多點(diǎn)系泊FPSO水動(dòng)力分析

1、江蘇科技大學(xué)本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）學(xué) 院 船舶與海洋工程 專 業(yè) 船舶與海洋工程 學(xué)生姓名 朱浩 班級(jí)學(xué)號(hào) 1040101439 指導(dǎo)教師 施興華 二零一四年六月江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)論文多點(diǎn)系泊FPSO水動(dòng)力分析FPSO mooring system of hydrodynamic analysis of multi-point 江蘇科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書學(xué)院名稱：船舶與海洋工程 專 業(yè)： 船舶與海洋工程 學(xué)生姓名： 朱浩 學(xué) 號(hào)： 1040101439 指導(dǎo)教師： 施興華 職 稱： 副教授 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 多點(diǎn)系泊FPSO水動(dòng)力分析 一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容及要求（包

2、括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、達(dá)到的指標(biāo)和應(yīng)做的實(shí)驗(yàn)等）1.提供的條件：FPSO基本結(jié)構(gòu)、參數(shù)，海域波浪參數(shù)，計(jì)算機(jī)及計(jì)算軟件等2.畢業(yè)論文的內(nèi)容與要求：（1）掌握水動(dòng)力的相關(guān)理論（2）學(xué)習(xí)海洋平臺(tái)分析軟件Sesam，并掌握其水動(dòng)力分析方法（3）利用Sesam軟件建立FPSO模型，并對(duì)所建模型的進(jìn)行響應(yīng)計(jì)算（4）考慮多種波浪工況，結(jié)合水流及風(fēng)載荷，對(duì)于系泊系統(tǒng)下FPSO水動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析二、完成后應(yīng)交的作業(yè)（包括各種說(shuō)明書、圖紙等）1. 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文一份（不少于1.5萬(wàn)字）；2. 外文譯文一篇（不少于5000英文單詞）；3. 其它(根據(jù)課題性質(zhì)、類型確定)。三、完成日期及進(jìn)度3.31-4.13 收集相

3、關(guān)資料，學(xué)習(xí)水動(dòng)力理論；4.14-4.27 學(xué)習(xí)有限元軟件Sesam，并掌握其水動(dòng)力分析方法；4.28-5.11 利用Genie軟件建立FPSO模型；5.12-6.1 對(duì)所建模型的進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算；6.2-6.9 進(jìn)行多點(diǎn)系泊FPSO水動(dòng)力參數(shù)分析，完成論文。四、主要參考資料（包括書刊名稱、出版年月等）:1由際昆，王言英.深水半潛平臺(tái)繃緊索系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究J.中國(guó)海洋平臺(tái),20092王宏偉，羅勇，馬剛.深水半潛式鉆井平臺(tái)纖維材料系泊方案研究J.船舶工程2010,32(3)3范亞麗, 吳寶山, 繆泉明.張緊式系泊方式對(duì)深水半潛平臺(tái)性能影響研究J.中國(guó)海洋平臺(tái),20104童波,楊建民,李欣.深水半潛

4、式平臺(tái)系泊系統(tǒng)動(dòng)力特性研究J.海洋工程,2009,27(1):1-7.5Det Norske Veritas, SIMO theory manualR.2009:26-27 系(教研室)主任： （簽章） 年 月 日 學(xué)院主管領(lǐng)導(dǎo)： （簽章） 年 月 日III 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘 要隨著全球石油需求不斷增加，陸上油氣資源日益枯竭，海上石油及天然氣勘探工作已經(jīng)有了一段時(shí)間后，到了深海，開(kāi)發(fā)深海以及超深海的海洋平臺(tái)項(xiàng)目是未來(lái)的發(fā)展方向。我們對(duì)能源的需求，特別是石油是非常大的，我國(guó)目前是高度依賴于，自我獨(dú)立，自我發(fā)展，一直是我國(guó)的重要經(jīng)濟(jì)策略，因此我國(guó)一直積極參與國(guó)外的海上石油和天然氣

5、的勘探和開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。這是本文研究的背景，主要是針對(duì)西非海上石油和天然氣開(kāi)發(fā)模式，多點(diǎn)系泊FPSO浮式結(jié)構(gòu)物，涌浪，海浪數(shù)值模擬環(huán)境下進(jìn)行的理論分析的同時(shí)作用的研究。進(jìn)行了多點(diǎn)系泊FPSO水動(dòng)力分析，這是在涌浪和風(fēng)浪聯(lián)合作用的海洋環(huán)境下開(kāi)展的。在波浪中的低頻運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的FPSO垂直和水平移動(dòng)，涌浪成分下的響應(yīng)差異：其中的浪涌控制的垂直運(yùn)動(dòng);水平方向低頻運(yùn)動(dòng)，以及由海上和涌浪引起的慢二階力影響漂移的力量。在西非沿海水域，淺海和該地區(qū)深部大型海上石油和天然氣開(kāi)發(fā)模式，是在選擇目標(biāo)FPSO和穿梭油輪卸油浮筒匹配為主要研究對(duì)象的基礎(chǔ)。分析在深水環(huán)境中的流體動(dòng)力性能的單一以及多點(diǎn)系泊浮筒的，因?yàn)楦◇w的質(zhì)量更小

