海上移动平台和FPSO拖航阻力分析.pdfVIP

第3 0 卷第5 期 中国海洋平台 V 0 1 3 0N o 5 2 0 1 5 年l O 月 C H I N A0 F F S H O R EP L A T F O R MO ct 。2 0 1 5 文章编号：1 0 0 1 4 5 0 0 ( 2 0 1 5 1 0 5 0 0 7 4 0 6 O 海上移动平台和F P S O 拖航阻力分析 张海燕 ( 中国船级社海工技术中心，天津3 0 0 4 5 7 ) 摘要：该文列举了不同规范标准中，海上移动平台和F P S O 拖航时，对环境条件的要求及计算拖航阻 力的经验公式。按照不同经验公式得到了自升式钻井平台和F P S O 在静水中的拖航阻力值，并与试验结果进 行了对比分析。结果表明，在航速大于4k n 时，按照C C S 海上拖航指南中的经验公式，剩余阻力比摩擦阻力 增大的速度更快，剩余阻力起控制作用。采用经验公式和数值分析对自升式钻井平台、F P S O 和半潜平台拖航 波浪阻力进行了计算，结果表明，海上拖航指南经验公式计算的波浪阻力是最小的。 关键词：移动平台；F P S O ；抱航阻力 中图分类号：P 7 5文献标识码：A T o w in gR e s is t a n ceA n a l y s iso fM o b il eO f f s h o r eU n it sa n dF P S O Z H A N GH a i y a n ( O f f s h o r eE n g in e e r in gT e ch n o l o g yC e n t e ro fC h in aC l a s sS o cie t y ，T ia n j in3 0 0 4 5 7 ) A b s t r a ct ：T o w in gr e q u ir e m e n t st Oe n v ir o n m e n t a lco n d it io n sa n dt h et o w in gr e s is t a n ceo f e x p e r ie n cef o r m u l a0 fm o b il eo f f s h o r eu n it a n dF P S Oa r ee n u m e r a t e da cco r d in gt Od if f e r e n t r u l e sa n ds p e cif ica t io n s t a n d a r d T o w in gr e s is t a n cev a l u eo fj a ck u pd r il l in gu n ita n dF P S Oin t h eh y d r o s t a t ica r eo b t a in e da cco r d in gt Ot h ed if f e r e n te m p ir ica lf o r m u l aa n dt h ee x p e r im e n t a l r e s U l t s T h er e s u l t ss h o wt h a tt h er e s id u a lr e s is t a n cein cr e a s e sf a s t e rt h a nf r ict io n a lr e s is t a n ce a tt h es p e e do fm o r et h a n4k n o t sina cco r d a n cew it ht h eC C St o w in gg u id ea tt h es e a W a v e r e s is t a n ceo fj a ck u pd r il l in gu n it ，F P S Oa n ds e m i s u b m e r s ib l e u n ita r eca l cu l a t e du s in gt h e e m p ir ica lf o r m u l aa n dt h en u m e r ica la n a l y s is T h er e s u l t sin d ica t et h a tw a v er e s is t a n ceisl e a s t a cco r d in gt OC C St o w in gg u id ea tt h es e a K e yw o r d s ：m o b il eu n it ；F P S O ；t o w in gr e s is t a n ce 引言 随着我国海洋石油开发的逐步深入，包括自升式钻井平台、半潜平台和F P S O 在内的海上移动平台的数 量在不断地增长。