fpso在卸油过程中的水动力分析researchesonhydrodynamicsofanfpsosystemintan
摘 要摘 要FPSO是综合性的大型海上石油生产基地,在石油被开采出来之后，它可以将油和气分离，然后储存原油产品。与张力腿等海洋平台相比较，FPSO在抗风浪能力方面稍胜一筹，而且FPSO可以适应不同的水深，可以进行移动来重复利用。因此，大多数深海或浅海海域的油田，都可以使用FPSO进行开发。一般情况下，在特定的海域作业的FPSO都是采用永久性的系泊方式,所以FPSO不能够像穿梭油轮等运输型船舶在遭遇恶劣海况时进行避航。由此体现出对FPSO与运输船舶两者组成的系统的水动力分析的必要性。本文进行的主要工作有针对FPSO和穿梭油轮的系泊和连接要求等进行调研分析，确定两船主尺度、主要参数，以此来初步设计FPSO和穿梭油轮的独立模型。确定系泊方式和连接方式，以及系泊缆绳、连接缆绳和护舷的主要参数。利用AQWA软件建立耦合模型。对FPSO和穿梭油轮的流体性能进行频域分析，包括RAO、附加质量、辐射阻尼和一阶波浪激励力。给定风、浪、流载荷参数，开展FPSO和穿梭油轮时域分析，分析系泊系统、连接系统和护舷的受力以及两船之间的相对位移。关键词FPSO与穿梭油轮；性能分析；频域和时域分析
目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 课题背景 1
1.2.1 国外发展 1
1.2.2 国内发展 2
1.3 论文研究的目的与意义 3
1.4 论文主要内容 4
第二章 理论分析 5
2.1 结构运动方程 5
2.2 多体运动方程 5
第三章 参数设计 7
3.1 FPSO和穿梭油轮的参数 7
3.2 系泊系统参数设计 7
3.3 连接系统参数设计 8
3.4 海洋环境参数 9
第四章 FPSO和穿梭油轮AQWA建模 10
4.1 FPSO和穿梭油轮的网格划分 10
4.2 FPSO和穿梭油轮AQWA建模视图 10
4.3对FPSO和穿梭油轮静止在水面时的基本计算 10
第五章 频域分析 14
5.1 不同入射角下FPSO的RAO(响应幅值算子)分析 14
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
5.2 FPSO和穿梭油轮附加质量分析 17
5.3 FPSO和穿梭油轮辐射阻尼分析 21
5.4 FPSO一阶波浪激励力分析 25
第六章 频域分析 31
6.1 系泊系统张力分析 31
6.2 连接系统张力分析 31
6.3 护舷受力分析 31
6.4 FPSO和穿梭油轮的相对位移分析 31
结 论 39
致 谢 41
参考文献 42
第一章 绪论
1.1 引言
由于对石油能源的需求量越来越大,深海油田的开采也开始提上日程。在过去被认为非常具有挑战性的举动,现在正变得越来越有吸引力。那些油田通常位于深水,与在岸设施或离岸管道隔绝,这为它们的开采加大了难度。为了克服这些困难,FPSO,一种新型海上单位被提议出来。FPSO是综合性的大型海上石油生产基地,在石油被开采出来之后，它可以将油和气分离，然后储存原油产品。与张力腿等海洋平台相比较，FPSO在抗风浪能力方面稍胜一筹，而且FPSO可以适应不同的水深，可以进行移动来重复利用。因此，大多数远离海岸的深海油田或浅海海域油田，都可以使用FPSO进行开发。一般情况下，在特定的海域作业的FPSO都是采用永久性的系泊方式,所以FPSO不能够像穿梭油轮等运输型船舶在遭遇恶劣海况时进行避航。由此体现出对FPSO与运输船舶两者组成的系统的水动力分析的必要性。
在FPSO与各种运输船舶构成的系统中，使用较为广泛的是FPSO和穿梭油轮。石油通过输油管从海底被输送至FPSO，进行分离处理后储存在FPSO的货油舱里，穿梭油轮则负责运输这些石油。两艘船舶如果通过多条系缆并联的话，一般都要在两船中间布置类似护舷之类的防撞装置。由于并联的两艘船舶相隔距离较短，所以缆绳就比较方便连接。但是，周围海洋环境的变化，哪怕是很细微的变化，都会对两艘船舶产生影响，所以FPSO一般都是在海况较好的海域才使用。
1.2 课题背景
1.2.1 国外发展