6、，由系泊系統(tǒng)和其他動(dòng)態(tài)粘度的影響較大，使用了耦合計(jì)算，能夠更為準(zhǔn)確的計(jì)算分析水動(dòng)力性能以及各個(gè)自由度在不同的波浪成分下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。為了滿足海外發(fā)展的需要，在西非水動(dòng)力環(huán)境的雙方向下的涌浪和風(fēng)浪的浮式結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新研究;對(duì)西方的石油和天然氣開(kāi)發(fā)模式的工作原理主要是在多點(diǎn)系泊FPSO，在這兩個(gè)方面的同時(shí)作用涉及到海洋和周圍涌浪緩慢漂移力和低頻運(yùn)動(dòng)的二階水平誘導(dǎo)有效的計(jì)算方法;并分析了浮標(biāo)和穿梭油輪耦合平面運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律，為以后的工程實(shí)踐提供建議。關(guān)鍵詞：西非海域,雙方向涌浪和風(fēng)浪,多點(diǎn)系泊 FPSO,水動(dòng)力性能,時(shí)域耦合分析AbstractWith global demand for petroleu

7、m is increasing, onshore oil and gas resources are depleted, offshore oil and gas exploration for some time, to the deep sea, is an ultra-deep offshore oil and gas projects in the future direction of development.Our demand for energy, especially petroleum is very large, and the high import dependenc

8、e, self-development and participation of foreign offshore oil and gas exploration is one of China's major economic strategy. The paper as a background, the main representative for the West African offshore oil and gas development mode, multi-point mooring FPSO floating structures on both sides t

9、o swell, waves numerical and experimental study of the joint distribution of response environment theoretical analysis.Obtained in the analysis of both the incident wave, a slow drift horizontal force component can be divided into four, wherein each of the two waves up from contributions from the ot

10、her two parts of the coupling of the wave in different directions. The former two floating bodies in the calculation of the low-frequency response can not be ignored; while coupling due to the small West African sea and swell, the analysis found that in the calculation can ignore this part of the co

11、upling.Conducted a sensitivity analysis parameters swell angle of incidence, spectral peak period and type of each factor on the FPSO freedom of movement responses. Roll and sway in response to the peak period of the swell cycle does not change with change, but always maintaining its natural period.

12、 Heave and pitch response cycle is consistent with the swell period, the performance of the forced vibration. Changes in spectral type wave spectrum factor does not affect the response cycle FPSO movement, but the larger the slow drift of the horizontal force and horizontal movement induced impact.K

13、eywords: West African waters, the parties to the swell and waves, multi-point mooring FPSO, hydrodynamic performance, coupled time domain analysisV 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目錄第一章緒論11.1 概述11.1.1 海洋油氣資源的開(kāi)發(fā)概述11.1.2 西非海洋油氣資源概述11.2 FPSO平臺(tái)簡(jiǎn)介11.3 涌浪及相關(guān)浮式結(jié)構(gòu)物水動(dòng)力性能的研究與進(jìn)展31.3.1 與風(fēng)浪的同時(shí)作用及其對(duì)浮式結(jié)構(gòu)物水動(dòng)力的研究31.3.2 系泊浮式結(jié)構(gòu)物耦合分析方

14、法研究41.4 本文主要研究?jī)?nèi)容51.5 本論文的創(chuàng)新性與研究意義6第2章 數(shù)值計(jì)算基本理論72.1 坐標(biāo)系定義72.2 控制方程和邊界條件72.3 浮式結(jié)構(gòu)物在波浪中的運(yùn)動(dòng)82.3.1 頻域的分析方法82.3.2 時(shí)域耦合計(jì)算理論92.3.3 時(shí)域耦合運(yùn)動(dòng)方程92.3.4 波浪載荷92.4 本章小結(jié)10第3章 西非海域環(huán)境分析113.1 西非海洋環(huán)境簡(jiǎn)介113.1.1 海上風(fēng)的作用123.1.2 颮133.1.3 海浪133.2 涌浪和風(fēng)浪的差異133.3 西非海洋平臺(tái)應(yīng)用143.4 本章小結(jié)15第4章 涌浪和風(fēng)浪環(huán)境下多點(diǎn)系泊FPSO響應(yīng)分析174.1 FPSO 水動(dòng)力性能計(jì)算174.1.

15、1 邊界元模型及耦合分析模型184.1.2 多點(diǎn)系泊FPSO 頻域分析結(jié)果184.1.3 幅值響應(yīng)算子RAO254.1.4 一階波浪力傳遞函數(shù)284.1.5 二階波浪力傳遞函數(shù)304.2 不同涌浪方向下 FPSO系泊影響分析324.3 系纜根數(shù)對(duì)系泊性能的影響374.4 本章小結(jié)37第5章 總結(jié)與展望39致謝40參考文獻(xiàn)41江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第一章 緒論1.1 概述1.1.1 海洋油氣資源的開(kāi)發(fā)概述全球石油和天然氣資源的開(kāi)發(fā)，世界石油和天然氣海洋的資源的一個(gè)重要來(lái)源的新領(lǐng)域。在我們豐富的石油和天然氣儲(chǔ)量在領(lǐng)海資源。據(jù)有一定的勘探結(jié)果，天然氣資源在中國(guó)領(lǐng)海量已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，達(dá)到10600

