非對(duì)稱式小水線面LNG傳輸平臺(tái)船型設(shè)計(jì)

夏華波

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司,天津 300452)

隨著清潔能源的大力推動(dòng),現(xiàn)有LNG碼頭的能力不足以保證日益增長(zhǎng)的能源供給需求[1-2]。受到水文條件、陸域條件、船舶航行條件等多因素影響,有些區(qū)域不具備布局傳統(tǒng)LNG碼頭的設(shè)施條件[3],有些島礁設(shè)施不全也無(wú)法實(shí)現(xiàn)LNG供給,有些LNG碼頭由于適用范圍小不能與來(lái)船進(jìn)行船岸兼容[4]等,這些都導(dǎo)致LNG無(wú)法進(jìn)行正常傳輸。一種不需要建設(shè)岸基碼頭,不受水深限制即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸LNG的方式,即LNG浮式傳輸平臺(tái)為上述問(wèn)題提出了較好的解決思路。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于該類裝置都處于研究起步階段[5-6],概念設(shè)計(jì)方案居多,但船型尺度不夠小、布置不夠靈活、功能配置不夠簡(jiǎn)易。為此,考慮從船型、布置、功能配置等重要問(wèn)題入手,設(shè)計(jì)一種新的浮式LNG傳輸平臺(tái)裝置,在無(wú)需碼頭的情況下實(shí)現(xiàn)LNG運(yùn)輸船和陸地/浮式儲(chǔ)存設(shè)施間的傳輸,有效解決傳統(tǒng)LNG接收站布局受限問(wèn)題。

1 平臺(tái)選型思路

1)現(xiàn)有LNG傳輸平臺(tái)不足。國(guó)際上,Houlder公司提出了有人操作駁船型平臺(tái),Stena公司提出了半潛式大型LNG傳輸平臺(tái),ConnectLNG公司提出了小水線面品字形LNG傳輸平臺(tái)。但這些都不能完全解決中國(guó)水域LNG傳輸?shù)膯?wèn)題,存在種種不足:由于設(shè)備布置多,需求甲板面積大,質(zhì)量較重;軟管儲(chǔ)存不方便;與終端接收站相比傳輸能力較小;控制系統(tǒng)沒有實(shí)現(xiàn)船岸及平臺(tái)三方聯(lián)動(dòng);配置了推進(jìn)系統(tǒng)操作復(fù)雜;投資較高。另外,由于在輸送天然氣時(shí)需要采用真空吸附裝置將傳輸平臺(tái)旁靠固定在LNG船的一側(cè),重型作業(yè)設(shè)備導(dǎo)致船舶一側(cè)重量增加,為維持船體平衡,要么配置壓載水系統(tǒng),要么在平臺(tái)另一側(cè)添加固定壓載的方式,增加了平臺(tái)重量,犧牲了儲(chǔ)備浮力,系統(tǒng)復(fù)雜,運(yùn)行效率降低。

2)新平臺(tái)設(shè)計(jì)思路。①布置優(yōu)化,減小尺度:創(chuàng)新軟管儲(chǔ)存方式,盡可能減少甲板面積,采用小水線面減少波流力;②結(jié)構(gòu)優(yōu)化,空船重量得到控制:采用非對(duì)稱式的小水線面雙體船型,不用設(shè)置固定壓載艙;③設(shè)備配置原則:傳輸平臺(tái)盡量簡(jiǎn)配,不配軟管吊、不配漂浮軟管卷筒,重要設(shè)備依托岸上;④動(dòng)力要求:不配置推進(jìn),采用拖輪頂推;⑤作業(yè)模式:不配置現(xiàn)場(chǎng)人員,采用無(wú)人遙控作業(yè),僅接卸軟管有人員輔助;⑥對(duì)標(biāo)接收站:傳輸能力達(dá)到8 000 m3/h。

2 傳輸軟管存放方案

2.1 傳輸軟管存放方案選型

LNG浮式傳輸平臺(tái)是一個(gè)可移動(dòng)的LNG傳輸系統(tǒng),平臺(tái)上有管匯和LNG軟管系統(tǒng),一端連接LNG船舶,一端連接儲(chǔ)存設(shè)施,可實(shí)現(xiàn)LNG船舶與儲(chǔ)存設(shè)施之間的LNG傳輸。因平臺(tái)主要功能為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離LNG傳輸,故傳輸跨接軟管的布置是方案決策的最為關(guān)鍵因素,根據(jù)選型思路,考慮5種傳輸平臺(tái)設(shè)計(jì)方案,主要參數(shù)見表1。

