浮式儲存氣化裝置系泊系統(tǒng)緊急解脫風速研究*

畢曉星 劉 洋 彭延建

(中海石油氣電集團有限責任公司 北京 100028)

浮式儲存氣化裝置系泊系統(tǒng)緊急解脫風速研究*

畢曉星 劉 洋 彭延建

(中海石油氣電集團有限責任公司 北京 100028)

畢曉星,劉洋,彭延建.浮式儲存氣化裝置系泊系統(tǒng)緊急解脫風速研究[J].中國海上油氣，2017,29(2)：162-165.

BI Xiaoxing,LIU Yang,PENG Yanjian.Study on wind speeds for the safe operation of the mooring systems of FSRU[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(2):162-165.

浮式儲存氣化裝置(FSRU)作業(yè)時需要長時間系泊于碼頭上，其連續(xù)作業(yè)能力成為評估一個FSRU項目的重要指標。以天津FSRU項目為例，基于現(xiàn)場實際采集的風、浪、流數(shù)據(jù)和實測纜繩數(shù)據(jù)，通過建立FSRU系泊模型對系泊纜張力進行了數(shù)值模擬計算，并運用現(xiàn)場的纜繩載荷監(jiān)測系統(tǒng)對計算結(jié)果進行了驗證。研究結(jié)果表明，F(xiàn)SRU在風速超過《液化天然氣碼頭設(shè)計規(guī)范》要求的20 m/s時并不需要緊急離泊，只有超過22.5 m/s時，須采取應(yīng)急措施，高壓外輸臂會緊急切斷并斷開連接，在系泊纜張力達到破斷力的50%之前無需進行離港操作，這樣可以極大提升FSRU的作業(yè)效率，保證供氣的連續(xù)性。研究結(jié)果可為今后FSRU的建設(shè)運行提供理論依據(jù)。

FSRU；系泊模型；數(shù)值模擬；風速；纜繩載荷監(jiān)測系統(tǒng)；驗證；緊急解脫

經(jīng)過10余年的發(fā)展，海上浮式LNG接收終端技術(shù)日益成熟，國外已有數(shù)個浮式LNG接收終端項目投產(chǎn)，證明技術(shù)可行，安全可靠。浮式儲存氣化裝置(FSRU)作為LNG海上接收終端結(jié)合常規(guī)LNG接收站建設(shè)，可很好地平衡LNG儲存量和設(shè)施氣化外輸能力的階段性要求，充分發(fā)揮FSRU設(shè)施建設(shè)周期短、方便靈活的優(yōu)勢。2013年11月21日，天津港南疆南LNG項目(南疆54號泊位)迎來首艘靠泊船舶 “安海角”號，標志著中海油天津FSRU項目啟用投產(chǎn)。

FSRU的作業(yè)碼頭是專業(yè)碼頭，港區(qū)受到較好掩護，浪小、流弱且和碼頭軸線夾角很小，所以浪和流對船體的作用非常小，但由于上部結(jié)構(gòu)受風面積大，因此風是產(chǎn)生船舶載荷的一個主要因素，成為制約FSRU作業(yè)的最不利條件。FSRU 承擔著 LNG 氣化和天然氣輸送、保障民生用氣的任務(wù)，作業(yè)時需要長期靠系泊在碼頭，因此FSRU應(yīng)盡量減少離港避風的次數(shù)。雖然國內(nèi)首個FSRU項目已投產(chǎn)3年，但我國尚無針對FSRU設(shè)計建造和營運的強制性規(guī)定，相關(guān)規(guī)范和標準研究到目前為止還處于起步階段，只能參考國外相關(guān)規(guī)定。

滿足系泊條件是FSRU作業(yè)的關(guān)鍵因素，目前監(jiān)管部門主要參照《液化天然氣碼頭設(shè)計規(guī)范》[1]要求在港系泊系統(tǒng)緊急解脫風速要小于20 m/s。在我國大部分沿海地區(qū)，20m/s的緊急解脫風速對于FSRU項目來說顯得過小，尤其是受臺風影響較大的地區(qū)，因此有必要針對FSRU碼頭系泊抗風能力進行分析研究。本文以天津FSRU項目為例，采用數(shù)值模擬的方法對其系泊狀態(tài)下的纜繩張力進行模擬，將模擬結(jié)果與碼頭實測數(shù)據(jù)進行對比驗證，研究FSRU系泊狀態(tài)下的最大抗風能力，為工程建設(shè)和生產(chǎn)運營提供參考。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 FSRU系泊系統(tǒng)