16、0億立方米，達(dá)到27.53億頓石油資源,在過(guò)去10年中，中國(guó)的新的石油和天然氣產(chǎn)量近一半來(lái)自海洋，近海石油和天然氣資源的勘探和開(kāi)發(fā)還有很大的潛力，因?yàn)橹袊?guó)南海等海域目前的發(fā)展水平還很低。設(shè)備輔助船舶海洋工程裝備，生產(chǎn)設(shè)備和鉆井類類是主要的三大類，而且還成為開(kāi)發(fā)海洋能源載體。固定（如導(dǎo)管架平臺(tái)）和浮式生產(chǎn)種類是有兩類設(shè)備。無(wú)法動(dòng)彈的固定式平臺(tái)特性，由于隨著海洋資源的開(kāi)發(fā)，這導(dǎo)致了向更深海域邁進(jìn)導(dǎo)致逐漸減少的市場(chǎng)需求出現(xiàn)。目前，主要的海上生產(chǎn)設(shè)備是浮動(dòng)平臺(tái)。浮動(dòng)式的平臺(tái)是浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船（FPSO）、自升式平臺(tái)、張力腿平臺(tái)（TLP）SPAR平臺(tái)、半潛式平臺(tái)。其中，F(xiàn)PSO一直因?yàn)槠溥吔缬吞飪?yōu)勢(shì)，在深

17、海油田開(kāi)發(fā)中得到了大力的發(fā)展。 1.1.2 西非海洋油氣資源概述在世界海洋石油工業(yè)的快速發(fā)展的今天，為了尋找新的石油和天然氣資源，各個(gè)國(guó)家的石油公司已進(jìn)入深水和超深水油田，使得深海油氣田的開(kāi)發(fā)，成為科學(xué)界在工業(yè)史上最為熱點(diǎn)的話題之一。西非海域，坎波斯盆地，巴西，美國(guó)墨西哥灣是世界上石油和天然氣資源開(kāi)發(fā)的三大熱點(diǎn)地區(qū)，深水油氣勘探開(kāi)發(fā)隨著科技的發(fā)展不斷有新的發(fā)現(xiàn)。其中，在安哥拉深水的西非海域，Total公司在八個(gè)油氣田在17區(qū)域發(fā)現(xiàn)了，7個(gè)油氣田在14區(qū)域發(fā)現(xiàn)了，埃索公司共六個(gè)油氣田在15區(qū)域發(fā)現(xiàn)了，?？松梨诠驹谠搮^(qū)域同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了其他12塊油氣田，三個(gè)油氣田被BP公司的人員在18區(qū)域發(fā)現(xiàn)了;

18、自1995年以來(lái)在尼日爾三角洲深水，Bonga，Ngolod和其他幾個(gè)油氣田陸陸續(xù)續(xù)被發(fā)現(xiàn)了;深水勘探開(kāi)發(fā)工作同時(shí)在赤道的幾內(nèi)亞和加蓬地區(qū)也得到了蓬勃的發(fā)展。 1.2 FPSO平臺(tái)簡(jiǎn)介FPSO被稱為浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油船，浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝卸油輪，是集生產(chǎn)，倉(cāng)儲(chǔ)，卸載和在海上漂浮等一系列功能于一體的現(xiàn)代化工業(yè)產(chǎn)物。通常永久停泊在特定的工作是FPSO的特點(diǎn)，在惡劣的海況下不可能像運(yùn)輸船舶那樣可以實(shí)現(xiàn)躲避，所以安全性和作業(yè)效率是FPSO的關(guān)鍵點(diǎn)，而環(huán)境因素對(duì)它有著很大的影響。隨著海上油氣的卡發(fā)、深海領(lǐng)域的生產(chǎn)不斷擴(kuò)大，與其他海洋鉆井平臺(tái)相比較而言，F(xiàn)PSO有著得天獨(dú)厚的條件，以下五點(diǎn)是主要方面: FPSO

19、若是由油船改造而成優(yōu)勢(shì)顯著，它的生產(chǎn)系統(tǒng)投資和產(chǎn)出更加快，投資金額也更低。當(dāng)前工況適宜的大型油輪是很容易找到的，而且它們的船齡一般不會(huì)很高。寬闊的甲板面積，承載能力和抗風(fēng)浪環(huán)境能力強(qiáng)，都是生產(chǎn)設(shè)備布置的有利條件。石油存儲(chǔ)容量大，船上的原油可以定期通過(guò)卸油裝置導(dǎo)入輸油船舶中，這樣既安全又快速，F(xiàn)PSO不僅可以與穿梭船舶串聯(lián)在一起，還可以提供一定的系泊基礎(chǔ)。FPSO的建造周期縮短，逐漸向著模塊化發(fā)展。早期的FPSO一般建在時(shí)間在一年半以上，都是在船體基本建造完成之后，將各種生產(chǎn)設(shè)備、熱站還有主電站安裝在甲板上。新型動(dòng)力配置的設(shè)置給系泊的定位提供了條件。多點(diǎn)輻射狀系泊是新FPSO的主要形式，同時(shí)多個(gè)

20、側(cè)向推進(jìn)裝置在船舶的首尾都有配備。錨鏈和鋼纜的組合方式多為多點(diǎn)系泊采用，抑或是采用高強(qiáng)度的聚酯纖維和錨鏈相結(jié)合，這樣子具有高強(qiáng)度的防腐蝕性能。目前新建的FPSO裝備有足夠的動(dòng)力系統(tǒng)，這是根據(jù)目前的作業(yè)要求和船舶尺寸決定的，為了保證船舶在正常航行的同時(shí)，不失去在惡劣的風(fēng)暴環(huán)境下生存的能力，因此改用了側(cè)推的螺旋槳技術(shù)，這樣子，大尺寸的船舶就能夠兼顧這兩點(diǎn)。降低燃料消耗，回收利用。FPSO在過(guò)去沒(méi)有能力處理天然氣而又不值得鋪設(shè)海底管道運(yùn)輸天然氣的時(shí)代，只能夠?qū)⑵鋸脑椭蟹蛛x出來(lái)，通過(guò)外置的火炬裝置焚燒，這樣子天然氣的只能白白浪費(fèi)。而現(xiàn)在世界已經(jīng)有了這一技術(shù)，能夠成功的將天然氣進(jìn)行壓縮，通過(guò)罐裝的方式

