南海浮式液化天然氣生產裝置運動性能預報分析

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

南海浮式液化天然氣生產裝置運動性能預報分析

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

基于三維勢流理論和懸鏈線理論，系統地對南海百年一遇海況時不同載液率下浮式液化天然氣生產裝置的運動性能進行研究，并與模型試驗結果進行驗證分析。研究結果表明，南海浮式液化天然氣生產裝置運動性能的數值預報和試驗結果具有較好一致性。不同載液率裝載工況對浮式液化天然氣生產裝置橫搖運動性能的影響較大，而系泊纜索張力幾乎不受艙內液體晃蕩影響。該研究結果可為浮式液化天然氣生產裝置的設計提供理論依據。

深水；浮式液化天然氣生產裝置；運動性能；分析

據統計，我國南海可采石油資源量為13.7×108t，可采天然氣資源量為66.2×1011m3，天然氣資源占整個南海油氣資源的83%，且70%的天然氣資源來自深水。荔灣3-1深水氣田的成功投產、“海洋石油981”在南海西部海域的成功鉆探以及陵水17-2區域1 000×108m3儲量深水氣田的重大發現，拉開了我國深水油氣田勘探開發的大幕。對于中國南海中南部深遠海氣田，由于離岸距離遠、周邊無依托設施，如果采用管線輸送的常規開發模式，勢必會造成管線投資和安裝費用大，同時還面臨流動安全、下游對天然氣的需求等技術和經濟的制約和限制，使得采用常規管道輸送天然氣的方式不可行。因此，中國南海深水氣田開發迫切需要研發海上浮式液化天然氣生產裝置的新開發模式和浮式裝置。

本文以單點系泊浮式液化天然氣生產裝置為研究對象，基于三維勢流理論和懸鏈線理論，對南海浮式液化天然氣生產裝置的運動性能進行了系統全面地預報分析，將數值預報和模型試驗結果進行比較驗證，預報分析了南海百年一遇生存海況時不同載液率裝載工況下浮式液化天然氣生產裝置的運動性能。

1 研究概況

浮式液化天然氣生產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、儲存和裝卸為一體的新型裝置，具有建設周期短、開發設施少、開采靈活、可獨立開發、可重復利用等特點，可適用于小型、中型和大型氣田開發，并適用于淺水和深水氣田開發[1]。隨著相關技術逐步成熟，浮式液化天然氣生產裝置已經從概念設計走向工程實施，數量穩步增長，應用前景十分廣闊。浮式液化天然氣生產裝置項目對我國南海油氣資源開發利用意義重大，也可對維護中國南海海洋權益，實現海洋強國、“一帶一路”等戰略部署提供有力技術保障。

南海海域風、浪和流等形成較惡劣海洋環境，浮式液化天然氣生產裝置在氣田開發作業時需長期系泊定位外海，面臨復雜惡劣海況作用，且連續生產作業時艙內液位會經歷多種裝載情況，無法始終維持安全范圍。因此，浮式液化天然氣生產裝置比LNG運輸船更易受艙內液體晃蕩影響。浮式液化天然氣生產裝置運動時，激勵艙內液體產生晃蕩，同時艙內液體晃蕩會改變浮式液化天然氣生產裝置的運動性能，兩者相互作用，特別是固有周期接近時，可能引起共振，劇烈的晃蕩載荷會對圍護系統產生強烈沖擊，可能造成艙內結構破壞或油氣泄漏。另外，浮式液化天然氣生產裝置上部甲板布置的液化工藝設備的正常運行也對其運動性能提出了較高要求。可見，浮式液化天然氣生產裝置的運動性能無論是在其設計階段，還是生產階段都是需要考慮的重要問題。由于艙內液體晃蕩和船體耦合運動的復雜性，至今對它的晃蕩特性、耦合運動機理主要是從模型試驗和數值模擬方面進行研究。借助試驗研究可以真實復原艙內液體晃蕩和船體耦合運動的水動力現象，對單自由度[2]和多自由度聯合[3-4]激勵問題的晃蕩非線性特性和耦合運動特性進行研究。試驗研究僅局限于模型試驗，未見不受尺度效應影響的全尺度實船試驗研究。艙內液體晃蕩和船體耦合運動的數值模擬方法主要有頻域方法、時域方法、CFD有網格方法和CFD無網格方法。可以看出，艙內液體晃蕩和船體耦合運動研究方法從穩態[5]到瞬態[6]發展，尚處于從線性[7]到非線性[8]的發展階段，還不能完全模擬該現象，計算效率較低。還可以發現，當艙內液體未發生翻轉或者破碎等強非線性情況時，邊界元方法[9]相比CFD方法[10-11]，計算效率較高，具有工程使用價值，而內、外流場都用CFD方法的很罕見，計算代價較高[12]。

2 設計基礎簡介

2.1 研究對象基本參數

本文選取作業在中國南海1 500 m水深某大型氣田的單點系泊浮式液化天然氣生產裝置為研究對象，如圖1所示。目標浮式液化天然氣生產裝置的主尺度為總長340 m，型寬61 m，型深37 m，船體內關于船中剖面雙排對稱布置LNG艙，每排5個艙室。液艙的主尺度為長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裝置及液艙基本參數。表2給出了不同載液率裝載工況下浮式液化天然氣生產裝置的基本參數。

圖1 浮式液化天然氣生產裝置總體布置示意

圖2 GTT薄膜型液艙橫剖面

表1 浮式液化天然氣生產裝置及液艙基本參數

2.2 南海海況環境條件

表3給出了中國南海百年一遇生存海況的海洋

環境參數。本文采用JONSWAP譜模擬實際不規則波浪，波浪譜峰因子取2.4，風為定常風，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裝置基本參數