文献［１］将驳船平行布置后，通过二维切片理论，分析研究了两船之间的相互作用。文献［２］在对两浮体之间的相对运动和水体的波面变化进行研究时，比较了线性势流理论和三维源汇分布法，认为三维源汇分布法的结果更加精确。文献[3]对波浪中多浮体的水动力相互作用采用了高阶边界元和直接压力积分法进行了分析。在这些研究中，利用线性势流理论计算得到船体的水动力系数，然后以这些系数为基础得到时延函数，再对船体进行时域范围内的计算。
自文献[4]开创性地运用压力积分法求解二阶波浪慢漂力起,很多研究人员对系泊浮体二阶波浪力越来越有兴趣[5～9]. 大量理论和实验研究[10～13]都表明,在水深越大，系泊链的动态特性对浮体运动的影响越显著。随着深水FPSO的应用越来越多,必须发展完全耦合的水动力时域数值分析模型。
文献［14］建立了全耦合模型，对其在时域内的运动响应和水动力作用的研究采用了3种方法，同时还模拟了护舷的受力。文献［15］考虑了横摇粘性阻尼，对多浮体结构在不规则波浪中的运动响应进行了模拟计算，与模型试验结果进行了对比。文献［16］考虑了锚链的非线性、护舷的作用和横摇粘性效应，对并联系泊有航速的两船的耐波性和操作性能采用了一种有效的时域方法进行评估。
在研究FPSO和LNG船之间的水动力响应方面，文献［17］对两船并联布置时的有关参数进行了敏感性分析，包括了环境变化、压载情况、推进器尺寸以及FPSO的容量都进行了评估计算。文献[18] 采用时域模拟的方法，得出结果后与频域结果相比较，并讨论了两者的差异。文献[19]综合考虑了两船之间的水动力作用和靠泊连接的非线性作用力，对系统运动进行频域分析和时域分析。
1.2.2 国内发展
我国结合渤海浅水大型油气田开发而开展的浅水大型FPSO水动力特性研究,具有中国特色。主要研究包括了FPSO在浅水或极浅水下的响应分析、内转塔系泊下的耦合作用以及系泊系统的运动特性等等。
FPSO外输作业时，多浮体系统受到很多因素的影响，比如装载工况、系泊缆绳和海况参数等等。文献[20] 考虑了两船之间的相互干扰，计算了水动力性能，得到一系列数据，比如RAO、一阶波浪力和二阶定常力等等。通过改变参数，对比两船体水动力性能的变化，以此分析参数对性能的影响。在进行时域分析时，计算了不同工况、不同长度的缆绳、不同风速下的系统响应，对比分析不同状态和不同参数对多浮体系统响应的影响。
对于FLNG与LNG旁靠方式下LNG的卸载，因为两艘船距离较为接近，所以不光要考虑水动力的耦合，也要关注船体与系泊系统、船体与连接系统间的耦合。文献[21]通过水池模型实验，模拟了FLNG与LNG旁靠方式下LNG的卸载，得到了FLNG船体在风、浪、流共同作用下的运动响应、两船间的相对运动、系泊系统和连接系统的受力情况等。同时借助统计手段分析了实验数据，讨论了FLNG进行旁靠卸载作业时的水动力性能。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 课题背景 1
1.2.1 国外发展 1
1.2.2 国内发展 2
1.3 论文研究的目的与意义 3
1.4 论文主要内容 4
第二章 理论分析 5
2.1 结构运动方程 5
2.2 多体运动方程 5
第三章 参数设计 7
3.1 FPSO和穿梭油轮的参数 7
3.2 系泊系统参数设计 7
3.3 连接系统参数设计 8
3.4 海洋环境参数 9
第四章 FPSO和穿梭油轮AQWA建模 10
4.1 FPSO和穿梭油轮的网格划分 10
4.2 FPSO和穿梭油轮AQWA建模视图 10
4.3对FPSO和穿梭油轮静止在水面时的基本计算 10
第五章 频域分析 14
5.1 不同入射角下FPSO的RAO(响应幅值算子)分析 14
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
5.2 FPSO和穿梭油轮附加质量分析 17
5.3 FPSO和穿梭油轮辐射阻尼分析 21
5.4 FPSO一阶波浪激励力分析 25
第六章 频域分析 31
6.1 系泊系统张力分析 31
6.2 连接系统张力分析 31
6.3 护舷受力分析 31
6.4 FPSO和穿梭油轮的相对位移分析 31
结 论 39
致 谢 41
参考文献 42
第一章 绪论
1.1 引言