21、用船舶運(yùn)輸。 石油產(chǎn)能的不斷強(qiáng)化?！癗orne”號(hào)FPSO是挪威國(guó)家石油公司委托新加坡遠(yuǎn)東利文斯頓船廠建造的，該 FPSO的處理能力可以達(dá)到原油每日3.5萬(wàn)立方米;大宇船廠在05年接到了全球最大的一艘FPSO訂單，該船的作業(yè)區(qū)域可以達(dá)到1400M水深，存儲(chǔ)大概2160000桶原油，與此同時(shí)，它的造價(jià)也是相當(dāng)?shù)捏@人，高達(dá)9.78億美金。各國(guó)爭(zhēng)相發(fā)展新概念的FPSO。LPGFPSO的概念是在為解決環(huán)境污染，提升環(huán)保屬性的環(huán)境下提出的。世界上第一艘LPGFPSO是在石川島的播磨重工基地建造的，這家公司隸屬日本，該公司提供給瑞士一家公司在新概念船舶上單點(diǎn)系泊技術(shù)，并洽談采購(gòu)和建造相關(guān)事宜。同時(shí)，F(xiàn)DP

22、SO也是新的概念，人們?cè)噲D將油氣鉆井設(shè)備并入其中，高度的集成化有利于工作效率的提升。1.3 涌浪及相關(guān)浮式結(jié)構(gòu)物水動(dòng)力性能的研究與進(jìn)展1.3.1 與風(fēng)浪的同時(shí)作用及其對(duì)浮式結(jié)構(gòu)物水動(dòng)力的研究西非海域有著較為明顯的可觀測(cè)波形，這是它區(qū)別于其他海域的重要特征，其他海域長(zhǎng)周期涌浪和短周期風(fēng)浪沒(méi)有那么明顯的可觀測(cè)波形。最近一些年，有很多的學(xué)者對(duì)西非海域涌浪的產(chǎn)生機(jī)理、對(duì)風(fēng)浪的影響還有平臺(tái)的影響做出了大量的研究。Violante等1根據(jù)投放在深水海域的測(cè)量浮筒，測(cè)得大量海洋涌浪數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行了充分的數(shù)據(jù)分析，研究涌浪對(duì)風(fēng)浪的影響結(jié)果。數(shù)據(jù)表明，兩者之間沒(méi)有顯著的關(guān)系，進(jìn)而他提出了風(fēng)浪和涌浪的能量關(guān)系，這

23、為后來(lái)的人研究海洋工程提供了相關(guān)數(shù)據(jù)參考。Jose-Henrique等2提出了一種分析手段，用于研究風(fēng)浪因涌浪而生成而產(chǎn)生的影響，這是基于數(shù)值模擬的結(jié)果，是在風(fēng)生浪的海洋環(huán)境發(fā)展過(guò)程中提出的。第一，模擬風(fēng)浪的環(huán)境是由風(fēng)場(chǎng)提供的，但是在其他海況下，是不需要提供風(fēng)場(chǎng)的。因此，向著任意方向傳播涌浪就會(huì)在特定的海域相應(yīng)形成。對(duì)涌浪的傳播機(jī)理有著深刻的認(rèn)識(shí)，是因?yàn)樗o出了在相關(guān)海域的一系列具體模型，為不同涌浪的產(chǎn)生提供具體的數(shù)據(jù)模型。Elzbieta等3對(duì)于西非海域的涌浪、風(fēng)浪聯(lián)合作用的海洋環(huán)境，如需描述波浪環(huán)境，需要用到雙份譜。當(dāng)然，前提是這個(gè)海況相對(duì)溫和。如果是應(yīng)對(duì)惡劣的海況，就可以使用JONSWA

24、P或者PM波譜對(duì)海洋工程進(jìn)行水動(dòng)力研究。同時(shí)，這樣的海況對(duì)于固定、浮式和輸油終端有著不可忽視的作用。通過(guò)對(duì)西非尼日利亞海域的實(shí)際海況與通過(guò)Torsthaugen模型對(duì)比，提出了聯(lián)合波浪譜的方法，對(duì)于模擬環(huán)境的譜峰周期和波高研究有著一定意義。之后，Elzbieta等4，針對(duì)風(fēng)暴，環(huán)境研究的結(jié)合涌浪很多不確定性的模擬研究，并進(jìn)一步給出了風(fēng)暴潮環(huán)境描述尼日利亞海域的特定組合，以提供實(shí)際的環(huán)境中，結(jié)合海洋工程操作研究。分析發(fā)現(xiàn)，如果涌浪和海浪存在，利用一個(gè)單一的模擬頻譜是海況將得到更壞的結(jié)果不能在海洋工程中使用。Nerzic等5對(duì)西非的深海水域，海洋環(huán)境的研究已經(jīng)有了三年的數(shù)據(jù)積累，分析了西非海域的風(fēng)