表3 南海海況環境參數

2.3 系泊系統設計參數

目標浮式液化天然氣生產裝置采用內轉塔單點系泊系統實施定位，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計參數。系泊系統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，預張力為5 000 kN，如圖3所示。

表4 系泊纜索基本設計參數

2.4 模型試驗設備

模型試驗主要研究內容有液體和固體裝載時浮式液化天然氣生產裝置的白噪聲試驗、南海百年一遇海況下浮式液化天然氣生產裝置的不規則波試驗。試驗中將水代替液化天然氣裝載在液艙內進行試驗。圖4給出了模型試驗中的浮式液化天然氣生產裝置、液艙模型、系泊錨鏈和系泊轉塔等試驗設備。

圖3 系泊系統布置示意

a 浮式液化天然氣生產裝置模型

b 液艙模型

c 系泊錨鏈

d 系泊轉塔

3 算例結果及討論

3.1 計算網格模型建立

本節建立了南海浮式液化天然氣生產裝置運動性能預報分析的計算網格模型。圖5給出了不同載液率時浮式液化天然氣生產裝置船體含內部液艙的計算網格模型。圖6給出了單點系泊浮式液化天然氣生產裝置耦合運動的計算模型。

a 25%載液率

b 50%載液率

c 75%載液率

圖6 單點系泊浮式液化天然氣生產裝置的耦合運動計算模型

3.2 數值預報分析

本節數值預報了中國南海百年一遇生存海況條件下，單點系泊浮式液化天然氣生產裝置分別在固體和液體不同載液率裝載工況下的運動響應特性和系泊纜索張力響應特性，并將數值預報結果和模型試驗結果進行比較驗證。

由文獻[4]研究內容可知，艙內液體晃蕩對載液船體的橫搖運動影響最顯著，而對縱搖和垂蕩運動影響較小。這里重點對不同裝載工況下的單點系泊浮式液化天然氣生產裝置的橫搖運動響應特性進行比較分析。表5給出了南海百年一遇生存海況下不同風浪流組合時，固體和液體不同壓載下浮式液化天然氣生產裝置橫搖運動響應特性。從表5中可以看出，模型試驗和數值預報結果兩者的一致性較好。工況A和工況B中艙內液體晃蕩對浮式液化天然氣生產裝置橫搖運動產生明顯有利的影響，起到了減弱其橫搖運動響應的作用。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裝置橫搖響應增加比例的差別更大，說明斜浪海況下的浮式液化天然氣生產裝置橫搖響應都會相對迎浪海況產生不利影響，可以通過單點系泊的風標特性來改善系統的受力狀況。

表5 百年一遇，不同風浪流組合，LC3(75%裝載)浮式液化天然氣生產裝置橫搖運動響應 (°)

表6給出了南海百年一遇生存海況下風浪流組合B時，固體和液體不同載液率裝載工況下浮式液化天然氣生產裝置的橫搖運動響應特性。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，艙內液體晃蕩均在一定程度上減小了浮式液化天然氣生產裝置的橫搖運動響應，且高載液率比低載液率能更明顯減弱其橫搖運動響應。艙內液體晃蕩對浮式液化天然氣生產裝置的橫搖運動響應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浪流組合為B時，75%裝載浮式液化天然氣生產裝置的單點系泊系統的最大受力系泊纜索頂端張力響應。從表7中可以看出，浮式液化天氣生產裝置的系泊纜索張力幾乎不受艙內液體晃蕩影響，且系泊纜索滿足安全系數的設計標準。

表6 百年一遇，風浪流組合B，不同載液率，浮式液化天然氣生產裝置橫搖運動響應 (°)

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

4 結論

本文以單點系泊浮式液化天氣生產裝置為研究對象，基于三維勢流理論和懸鏈線理論，系統地預報分析了不同載液率裝載工況下浮式液化天然氣生產裝置在南海百年一遇海況環境下的運動性能，研究結果表明：

1) 浮式液化天氣生產裝置運動性能的數值預報結果和模型試驗結果具有較好一致性。

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裝置橫搖運動，艙內液體晃蕩起到了較好減搖效果。

3) 浮式液化天然氣生產裝置的系泊纜索張力幾乎不受艙內液體晃蕩影響。

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下期部分目次預告

高巧娟等 淺析過盈配合量對阻尼閥性能的影響

裘智超等 鎳鎢合金鍍層在高含CO2、低含H2S環境下的腐蝕行為

余朋偉等 水下井口節流閥優化設計及應用

李 芳等 抽油機非圓齒輪換向機構運動學仿真分析

杜丹陽等 Y管柱潛油電泵機組引接電纜保護器改進

李天賜等 海上油井不停泵除砂清砂工藝及射流泵優化設計

劉 奔等 電爆炸增產工具爆炸腔支架結構優化設計

朱元坤等 基于ANSYS的油管掛結構可靠性分析

劉華偉等 海上油田隔離密封性能優化研究及應用

匡韶華 油井防砂篩管適應性試驗評價方法研究

袁 征等 基于模糊數學的海上修井機井控裝備風險評估

郭福東等 抽油機變速驅動與控制技術現狀及發展趨勢

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

國家自然科學基金項目(51609267)；深水油氣田開發工程技術協同創新項目(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鍵技術的研究，E-mail：hanxl9@cnooc.com.cn。

1001-3482(2017)03-0012-06

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.03.003