LNG浮式轉(zhuǎn)接駁并聯(lián)系泊裝置設(shè)計(jì)

韓宇，楊靜，李萌，吳昊，周毅，張海濤

(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)

合理選取LNG碼頭位置對(duì)整個(gè)LNG產(chǎn)業(yè)鏈的有重要的影響。根據(jù)《關(guān)于全國(guó)沿海與長(zhǎng)江干線液化天然氣接收站碼頭布局發(fā)展的意見(2035)》規(guī)劃在全國(guó)沿海新增布局了多處港址。需對(duì)應(yīng)開展碼頭選址分析，部分站址通過充分的可行性論證可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)LNG接收站模式的布局。但也存在部分站址通過論證后，不具備布局傳統(tǒng)的碼頭接駁設(shè)施條件。為此，提出一種使用LNG浮式轉(zhuǎn)接駁代替LNG碼頭的設(shè)想。為了保證轉(zhuǎn)接駁與LNG運(yùn)輸船在外輸作業(yè)過程中的相對(duì)穩(wěn)定性，分析LNG浮式轉(zhuǎn)接駁的系泊方式，提出一種適用于LNG浮式轉(zhuǎn)接駁的并聯(lián)系泊裝置。

在世界港口主要應(yīng)用的產(chǎn)品有Cavotec公司的MoorMaster系列智能系泊裝置、Mampaey公司研發(fā)的串聯(lián)機(jī)械臂式Ship-Side及并聯(lián)式Shore-Side系泊裝置。

常見產(chǎn)品及特點(diǎn)見表1。

表1 常見自動(dòng)系泊產(chǎn)品及特點(diǎn)

意大利Cavotec公司開發(fā)的MoorMaster系列是一種基于真空的自動(dòng)系泊裝置,見圖1，可以做到遠(yuǎn)程控制減少了碼頭對(duì)大型昂貴基礎(chǔ)設(shè)施的依賴。

圖1 MoorMaster系泊裝置

荷蘭的Mampaey公司研發(fā)了兩種以不同結(jié)構(gòu)為主體的磁力系泊系統(tǒng)，分別用于船側(cè)系泊和岸側(cè)系泊。船側(cè)磁力系泊系統(tǒng)見圖2，主要應(yīng)用在船側(cè)系泊船舶(ship-to-ship)。

圖2 船側(cè)磁力系泊系統(tǒng)

1 應(yīng)用場(chǎng)景

見圖3，通常LNG船舶的貨物是通過碼頭棧橋靠泊的形式，通過卸料臂傳輸給岸上終端。工程量大，造價(jià)高，通常LNG碼頭需要疏浚與建設(shè)，成本高。此外，LNG碼頭終端的政府審批流程長(zhǎng)，工期影響較大。

圖3 棧橋靠泊傳輸LNG示意

鑒于傳統(tǒng)LNG碼頭傳輸?shù)谋锥耍褂酶∈絃NG轉(zhuǎn)接駁平臺(tái)代替岸站碼頭進(jìn)行LNG傳輸，LNG轉(zhuǎn)接駁平臺(tái)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，浮體性能較好，便于與LNG船靠泊，也便于拖輪頂推，有較好的穩(wěn)性和耐波性，當(dāng)LNG運(yùn)輸船離開后，LNG轉(zhuǎn)接駁平臺(tái)采用浮筒進(jìn)行系泊。平臺(tái)電力等能源供給由岸上配置，平臺(tái)本身簡(jiǎn)化配置，岸端遙控操作。該平臺(tái)適用水深大于等于5 m，LNG貨物傳輸速率約為500～12 000 m/h。

LNG船定期到LNG接收站附近海域，用首錨和浮筒進(jìn)行系泊停靠，浮式LNG轉(zhuǎn)接駁平臺(tái)通過拖輪頂推靠泊在LNG船旁。平臺(tái)一端通過低溫跨接軟管連接LNG船舶，一端通過低溫漂浮軟管連至岸上進(jìn)行LNG傳輸。轉(zhuǎn)接駁平臺(tái)與LNG系泊作業(yè)示意于圖4。

圖4 轉(zhuǎn)接駁平臺(tái)系泊作業(yè)示意

作業(yè)時(shí)，LNG轉(zhuǎn)接駁通過真空式自動(dòng)系泊裝置與LNG船連接，確保在作業(yè)條件下不會(huì)斷開。隨著LNG外輸?shù)倪M(jìn)行，LNG運(yùn)輸船的船舶浮態(tài)會(huì)隨之發(fā)生變化，此時(shí)吸附裝置可以主動(dòng)調(diào)整位置加以適應(yīng)。

