浮式储存气化装置系泊系统紧急解脱风速研究*

毕晓星 刘 洋 彭延建

(中海石油气电集团有限责任公司 北京 100028)

浮式储存气化装置系泊系统紧急解脱风速研究*

毕晓星 刘 洋 彭延建

(中海石油气电集团有限责任公司 北京 100028)

毕晓星,刘洋,彭延建.浮式储存气化装置系泊系统紧急解脱风速研究[J].中国海上油气，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.

浮式储存气化装置(FSRU)作业时需要长时间系泊于码头上，其连续作业能力成为评估一个FSRU项目的重要指标。以天津FSRU项目为例，基于现场实际采集的风、浪、流数据和实测缆绳数据，通过建立FSRU系泊模型对系泊缆张力进行了数值模拟计算，并运用现场的缆绳载荷监测系统对计算结果进行了验证。研究结果表明，FSRU在风速超过《液化天然气码头设计规范》要求的20 m/s时并不需要紧急离泊，只有超过22.5 m/s时，须采取应急措施，高压外输臂会紧急切断并断开连接，在系泊缆张力达到破断力的50%之前无需进行离港操作，这样可以极大提升FSRU的作业效率，保证供气的连续性。研究结果可为今后FSRU的建设运行提供理论依据。

FSRU；系泊模型；数值模拟；风速；缆绳载荷监测系统；验证；紧急解脱

经过10余年的发展，海上浮式LNG接收终端技术日益成熟，国外已有数个浮式LNG接收终端项目投产，证明技术可行，安全可靠。浮式储存气化装置(FSRU)作为LNG海上接收终端结合常规LNG接收站建设，可很好地平衡LNG储存量和设施气化外输能力的阶段性要求，充分发挥FSRU设施建设周期短、方便灵活的优势。2013年11月21日，天津港南疆南LNG项目(南疆54号泊位)迎来首艘靠泊船舶 “安海角”号，标志着中海油天津FSRU项目启用投产。

FSRU的作业码头是专业码头，港区受到较好掩护，浪小、流弱且和码头轴线夹角很小，所以浪和流对船体的作用非常小，但由于上部结构受风面积大，因此风是产生船舶载荷的一个主要因素，成为制约FSRU作业的最不利条件。FSRU 承担着 LNG 气化和天然气输送、保障民生用气的任务，作业时需要长期靠系泊在码头，因此FSRU应尽量减少离港避风的次数。虽然国内首个FSRU项目已投产3年，但我国尚无针对FSRU设计建造和营运的强制性规定，相关规范和标准研究到目前为止还处于起步阶段，只能参考国外相关规定。

满足系泊条件是FSRU作业的关键因素，目前监管部门主要参照《液化天然气码头设计规范》[1]要求在港系泊系统紧急解脱风速要小于20 m/s。在我国大部分沿海地区，20m/s的紧急解脱风速对于FSRU项目来说显得过小，尤其是受台风影响较大的地区，因此有必要针对FSRU码头系泊抗风能力进行分析研究。本文以天津FSRU项目为例，采用数值模拟的方法对其系泊状态下的缆绳张力进行模拟，将模拟结果与码头实测数据进行对比验证，研究FSRU系泊状态下的最大抗风能力，为工程建设和生产运营提供参考。

1 数值模型的建立

1.1 FSRU系泊系统

天津FSRU项目是国内唯一投产的FSRU项目，目标船船型主要参数为：船舶排水量13.8×104m3、总长283 m、型宽43.4 m、型深26 m、吃水10 m；泊位码头主尺度为：长度400 m、码头面顶高程6.5 m、码头前沿底高程-14.5 m。码头和船体是2个单体，码头永久固定，不参与运动，船体假定为刚体，靠缆绳固定在码头的带缆桩上。FSRU的系泊缆为高强度纤维缆，共18根，每根直径42 mm，破断负荷117 t；系、靠船墩上配有快速脱缆勾，靠船墩上垂直布置有标准反力橡胶护舷。

根据我国《开敞式码头设计与施工技术规程》及其他国家的行业规范，系泊缆的分布应符合表1要求。参考表1的要求及码头上系缆墩的分布，FSRU系泊系统从船首至船尾采用3、2、2、2、2、2、3、2的系泊方式，码头中部并列均匀布置4组护舷。FSRU码头系泊布置见图1所示。

