非对称式小水线面LNG传输平台船型设计

夏华波

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司,天津 300452)

随着清洁能源的大力推动,现有LNG码头的能力不足以保证日益增长的能源供给需求[1-2]。受到水文条件、陆域条件、船舶航行条件等多因素影响,有些区域不具备布局传统LNG码头的设施条件[3],有些岛礁设施不全也无法实现LNG供给,有些LNG码头由于适用范围小不能与来船进行船岸兼容[4]等,这些都导致LNG无法进行正常传输。一种不需要建设岸基码头,不受水深限制即可实现远距离传输LNG的方式,即LNG浮式传输平台为上述问题提出了较好的解决思路。目前国内外对于该类装置都处于研究起步阶段[5-6],概念设计方案居多,但船型尺度不够小、布置不够灵活、功能配置不够简易。为此,考虑从船型、布置、功能配置等重要问题入手,设计一种新的浮式LNG传输平台装置,在无需码头的情况下实现LNG运输船和陆地/浮式储存设施间的传输,有效解决传统LNG接收站布局受限问题。

1 平台选型思路

1)现有LNG传输平台不足。国际上,Houlder公司提出了有人操作驳船型平台,Stena公司提出了半潜式大型LNG传输平台,ConnectLNG公司提出了小水线面品字形LNG传输平台。但这些都不能完全解决中国水域LNG传输的问题,存在种种不足:由于设备布置多,需求甲板面积大,质量较重;软管储存不方便;与终端接收站相比传输能力较小;控制系统没有实现船岸及平台三方联动;配置了推进系统操作复杂;投资较高。另外,由于在输送天然气时需要采用真空吸附装置将传输平台旁靠固定在LNG船的一侧,重型作业设备导致船舶一侧重量增加,为维持船体平衡,要么配置压载水系统,要么在平台另一侧添加固定压载的方式,增加了平台重量,牺牲了储备浮力,系统复杂,运行效率降低。

2)新平台设计思路。①布置优化,减小尺度:创新软管储存方式,尽可能减少甲板面积,采用小水线面减少波流力;②结构优化,空船重量得到控制:采用非对称式的小水线面双体船型,不用设置固定压载舱;③设备配置原则:传输平台尽量简配,不配软管吊、不配漂浮软管卷筒,重要设备依托岸上;④动力要求:不配置推进,采用拖轮顶推;⑤作业模式:不配置现场人员,采用无人遥控作业,仅接卸软管有人员辅助;⑥对标接收站:传输能力达到8 000 m3/h。

2 传输软管存放方案

2.1 传输软管存放方案选型

LNG浮式传输平台是一个可移动的LNG传输系统,平台上有管汇和LNG软管系统,一端连接LNG船舶,一端连接储存设施,可实现LNG船舶与储存设施之间的LNG传输。因平台主要功能为实现远距离LNG传输,故传输跨接软管的布置是方案决策的最为关键因素,根据选型思路,考虑5种传输平台设计方案,主要参数见表1。

表1 LNG传输平台方案对比

1)方案一,U型收纳槽方案,见图1。

图1 方案一

2)方案二,升降平台悬挂方案,见图2。

图2 方案二

3)方案三,吊环悬挂方案,见图3。

图3 方案三

4)方案四,一端软管下沉方案,见图4。

图4 方案四布置

5)方案五,S型两端软管下沉方案,见图5。

图5 方案五布置

2.2 传输软管方案比较分析

1)方案一软管呈”U”型放置在潜体和支柱内部,软管之间用收纳槽形式分隔,对潜体和支柱的尺寸要求较大,软管长度不能达到使用要求,稳定性较差,软管收放不便,且易磨损软管。

2)方案二在传输平台平台上面设计鞍座式升降平台,使软管搭载在升降装置上,软管两侧悬垂,升降装置顶部设计成类似于鞍座的形式,便于适应软管的弯曲半径,操作便利,减少了甲板面积,主尺度减小,降低造价,但是增加了装置的整体高度,导致平台稳性较差,易有倾覆风险。