25、，浪，流等環(huán)境中的分布和組合，包括能量和方向的變化，尤其是其中關(guān)于主要的涌浪還有次要涌浪，并與風(fēng)浪同時(shí)作用，包括他們的普朗周期，有義波高，峰峰因子和方向。此外，分析發(fā)現(xiàn)，它們之間存在的內(nèi)在聯(lián)系，并在此基礎(chǔ)上提出了波的分布規(guī)律，為海洋工程研究做準(zhǔn)備;最后，他們建立了數(shù)據(jù)庫(kù)，用于研究浮式結(jié)構(gòu)物。與此同時(shí)，提出了相關(guān)預(yù)測(cè)，提出有義波高、流速和風(fēng)速。Zhanglei等6人對(duì)西非海域雙方向風(fēng)浪、涌浪同時(shí)存在情況下的低頻慢漂力的四個(gè)成分進(jìn)行詳細(xì)研究，他認(rèn)為低頻慢漂力主要來(lái)自風(fēng)浪、涌浪各自的貢獻(xiàn)，風(fēng)浪、涌浪相互影響的成分較小，可以忽略不計(jì)；另外也證實(shí)在深水中Newman近似能很好地估算出西非雙方向涌浪、風(fēng)浪

26、產(chǎn)生的二階低頻慢漂力。 Violante等7人在系泊于深水海域的浮筒上進(jìn)行測(cè)量，得到大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)涌浪進(jìn)行研究，研究了涌浪對(duì)風(fēng)浪的影響，主要包括新產(chǎn)生的涌浪對(duì)成熟涌浪和風(fēng)浪的影響。結(jié)果表明，涌浪對(duì)風(fēng)浪并沒(méi)有產(chǎn)生明顯的影響，并提出一種涌浪、風(fēng)浪的能量關(guān)系，為進(jìn)一步的研究奠定基礎(chǔ)。Zhao和Wu等8人認(rèn)為，通常情況下單一的波浪散布圖可以用于作用于浮體上波浪極限載荷的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，但在西非、巴西這樣不同風(fēng)浪、涌浪同時(shí)存在的海域，常規(guī)的做法就行不通了。他們提出了一種涌浪、風(fēng)浪同時(shí)任意存在的波浪環(huán)境模擬方法，同時(shí)還引入了兩個(gè)波浪譜參數(shù)用于控制風(fēng)浪和涌浪，在此基礎(chǔ)上還分析了FPSO極限波浪載荷和船體梁極

27、限彎矩。 Zhong等9人分別針對(duì)西非海域不同的環(huán)境條件即以涌浪為主導(dǎo)、以流為主導(dǎo)、以飆風(fēng)為主導(dǎo)所對(duì)應(yīng)的FPSO等大型浮式結(jié)構(gòu)物的水動(dòng)力性能進(jìn)行研究。 Elzbieta等10人認(rèn)為當(dāng)海洋環(huán)境相對(duì)惡劣時(shí)，使用單一方向單一JONSWAP或者PM譜能有效的模擬浮式海洋結(jié)構(gòu)物的水動(dòng)力性能，但在海洋環(huán)境相對(duì)溫和的海域，例如西非涌浪、風(fēng)浪同時(shí)存在的海域，使用雙風(fēng)譜才能較為準(zhǔn)確的模擬海洋環(huán)境載荷，并且這種風(fēng)浪、涌浪共存的海浪環(huán)境對(duì)浮式結(jié)構(gòu)物的影響是不可忽略的。他們通過(guò)使用Torsthaugen模型，提出一種可以同時(shí)模擬涌浪、風(fēng)浪的聯(lián)合波譜，并與西非尼日利亞海域風(fēng)浪涌浪同時(shí)存在的環(huán)境進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果吻合良好。

28、Fontaine等11人針對(duì)西非海域某一生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的FPSO使用直接模擬的方法有效的計(jì)算了船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及系纜動(dòng)力響應(yīng)，并提出了一種響應(yīng)的模型，將數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果吻合良好，并使用這種響應(yīng)模型外推出響應(yīng)極值。 1.3.2 系泊浮式結(jié)構(gòu)物耦合分析方法研究Wichers12最早對(duì)浮式結(jié)構(gòu)物的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行研究，它采用時(shí)域的方法對(duì)一處于風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下的FPSO進(jìn)行了水動(dòng)力性能分析。Lee和Choi13同樣采用非耦合的方法計(jì)算了FPSO原油外輸工況時(shí)對(duì)應(yīng)FPSO及穿梭油輪的水動(dòng)力性能。然而，其他很多學(xué)者對(duì)非耦合分析方法的精確度提出了質(zhì)疑，認(rèn)為這將會(huì)給系泊浮式結(jié)構(gòu)物水動(dòng)力性能的分析帶來(lái)較大

29、誤差14。因?yàn)樵诜邱詈戏治鲋邢道|的慣性力和阻尼力被直接忽略掉，但在實(shí)際情況下，這些力是非常重要的，特別是在深水的情況下。此外，浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)中一階波頻響應(yīng)與二階低頻響應(yīng)是相互影響的，也不能分開(kāi)考慮。所以越來(lái)越多后來(lái)的學(xué)者將注意力放在了耦合分析中。Lowa和Langleby15提出一種新的計(jì)算方法，他們認(rèn)為由于存在幾何非線性和水動(dòng)力非線性，整個(gè)系統(tǒng)的共振頻率與波浪頻率是相近的，具有耦合效應(yīng)，應(yīng)采用耦合分析方法進(jìn)行研究，考慮到非線性影響的大小，將二階波浪力引起的低頻響應(yīng)進(jìn)行時(shí)域耦合分析，而波頻運(yùn)動(dòng)由于受非線性影響較小則采用頻域分析方法，他們利用這一方法對(duì)某一FPSO進(jìn)行研究，并將計(jì)算結(jié)果與全耦合的

