非對稱式小水線面LNG傳輸平臺船型設計

夏華波

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務分公司,天津 300452)

隨著清潔能源的大力推動,現有LNG碼頭的能力不足以保證日益增長的能源供給需求[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LNG碼頭的設施條件[3],有些島礁設施不全也無法實現LNG供給,有些LNG碼頭由于適用范圍小不能與來船進行船岸兼容[4]等,這些都導致LNG無法進行正常傳輸。一種不需要建設岸基碼頭,不受水深限制即可實現遠距離傳輸LNG的方式,即LNG浮式傳輸平臺為上述問題提出了較好的解決思路。目前國內外對于該類裝置都處于研究起步階段[5-6],概念設計方案居多,但船型尺度不夠小、布置不夠靈活、功能配置不夠簡易。為此,考慮從船型、布置、功能配置等重要問題入手,設計一種新的浮式LNG傳輸平臺裝置,在無需碼頭的情況下實現LNG運輸船和陸地/浮式儲存設施間的傳輸,有效解決傳統LNG接收站布局受限問題。

1 平臺選型思路

1)現有LNG傳輸平臺不足。國際上,Houlder公司提出了有人操作駁船型平臺,Stena公司提出了半潛式大型LNG傳輸平臺,ConnectLNG公司提出了小水線面品字形LNG傳輸平臺。但這些都不能完全解決中國水域LNG傳輸的問題,存在種種不足:由于設備布置多,需求甲板面積大,質量較重;軟管儲存不方便;與終端接收站相比傳輸能力較小;控制系統沒有實現船岸及平臺三方聯動;配置了推進系統操作復雜;投資較高。另外,由于在輸送天然氣時需要采用真空吸附裝置將傳輸平臺旁靠固定在LNG船的一側,重型作業(yè)設備導致船舶一側重量增加,為維持船體平衡,要么配置壓載水系統,要么在平臺另一側添加固定壓載的方式,增加了平臺重量,犧牲了儲備浮力,系統復雜,運行效率降低。

2)新平臺設計思路。①布置優(yōu)化,減小尺度:創(chuàng)新軟管儲存方式,盡可能減少甲板面積,采用小水線面減少波流力;②結構優(yōu)化,空船重量得到控制:采用非對稱式的小水線面雙體船型,不用設置固定壓載艙;③設備配置原則:傳輸平臺盡量簡配,不配軟管吊、不配漂浮軟管卷筒,重要設備依托岸上;④動力要求:不配置推進,采用拖輪頂推;⑤作業(yè)模式:不配置現場人員,采用無人遙控作業(yè),僅接卸軟管有人員輔助;⑥對標接收站:傳輸能力達到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浮式傳輸平臺是一個可移動的LNG傳輸系統,平臺上有管匯和LNG軟管系統,一端連接LNG船舶,一端連接儲存設施,可實現LNG船舶與儲存設施之間的LNG傳輸。因平臺主要功能為實現遠距離LNG傳輸,故傳輸跨接軟管的布置是方案決策的最為關鍵因素,根據選型思路,考慮5種傳輸平臺設計方案,主要參數見表1。

表1 LNG傳輸平臺方案對比

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部,軟管之間用收納槽形式分隔,對潛體和支柱的尺寸要求較大,軟管長度不能達到使用要求,穩(wěn)定性較差,軟管收放不便,且易磨損軟管。

2)方案二在傳輸平臺平臺上面設計鞍座式升降平臺,使軟管搭載在升降裝置上,軟管兩側懸垂,升降裝置頂部設計成類似于鞍座的形式,便于適應軟管的彎曲半徑,操作便利,減少了甲板面積,主尺度減小,降低造價,但是增加了裝置的整體高度,導致平臺穩(wěn)性較差,易有傾覆風險。

3)方案三增加了傳輸平臺的主尺度,左右兩側片體距離也增加,保證傳輸平臺的穩(wěn)性要求。采用吊環(huán)式升降平臺,跨接軟管穿過吊環(huán)懸掛在平臺下方,軟管兩側懸垂,在傳輸平臺左舷處設置凹槽,便于作業(yè)時軟管伸縮,可減小結構設計尺寸,這種形式升降裝置仍然過高,初穩(wěn)性不滿足要求。

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

5)方案五在方案四基礎上對軟管儲存進行更合理的布置。采用軟管架和甲板左右兩側開孔的形式擺放軟管,軟管兩端分別伸入左右支柱內部,增加軟管的保護性,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)時軟管和LNG船管匯快速連接,將左側支柱里的軟管端部連接上快速接頭;同時,傳輸平臺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漂移離開安全操作區(qū)域,是對吸附裝置的系泊功能補充。如果作業(yè)過程中發(fā)生緊急情況(如液體泄漏),吸附裝置和快速脫纜鉤會自動脫離,讓傳輸平臺自由移動。

綜合平臺穩(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 船型布置及功能設計

為簡化LNG傳輸平臺配置,增加作業(yè)靈活性,主要設備配置在岸端,主要包括:岸端過程控制系統;視頻監(jiān)控指揮中心;火氣探測系統控制室和控制柜;貨物存儲系統;電力控制中心;漂浮軟管儲存;氮氣吹掃設備;臍帶纜滾筒;氣化器等。