天津FSRU項目是國內(nèi)唯一投產(chǎn)的FSRU項目，目標船船型主要參數(shù)為：船舶排水量13.8×104m3、總長283 m、型寬43.4 m、型深26 m、吃水10 m；泊位碼頭主尺度為：長度400 m、碼頭面頂高程6.5 m、碼頭前沿底高程-14.5 m。碼頭和船體是2個單體，碼頭永久固定，不參與運動，船體假定為剛體，靠纜繩固定在碼頭的帶纜樁上。FSRU的系泊纜為高強度纖維纜，共18根，每根直徑42 mm，破斷負荷117 t；系、靠船墩上配有快速脫纜勾，靠船墩上垂直布置有標準反力橡膠護舷。

根據(jù)我國《開敞式碼頭設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)程》及其他國家的行業(yè)規(guī)范，系泊纜的分布應(yīng)符合表1要求。參考表1的要求及碼頭上系纜墩的分布，F(xiàn)SRU系泊系統(tǒng)從船首至船尾采用3、2、2、2、2、2、3、2的系泊方式，碼頭中部并列均勻布置4組護舷。FSRU碼頭系泊布置見圖1所示。

表1 系泊纜長度及角度要求Table 1 Mooring cable length and angle requirements

圖1 FSRU碼頭系泊模型Fig .1 FSRU wharf mooing model

1.2 風載荷

對于系泊在碼頭上的FSRU，計算風壓力垂直于碼頭前沿線的橫向分力和平行于碼頭前沿線的縱向分力可按下列公式計算：

(1)

(2)

式(1)、(2)中：Fxw、Fyw分別為作用在船舶上的計算風壓力的橫向和縱向分力；Axw、Ayw分別為船體水面以上橫向和縱向受風面積；Vx、Vy分別為設(shè)計風速的橫向和縱向分量；ζ1為風壓不均勻折減系數(shù)；ζ2為風壓高度變化修正系數(shù)。

FSRU水面以上受風面積根據(jù)設(shè)計船型和船舶的裝載情況確定，在缺乏船型資料時也可參照國際航運協(xié)會護舷系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范中關(guān)于各類船型的滿載排水量及受風面積表進行模擬。需要注意的是，F(xiàn)SRU的上層建筑一般在船尾部分，其質(zhì)心和型心之間存在一個力臂，因此風力對FSRU的作用形式不是均勻平推的。在采用通用的水動力學(xué)分析軟件計算時，風載系數(shù)矩陣中除了需要輸入3個方向的水平風力系數(shù)之外，還需考慮側(cè)向風作用下船體受到的沿Z軸的轉(zhuǎn)船力矩。 根據(jù)經(jīng)驗，當FSRU水面以上部分沿橫向或縱向輪廓的最大水平尺寸大于等于250 m時，風壓不均勻折減系數(shù)ζ1取0.6；當FSRU水面以上部分高度大于等于20 m時，風壓高度變化修 正系數(shù)ζ2取1.39。

1.3 流載荷

水流對FSRU產(chǎn)生的水流力，船首橫向分力和船尾橫向分力為

(3)

(4)

式(3)、(4)中：Fxsc、Fxmc分別為水流作用于船首橫向分力和船尾橫向分力；ρ為海水的密度；V為流速；B′為船舶吃水線以下的橫向投影面積；Cxsc、Cxmc分別為水流作用于船首橫向分力系數(shù)和船尾橫向分力系數(shù)。

根據(jù)天津港區(qū)最近一次水文實測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該港區(qū)基本屬于往復(fù)流且流向較為集中，與碼頭軸線夾角較小，流速的垂線分布中層最大，底層最小，該海域流速相對較小，潮段平均流速一般小于0.3 m/s，屬弱流海區(qū)。

1.4 波浪載荷

波浪對FSRU的作用相對來說較為復(fù)雜，除了產(chǎn)生一個與其頻率相等的震蕩力之外，還會有與波浪的傳播方向一致的穩(wěn)定的漂移力，在纜繩張力的靜力計算中，主要考慮定常漂移力作用，可按下式計算：

(5)

式(5)中：Fd為波浪對FSRU的定常力作用；L為垂直于波浪方向的線形尺度；H為計算波高；Cr為船舶流體動力系數(shù)。

1.5 網(wǎng)格尺寸與波浪頻率的內(nèi)在關(guān)系

采用水動力計算軟件分析計算時，船體幾何模型建立之后需要對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格密度的選取直接關(guān)系到計算能否順利收斂或能否獲取比較精確的計算結(jié)果。對于通用的水動力學(xué)分析軟件來說，網(wǎng)格尺寸和計算允許的波浪頻率之間也存在一個特定的內(nèi)在關(guān)系[2]，這是因為求解器所基于的理論要求一個波浪的波長必須至少穿過7個網(wǎng)格單元，單元尺寸越大，波長就越長。對于規(guī)則波來說，波長和頻率之間存在以下關(guān)系：

