載荷會(huì)對(duì)圍護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊，可能造成艙內(nèi)結(jié)構(gòu)破壞或油氣泄漏。另外，浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置上部甲板布置的液化工藝設(shè)備的正常運(yùn)行也對(duì)其運(yùn)動(dòng)性能提出了較高要求?？梢?jiàn)，浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置的運(yùn)動(dòng)性能無(wú)論是在其設(shè)計(jì)階段，還是生產(chǎn)階段都是需要考慮的重要問(wèn)題。由于艙內(nèi)液體晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，至今對(duì)它的晃蕩特性、耦合運(yùn)動(dòng)機(jī)理主要是從模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方面進(jìn)行研究。借助試驗(yàn)研究可以真實(shí)復(fù)原艙內(nèi)液體晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)的水動(dòng)力現(xiàn)象，對(duì)單自由度[2]和多自由度聯(lián)合[3-4]激勵(lì)問(wèn)題的晃蕩非線性特性和耦合運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行研究。試驗(yàn)研究?jī)H局限于模型試驗(yàn)，未見(jiàn)不受尺度效應(yīng)影響的全尺度實(shí)船試驗(yàn)研究。艙內(nèi)液體晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬方法主要有頻域方法、時(shí)域方法、CFD有網(wǎng)格方法和CFD無(wú)網(wǎng)格方法?？梢钥闯?，艙內(nèi)液體晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)研究方法從穩(wěn)態(tài)[5]到瞬態(tài)[6]發(fā)展，尚處于從線性[7]到非線性[8]的發(fā)展階段，還不能完全模擬該現(xiàn)象，計(jì)算效率較低。還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)艙內(nèi)液體未發(fā)生翻轉(zhuǎn)或者破碎等強(qiáng)非線性情況時(shí)，邊界元方法[9]相比CFD方法[10-11]，計(jì)算效率較高，具有工程使用價(jià)值，而內(nèi)、外流場(chǎng)都用CFD方法的很罕見(jiàn)，計(jì)算代價(jià)較高[12]。

2 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)簡(jiǎn)介

2.1 研究對(duì)象基本參數(shù)

本文選取作業(yè)在中國(guó)南海1 500 m水深某大型氣田的單點(diǎn)系泊浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置為研究對(duì)象，如圖1所示。目標(biāo)浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置的主尺度為總長(zhǎng)340 m，型寬61 m，型深37 m，船體內(nèi)關(guān)于船中剖面雙排對(duì)稱(chēng)布置LNG艙，每排5個(gè)艙室。液艙的主尺度為長(zhǎng)37.0 m，寬26.4 m，高30.9 m。圖2給出了GTT薄膜型液艙橫剖面形狀。表1給出了浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置及液艙基本參數(shù)。表2給出了不同載液率裝載工況下浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置的基本參數(shù)。

圖1 浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置總體布置示意

圖2 GTT薄膜型液艙橫剖面

表1 浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置及液艙基本參數(shù)

2.2 南海海況環(huán)境條件

表3給出了中國(guó)南海百年一遇生存海況的海洋

環(huán)境參數(shù)。本文采用JONSWAP譜模擬實(shí)際不規(guī)則波浪，波浪譜峰因子取2.4，風(fēng)為定常風(fēng)，流為表層流。

表2 不同載液率裝載工況下浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置基本參數(shù)

表3 南海海況環(huán)境參數(shù)

2.3 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

目標(biāo)浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊系統(tǒng)實(shí)施定位，每根系泊纜索均為錨鏈-鋼纜-錨鏈3段組成。表4給出了系泊纜索基本設(shè)計(jì)參數(shù)。系泊系統(tǒng)水平布置方案為采用18根系泊纜索，分為3組，每組6根，每根長(zhǎng)度為3 600 m，每組間夾角為120°，每組相鄰兩根之間的夾角為5°，系泊纜索的水平距離為3 150 m，預(yù)張力為5 000 kN，如圖3所示。

表4 系泊纜索基本設(shè)計(jì)參數(shù)

2.4 模型試驗(yàn)設(shè)備

模型試驗(yàn)主要研究?jī)?nèi)容有液體和固體裝載時(shí)浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置的白噪聲試驗(yàn)、南海百年一遇海況下浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置的不規(guī)則波試驗(yàn)。試驗(yàn)中將水代替液化天然氣裝載在液艙內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。圖4給出了模型試驗(yàn)中的浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置、液艙模型、系泊錨鏈和系泊轉(zhuǎn)塔等試驗(yàn)設(shè)備。