主船體分為重潛側和輕潛側,重潛側的下方通過重潛支柱連接重潛體,輕潛側的下方通過輕潛支柱連接輕潛體,重潛體的截面大于輕潛體的截面;重潛支柱上設置重潛支柱槽,輕潛支柱上設置輕潛支柱槽。

主船體上設置非對稱式跨接軟管收納結構,跨接軟管鋪設在跨接軟管架上,跨接軟管的管匯接頭端放置在重潛支柱槽內,LNG接頭端放置在輕潛支柱槽內;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成,用來限制軟管晃動。

跨接軟管架直管段的下方設置傳輸平臺管匯,一側連接漂浮軟管,另一側為用于連接跨接軟管的接頭。

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

線性UPS用于給設備提供不間斷的電力供應;視頻監(jiān)控系統用于采集傳輸平臺內外視頻圖像、音頻信息,實現對船舶的全方位監(jiān)控;距離檢測儀用于監(jiān)測兩船在進行船對船輸送操作時的相互距離;緊急釋放系統用于緊急情況下LNG低溫跨接軟管與LNG輸送端的快速分離;防跌落緩沖系統用于跨接軟管在掉落過程中,緩沖跨接軟管的下降速度使其平穩(wěn)降落;火氣探測系統用于監(jiān)測傳輸平臺上各個部位的氣體泄露和火災情況。LNG傳輸平臺方案見圖6。

圖6 LNG傳輸平臺方案

由于采用了非對稱式小水線面雙體船的形式,結構重量控制較好,同時根據計算硬管總容積為7.54 m3,貨物密度為470 kg/m3,作業(yè)時增加的重量為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,可見對傳輸平臺的浮態(tài)和穩(wěn)性影響較小。因此,傳輸平臺上作業(yè)過程中變動載荷較少,不設置壓載系統。

4 三方聯動通訊設計

目前投入應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傳輸平臺上設計能實現船岸和船船三方聯動的控制系統,與傳輸平臺功能相關的控制系統主單元設在傳輸平臺上,控制系統構架見圖7。

圖7 LNG傳輸平臺三方聯動控制系統構架

火災信號、氣體泄漏信號會觸發(fā)傳輸平臺主單元上的自動滅火信號,實施滅火操作;艙底液位信號會觸發(fā)主單元上的艙底水控制信號,實施自動啟泵排水;真空吸附裝置信號會觸發(fā)主單元上的動態(tài)系泊控制系統,保障吸力,實施吸盤安全移位;閥門遙控信號會觸發(fā)主單元上的閥門控制系統,實施傳輸平臺上閥門開關動作;張力監(jiān)測信號會觸發(fā)主單元上的快速脫鉤控制系統,使得傳輸平臺上脫纜鉤釋放系泊纜繩,保障傳輸平臺設備設施的安全。將主單元放在傳輸平臺上的優(yōu)點在于要將傳輸平臺進行移駁作業(yè),更換作業(yè)地點時,只需將傳輸平臺及軟管拖航至新的作業(yè)海域,無需對岸端進行大幅度控制系統改造,只需配備相應的上位機即可。

5 平臺靠/系泊方式設計

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,LNG船與傳輸平臺干舷落差較大,隨著貨物傳輸過程的推移,落差越來越大,纜繩系泊的水平較小,當環(huán)境條件較差時,容易造成兩船之間懸垂角變大,運動加劇,存在傳輸作業(yè)的碰撞、斷纜風險,不適用于噸位相差太大的船舶。

采用錨泊定位時,LNG浮式傳輸平臺自身的位置較為固定,不能靈活移動。

采用真空吸附裝置系泊時,配置兩套真空吸附裝置,每一套有2個吸盤,作業(yè)時至少保證有3個吸盤處于吸附狀態(tài),傳輸平臺與LNG船形成聯合浮體,能夠隨著LNG船吃水的變化而變化,該裝置允許傳輸平臺小范圍內通過液壓桿自由垂直移動(傾斜),見圖8。如果吃水或潮汐變化導致船舶的垂直位置發(fā)生顯著變化,該系統都會通過岸端控制進行遙控操作調節(jié)其吸附在船上的位置,整個移位過程中,吸附裝置總是緊貼在LNG船舷側,從而保證傳輸平臺和LNG船的浮態(tài)實現同步變化,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,實現兩船連接解脫雙保險。

LNG船在位和LNG傳輸平臺閑置或自存時,均采用安裝在作業(yè)地點的水中浮筒進行系泊定位,LNG傳輸平臺系泊在其中1個浮筒上,浮筒上配備有太陽能儲能裝置及航行燈信號,能夠實現能量的自給自足,具備360°回轉功能,轉接駁始終圍繞浮筒形成單點系泊效應,可抵御2.5 m有義波高的惡劣海況,見圖9。

圖9 傳輸平臺閑置或自存模式

6 結論

非對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存能夠彌補甲板布置空間的不足,合理利用艙室空間,有效減小平臺尺度;非對稱的船型結構合理利用了平臺的重量分布進行結構優(yōu)化創(chuàng)新設計,減少了濕表面積,提高了運動性能;三方聯動的通訊方式能實現一套中心模塊控制三個平臺或岸基之間的無障礙通訊;真空吸附裝置用于浮體之間的水上系泊更加快速便捷。非對稱小水線面LNG傳輸平臺的方案設計從船型、布置、功能配置上進行了創(chuàng)新優(yōu)化,技術可行,能夠解決受限區(qū)域LNG方便快捷的傳輸問題。