表1 系泊缆长度及角度要求Table 1 Mooring cable length and angle requirements

图1 FSRU码头系泊模型Fig .1 FSRU wharf mooing model

1.2 风载荷

对于系泊在码头上的FSRU，计算风压力垂直于码头前沿线的横向分力和平行于码头前沿线的纵向分力可按下列公式计算：

(1)

(2)

式(1)、(2)中：Fxw、Fyw分别为作用在船舶上的计算风压力的横向和纵向分力；Axw、Ayw分别为船体水面以上横向和纵向受风面积；Vx、Vy分别为设计风速的横向和纵向分量；ζ1为风压不均匀折减系数；ζ2为风压高度变化修正系数。

FSRU水面以上受风面积根据设计船型和船舶的装载情况确定，在缺乏船型资料时也可参照国际航运协会护舷系统设计规范中关于各类船型的满载排水量及受风面积表进行模拟。需要注意的是，FSRU的上层建筑一般在船尾部分，其质心和型心之间存在一个力臂，因此风力对FSRU的作用形式不是均匀平推的。在采用通用的水动力学分析软件计算时，风载系数矩阵中除了需要输入3个方向的水平风力系数之外，还需考虑侧向风作用下船体受到的沿Z轴的转船力矩。 根据经验，当FSRU水面以上部分沿横向或纵向轮廓的最大水平尺寸大于等于250 m时，风压不均匀折减系数ζ1取0.6；当FSRU水面以上部分高度大于等于20 m时，风压高度变化修 正系数ζ2取1.39。

1.3 流载荷

水流对FSRU产生的水流力，船首横向分力和船尾横向分力为

(3)

(4)

式(3)、(4)中：Fxsc、Fxmc分别为水流作用于船首横向分力和船尾横向分力；ρ为海水的密度；V为流速；B′为船舶吃水线以下的横向投影面积；Cxsc、Cxmc分别为水流作用于船首横向分力系数和船尾横向分力系数。

根据天津港区最近一次水文实测数据，发现该港区基本属于往复流且流向较为集中，与码头轴线夹角较小，流速的垂线分布中层最大，底层最小，该海域流速相对较小，潮段平均流速一般小于0.3 m/s，属弱流海区。

1.4 波浪载荷

波浪对FSRU的作用相对来说较为复杂，除了产生一个与其频率相等的震荡力之外，还会有与波浪的传播方向一致的稳定的漂移力，在缆绳张力的静力计算中，主要考虑定常漂移力作用，可按下式计算：

(5)

式(5)中：Fd为波浪对FSRU的定常力作用；L为垂直于波浪方向的线形尺度；H为计算波高；Cr为船舶流体动力系数。

1.5 网格尺寸与波浪频率的内在关系

采用水动力计算软件分析计算时，船体几何模型建立之后需要对模型进行网格划分，网格密度的选取直接关系到计算能否顺利收敛或能否获取比较精确的计算结果。对于通用的水动力学分析软件来说，网格尺寸和计算允许的波浪频率之间也存在一个特定的内在关系[2]，这是因为求解器所基于的理论要求一个波浪的波长必须至少穿过7个网格单元，单元尺寸越大，波长就越长。对于规则波来说，波长和频率之间存在以下关系：

(6)

式(6)中：LC为波长；TC为波浪周期。

网格越稀疏计算所允许的波浪频率就越小，网格越密集计算所允许的波浪频率就越大，因此在进行网格划分之前必须先要确定目标海况的最大波浪频率。对于本计算来说，目标港区的最大波浪频率较低，将网格最大单位尺寸设定为5 m时对应的最大允许计算波浪频率为0.228 Hz，可以包含目标港区的最大波浪频率。此外，在网格划分的过程中还需要设定缺陷容差，根据经验缺陷容差可设定为最大网格单位尺寸的40%，也就是2 m[3]。