由于对石油能源的需求量越来越大,深海油田的开采也开始提上日程。在过去被认为非常具有挑战性的举动,现在正变得越来越有吸引力。那些油田通常位于深水,与在岸设施或离岸管道隔绝,这为它们的开采加大了难度。为了克服这些困难,FPSO,一种新型海上单位被提议出来。FPSO是综合性的大型海上石油生产基地,在石油被开采出来之后，它可以将油和气分离，然后储存原油产品。与张力腿等海洋平台相比较，FPSO在抗风浪能力方面稍胜一筹，而且FPSO可以适应不同的水深，可以进行移动来重复利用。因此，大多数远离海岸的深海油田或浅海海域油田，都可以使用FPSO进行开发。一般情况下，在特定的海域作业的FPSO都是采用永久性的系泊方式,所以FPSO不能够像穿梭油轮等运输型船舶在遭遇恶劣海况时进行避航。由此体现出对FPSO与运输船舶两者组成的系统的水动力分析的必要性。
在FPSO与各种运输船舶构成的系统中，使用较为广泛的是FPSO和穿梭油轮。石油通过输油管从海底被输送至FPSO，进行分离处理后储存在FPSO的货油舱里，穿梭油轮则负责运输这些石油。两艘船舶如果通过多条系缆并联的话，一般都要在两船中间布置类似护舷之类的防撞装置。由于并联的两艘船舶相隔距离较短，所以缆绳就比较方便连接。但是，周围海洋环境的变化，哪怕是很细微的变化，都会对两艘船舶产生影响，所以FPSO一般都是在海况较好的海域才使用。
1.2 课题背景
1.2.1 国外发展
文献［１］将驳船平行布置后，通过二维切片理论，分析研究了两船之间的相互作用。文献［２］在对两浮体之间的相对运动和水体的波面变化进行研究时，比较了线性势流理论和三维源汇分布法，认为三维源汇分布法的结果更加精确。文献[3]对波浪中多浮体的水动力相互作用采用了高阶边界元和直接压力积分法进行了分析。在这些研究中，利用线性势流理论计算得到船体的水动力系数，然后以这些系数为基础得到时延函数，再对船体进行时域范围内的计算。
自文献[4]开创性地运用压力积分法求解二阶波浪慢漂力起,很多研究人员对系泊浮体二阶波浪力越来越有兴趣[5～9]. 大量理论和实验研究[10～13]都表明,在水深越大，系泊链的动态特性对浮体运动的影响越显著。随着深水FPSO的应用越来越多,必须发展完全耦合的水动力时域数值分析模型。
文献［14］建立了全耦合模型，对其在时域内的运动响应和水动力作用的研究采用了3种方法，同时还模拟了护舷的受力。文献［15］考虑了横摇粘性阻尼，对多浮体结构在不规则波浪中的运动响应进行了模拟计算，与模型试验结果进行了对比。文献［16］考虑了锚链的非线性、护舷的作用和横摇粘性效应，对并联系泊有航速的两船的耐波性和操作性能采用了一种有效的时域方法进行评估。
在研究FPSO和LNG船之间的水动力响应方面，文献［17］对两船并联布置时的有关参数进行了敏感性分析，包括了环境变化、压载情况、推进器尺寸以及FPSO的容量都进行了评估计算。文献[18] 采用时域模拟的方法，得出结果后与频域结果相比较，并讨论了两者的差异。文献[19]综合考虑了两船之间的水动力作用和靠泊连接的非线性作用力，对系统运动进行频域分析和时域分析。
1.2.2 国内发展
我国结合渤海浅水大型油气田开发而开展的浅水大型FPSO水动力特性研究,具有中国特色。主要研究包括了FPSO在浅水或极浅水下的响应分析、内转塔系泊下的耦合作用以及系泊系统的运动特性等等。
FPSO外输作业时，多浮体系统受到很多因素的影响，比如装载工况、系泊缆绳和海况参数等等。文献[20] 考虑了两船之间的相互干扰，计算了水动力性能，得到一系列数据，比如RAO、一阶波浪力和二阶定常力等等。通过改变参数，对比两船体水动力性能的变化，以此分析参数对性能的影响。在进行时域分析时，计算了不同工况、不同长度的缆绳、不同风速下的系统响应，对比分析不同状态和不同参数对多浮体系统响应的影响。
对于FLNG与LNG旁靠方式下LNG的卸载，因为两艘船距离较为接近，所以不光要考虑水动力的耦合，也要关注船体与系泊系统、船体与连接系统间的耦合。文献[21]通过水池模型实验，模拟了FLNG与LNG旁靠方式下LNG的卸载，得到了FLNG船体在风、浪、流共同作用下的运动响应、两船间的相对运动、系泊系统和连接系统的受力情况等。同时借助统计手段分析了实验数据，讨论了FLNG进行旁靠卸载作业时的水动力性能。
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