30、數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，新提出的方法具有較好的準(zhǔn)確度，并且大大壓縮了計(jì)算時(shí)間。馮愛(ài)春16研究了海洋平臺(tái)與系纜及立管之間的耦合效應(yīng)，研究表明：如果忽略立管的影響，將會(huì)低估平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)性能，高估系纜的張力。趙戰(zhàn)華17研究了深水半潛平臺(tái)張緊式系泊系統(tǒng)，并與懸鏈線式系泊系統(tǒng)水動(dòng)力性能進(jìn)行對(duì)比，然后分析了系纜根數(shù)、預(yù)張力、夾角等對(duì)系泊性能的影響。目前，以全時(shí)域耦合分析方法為理論背景的大型商業(yè)軟件已經(jīng)趨于完善，其數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)對(duì)比都有較高的精確度，例如：DNV/SESAM、TAMU /HARP、BV/HydroStar、MARIN/DYNFLOAT、ANSY/AQWA等。本文即采用DNV

31、/SESAM進(jìn)行相關(guān)數(shù)值模擬的分析計(jì)算。1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容本文的研究?jī)?nèi)容是基于國(guó)家重大技術(shù)裝備研制和重大產(chǎn)業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)專項(xiàng)“30萬(wàn)噸深水浮式儲(chǔ)油裝置（FPSO）設(shè)計(jì)建造技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”子專項(xiàng)深水FPSO系泊系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)研究展開(kāi)的，主要針對(duì)西非海域及南海海域工作的FPSO進(jìn)行水動(dòng)力性能分析，研究不同系泊方案對(duì)系泊性能的影響。具體來(lái)說(shuō)，可以分為以下幾個(gè)方面：1. 海洋平臺(tái)現(xiàn)狀和西非海洋環(huán)境分析特別是在沿海其他水域具有不同屬性的背景下，西非海域風(fēng)的詳細(xì)研究，海浪，驟升和電流，其特點(diǎn)相結(jié)合;與此同時(shí)，西非海域，目前浮式生產(chǎn)平臺(tái)生產(chǎn)作業(yè)的特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。努力為客戶提供相關(guān)的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并參考了西非

32、海域漂浮的平臺(tái)適應(yīng)性分析。2. 浮式平臺(tái)西非海洋環(huán)境適應(yīng)性分析根據(jù)西非海洋環(huán)境和平臺(tái)的適應(yīng)性分析的現(xiàn)狀和選定在典型的半潛式平臺(tái)西非海域和列平臺(tái)，提供咨詢和選定的西非海域石油和天然氣生產(chǎn)參考。研究方法數(shù)值模擬。 3. 涌浪參數(shù)對(duì) FPSO 水動(dòng)力響應(yīng)的影響 對(duì)占主導(dǎo)地位的響應(yīng)的分析的基礎(chǔ)上，為了得到FPSO浪涌在不同的環(huán)境中更普遍，更詳細(xì)的響應(yīng)特性，展開(kāi)FPSO變更涌浪參數(shù)響應(yīng)下的影響，在實(shí)際應(yīng)用中提供了一些幫助工程說(shuō)明。西非海域FPSO多點(diǎn)系泊布置方案設(shè)計(jì)首先將FPSO分別單獨(dú)置于風(fēng)浪環(huán)境、涌浪環(huán)境，研究了不同波浪對(duì)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響及對(duì)其力學(xué)機(jī)制進(jìn)行了分析；然后將FPSO置于風(fēng)浪、涌浪同時(shí)存在的

33、環(huán)境，研究了系纜根數(shù)對(duì)系泊性能的影響。1.5 本論文的創(chuàng)新性與研究意義 在我國(guó)起步較晚深水油氣開(kāi)發(fā)，鉆井技術(shù)與設(shè)備具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，是目前嚴(yán)重不足，并在國(guó)際深水油氣開(kāi)發(fā)形勢(shì)蓬勃發(fā)展不協(xié)調(diào)，技術(shù)的不足嚴(yán)重制約了我國(guó)在深海領(lǐng)域的石油和天然氣的開(kāi)采，國(guó)內(nèi)的海洋工程企業(yè)與外企合作時(shí)總是處于不利地位。目前，沿海水域仍主要集中然是300米以下深度的石油和天然氣資源開(kāi)發(fā)。因此，這項(xiàng)研究對(duì)于我國(guó)有著非常重要的作用。只要關(guān)鍵技術(shù)支持深水油氣勘探、研究和開(kāi)發(fā)，深海石油和天然氣的開(kāi)采，不僅可以解決國(guó)內(nèi)能源緊缺問(wèn)題，同時(shí)也可以為我們的海洋工程企業(yè)參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)提供幫助。本文先進(jìn)主要體現(xiàn)在：1. 對(duì)于西非海洋環(huán)境，在已知

34、水域進(jìn)行適應(yīng)性分析，對(duì)制定了不同形式的西非石油和天然氣平臺(tái)進(jìn)行比較。為未來(lái)在西非深水油氣開(kāi)發(fā)項(xiàng)目研究和設(shè)計(jì)提出了一個(gè)相對(duì)的意見(jiàn)和建議。 2. 對(duì)于涌浪、風(fēng)浪同時(shí)作用的西非特殊環(huán)境, 通過(guò)數(shù)值計(jì)算，對(duì)于一個(gè)多點(diǎn)FPSO系泊的各個(gè)方向的響應(yīng)特性的分析，給出了各方入射波結(jié)構(gòu)下的低頻二階波浪力和計(jì)算誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng);而在涌浪響應(yīng)下，獲得了更一般的FPSO響應(yīng)特性分析的參數(shù)。第2章 數(shù)值計(jì)算基本理論2.1 坐標(biāo)系定義本文包含三個(gè)計(jì)算坐標(biāo)：右手直角坐標(biāo)系根據(jù)定義,隨體坐標(biāo)系XL;相關(guān)坐標(biāo)系XR;大地坐標(biāo)系XE;如圖2-1 所示。 與主體坐標(biāo)系固定在浮式結(jié)構(gòu)，隨著浮體的運(yùn)動(dòng)，原點(diǎn)位于重力浮動(dòng)結(jié)構(gòu)的中心。軸的坐標(biāo)系始