这些平台大多数都是非自航的，在从一个作业区到其他作业区时，需要船舶的拖带才能移 动。选择合适的拖带船舶和拖曳设备的主要依据是拖航时平台在可能的最恶劣环境条件下所受到的阻力 ( 即拖航阻力) ，因此，拖航阻力的估算在平台管理中起着重要作用。 现阶段对海上移动平台、F P S O 的拖航阻力进行了广泛的研究，各船级社也给出了拖航阻力的经验公 收稿日期：2 0 1 4 1 2 1 9 作者简介：张海燕( 1 9 7 8 一) ，女，高级工程师。 第5 期 张海燕，等海上移动平台和F P S O 拖航阻力分析 式。侯林等口3 对一自升式平台进行了静水和不规则波作用下的拖航试验，得到了不同航速和有义波高时的 拖航阻力值。杜庆贵等心3 对半潜式钻井平台的拖航阻力进行了数值模拟，得到了不同截面形式的拖航阻力。 C C S 也提出了拖航时对海上移动平台、其他海上设施、拖船、拖曳设备及索具的要求，并给出了计算拖航阻 力的经验公式。 该文列举了不同规范标准中有关移动平台、F P S O 拖航时对环境条件的要求和计算拖航阻力的经验公 式。按照不同公式计算自升式钻井平台和F P S O 在静水中拖航阻力值，并与试验结果进行对比分析；采用经 验公式和数值分析对自升式钻井平台、F P S O 和半潜平台的波浪阻力进行计算；采用经验公式对自升式平台 和半潜平台的流阻力进行计算，并和试验结果进行对比分析。 1 拖航环境条件 海上移动平台和F P S O 在实际拖航中的环境条件远比计算拖航环境海况好得多，但在拖航过程中有可 能遇到恶劣海况，因此，计算极端海况下的拖航阻力是能保证拖航安全的必要条件，并需充分考虑拖航时正 常操作和紧急操作的要求，不同规范中计算拖航阻力的环境条件见表1 。 表1 环境条件 风速( m s ) 2 02 02 02 0一 流速( m s ) o 51 00 5 0 5 一 有义波高( m ) 55 55一 波浪周期( s ) 一 6 9一一 注：在静水中拖航要求：移动平台拖航时，拖航速度不小于4 k n ；拖带半潜式平台，拖航速度不小于5k n ；具有自航能力的 半潜式平台，拖航时若同时开动其推进主机，则其叠加拖航速度应不大干1 0k n 2 静水中拖航阻力分析 2 1 分析方法 海洋平台和F P S O 在静水中的阻力包括裸体阻力和附体阻力。裸体阻力包括摩擦阻力、粘压阻力( 也称 旋涡阻力) 和兴波阻力。粘压阻力所占比重不大，且很难和兴波阻力分开，通常把粘压阻力和兴波阻力合并 在一起称为剩余阻力。因此，在计算静水中拖航阻力时，仅需计算摩擦阻力和剩余阻力，必要时考虑附加阻 力3 I 。摩擦阻力仅与雷诺数有关，剩余阻力仅与傅汝德数有关。 ( 1 ) I T T C 中的经验公式 由于在静水中拖航的速度不小于4k n ，海洋平台、F P S O 是在紊流中运动，可以使用I T T C 中的公式计 算摩擦阻力( 以下简称“I T T C 阻力”) 。根据雷诺数变化范围，摩擦阻力按照式( 1 ) 、式( 2 ) 计算。 当雷诺数R e 2 x 1 0 7 时，其摩擦阻力为： R F 一0 5 ( C _ + C F ) e vS ( 2 ) 式中：C ，为摩擦阻力系数，呈对数分布。大量的试验证明，当风2 1 0 7 时，A C F 趋于固定值。据此， 在傅妆德换算方法中，常取A C F = 0 4 1 0 - 3 作为实船粗糙度补贴。 中国海洋平台第3 0 卷第5 期 R P = 三竺( 3 ) 式中：L 为船长；v 为水的粘性系数( 与温度有关) 。 ( 2 ) 海上拖航指南中的经验公式 海上拖航指南中给出的摩擦阻力R F 和剩余阻力尺。的计算公式分别为嘲： R F 一1 6 7 S V l 8 3( 4 ) R B = 0 1 4 7 姐2 V 1 7 4 + 0 1 5 V( 5 ) 式中：占为方形系数，艿2 击；A 。为浸水部分船中横剖面积。 ( 3 ) T o w in g ) ) 中的经验公式 英国O P L 出版的油田海船第四卷T o w in g ，其摩擦阻力和剩余阻力按照式( 6 ) 、式( 7 ) 计算： R F 一1 3 5 66 S F l 俨1 0 _ 4( 6 ) 式中：F 。为被拖物湿表面海生物生长状况系数。F 。= 0 3 时，表面清洁无附着物；F 。一0 4 时，表面清洁 有粘性物；F ，= 0 5 时，表面有轻微的海生物；F 。一0 6 时，表面有轻微的海生物小贝壳类附着物；F 。一 0 7 时，表面有轻微的海生物贝壳类附着物；F 。一0 8 时，表面有中等量的海生物贝壳类附着物；F 。