圖3 系泊系統(tǒng)布置示意

a 浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置模型

b 液艙模型

c 系泊錨鏈

d 系泊轉(zhuǎn)塔

3 算例結(jié)果及討論

3.1 計(jì)算網(wǎng)格模型建立

本節(jié)建立了南海浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置運(yùn)動(dòng)性能預(yù)報(bào)分析的計(jì)算網(wǎng)格模型。圖5給出了不同載液率時(shí)浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置船體含內(nèi)部液艙的計(jì)算網(wǎng)格模型。圖6給出了單點(diǎn)系泊浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置耦合運(yùn)動(dòng)的計(jì)算模型。

a 25%載液率

b 50%載液率

c 75%載液率

圖6 單點(diǎn)系泊浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置的耦合運(yùn)動(dòng)計(jì)算模型

3.2 數(shù)值預(yù)報(bào)分析

本節(jié)數(shù)值預(yù)報(bào)了中國(guó)南海百年一遇生存海況條件下，單點(diǎn)系泊浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置分別在固體和液體不同載液率裝載工況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性和系泊纜索張力響應(yīng)特性，并將數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果和模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證。

由文獻(xiàn)[4]研究?jī)?nèi)容可知，艙內(nèi)液體晃蕩對(duì)載液船體的橫搖運(yùn)動(dòng)影響最顯著，而對(duì)縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)影響較小。這里重點(diǎn)對(duì)不同裝載工況下的單點(diǎn)系泊浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置的橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性進(jìn)行比較分析。表5給出了南海百年一遇生存海況下不同風(fēng)浪流組合時(shí)，固體和液體不同壓載下浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性。從表5中可以看出，模型試驗(yàn)和數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果兩者的一致性較好。工況A和工況B中艙內(nèi)液體晃蕩對(duì)浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置橫搖運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生明顯有利的影響，起到了減弱其橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的作用。還可以看出，浪向角的增加使得工況B比工況A中固體和液體壓載浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置橫搖響應(yīng)增加比例的差別更大，說(shuō)明斜浪海況下的浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置橫搖響應(yīng)都會(huì)相對(duì)迎浪海況產(chǎn)生不利影響，可以通過(guò)單點(diǎn)系泊的風(fēng)標(biāo)特性來(lái)改善系統(tǒng)的受力狀況。

表5 百年一遇，不同風(fēng)浪流組合，LC3(75%裝載)浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng) (°)

表6給出了南海百年一遇生存海況下風(fēng)浪流組合B時(shí)，固體和液體不同載液率裝載工況下浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置的橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性。從表6中可以看出，南海百年一遇生存海況下，LC1(25%載液率)、LC2(50%載液率)和LC3(75%載液率)時(shí)，艙內(nèi)液體晃蕩均在一定程度上減小了浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置的橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，且高載液率比低載液率能更明顯減弱其橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。艙內(nèi)液體晃蕩對(duì)浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置的橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性起到了較好的減搖效果。

表7給出了南海百年一遇生存海況下風(fēng)浪流組合為B時(shí)，75%裝載浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的最大受力系泊纜索頂端張力響應(yīng)。從表7中可以看出，浮式液化天氣生產(chǎn)裝置的系泊纜索張力幾乎不受艙內(nèi)液體晃蕩影響，且系泊纜索滿(mǎn)足安全系數(shù)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

表6 百年一遇，風(fēng)浪流組合B，不同載液率，浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng) (°)

表7 百年一遇，風(fēng)浪流組合B，LC3(75%裝載)系泊纜索頂端張力響應(yīng) kN

4 結(jié)論

本文以單點(diǎn)系泊浮式液化天氣生產(chǎn)裝置為研究對(duì)象，基于三維勢(shì)流理論和懸鏈線理論，系統(tǒng)地預(yù)報(bào)分析了不同載液率裝載工況下浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置在南海百年一遇海況環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)性能，研究結(jié)果表明：

1) 浮式液化天氣生產(chǎn)裝置運(yùn)動(dòng)性能的數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果和模型試驗(yàn)結(jié)果具有較好一致性。

2) 南海百年一遇海況下，高載液率比低載液率能更明顯減輕浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置橫搖運(yùn)動(dòng)，艙內(nèi)液體晃蕩起到了較好減搖效果。

3) 浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置的系泊纜索張力幾乎不受艙內(nèi)液體晃蕩影響。

[1] 杜慶貴，謝彬，謝文會(huì)，等.FLNG發(fā)展及應(yīng)用初探[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2016，45(8)：1-7.

