浮式液化天然氣裝備(FLNG)水動(dòng)力性能的數(shù)值分析及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、當(dāng)今國際社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)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(jià)格低的清潔能源而備受關(guān)注。對(duì)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(jìn)軍的步伐。為了經(jīng)濟(jì)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(chǎn)、液化、儲(chǔ)存與卸載功能為一體的新型天然氣開發(fā)平臺(tái)。作為一種經(jīng)濟(jì)高效的開發(fā)方案,該新型平臺(tái)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(shè)管道所面臨的技術(shù)難題,使深海天然氣田的開發(fā)成為現(xiàn)實(shí)。FLNG具有廣范的應(yīng)用前景,是海洋工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)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(chǔ),并卸載至天然氣運(yùn)輸船(L

3、NG Carrier,簡稱LNGC),由其運(yùn)送到沿海的天然氣基地進(jìn)行處理。在此過程中,超低溫對(duì)多浮體間的卸載作業(yè)提出了更高的要求;另外,LNG的強(qiáng)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(dòng)力性能。以上特點(diǎn)使得FLNG的水動(dòng)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(chǔ)量巨大,FLNG水動(dòng)力性能及其關(guān)鍵技術(shù)的研究是目前海洋工程領(lǐng)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(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,對(duì) FLNG系統(tǒng)的水動(dòng)力性能,諸如 FLNG船體水動(dòng)力性能、FLNG船體/系泊系統(tǒng)耦合水動(dòng)力性能、FLNG-LNGC多浮體與連接系統(tǒng)耦合水動(dòng)力性能等進(jìn)行了研究。同時(shí),針對(duì)FLNG水動(dòng)力性能的重要影響因素,如艙內(nèi)液體晃蕩進(jìn)行了研究,并針對(duì)非線性晃蕩與船體運(yùn)動(dòng)之間的耦合響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了深入地研究。
　　采用三維頻域勢流理論對(duì) FLNG船體的水動(dòng)力性能進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào),獲得了FLNG船體的附加質(zhì)量

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

6、可行性。進(jìn)一步,全面考慮多浮體間的相互水動(dòng)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(shí)域耦合數(shù)值分析模型,對(duì)旁靠(Side by Side)與尾輸(Tandem)卸載作業(yè)時(shí)的水動(dòng)力性能,諸如FLNG與LNGC之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、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(jìn)行了系統(tǒng)地研究。針對(duì)多浮體系統(tǒng)水動(dòng)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(jìn)行了研究。采用水深截?cái)嗉夹g(shù)對(duì)全水深

7、系泊系統(tǒng)進(jìn)行水深截?cái)嘣O(shè)計(jì),開展相應(yīng)的水池模型實(shí)驗(yàn),對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果加以驗(yàn)證。水池模型實(shí)驗(yàn)包括靜水衰減實(shí)驗(yàn)、水平剛度實(shí)驗(yàn)、白噪聲不規(guī)則波實(shí)驗(yàn)以及風(fēng)、浪、流不規(guī)則波實(shí)驗(yàn)等。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值分析結(jié)果的對(duì)比,驗(yàn)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(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,對(duì) FLNG系統(tǒng)的整體水動(dòng)力性能進(jìn)行了研究,為 FLNG的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及卸載方案設(shè)計(jì)提出了有益建議。
　　FLNG船體的運(yùn)動(dòng)將引起艙內(nèi)LNG的晃蕩,而艙內(nèi)液體的晃

8、蕩一方面將會(huì)在液艙的壁面形成較大的沖擊壓力,另外一方面將會(huì)影響 FLNG船體的整體運(yùn)動(dòng)性能。開展白噪聲不規(guī)則波實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)中分別采用固體及液體對(duì) FLNG模型進(jìn)行壓載,通過兩種情況下FLNG運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO的對(duì)比,考察了艙內(nèi)液體晃蕩對(duì)FLNG船體整體運(yùn)動(dòng)性能的影響。
　　更進(jìn)一步,針對(duì)二維非線性晃蕩與船體運(yùn)動(dòng)之間的耦合響應(yīng)開展研究,探索其響應(yīng)規(guī)律及耦合機(jī)理。自主開發(fā)了時(shí)域耦合計(jì)算程序,并開展相應(yīng)的二維水池模型實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。文中設(shè)計(jì)了不

9、同的載況進(jìn)行了水池模型實(shí)驗(yàn),研究了裝載水平及周期變化對(duì)耦合響應(yīng)的影響。在時(shí)域耦合計(jì)算模型中,采用半拉格朗日方法對(duì)艙內(nèi)液體晃蕩引起的非線性液面進(jìn)行捕捉?；诩铀俣葎莞拍?建立了關(guān)于加速度勢的初邊值問題,從而更為精確地預(yù)報(bào)艙內(nèi)液體晃蕩所引起的沖擊力。船體運(yùn)動(dòng)的求解則通過頻域轉(zhuǎn)時(shí)域的方法得以實(shí)現(xiàn)。該耦合分析模型采用4階龍格-庫塔方法進(jìn)行時(shí)間步進(jìn),實(shí)現(xiàn)對(duì)非線性晃蕩與船體運(yùn)動(dòng)耦合響應(yīng)的預(yù)報(bào)。利用該數(shù)值分析模型,研究了艙內(nèi)液體晃蕩的強(qiáng)非線性流動(dòng)特性

10、,并考察了入射波波高及頻率變化對(duì)液體晃蕩與船體運(yùn)動(dòng)耦合響應(yīng)的影響。通過對(duì)艙內(nèi)自由液面的深入研究,探索了液艙內(nèi)部作用力的成因,以及艙內(nèi)液體晃蕩與船體運(yùn)動(dòng)的耦合機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了其可靠性。形成了一套完整可靠的預(yù)報(bào)方法,對(duì) FLNG系統(tǒng)的水動(dòng)力性能及其重要影響因素進(jìn)行研究,驗(yàn)證了FLNG概念在我國南海海域應(yīng)用的可行性,考察了FLNG系統(tǒng)在極限作業(yè)海況下的水動(dòng)力性能,為FLNG