轉(zhuǎn)接駁平臺(tái)的尺寸為總長(zhǎng)16 m，型寬為8 m，吃水1.1 m，型深2.0 m，LNG運(yùn)輸船選取3萬(wàn)m船型作為設(shè)計(jì)對(duì)象。通過AQWA軟件進(jìn)行水動(dòng)力分析可以得到LNG船舶與LNG浮式轉(zhuǎn)接駁平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值見表2。

表2 LNG船舶與LNG浮式轉(zhuǎn)接駁運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值統(tǒng)計(jì)

由表2可知：LNG船舶與LNG浮式轉(zhuǎn)接駁平臺(tái)之間的運(yùn)動(dòng)幅值為縱蕩0.2 m，橫蕩0.8 m，艏搖1.6°，系泊纜繩受力見表3。

表3 纜繩系泊受力 kN

以纜繩受力估算系泊裝置吸附所需的吸附力，系泊裝置需要滿足表2和表3所需的吸附力和運(yùn)動(dòng)幅值。

2 并聯(lián)式自動(dòng)系泊裝置特點(diǎn)

2.1 系泊裝置機(jī)構(gòu)

該系泊裝置可滿足船舶6自由度運(yùn)動(dòng)下的快速、穩(wěn)定系泊要求。見圖5，4個(gè)系泊裝置分2組布置于浮式LNG轉(zhuǎn)接駁平臺(tái)與LNG船靠泊的一側(cè)起到系泊連接作用。

圖5 2組系泊裝置示意

單個(gè)系泊裝置采用6-UCU的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖6，具體包括上平臺(tái)、下平臺(tái)和6個(gè)UCU分支。分支由圓柱副構(gòu)成的油缸和2個(gè)虎克鉸組成，其中油缸的移動(dòng)副作為驅(qū)動(dòng)副，2個(gè)虎克鉸固定在油缸的兩端，該并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有空間6個(gè)自由度，可滿足船舶六維運(yùn)動(dòng)需求。機(jī)構(gòu)上平臺(tái)設(shè)置真空吸附裝置實(shí)現(xiàn)與LNG船舶的連接，下平臺(tái)與浮式LNG轉(zhuǎn)接駁平臺(tái)連接LNG船舶。

圖6 系泊單元機(jī)構(gòu)原理

2.2 系泊裝置液壓控制系統(tǒng)

為了使裝置適應(yīng)系泊工作需求采用液壓驅(qū)動(dòng)方式，液壓分支選用帶有位置反饋功能的伺服液壓缸。液壓系統(tǒng)主要由液壓泵，液壓缸，比例控制閥等元件組成。液壓控制系統(tǒng)主要分為主動(dòng)運(yùn)動(dòng)和被動(dòng)運(yùn)動(dòng)兩個(gè)過程，主動(dòng)運(yùn)動(dòng)過程主要是在船舶靠近轉(zhuǎn)接駁，液壓分支主動(dòng)伸長(zhǎng)使真空吸盤與船體接觸；被動(dòng)運(yùn)動(dòng)過程主要是在系泊裝置與船舶接觸后，由于船體的質(zhì)量較大，系泊裝置跟隨船體的運(yùn)動(dòng)做被動(dòng)運(yùn)動(dòng)，液壓分支的阻尼力可以對(duì)船舶的運(yùn)動(dòng)起減搖作用。

系泊裝置簡(jiǎn)易模型見圖7，液壓系統(tǒng)包括液壓分支、以及液壓管及控制箱內(nèi)的液壓控制系統(tǒng)；真空吸盤邊緣還帶有激光測(cè)距儀中的激光傳感器，利用激光傳感器來判斷真空吸盤是否與船體接觸，若真空吸盤與船體接觸則液壓桿停止伸縮。基座轉(zhuǎn)盤的作用是可以將并聯(lián)系泊裝置旋轉(zhuǎn)90°，方便工人維修。

圖7 系泊裝置簡(jiǎn)易模型

由于在海洋岸邊作業(yè)，需要考慮整個(gè)液壓系統(tǒng)具有防腐防銹的能力，因此密封系統(tǒng)、活塞桿的表面處理及產(chǎn)品的防護(hù)對(duì)液壓系統(tǒng)正常作業(yè)至關(guān)重要。