[2] Rognebakke O F，F(xiàn)altinsen O M.Coupling of sloshing and ship motions[J].Journal of Ship Research，2003，47(3)：208-221.

[3] Nam B W，Kim Y，Kim D W，et al.Experimental and numerical studies on ship motion responses coupled with sloshing in waves[J].Journal of Ship Research，2009，53(2)：68-82.

[4] Zhao W H，Yang J M，Hu Z Q，et al.Experimental investigation of effects of inner-tank sloshing on hydrodynamics of an FLNG system[J].Journal of Hydrodynamics，Ser.B，2012，24(1)：107-115.

[5] Newman J.Effects on vessels with internal tanks[C]// Proceedings of the 20th Interactional Workshop on Water Waves and Floating Bodies，Spitsbergen，Norway，2005.

[6] 駱陽(yáng)，朱仁慶，劉永濤.FPSO與運(yùn)輸船旁靠時(shí)液艙晃蕩與船舶運(yùn)動(dòng)耦合效應(yīng)分析[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，29(4)：307-316.

[7] Gou Y，Kim Y，Kim T Y.A numerical study on coupling between ship motions and sloshing in frequency and time domain[C]// Proceedings of the 21th International Offshore and Polar Engineering Conference，Maui，Hawaii，USA，2011，158-164.

[8] Kim Y，Nam B W，Kim D W，et al.Study on coupling effects of ship motion and sloshing[J].Ocean Engineering，2007，34：2176-2187.

[9] Zhao W H，Yang J M，Hu Z Q，et al.Hydrodynamics of a 2D vessel including internal sloshing flows[J].Ocean Engineering，2014，84：45-53.

[10] 李裕龍，朱仁傳，繆國(guó)平，等.基于OpenFOAM的船舶與液艙流體晃蕩在波浪中時(shí)域耦合運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬[J].船舶力學(xué)，2012，16(7)：750-758.

[11] 操戈，李旭，張?jiān)侜t，等.FPSO液艙晃蕩與船舶時(shí)域耦合運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬[J].中國(guó)艦船研究，2015，10(1)：88-96.

[12] Milovan P，Tobias Zorn.Simulation of sloshing loads on moving tanks[C]// Proceedings of the 24th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering，Halkidiki，Greece，2005.

下期部分目次預(yù)告

高巧娟等 淺析過(guò)盈配合量對(duì)阻尼閥性能的影響

裘智超等 鎳鎢合金鍍層在高含CO2、低含H2S環(huán)境下的腐蝕行為

余朋偉等 水下井口節(jié)流閥優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李 芳等 抽油機(jī)非圓齒輪換向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

杜丹陽(yáng)等 Y管柱潛油電泵機(jī)組引接電纜保護(hù)器改進(jìn)

李天賜等 海上油井不停泵除砂清砂工藝及射流泵優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 奔等 電爆炸增產(chǎn)工具爆炸腔支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱元坤等 基于ANSYS的油管掛結(jié)構(gòu)可靠性分析

劉華偉等 海上油田隔離密封性能優(yōu)化研究及應(yīng)用

匡韶華 油井防砂篩管適應(yīng)性試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法研究

袁 征等 基于模糊數(shù)學(xué)的海上修井機(jī)井控裝備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

郭福東等 抽油機(jī)變速驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

Prediction and Analysis of the Motion Performance of FLNG System in the South China Sea

HAN Xuliang，XIE Bin，ZHU Xiaosong，ZHAO Jingrui
(TechnologyResearchCenter，ChinaNationalOffshoreOilCorporationResearchInstitute，Beijing100028，China)

Based on the three-dimensional potential flow theory and the catenary theory，the motion performance of FLNG system are investigated with different loading rate of liquid conditions under sea states of the hundred years in the South China Sea.Then the numerical prediction results are presented and compared with the model test results.Satisfactory agreement is achieved.The results show that the different loading rate of liquid has great impact on the roll motion of FLNG system.The sloshing effect has almost no effect on the tension of the mooring line.The results of this study can provide theoretical basis and technical support for the design of FLNG system.

deepwater；FLNG system；motion performance；analysis

2016-11-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51609267)；深水油氣田開(kāi)發(fā)工程技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目(2016-KJZC-013)

韓旭亮(1985-)，男，山西晉中人，工程師，博士，主要從事海洋工程關(guān)鍵技術(shù)的研究，E-mail：hanxl9@cnooc.com.cn。

1001-3482(2017)03-0012-06

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.03.003