表1 LNG傳輸平臺(tái)方案對(duì)比

1)方案一,U型收納槽方案,見圖1。

圖1 方案一

2)方案二,升降平臺(tái)懸掛方案,見圖2。

圖2 方案二

3)方案三,吊環(huán)懸掛方案,見圖3。

圖3 方案三

4)方案四,一端軟管下沉方案,見圖4。

圖4 方案四布置

5)方案五,S型兩端軟管下沉方案,見圖5。

圖5 方案五布置

2.2 傳輸軟管方案比較分析

1)方案一軟管呈”U”型放置在潛體和支柱內(nèi)部,軟管之間用收納槽形式分隔,對(duì)潛體和支柱的尺寸要求較大,軟管長(zhǎng)度不能達(dá)到使用要求,穩(wěn)定性較差,軟管收放不便,且易磨損軟管。

2)方案二在傳輸平臺(tái)平臺(tái)上面設(shè)計(jì)鞍座式升降平臺(tái),使軟管搭載在升降裝置上,軟管兩側(cè)懸垂,升降裝置頂部設(shè)計(jì)成類似于鞍座的形式,便于適應(yīng)軟管的彎曲半徑,操作便利,減少了甲板面積,主尺度減小,降低造價(jià),但是增加了裝置的整體高度,導(dǎo)致平臺(tái)穩(wěn)性較差,易有傾覆風(fēng)險(xiǎn)。

3)方案三增加了傳輸平臺(tái)的主尺度,左右兩側(cè)片體距離也增加,保證傳輸平臺(tái)的穩(wěn)性要求。采用吊環(huán)式升降平臺(tái),跨接軟管穿過(guò)吊環(huán)懸掛在平臺(tái)下方,軟管兩側(cè)懸垂,在傳輸平臺(tái)左舷處設(shè)置凹槽,便于作業(yè)時(shí)軟管伸縮,可減小結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸,這種形式升降裝置仍然過(guò)高,初穩(wěn)性不滿足要求。

4)方案四在方案三基礎(chǔ)上了進(jìn)行了改進(jìn)。采用甲板左側(cè)開孔和軟管架的形式儲(chǔ)存軟管,軟管一部分進(jìn)入支柱內(nèi)部,主體搭放于軟管架上方。軟管架沿著甲板斜對(duì)角線的方向布置。作業(yè)時(shí)軟管的連接除了依靠LNG船上的軟管吊操作外,還需要人工協(xié)助使軟管與LNG船管匯連接,以及軟管與傳輸平臺(tái)甲板上硬管、硬管與漂浮軟管的連接。雖然軟管左舷有凹槽設(shè)置,可一定程度上減小甲板使用面積,但是整體主尺度過(guò)大,非最優(yōu)方案。

5)方案五在方案四基礎(chǔ)上對(duì)軟管儲(chǔ)存進(jìn)行更合理的布置。采用軟管架和甲板左右兩側(cè)開孔的形式擺放軟管,軟管兩端分別伸入左右支柱內(nèi)部,增加軟管的保護(hù)性,可減小軟管架尺度,軟管架擺放在甲板中間位置,硬管布置在軟管架下方。為使作業(yè)時(shí)軟管和LNG船管匯快速連接,將左側(cè)支柱里的軟管端部連接上快速接頭;同時(shí),傳輸平臺(tái)首尾各布置一部快速脫纜鉤,該裝置的作用是防止傳輸平臺(tái)漂移離開安全操作區(qū)域,是對(duì)吸附裝置的系泊功能補(bǔ)充。如果作業(yè)過(guò)程中發(fā)生緊急情況(如液體泄漏),吸附裝置和快速脫纜鉤會(huì)自動(dòng)脫離,讓傳輸平臺(tái)自由移動(dòng)。

綜合平臺(tái)穩(wěn)性、主尺度優(yōu)化、布置靈活度、操作安全便利性等,方案五符合性能要求且最優(yōu)。

3 船型布置及功能設(shè)計(jì)

為簡(jiǎn)化LNG傳輸平臺(tái)配置,增加作業(yè)靈活性,主要設(shè)備配置在岸端,主要包括:岸端過(guò)程控制系統(tǒng);視頻監(jiān)控指揮中心;火氣探測(cè)系統(tǒng)控制室和控制柜;貨物存儲(chǔ)系統(tǒng);電力控制中心;漂浮軟管儲(chǔ)存;氮?dú)獯祾咴O(shè)備;臍帶纜滾筒;氣化器等。