3)方案三增加了传输平台的主尺度,左右两侧片体距离也增加,保证传输平台的稳性要求。采用吊环式升降平台,跨接软管穿过吊环悬挂在平台下方,软管两侧悬垂,在传输平台左舷处设置凹槽,便于作业时软管伸缩,可减小结构设计尺寸,这种形式升降装置仍然过高,初稳性不满足要求。

4)方案四在方案三基础上了进行了改进。采用甲板左侧开孔和软管架的形式储存软管,软管一部分进入支柱内部,主体搭放于软管架上方。软管架沿着甲板斜对角线的方向布置。作业时软管的连接除了依靠LNG船上的软管吊操作外,还需要人工协助使软管与LNG船管汇连接,以及软管与传输平台甲板上硬管、硬管与漂浮软管的连接。虽然软管左舷有凹槽设置,可一定程度上减小甲板使用面积,但是整体主尺度过大,非最优方案。

5)方案五在方案四基础上对软管储存进行更合理的布置。采用软管架和甲板左右两侧开孔的形式摆放软管,软管两端分别伸入左右支柱内部,增加软管的保护性,可减小软管架尺度,软管架摆放在甲板中间位置,硬管布置在软管架下方。为使作业时软管和LNG船管汇快速连接,将左侧支柱里的软管端部连接上快速接头;同时,传输平台首尾各布置一部快速脱缆钩,该装置的作用是防止传输平台漂移离开安全操作区域,是对吸附装置的系泊功能补充。如果作业过程中发生紧急情况(如液体泄漏),吸附装置和快速脱缆钩会自动脱离,让传输平台自由移动。

综合平台稳性、主尺度优化、布置灵活度、操作安全便利性等,方案五符合性能要求且最优。

3 船型布置及功能设计

为简化LNG传输平台配置,增加作业灵活性,主要设备配置在岸端,主要包括:岸端过程控制系统;视频监控指挥中心;火气探测系统控制室和控制柜;货物存储系统;电力控制中心;漂浮软管储存;氮气吹扫设备;脐带缆滚筒;气化器等。

主船体分为重潜侧和轻潜侧,重潜侧的下方通过重潜支柱连接重潜体,轻潜侧的下方通过轻潜支柱连接轻潜体,重潜体的截面大于轻潜体的截面;重潜支柱上设置重潜支柱槽,轻潜支柱上设置轻潜支柱槽。

主船体上设置非对称式跨接软管收纳结构,跨接软管铺设在跨接软管架上,跨接软管的管汇接头端放置在重潜支柱槽内,LNG接头端放置在轻潜支柱槽内;跨接软管架采用直管段的两端分别连接重潜弧管段和轻潜弧管段构成近似S型;跨接软管架上均布6根管槽,管槽采用半槽壁与弧形槽底构成,用来限制软管晃动。

跨接软管架直管段的下方设置传输平台管汇,一侧连接漂浮软管,另一侧为用于连接跨接软管的接头。

重潜侧设置主系泊装置,即真空吸附装置,轻潜侧设置视频监控系统、线性UPS;主船体上还配备有紧急释放系统、火气探测系统、距离检测仪、防跌落缓冲系统。

线性UPS用于给设备提供不间断的电力供应;视频监控系统用于采集传输平台内外视频图像、音频信息,实现对船舶的全方位监控;距离检测仪用于监测两船在进行船对船输送操作时的相互距离;紧急释放系统用于紧急情况下LNG低温跨接软管与LNG输送端的快速分离;防跌落缓冲系统用于跨接软管在掉落过程中,缓冲跨接软管的下降速度使其平稳降落;火气探测系统用于监测传输平台上各个部位的气体泄露和火灾情况。LNG传输平台方案见图6。