2 缆张力模拟结果分析

2.1 缆绳载荷监测系统

天津FSRU项目缆绳载荷检测系统采用的是丹麦MARIMATECH公司的MLMS系统。该系统不仅能准确监测船舶的速度、船首与船尾的离岸距离、船舶在系泊状态下的漂移等，同时主控计算机通过网络与各类监测仪器和电子传感器相连，将作业区的风速、风向、波速、波向、波周期、潮位、流速、流向、船舶吃水、系缆力及护舷压缩量等数据进行采集和处理，并将其结果用图形或其他形式显示到屏幕上，同时在计算机上显示每根缆绳受力的峰值、平均值和瞬时值的大小。当缆绳拉力超过预拉力时，系统能够及时报警，以保证脱缆钩的安全可靠[4]，也可为FSRU的系泊研究提供第一手数据。 该系统主要有以下特点： ①通过控制单元接收数据并显示、存储在计算机内，同时根据接收对脱缆钩进行远程控制，并具有声光报警功能；②实现信息的存储和随时查询；③有故障自诊断功能，通过指示灯的不同闪烁而确定系统是否有故障；④系统按1区防爆区域设计，防护等级IP66。

天津FSRU项目的MLMS系统配合远程控制系统，通过应力销监测系缆载荷，通过制动装置开启脱缆钩，可以使船岸双方在第一时间对潜在的事故风险做出迅速判断，从而确保码头安全。

2.2 数值模型验证

为了验证数值模型的计算精度，在MLMS系统中选取3个典型时刻(2016年10月1日为近期所出现的最大风速，达到了22 m/s；11月22日风速较10月1日小，但是风向为吹开风；9月4日的风力大小与11月22日相似，但风向相反)的实测数据对数值模型计算值进行校验，图2为这3个时刻的实测数据与计算结果的对比情况。

通过对比结果可以发现，数值计算结果与实测结果无论是幅值还是趋势均较为吻合，偏差均在10%以内，处于可接受的合理范围，数值模型的计算精度得以有效验证。以上3种工况下缆绳的最大张力出现在风速22 m/s时，15号缆绳的瞬时张力为31 t，此时的破断系数仅为26.5%，仍然具有较大的安全余量。这一结果也证明了《液化天然气码头设计规范》中关于最大系泊风速的规定并不适用于FSRU项目，如果按照该规定进行操船作业的话，FSRU将面临频繁解脱，离港避风的情况，将极大影响其连续作业能力。

图2 FSRU不同时间的缆绳张力对比Fig .2 Comparison of FSRU cable tension under different time

2.3 FSRU最大抗风能力分析

国际航运协会关于安全系泊的描述为：钢缆的最大张力不应大于缆绳破断力的55%，尼龙缆的最大张力不应大于缆绳破断力的50%。在石油公司国际海事论坛出版的系缆设备指南[5]中也有相关规定：系泊船的缆绳张力不应大于其破断力的55%。

本项目50%破断系数所对应的最大系缆力为58.5 t，55%破断系数对应的最大系缆力为64.4 t。如果以缆绳许用张力为参考标准，并参考系缆墩和护舷的受力情况，本项目的码头系统对于该船型来说仍然具有很大安全余量。图3为破断系数为50%和55%情况下系泊缆绳可承受的最大风速。 从图3可以看出，以缆绳破断力的50%和55%为标准，系泊船的最大抗风能力均已大于30 m/s 的风速，该结果远大于《液化天然气码头设计规范》中20 m/s的系泊极限风速，这一改变将极大提升FSRU的连续作业能力。

图3 码头系泊缆可承受的最大风速Fig .3 The maximum wind speed of the mooring cable can withstand

3 结论

目前没有专门规范针对FSRU系泊条件做出规定，由于FSRU外形与LNG运输船相似，监管部门主要参考《液化天然气码头设计规范》，紧急离泊风速为20 m/s。本文对缆绳破断力的数值模拟研究结果表明，风速大于20 m/s时并不需要紧急离泊，只有超过22.5 m/s时，须采取应急措施，高压外输臂紧急切断并断开连接;在系泊缆张力达到破断力的50%之前无需进行离港操作，这样可以极大提升FSRU的作业效率，保证供气的连续性。

[1] 中华人民共和国交通运输部.JTS165—5—2009 液化天然气码头设计规范[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] 王建华，万德成.南海浮式码头与系泊系统动力耦合分析[J].水动力学研究与进展,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.码头安全监控系统在港口工程中的应用[J].水运工程,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.

(编辑：叶秋敏)

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

*中海石油气电集团有限责任公司科研项目“ LNG船靠、系泊模拟集成系统研究 (编号：QDKY-2016-YFZX-09)”部分研究成果。

毕晓星，男，高级工程师，1991年毕业于中国石油大学(北京)工业自动化专业，获硕士学位，现主要从事LNG工程项目的设计和管理工作。地址：北京市朝阳区太阳宫南街6号院C座(邮编： 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