(6)

式(6)中：LC為波長；TC為波浪周期。

網(wǎng)格越稀疏計算所允許的波浪頻率就越小，網(wǎng)格越密集計算所允許的波浪頻率就越大，因此在進行網(wǎng)格劃分之前必須先要確定目標海況的最大波浪頻率。對于本計算來說，目標港區(qū)的最大波浪頻率較低，將網(wǎng)格最大單位尺寸設(shè)定為5 m時對應(yīng)的最大允許計算波浪頻率為0.228 Hz，可以包含目標港區(qū)的最大波浪頻率。此外，在網(wǎng)格劃分的過程中還需要設(shè)定缺陷容差，根據(jù)經(jīng)驗缺陷容差可設(shè)定為最大網(wǎng)格單位尺寸的40%，也就是2 m[3]。

2 纜張力模擬結(jié)果分析

2.1 纜繩載荷監(jiān)測系統(tǒng)

天津FSRU項目纜繩載荷檢測系統(tǒng)采用的是丹麥MARIMATECH公司的MLMS系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能準確監(jiān)測船舶的速度、船首與船尾的離岸距離、船舶在系泊狀態(tài)下的漂移等，同時主控計算機通過網(wǎng)絡(luò)與各類監(jiān)測儀器和電子傳感器相連，將作業(yè)區(qū)的風速、風向、波速、波向、波周期、潮位、流速、流向、船舶吃水、系纜力及護舷壓縮量等數(shù)據(jù)進行采集和處理，并將其結(jié)果用圖形或其他形式顯示到屏幕上，同時在計算機上顯示每根纜繩受力的峰值、平均值和瞬時值的大小。當纜繩拉力超過預(yù)拉力時，系統(tǒng)能夠及時報警，以保證脫纜鉤的安全可靠[4]，也可為FSRU的系泊研究提供第一手數(shù)據(jù)。 該系統(tǒng)主要有以下特點： ①通過控制單元接收數(shù)據(jù)并顯示、存儲在計算機內(nèi)，同時根據(jù)接收對脫纜鉤進行遠程控制，并具有聲光報警功能；②實現(xiàn)信息的存儲和隨時查詢；③有故障自診斷功能，通過指示燈的不同閃爍而確定系統(tǒng)是否有故障；④系統(tǒng)按1區(qū)防爆區(qū)域設(shè)計，防護等級IP66。

天津FSRU項目的MLMS系統(tǒng)配合遠程控制系統(tǒng)，通過應(yīng)力銷監(jiān)測系纜載荷，通過制動裝置開啟脫纜鉤，可以使船岸雙方在第一時間對潛在的事故風險做出迅速判斷，從而確保碼頭安全。

2.2 數(shù)值模型驗證

為了驗證數(shù)值模型的計算精度，在MLMS系統(tǒng)中選取3個典型時刻(2016年10月1日為近期所出現(xiàn)的最大風速，達到了22 m/s；11月22日風速較10月1日小，但是風向為吹開風；9月4日的風力大小與11月22日相似，但風向相反)的實測數(shù)據(jù)對數(shù)值模型計算值進行校驗，圖2為這3個時刻的實測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果的對比情況。

通過對比結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)值計算結(jié)果與實測結(jié)果無論是幅值還是趨勢均較為吻合，偏差均在10%以內(nèi)，處于可接受的合理范圍，數(shù)值模型的計算精度得以有效驗證。以上3種工況下纜繩的最大張力出現(xiàn)在風速22 m/s時，15號纜繩的瞬時張力為31 t，此時的破斷系數(shù)僅為26.5%，仍然具有較大的安全余量。這一結(jié)果也證明了《液化天然氣碼頭設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于最大系泊風速的規(guī)定并不適用于FSRU項目，如果按照該規(guī)定進行操船作業(yè)的話，F(xiàn)SRU將面臨頻繁解脫，離港避風的情況，將極大影響其連續(xù)作業(yè)能力。

圖2 FSRU不同時間的纜繩張力對比Fig .2 Comparison of FSRU cable tension under different time

2.3 FSRU最大抗風能力分析

國際航運協(xié)會關(guān)于安全系泊的描述為：鋼纜的最大張力不應(yīng)大于纜繩破斷力的55%，尼龍纜的最大張力不應(yīng)大于纜繩破斷力的50%。在石油公司國際海事論壇出版的系纜設(shè)備指南[5]中也有相關(guān)規(guī)定：系泊船的纜繩張力不應(yīng)大于其破斷力的55%。

