浮式液化天然氣裝備(FLNG)水動力性能的數(shù)值分析及實驗研究.pdf

1、當今國際社會對環(huán)境保護日益重視,清潔能源的需求量大增。天然氣作為一種熱值高、排放少、價格低的清潔能源而備受關注。對清潔能源需求的不斷增加,以及陸上油氣資源的日漸枯竭,加速了世界上各大石油天然氣公司向海洋尤其是深水海域進軍的步伐。為了經濟高效地開發(fā)深海氣田,尤其是海洋邊際氣田、小型氣田,國際上提出了浮式液化天然氣裝備(Floating Liquefied Natural Gas System,簡稱FLNG)的概念。
　　FLNG是集

2、海上天然氣/石油氣的生產、液化、儲存與卸載功能為一體的新型天然氣開發(fā)平臺。作為一種經濟高效的開發(fā)方案,該新型平臺的提出,一方面將徹底改變傳統(tǒng)的海上天然氣開發(fā)模式;另一方面,將有效地避免在深水海域鋪設管道所面臨的技術難題,使深海天然氣田的開發(fā)成為現(xiàn)實。FLNG具有廣范的應用前景,是海洋工程領域的研究熱點之一。天然氣通常冷卻至-162℃以液化天然氣(Liquefied Natural Gas,簡稱LNG)的形式存儲,并卸載至天然氣運輸船(L

3、NG Carrier,簡稱LNGC),由其運送到沿海的天然氣基地進行處理。在此過程中,超低溫對多浮體間的卸載作業(yè)提出了更高的要求;另外,LNG的強非線性晃蕩將在艙壁處引起較大的沖擊力,并在很大程度上影響 FLNG的水動力性能。以上特點使得FLNG的水動力性能研究區(qū)別于傳統(tǒng)的FPSO研究。
　　我國南海深水海域天然氣儲量巨大,FLNG水動力性能及其關鍵技術的研究是目前海洋工程領域的前沿課題,也是我國南海油氣資源開發(fā)戰(zhàn)略中的重要課題。

4、本論文通過數(shù)值分析與水池模型實驗相結合的方法,對 FLNG系統(tǒng)的水動力性能,諸如 FLNG船體水動力性能、FLNG船體/系泊系統(tǒng)耦合水動力性能、FLNG-LNGC多浮體與連接系統(tǒng)耦合水動力性能等進行了研究。同時,針對FLNG水動力性能的重要影響因素,如艙內液體晃蕩進行了研究,并針對非線性晃蕩與船體運動之間的耦合響應機理進行了深入地研究。
　　采用三維頻域勢流理論對 FLNG船體的水動力性能進行數(shù)值預報,獲得了FLNG船體的附加質量

5、、阻尼系數(shù)等水動力參數(shù)以及船體運動的幅值響應算子(Response Amplitude Operator,簡稱RAO),對FLNG船體的水動力性能進行分析。采用短期預報技術,對 FLNG船體在南海百年一遇波浪作用下的響應特性進行預報?；诳魉估碚?并通過頻域轉時域的方法,針對 FLNG船體運動及系泊系統(tǒng)動力響應開展時域耦合數(shù)值分析。研究了不同海況條件下,FLNG船體的運動性能及系泊系統(tǒng)的動力響應,考察了FLNG概念在我國南海海域應用的

6、可行性。進一步,全面考慮多浮體間的相互水動力影響、船體與系泊系統(tǒng)間的耦合,建立了FLNG-LNGC多浮體系統(tǒng)的時域耦合數(shù)值分析模型,對旁靠(Side by Side)與尾輸(Tandem)卸載作業(yè)時的水動力性能,諸如FLNG與LNGC之間的相對運動、系泊系統(tǒng)張力特性、連接纜張力及防碰裝置所受的壓力情況等進行了系統(tǒng)地研究。針對多浮體系統(tǒng)水動力性能的重要影響因素,如連接纜長度、剛度以及兩浮體之間連接方式等進行了研究。采用水深截斷技術對全水深

7、系泊系統(tǒng)進行水深截斷設計,開展相應的水池模型實驗,對數(shù)值計算結果加以驗證。水池模型實驗包括靜水衰減實驗、水平剛度實驗、白噪聲不規(guī)則波實驗以及風、浪、流不規(guī)則波實驗等。通過實驗數(shù)據(jù)與數(shù)值分析結果的對比,驗證了文中所建數(shù)值分析模型的可靠性。利用數(shù)值分析與水池模型實驗相結合的方法,對 FLNG系統(tǒng)的整體水動力性能進行了研究,為 FLNG的系統(tǒng)設計及卸載方案設計提出了有益建議。
　　FLNG船體的運動將引起艙內LNG的晃蕩,而艙內液體的晃

8、蕩一方面將會在液艙的壁面形成較大的沖擊壓力,另外一方面將會影響 FLNG船體的整體運動性能。開展白噪聲不規(guī)則波實驗,實驗中分別采用固體及液體對 FLNG模型進行壓載,通過兩種情況下FLNG運動響應RAO的對比,考察了艙內液體晃蕩對FLNG船體整體運動性能的影響。
　　更進一步,針對二維非線性晃蕩與船體運動之間的耦合響應開展研究,探索其響應規(guī)律及耦合機理。自主開發(fā)了時域耦合計算程序,并開展相應的二維水池模型實驗加以驗證。文中設計了不

9、同的載況進行了水池模型實驗,研究了裝載水平及周期變化對耦合響應的影響。在時域耦合計算模型中,采用半拉格朗日方法對艙內液體晃蕩引起的非線性液面進行捕捉?；诩铀俣葎莞拍?建立了關于加速度勢的初邊值問題,從而更為精確地預報艙內液體晃蕩所引起的沖擊力。船體運動的求解則通過頻域轉時域的方法得以實現(xiàn)。該耦合分析模型采用4階龍格-庫塔方法進行時間步進,實現(xiàn)對非線性晃蕩與船體運動耦合響應的預報。利用該數(shù)值分析模型,研究了艙內液體晃蕩的強非線性流動特性

10、,并考察了入射波波高及頻率變化對液體晃蕩與船體運動耦合響應的影響。通過對艙內自由液面的深入研究,探索了液艙內部作用力的成因,以及艙內液體晃蕩與船體運動的耦合機理。
　　綜上所述,本文提出了有效的數(shù)值分析方法,并利用水池模型實驗結果驗證了其可靠性。形成了一套完整可靠的預報方法,對 FLNG系統(tǒng)的水動力性能及其重要影響因素進行研究,驗證了FLNG概念在我國南海海域應用的可行性,考察了FLNG系統(tǒng)在極限作業(yè)海況下的水動力性能,為FLNG