= 0 9 时，表面有大量的海生物贝壳类附着物明显外凸表面。 R 8 = 1 3 9 19 A z F 2 V 2 1 2 1 0 4( 7 ) 式中：F z 为被拖物拖曳设备配备的位置，对于平台一般选取0 8 1 0 ，船型一般选取0 3 0 5 。 ( 4 ) 模型试验 按照相似定律，确定模型和实物各个量之间的转换关系，制作海洋平台、F P S O 的简化模型，在拖曳水池 中做拖航模型试验，测量移动平台、F P S 0 的拖航阻力。 2 2 实例分析 对某自升式钻井平台( 四个圆柱形桩腿) 和F P S O 拖航阻力进行分析，平台参数见表2 。 表2 平台参数 2 3 计算结果分析 在温度为0 C 、I O 。C 和2 0 时平台的雷诺数、按照不同经验公式计算的拖航阻力及试验测得的拖航阻力 见表3 、表4 。根据表3 、表4 中给出的某自升式平台、F P S O 在静水中拖航阻力可知： ( 1 ) 使用I T T C 中的经验公式得到的平台在静水中拖航阻力偏小，这是由于该公式仅计算摩擦阻力而 没有考虑剩余阻力。因此，尽量不要使用这个经验公式计算海上移动平台和F P S O 在静水中的拖航阻力。 ( 2 ) 对某自升式平台，模型试验得到的拖航阻力比指南和T o w in g 中经验公式计算数值要大，且 T o w in g ) ) 中经验公式比指南中经验公式计算出拖航阻力大；对F P S O ，模型试验得到的拖航阻力比指 南中经验公式计算值要小，但比T o w in g ) ) 中经验公式计算值要大。 ( 3 ) 指南中随着拖航速度的增加，剩余阻力随拖航速度呈指数增加，剩余阻力比摩擦阻力增大的速度 更快，拖航阻力基本上是剩余阻力起控制作用。 第5 期张海燕，等海上移动平台和F P S O 拖航阻力分析 7 7 袁4F P S O 静水中拖航阻力 T o w in g ) ) ( k N ) 摩擦阻力 剩余阻力 合计 1 1 7 6 6 1 7 。7 8 4 6 8 2 6 5 3 1 2 1 0 5 5 9 5 7 0 。O 1 8 7 1 0 5 8 2 9 3 1 6 5 4 4 2 1 2 3 8 1 5 7 4 3 2 4 1 7 4 9 4 2 3 4 1 2 4 。51 9 4 。72 8 0 23 8 1 54 9 8 。3 实验( k N ) 1 2 5 05 0 0 0 1 1 2 5 02 0 03 1 2 54 5 06 1 2 5 0 8 0 0 3考虑环境条件拖航阻力分析 海洋平台和F P S O 在静水中计算拖航阻力数值时，无论使用经验公式还是模型试验得到的拖航阻力值， 都比在考虑环境条件下得到的结果小得多，尤其是在极端环境条件下的拖航阻力值。 7 8 中国海洋平台第3 0 卷第5 期 3 1 风阻力 由于海洋平台和F P S O 在上甲板以上构件较多，受风面积较大，致使风阻力占的比重较大。有时风阻力 能达到波、流阻力之和的两倍( 尤其是自升式平台) 。各船级社和行业标准中均有计算风阻力的方法，风阻力 的计算可参照参考文献 8 。 3 2波浪阻力 波浪力的计算方法有模型试验、数值计算及经验公式，对不同船级的平台，选用不同方法，计算出的波浪 阻力会相差很大。 3 2 1 计算方法 ( 1 ) D N V 波浪阻力计算公式 波浪阻力随着拖航速度增加呈线性变化，计算公式为4 | ： R w R W o + V B 1 1 ( 8 ) 式中：B ，。为波浪阻力阻尼。 在拖航速度为0 时，波浪阻力简化如下： R w 。一p g R i2 B H 2 s ( 9 ) O 式中：H 。为有义波高；R 为系数，对方形面R 1 0 0 ，垂直圆柱R 一0 8 8 。 ( 2 ) C C S 波浪阻力计算公式 C C S 拖航须知中波浪阻力的计算公式为m 3 ： “ 1 5 R w 一1 2 V H 2 s B ( r o1 ( 1 0 ) ( 3 ) 数值计算 在软件中建立平台模型，进行线性绕射理论分析，确定波浪阻力系数，波浪阻力按式( 1 1 ) 计算： 广 R w l2 W D ( 叫) S ( w ) d w ( 1 1 ) J 式中：W D ( 硼) 为方向分布函数；S ( 叫) 为波谱。 s ( 叫) 一掣P ( 一而3 1 1 ) ( 1 2 ) 叫。 3 2 2 实例分析 对某自升式平台、F P S O 和某半潜平台波浪阻力进行了计算，计算结果见表6 。 