图6 LNG传输平台方案

由于采用了非对称式小水线面双体船的形式,结构重量控制较好,同时根据计算硬管总容积为7.54 m3,货物密度为470 kg/m3,作业时增加的重量为3.54 t,引起重心高度升高0.04 m,吃水增加0.1 m,稳心高减少0.02 m,可见对传输平台的浮态和稳性影响较小。因此,传输平台上作业过程中变动载荷较少,不设置压载系统。

4 三方联动通讯设计

目前投入应用的船岸和船船之间的通讯及控制方式都是两两控制,本方案在LNG传输平台上设计能实现船岸和船船三方联动的控制系统,与传输平台功能相关的控制系统主单元设在传输平台上,控制系统构架见图7。

图7 LNG传输平台三方联动控制系统构架

火灾信号、气体泄漏信号会触发传输平台主单元上的自动灭火信号,实施灭火操作;舱底液位信号会触发主单元上的舱底水控制信号,实施自动启泵排水;真空吸附装置信号会触发主单元上的动态系泊控制系统,保障吸力,实施吸盘安全移位;阀门遥控信号会触发主单元上的阀门控制系统,实施传输平台上阀门开关动作;张力监测信号会触发主单元上的快速脱钩控制系统,使得传输平台上脱缆钩释放系泊缆绳,保障传输平台设备设施的安全。将主单元放在传输平台上的优点在于要将传输平台进行移驳作业,更换作业地点时,只需将传输平台及软管拖航至新的作业海域,无需对岸端进行大幅度控制系统改造,只需配备相应的上位机即可。

5 平台靠/系泊方式设计

目前船舶采用的系泊形式主要包括:缆绳系泊、锚泊定位、真空吸附装置系泊三种形式。

采用缆绳系泊时,LNG船与传输平台干舷落差较大,随着货物传输过程的推移,落差越来越大,缆绳系泊的水平较小,当环境条件较差时,容易造成两船之间悬垂角变大,运动加剧,存在传输作业的碰撞、断缆风险,不适用于吨位相差太大的船舶。

采用锚泊定位时,LNG浮式传输平台自身的位置较为固定,不能灵活移动。

采用真空吸附装置系泊时,配置两套真空吸附装置,每一套有2个吸盘,作业时至少保证有3个吸盘处于吸附状态,传输平台与LNG船形成联合浮体,能够随着LNG船吃水的变化而变化,该装置允许传输平台小范围内通过液压杆自由垂直移动(倾斜),见图8。如果吃水或潮汐变化导致船舶的垂直位置发生显著变化,该系统都会通过岸端控制进行遥控操作调节其吸附在船上的位置,整个移位过程中,吸附装置总是紧贴在LNG船舷侧,从而保证传输平台和LNG船的浮态实现同步变化,使货物的输送保持平稳。

图8 真空吸附装置系泊

为了保证作业安全,本方案采用真空吸附装置+配置快速脱缆钩的缆绳系泊,实现两船连接解脱双保险。

LNG船在位和LNG传输平台闲置或自存时,均采用安装在作业地点的水中浮筒进行系泊定位,LNG传输平台系泊在其中1个浮筒上,浮筒上配备有太阳能储能装置及航行灯信号,能够实现能量的自给自足,具备360°回转功能,转接驳始终围绕浮筒形成单点系泊效应,可抵御2.5 m有义波高的恶劣海况,见图9。

图9 传输平台闲置或自存模式

6 结论

非对称式的小水线面双体船船型方案中,S型布置及两端下沉的软管储存能够弥补甲板布置空间的不足,合理利用舱室空间,有效减小平台尺度;非对称的船型结构合理利用了平台的重量分布进行结构优化创新设计,减少了湿表面积,提高了运动性能;三方联动的通讯方式能实现一套中心模块控制三个平台或岸基之间的无障碍通讯;真空吸附装置用于浮体之间的水上系泊更加快速便捷。非对称小水线面LNG传输平台的方案设计从船型、布置、功能配置上进行了创新优化,技术可行,能够解决受限区域LNG方便快捷的传输问题。