35、終與大地坐標(biāo)相關(guān)聯(lián)的軸平行，但是在浮動(dòng)結(jié)構(gòu)固定焦距的起源，通常用于描述對(duì)象的旋轉(zhuǎn)。大地坐標(biāo)系固定在水平平面中的流場(chǎng)， xy平面與靜水面重合,z軸按照右手法則定義。圖2-1坐標(biāo)系定義2.2 控制方程和邊界條件對(duì)于波浪與浮體的相互作用問(wèn)題，海水介質(zhì)可以假定是勻質(zhì)、不可壓縮和無(wú)粘性的理想流體18。在此前提下，浮體在波浪上的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，可以在勢(shì)流理論基礎(chǔ)上加以處理，其中關(guān)鍵的是流場(chǎng)中速度勢(shì)的求解。假設(shè)在非定常速度勢(shì)為x,y,z,t, 速度矢量Ux,y,z,t滿足Ux,y,z,t=x,y,z,t （2.1）由拉普拉斯方程 2=0 （2.2） 如需求解上述方程，需要以下邊界條件:l 結(jié)構(gòu)物表面的邊界條件,物

36、面為S表示，法相方向用n表示 ns=Us （2.3）l 液體自由表面的邊界條件2n+gz=0z=0 （2.4） l 無(wú)限遠(yuǎn)處的邊界條件海洋底部的邊界條件：水深用H表示 nz=-H （2.5）對(duì)于輻射勢(shì)和繞射勢(shì)，可以采用格林函數(shù)法19,20來(lái)求解。2.3 浮式結(jié)構(gòu)物在波浪中的運(yùn)動(dòng)2.3.1 頻域的分析方法頻域方法21適合于線性或者是擬合線性的水動(dòng)力方程的求解，從而求得頻域響應(yīng)函數(shù)。l 入射、繞射與輻射勢(shì)由三維勢(shì)流理論求的入射、繞射、和輻射勢(shì),依據(jù)公式積分得到 :Px,y,z,t=-t-gz （2.6）由此可以得到壓力分布P，對(duì)其表面進(jìn)行積分可以得到總的作用力，總的作用力由三部分組成，第一是波浪激

37、勵(lì)力，第二是流體的反作用力，剩下的那個(gè)作用力為靜回復(fù)力。在這三個(gè)力當(dāng)中，波浪激勵(lì)力由兩個(gè)部分組成，第一部分是由入射勢(shì)帶來(lái)的壓力積分求得的，第二部分是由繞射勢(shì)引起的壓力積分求得的:在計(jì)算的過(guò)程中，需要將浮式結(jié)構(gòu)物固定住，這樣就會(huì)在海洋環(huán)境下受到波浪的力和力矩。其中波浪力是由于未受到干擾的力以及海洋結(jié)構(gòu)物的存在而生成的繞射力組成的。在不考慮入射波浪的前提下，附加質(zhì)量和附加阻尼成為了這一水動(dòng)力載荷的最好解釋。 l 附加質(zhì)量、阻尼浮式結(jié)構(gòu)物在非定常的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于物體運(yùn)動(dòng)作用于周圍的水而使之得到速度和加速度，故水對(duì)物體產(chǎn)生反作用力FR。FR 包括與運(yùn)動(dòng)加速度成正比的附加慣性力和與運(yùn)動(dòng)速度成正比的阻尼

38、力，其比例系數(shù)分別稱為附加質(zhì)量系數(shù)和阻尼系數(shù)22，23。按照線性勢(shì)流理論，流體動(dòng)力FR 的表達(dá)式為FR=-uX-X (2.7)式中，u為附加質(zhì)量矩陣；為阻尼系數(shù)矩陣。由上式可以看出，附加質(zhì)量和阻尼載荷是由于海洋結(jié)構(gòu)物做強(qiáng)迫諧振動(dòng)所引起的穩(wěn)態(tài)水動(dòng)力及力矩。附加質(zhì)量系數(shù)和阻尼系數(shù)是流場(chǎng)中海洋結(jié)構(gòu)物形狀、振動(dòng)頻率和相對(duì)于流體速度的函數(shù)，與流場(chǎng)的深度和廣度也存在一定關(guān)系。 附加質(zhì)量系數(shù)和阻尼系數(shù)均由一個(gè)6×6的矩陣表示。本文主要分析對(duì)浮式 海洋結(jié)構(gòu)物水動(dòng)力性能起主要作用的主對(duì)角線上的6個(gè)系數(shù)。附加質(zhì)量系數(shù)以Uii表示，U11、U22、U33分別表示縱蕩、橫蕩、和垂蕩三個(gè)運(yùn)動(dòng)模態(tài)的附加質(zhì)量U4