主船體分為重潛側(cè)和輕潛側(cè),重潛側(cè)的下方通過(guò)重潛支柱連接重潛體,輕潛側(cè)的下方通過(guò)輕潛支柱連接輕潛體,重潛體的截面大于輕潛體的截面;重潛支柱上設(shè)置重潛支柱槽,輕潛支柱上設(shè)置輕潛支柱槽。

主船體上設(shè)置非對(duì)稱式跨接軟管收納結(jié)構(gòu),跨接軟管鋪設(shè)在跨接軟管架上,跨接軟管的管匯接頭端放置在重潛支柱槽內(nèi),LNG接頭端放置在輕潛支柱槽內(nèi);跨接軟管架采用直管段的兩端分別連接重潛弧管段和輕潛弧管段構(gòu)成近似S型;跨接軟管架上均布6根管槽,管槽采用半槽壁與弧形槽底構(gòu)成,用來(lái)限制軟管晃動(dòng)。

跨接軟管架直管段的下方設(shè)置傳輸平臺(tái)管匯,一側(cè)連接漂浮軟管,另一側(cè)為用于連接跨接軟管的接頭。

重潛側(cè)設(shè)置主系泊裝置,即真空吸附裝置,輕潛側(cè)設(shè)置視頻監(jiān)控系統(tǒng)、線性UPS;主船體上還配備有緊急釋放系統(tǒng)、火氣探測(cè)系統(tǒng)、距離檢測(cè)儀、防跌落緩沖系統(tǒng)。

線性UPS用于給設(shè)備提供不間斷的電力供應(yīng);視頻監(jiān)控系統(tǒng)用于采集傳輸平臺(tái)內(nèi)外視頻圖像、音頻信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶的全方位監(jiān)控;距離檢測(cè)儀用于監(jiān)測(cè)兩船在進(jìn)行船對(duì)船輸送操作時(shí)的相互距離;緊急釋放系統(tǒng)用于緊急情況下LNG低溫跨接軟管與LNG輸送端的快速分離;防跌落緩沖系統(tǒng)用于跨接軟管在掉落過(guò)程中,緩沖跨接軟管的下降速度使其平穩(wěn)降落;火氣探測(cè)系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)傳輸平臺(tái)上各個(gè)部位的氣體泄露和火災(zāi)情況。LNG傳輸平臺(tái)方案見圖6。

圖6 LNG傳輸平臺(tái)方案

由于采用了非對(duì)稱式小水線面雙體船的形式,結(jié)構(gòu)重量控制較好,同時(shí)根據(jù)計(jì)算硬管總?cè)莘e為7.54 m3,貨物密度為470 kg/m3,作業(yè)時(shí)增加的重量為3.54 t,引起重心高度升高0.04 m,吃水增加0.1 m,穩(wěn)心高減少0.02 m,可見對(duì)傳輸平臺(tái)的浮態(tài)和穩(wěn)性影響較小。因此,傳輸平臺(tái)上作業(yè)過(guò)程中變動(dòng)載荷較少,不設(shè)置壓載系統(tǒng)。

4 三方聯(lián)動(dòng)通訊設(shè)計(jì)

目前投入應(yīng)用的船岸和船船之間的通訊及控制方式都是兩兩控制,本方案在LNG傳輸平臺(tái)上設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)船岸和船船三方聯(lián)動(dòng)的控制系統(tǒng),與傳輸平臺(tái)功能相關(guān)的控制系統(tǒng)主單元設(shè)在傳輸平臺(tái)上,控制系統(tǒng)構(gòu)架見圖7。

圖7 LNG傳輸平臺(tái)三方聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)架

火災(zāi)信號(hào)、氣體泄漏信號(hào)會(huì)觸發(fā)傳輸平臺(tái)主單元上的自動(dòng)滅火信號(hào),實(shí)施滅火操作;艙底液位信號(hào)會(huì)觸發(fā)主單元上的艙底水控制信號(hào),實(shí)施自動(dòng)啟泵排水;真空吸附裝置信號(hào)會(huì)觸發(fā)主單元上的動(dòng)態(tài)系泊控制系統(tǒng),保障吸力,實(shí)施吸盤安全移位;閥門遙控信號(hào)會(huì)觸發(fā)主單元上的閥門控制系統(tǒng),實(shí)施傳輸平臺(tái)上閥門開關(guān)動(dòng)作;張力監(jiān)測(cè)信號(hào)會(huì)觸發(fā)主單元上的快速脫鉤控制系統(tǒng),使得傳輸平臺(tái)上脫纜鉤釋放系泊纜繩,保障傳輸平臺(tái)設(shè)備設(shè)施的安全。將主單元放在傳輸平臺(tái)上的優(yōu)點(diǎn)在于要將傳輸平臺(tái)進(jìn)行移駁作業(yè),更換作業(yè)地點(diǎn)時(shí),只需將傳輸平臺(tái)及軟管拖航至新的作業(yè)海域,無(wú)需對(duì)岸端進(jìn)行大幅度控制系統(tǒng)改造,只需配備相應(yīng)的上位機(jī)即可。