液壓缸受力示意于圖8。可以看出，由于油缸在作推力和拉力時(shí)的受壓面積不同，所產(chǎn)生的力也是不同，液壓缸的推力為

圖8 液壓缸受力示意

=×(2)×

(1)

液壓缸的拉力為

=×[(2)-(2)]×

(2)

式中：為油缸內(nèi)徑；為活塞桿直徑；β為負(fù)荷率；在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)橛透姿a(chǎn)生的力不會(huì)100%用于推力或拉力，常選0.8。

2.3 系泊裝置真空吸附系統(tǒng)

采用真空式的吸附系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶的快速吸附，真空吸附系統(tǒng)包括真空發(fā)生器、真空吸盤、真空度傳感器以及管道等元件。通過真空發(fā)生器使真空吸盤達(dá)到負(fù)壓從而實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶的吸附，當(dāng)真空度達(dá)到一定值時(shí)，真空度傳感器觸發(fā)真空發(fā)生器的開關(guān)信號(hào)。控制箱內(nèi)包含液壓系統(tǒng)和真空發(fā)生器，操作顯示器主要是方便操作人員來控制自動(dòng)系泊裝置的系泊和離泊，見圖9。

圖9 系泊裝置簡(jiǎn)易模型

真空發(fā)生器和吸盤的管道越粗越短，真空解除時(shí)間就越短。為了提高碼頭的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，對(duì)于自動(dòng)系泊裝置系泊來說需要縮短真空吸盤解除和產(chǎn)生吸附力的時(shí)間。

對(duì)于固定的吸盤容積，其內(nèi)真空達(dá)到所需值的時(shí)間和解除真空的時(shí)間之和，稱為切換周期，其倒數(shù)稱為吸盤的切換頻率。該頻率值反映吸盤動(dòng)作的快慢程度，在實(shí)際工作中，需要滿足機(jī)器的整個(gè)工作循環(huán)時(shí)間對(duì)該技術(shù)指標(biāo)的要求。真空形成時(shí)間受2個(gè)因素影響：①真空源本身的抽吸能力；②管道對(duì)氣流的阻礙作用。

(3)

式中：為真空系統(tǒng)的容積，L；為泵的平均抽吸流量，L/s；為大氣壓強(qiáng)，100 kPa；為終止壓強(qiáng)。

真空吸盤的優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固且節(jié)能環(huán)保，但吸盤遇到生銹或弧面的船體上吸附效果會(huì)有所下降。因此采用此類吸盤需定期檢查或使用真空泵來維持吸盤的壓強(qiáng)差，確保吸附力。此外，為了更好地適應(yīng)多船型不同系泊接觸面的需求，在吸盤連接處增設(shè)緩沖連接器，通過對(duì)緩沖連接器的控制來調(diào)節(jié)吸盤的剛度和夾持耦合面，提高真空吸盤的穩(wěn)定性。

3 并聯(lián)式自動(dòng)系泊裝置技術(shù)參數(shù)

3.1 液壓系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

方案中的單個(gè)液壓缸最大推力70 kN，液壓缸徑63 mm，桿徑36 mm，單個(gè)液壓缸的行程初定為1 m，液壓缸的詳細(xì)參數(shù)見表4。

表4 液壓缸參數(shù)初選

由式(1)、(2)可知：主動(dòng)拉力最大為50 kN，對(duì)于6-UCU并聯(lián)機(jī)構(gòu)，最大推力300 kN、最大拉力240 kN滿足表3的拉力需求，可帶有線性位移傳感器，行程為1 m滿足表2的船舶在海面上的允許運(yùn)動(dòng)量；此液壓缸應(yīng)制作具有防腐蝕、防水、防塵及防潮能力的伸縮桿，滿足系泊裝置的工況要求。

3.2 真空吸附系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

系泊裝置模型的真空吸附系統(tǒng)包括真空發(fā)生裝置、真空管線、真空吸盤以及真空度傳感器等。選用真空泵式吸附系統(tǒng)，例如，選用普旭品牌的真空泵，其最大壓差可以達(dá)到約100 kPa，其真空泵部分參數(shù)見表5。

表5 真空泵的參數(shù)初選

初定真空吸盤的尺寸為長(zhǎng)1.4 m、寬1 m、厚度0.1 m，若選用的真空泵的流量為160 m/h，考慮真空泵在正常工作時(shí)壓差為80 kPa，終止壓強(qiáng)為21 kPa。由式(3)可知，形成80 kPa壓差大約需要5 s，此時(shí)真空吸盤的吸附力可以達(dá)到110 kN，滿足船舶的系泊減搖要求。