表5 波浪阻力 航速 k n o t 0123 D N V ( k N ) 2 5 4 5 2 自升式平台CCS(kN)0 6 8 2 81 3 6 5 62 0 4 8 4 数值计算( k N ) 3 3 1 5 8 DNV(kN)80301 半潜平台CCS(kN)0 1 9 4 93 8 9 85 8 4 6 数值计算( k N ) 12 3 4 1 0 注：半潜平台参数为：下浮体长L 一1 0 4 5m ，单个下浮体宽B 一1 6 5m ，下浮体高D 一1 0 0 5m 。拖航吃水d 一9 7 5m 。 第5 期张海燕，等海上移动平台和F P S O 拖航阻力分析 3 2 3 计算结果分析 对自升式平台、F P S O 和某半潜平台，C C S 经验公式计算的波浪阻力最小，且远小于D N V 经验公式和 数值计算结果。而对于半潜平台和F P S O 等大尺度结构物，尽量使用模型试验数据或软件计算结果更接近 拖航的实际载荷。 3 3 流阻力 3 3 1 计算方法 通常采用以下做法计算拖航时的流阻力：( 1 ) 在静水中1k n 拖航速度的拖航阻力记为1k n 流速产生的 拖航阻力；( 2 ) 使用风洞试验测得在水线以下构件的流阻力；( 3 ) 按照式( 1 3 ) 式( 1 5 ) 计算。根据不同构件 计算的流阻力的公式如下 1 1 I ： ( 1 ) 首部或尾部流在有线型的船体上产生的力 F 。= C 。s 驴 ( 1 3 ) 式中：F 。为首部的流力；C 。为首部的流力系数；S 为船体的湿表面积，包括附件；U 为设计流速。 ( 2 ) 横向流在直线型的船体上产生的力 F 。一C 。S 睚 ( 1 4 ) 式中：F c，为横向流力；C 。为横向流力系数，C 。= 7 2 3 7N S 2 m 4 。 ( 3 ) 流在半潜式船体上产生的力 F 。一e ( C a A 。+ C a A ，) 驴 ( 1 5 ) 式中：凡为流力；C a 为半潜式船体的流力系数；G 为阻力系数( 无量纲) ；A 。为所有水下圆柱形构件总 投影面积之和；A ，为所有水下便平面的构件总投影面积之和。 计算作用在平台水下部分构件的海流载荷计算公式如下： F c一0 5 C D P 睚A 2 ( 1 6 ) 式中：C D 为拖曳力系数。对于拖航自升式平台、半潜平台和F P S O 等大尺寸结构物，C D 由试验确定。 3 3 2 实例分析 按照方法1 3 对某自升式平台和某半潜平台拖航流阻力进行计算，结果见表7 。 表7 流阻力单位：k N 注：计算半潜平台拖航流阻力时流为1m s 。 3 。3 3 计算结果分析 由表7 可知，实验结果和经验公式计算结果相差较大。对半潜式平台，撑杆位置及尺寸对波浪阻力的影 响较大，这与自升式平台体的计算是不同的。 4 结论 通过对海洋移动平台、F P S O 拖航环境条件比较，及按照不同经验公式得到的自升式平台、F P S O 和半 潜平台拖航阻力值和试验结果进行对比分析，得出结论如下： ( 1 ) 对拖航时极端环境条件，除了D N V 要求1m s 流速外，其它船级社和行业标准要求是一致的。 ( 2 ) 静水中拖航的波浪阻力经验公式计算结果与其他经验公式及模型试验结果相差很大。公式中拖航 阻力仅为浸水部分船中横剖面积和航速的函数，缺少摩擦阻力系数对拖航阻力的影响，有待于通过模型试验 进一步优化。 ( 下转第8 3 页) 第5 期 吴桂松海洋平台能源监测系统的技术研究 式中：Q 为热油有效利用热量，k W ；W 为热油流量，m 3 h ；P 为热油密度，10 0 5k g m 3 ；C 为热油比热， 2 6k J ( k g K ) ；t ，、t ：为导热油进出口温度，。 ( 3 ) 废热回收装置节省燃料计算 理论计算的逐月热负荷见表2 。 表2 废热回收装置节省燃料计算 不使用废热回收装置的情况下，满足平台实际逐月热负荷消耗的燃气量按公式( 3 ) 计算： G 一泼弩 7XH ” 式中：G 为耗气量，S m 3 h ；7 为锅炉效率；H 。为燃气低热值，k J S m 3 。 4结语 该文对于构建海洋平台的能源消耗监测系统给出一个可行的技术方案，随着国家对节能减排对越来越严，势 必会对石油行业建立自己的能源监控产生巨大影响。能源监控系统对于工艺系统的设计，机械设备的选型具有很 好的指导意义。对于节能减排的技术改革工作提供实时数据支持，可以较为方便的计算投资回报率。 参考文献 1 G B T8 5 6 7 计算机软件文档编制规范 S 2 0 0 6 2 G B T9 3 8 5 计算机软件需求说明编制规范I s 2 0 0 8 3 S T T6 3 7 5 石油企业能源综合利用技术导则 S 1 9 9 8 ( 上接第7 9 页) ( 3 ) 在考虑恶劣环境条件拖航时，经验公式计算的波浪阻力是最小的。可以通过模型试验和多元统计 相结合的方法对经验公式进行修正，并针