5 平臺(tái)靠/系泊方式設(shè)計(jì)

目前船舶采用的系泊形式主要包括:纜繩系泊、錨泊定位、真空吸附裝置系泊三種形式。

采用纜繩系泊時(shí),LNG船與傳輸平臺(tái)干舷落差較大,隨著貨物傳輸過(guò)程的推移,落差越來(lái)越大,纜繩系泊的水平較小,當(dāng)環(huán)境條件較差時(shí),容易造成兩船之間懸垂角變大,運(yùn)動(dòng)加劇,存在傳輸作業(yè)的碰撞、斷纜風(fēng)險(xiǎn),不適用于噸位相差太大的船舶。

采用錨泊定位時(shí),LNG浮式傳輸平臺(tái)自身的位置較為固定,不能靈活移動(dòng)。

采用真空吸附裝置系泊時(shí),配置兩套真空吸附裝置,每一套有2個(gè)吸盤,作業(yè)時(shí)至少保證有3個(gè)吸盤處于吸附狀態(tài),傳輸平臺(tái)與LNG船形成聯(lián)合浮體,能夠隨著LNG船吃水的變化而變化,該裝置允許傳輸平臺(tái)小范圍內(nèi)通過(guò)液壓桿自由垂直移動(dòng)(傾斜),見圖8。如果吃水或潮汐變化導(dǎo)致船舶的垂直位置發(fā)生顯著變化,該系統(tǒng)都會(huì)通過(guò)岸端控制進(jìn)行遙控操作調(diào)節(jié)其吸附在船上的位置,整個(gè)移位過(guò)程中,吸附裝置總是緊貼在LNG船舷側(cè),從而保證傳輸平臺(tái)和LNG船的浮態(tài)實(shí)現(xiàn)同步變化,使貨物的輸送保持平穩(wěn)。

圖8 真空吸附裝置系泊

為了保證作業(yè)安全,本方案采用真空吸附裝置+配置快速脫纜鉤的纜繩系泊,實(shí)現(xiàn)兩船連接解脫雙保險(xiǎn)。

LNG船在位和LNG傳輸平臺(tái)閑置或自存時(shí),均采用安裝在作業(yè)地點(diǎn)的水中浮筒進(jìn)行系泊定位,LNG傳輸平臺(tái)系泊在其中1個(gè)浮筒上,浮筒上配備有太陽(yáng)能儲(chǔ)能裝置及航行燈信號(hào),能夠?qū)崿F(xiàn)能量的自給自足,具備360°回轉(zhuǎn)功能,轉(zhuǎn)接駁始終圍繞浮筒形成單點(diǎn)系泊效應(yīng),可抵御2.5 m有義波高的惡劣海況,見圖9。

圖9 傳輸平臺(tái)閑置或自存模式

6 結(jié)論

非對(duì)稱式的小水線面雙體船船型方案中,S型布置及兩端下沉的軟管儲(chǔ)存能夠彌補(bǔ)甲板布置空間的不足,合理利用艙室空間,有效減小平臺(tái)尺度;非對(duì)稱的船型結(jié)構(gòu)合理利用了平臺(tái)的重量分布進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計(jì),減少了濕表面積,提高了運(yùn)動(dòng)性能;三方聯(lián)動(dòng)的通訊方式能實(shí)現(xiàn)一套中心模塊控制三個(gè)平臺(tái)或岸基之間的無(wú)障礙通訊;真空吸附裝置用于浮體之間的水上系泊更加快速便捷。非對(duì)稱小水線面LNG傳輸平臺(tái)的方案設(shè)計(jì)從船型、布置、功能配置上進(jìn)行了創(chuàng)新優(yōu)化,技術(shù)可行,能夠解決受限區(qū)域LNG方便快捷的傳輸問(wèn)題。