4 基本操作流程

LNG船舶錨泊后，浮式LNG轉(zhuǎn)接駁平臺(tái)放下靠球并主動(dòng)向LNG船移動(dòng)；當(dāng)轉(zhuǎn)接駁平臺(tái)靠到LNG船后，4個(gè)系泊裝置通過其上設(shè)置的激光測(cè)距傳感器檢測(cè)其與LNG船間距離是否滿足吸附距離、角度要求；符合作業(yè)條件則通過液壓控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)液壓桿件將真空吸盤與船舶接觸，在其吸附裝置與LNG船體接觸后啟動(dòng)真空發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)浮式LNG轉(zhuǎn)接駁平臺(tái)與LNG船舶的連接。單個(gè)系泊裝置大約5 s可達(dá)到110 kN的吸附力，4個(gè)系泊裝置合力不小于400 kN。真空吸盤內(nèi)有真空度傳感器，若真空度下降到一定值時(shí)啟動(dòng)真空泵維持真空吸盤的吸附力。由于此并聯(lián)系泊裝置具有6個(gè)自由度，系泊過程中可適應(yīng)船舶的艏搖和橫搖等運(yùn)動(dòng)。基本的系泊操作流程見圖10，包括對(duì)接、減搖、復(fù)位3個(gè)過程。

圖10 系泊基本操作原理及流程

為了適應(yīng)LNG船在卸載過程中的上升運(yùn)動(dòng)，系泊裝置初始狀態(tài)的吸附點(diǎn)調(diào)節(jié)見圖11，2組系泊裝置對(duì)稱分布，見圖11。

圖11 初始系泊裝置吸附點(diǎn)分布

降低真空吸附時(shí)轉(zhuǎn)接駁平臺(tái)對(duì)LNG船造成的傾斜力矩，初始的吸附點(diǎn)之間的高度差為0.5 m。在卸載貨物時(shí)由于船體會(huì)沿垂向上升，受系泊裝置液壓缸行程限制，此時(shí)應(yīng)該調(diào)整處于外側(cè)的系泊裝置，使處于上方的吸附裝置移動(dòng)到下方新的位置進(jìn)行吸附(見圖12)，隨著船體的進(jìn)一步上升，處于中間對(duì)稱分布的2個(gè)系泊裝置吸附裝置也進(jìn)行調(diào)整，如此反復(fù)以適應(yīng)LNG船在垂向因卸載帶來的上升運(yùn)動(dòng)，確保可靠吸附。

圖12 卸貨作業(yè)時(shí)系泊裝置吸附點(diǎn)分布

5 系泊裝置主要參數(shù)

對(duì)于并聯(lián)機(jī)構(gòu)，采用逐層搜索法，各個(gè)分支桿長(zhǎng)的行程為1 m，各個(gè)U副轉(zhuǎn)角限制為40°，得到上平臺(tái)即真空吸盤的可達(dá)工作空間見圖13。

圖13 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間

從圖13可見其橫蕩、縱蕩方向上的運(yùn)動(dòng)可以達(dá)到1.5 m，在垂蕩方向上的運(yùn)動(dòng)可以達(dá)到1.0 m，滿足表4的LNG船舶與轉(zhuǎn)接駁平臺(tái)之間的運(yùn)動(dòng)需求。

并聯(lián)系泊裝置的尺寸及其關(guān)鍵參數(shù)見表6。

表6 單個(gè)并聯(lián)系泊裝置關(guān)鍵參數(shù)

6 結(jié)論

采用并聯(lián)式自動(dòng)系泊裝置用于LNG浮式轉(zhuǎn)接駁與LNG運(yùn)輸船之間的動(dòng)態(tài)系泊，該方案實(shí)現(xiàn)了在將LNG浮式轉(zhuǎn)接駁穩(wěn)固系泊于船側(cè)的同時(shí)使其可隨著兩船間干舷落差的變化自動(dòng)調(diào)整吸附位置，可以保證LNG傳輸過程的穩(wěn)定。在遇到緊急情況時(shí)，可以在很短的時(shí)間內(nèi)斷開與船舶間的連接，極大地提高了安全和操作效率。

在后續(xù)研究中，將對(duì)國(guó)內(nèi)常見的大型LNG運(yùn)輸船進(jìn)行建模分析并進(jìn)行適配，使其具有更加廣泛的適用性。