本項目50%破斷系數(shù)所對應(yīng)的最大系纜力為58.5 t，55%破斷系數(shù)對應(yīng)的最大系纜力為64.4 t。如果以纜繩許用張力為參考標準，并參考系纜墩和護舷的受力情況，本項目的碼頭系統(tǒng)對于該船型來說仍然具有很大安全余量。圖3為破斷系數(shù)為50%和55%情況下系泊纜繩可承受的最大風速。 從圖3可以看出，以纜繩破斷力的50%和55%為標準，系泊船的最大抗風能力均已大于30 m/s 的風速，該結(jié)果遠大于《液化天然氣碼頭設(shè)計規(guī)范》中20 m/s的系泊極限風速，這一改變將極大提升FSRU的連續(xù)作業(yè)能力。

圖3 碼頭系泊纜可承受的最大風速Fig .3 The maximum wind speed of the mooring cable can withstand

3 結(jié)論

目前沒有專門規(guī)范針對FSRU系泊條件做出規(guī)定，由于FSRU外形與LNG運輸船相似，監(jiān)管部門主要參考《液化天然氣碼頭設(shè)計規(guī)范》，緊急離泊風速為20 m/s。本文對纜繩破斷力的數(shù)值模擬研究結(jié)果表明，風速大于20 m/s時并不需要緊急離泊，只有超過22.5 m/s時，須采取應(yīng)急措施，高壓外輸臂緊急切斷并斷開連接;在系泊纜張力達到破斷力的50%之前無需進行離港操作，這樣可以極大提升FSRU的作業(yè)效率，保證供氣的連續(xù)性。

[1] 中華人民共和國交通運輸部.JTS165—5—2009 液化天然氣碼頭設(shè)計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2000.

[2] HUANG S.Dynamic analysis of three-dimensional marine cables[J].Ocean Engineering,1994,21(6):587-605.

[3] 王建華，萬德成.南海浮式碼頭與系泊系統(tǒng)動力耦合分析[J].水動力學(xué)研究與進展,2015,30(2):180-186. WANG Jianhua,Wan Dechen.Dynamic coupling analysis of the mooring system and floating pier in the south china sea[J].Journal of Hydrodynamics，2015，30(2)：180-186.

[4] 傅洪深.碼頭安全監(jiān)控系統(tǒng)在港口工程中的應(yīng)用[J].水運工程,2008,7(7):85-90. FU Hongshen.Application of wharf safety monitoring system in port engineering[J].Port & Waterway Engineering，2008，7(7)：85-90.

[5] OCIMF. Mooring equipment guidelines[M].3rd Edition.London：Witherby & Co.Ltd.，2007.

(編輯：葉秋敏)

Study on wind speeds for the safe operation of the mooring systems of FSRU

BI Xiaoxing LIU Yang PENG Yanjian

(CNOOCGasandPowerGroup,Beijing100028,China)

FSRUs have to be moored on the dock perennially during production operations; its continuous operation capability is an important indicator for evaluating an FSRU project. Based on the wind, current, wave and measured cable load information which was collected in Tianjin FSRU project, an FSRU mooring numerical model was established with which the tension of the cable was then computed. The resulting tension values were verified by the values observed on the monitoring system in the project. The results here suggested that it is unnecessary to take any emergency measures until the wind speed grows higher than 22.5 m/s according to the “Code for design of liquefied natural gas port and jetty”. Before the cable tension was greater than 50% of the breaking force, what has to be done only is to cut down and release the unloading arm. The FSRU efficiency can be greatly improved by following this approach, ensuring the continuous gas supply. The research results will provide a theoretical basis for future fabrication and operation of FSRUs.

FSRU; mooring model; numerical simulation; wind speed; mooring load monitoring system; verify; emergency release

*中海石油氣電集團有限責任公司科研項目“ LNG船靠、系泊模擬集成系統(tǒng)研究 (編號：QDKY-2016-YFZX-09)”部分研究成果。

畢曉星，男，高級工程師，1991年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(北京)工業(yè)自動化專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事LNG工程項目的設(shè)計和管理工作。地址：北京市朝陽區(qū)太陽宮南街6號院C座(郵編： 100028)。E-mail:bixx@cnooc.com.cn。

1673-1506(2017)02-0162-04

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.02.024

TE832

A

2016-12-15 改回日期：2017-01-17