39、4、U55、U66代表橫搖、縱搖和艏搖三個(gè)角運(yùn)動(dòng)的附加慣性矩。附加阻尼與附加質(zhì)量的表示方式相類似。2.3.2 時(shí)域耦合計(jì)算理論利用頻域法分析浮式海洋結(jié)構(gòu)物的水動(dòng)力性能是經(jīng)典的方法，然而頻域法并不能預(yù)報(bào)從某一時(shí)刻以后一段時(shí)間內(nèi)浮式結(jié)構(gòu)物的水動(dòng)力性能（浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系纜動(dòng)力響應(yīng)），所以為了準(zhǔn)確模擬浮式結(jié)構(gòu)物在實(shí)際海況中的變化，必須采用時(shí)域法來(lái)模擬。 本文利用卡明斯理論，將規(guī)則波頻域計(jì)算出的水動(dòng)力參數(shù)，通過(guò)頻域轉(zhuǎn)時(shí)域的方法，建立浮式結(jié)構(gòu)物時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程，并與系纜動(dòng)力響應(yīng)方程耦合，計(jì)算出實(shí)際海況下真實(shí)的浮體響應(yīng)。2.3.3 時(shí)域耦合運(yùn)動(dòng)方程浮式結(jié)構(gòu)物在風(fēng)浪上的運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)攝動(dòng)分析后，可以分為一階小幅運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

40、和二階大幅運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，即浮式結(jié)構(gòu)物的響應(yīng)可以分為高頻響應(yīng)和低頻響應(yīng)兩部分， 并且兩者互不影響。低頻響應(yīng)即指大幅的慢漂響應(yīng)，高頻響應(yīng)可以理解為低頻響應(yīng)基礎(chǔ)上的微幅振動(dòng)，即高頻運(yùn)動(dòng)的平均位置為低頻響應(yīng)位置，因此時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程在求解時(shí)分為低頻響應(yīng)部分和高頻響應(yīng)部分兩部分來(lái)求解。其高頻部分運(yùn)動(dòng)方程24為：Mij+ijx1+0Kijxj(1)t-d+Cijxj(1)=Fimoor+Fiwave(1) (2.8)其中，K延時(shí)函數(shù)矩陣，M是質(zhì)量矩陣，是附加質(zhì)量，xj(1)是j方向波頻運(yùn)動(dòng)，C是恢復(fù)力矩陣，F(xiàn)imoor是系泊力，F(xiàn)iwave(1)是一階波浪力。2.3.4 波浪載荷l 風(fēng)載荷由于海洋結(jié)構(gòu)物的存在，當(dāng)

41、海風(fēng)經(jīng)過(guò)海上結(jié)構(gòu)物工作的區(qū)域時(shí)，氣流流速和流向?qū)l(fā)生改變。因此，氣流對(duì)建筑物的動(dòng)壓力將隨其位置的不同而不同，在物體迎流面承受正向的風(fēng)壓力，在物體的背面，因?yàn)闅饬鞣蛛x使物面承受負(fù)向的風(fēng)壓力。風(fēng)載荷的計(jì)算是基于瞬時(shí)風(fēng)速和結(jié)構(gòu)物速度，風(fēng)力大小如下式所示，其風(fēng)載荷計(jì)算公式25為Fwind=12CdwaAa2U Mwind=CdwaAa2U （2.9）其中第一項(xiàng)為力，第二項(xiàng)為力矩，U 為風(fēng)相對(duì)于浮體運(yùn)動(dòng)的相對(duì)風(fēng)速；a為空氣密度；Aa為浮體在風(fēng)速方向上的投影面積；L為力作用點(diǎn)到平臺(tái)重心的距離。Cdw為風(fēng)阻力系數(shù)，本文中的風(fēng)阻力系數(shù)根據(jù)CCS 頒布的海上單點(diǎn)系泊裝置入級(jí)與建造規(guī)范確定。l 流載荷海洋中流的種

42、類很多，有海流、潮流、漂流、密度流、地轉(zhuǎn)流等。海流的變化比較緩慢，在對(duì)海洋平臺(tái)的數(shù)值分析中常將海流視作為穩(wěn)定的流動(dòng)。流對(duì)平臺(tái)產(chǎn)生的力及力矩由下式25計(jì)算：Fcurrent=12CdcwA2V Mcurrent=12CdcwA2V (2.10)2.4 本章小結(jié)結(jié)合以上理論分析，下面給出本文系泊浮式結(jié)構(gòu)物非線性時(shí)域耦合分析方法：1）利用輻射理論，結(jié)合面元法，在頻域內(nèi)計(jì)算平臺(tái)浮體的附加質(zhì)量及阻尼系數(shù)，然后確定頻率無(wú)窮大時(shí)的附加質(zhì)量，并利用時(shí)頻轉(zhuǎn)換方法，確定延遲函數(shù)； 2）利用繞射理論，結(jié)合面元法，在頻域內(nèi)計(jì)算平臺(tái)浮體的一階波浪力傳遞函數(shù)；再結(jié)合遠(yuǎn)場(chǎng)法或近場(chǎng)法等方法，在頻域內(nèi)計(jì)算平臺(tái)浮體的二階定常波浪

43、力，并以此為基礎(chǔ)用Newman 近似法估算浮體所受的二階低頻慢漂力；利用時(shí)頻轉(zhuǎn)換方法，結(jié)合實(shí)際波譜，在時(shí)域內(nèi)計(jì)算平臺(tái)浮體的一階/二階波浪力；3）根據(jù)給定的風(fēng)速、風(fēng)系數(shù)和流速、流系數(shù)，結(jié)合受風(fēng)面積和流載荷作用面積，計(jì)算得出風(fēng)流載荷大小；4）將浮體運(yùn)動(dòng)方程與系纜動(dòng)力方程聯(lián)立，在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)迭代求解，記錄在分析時(shí)長(zhǎng)內(nèi)每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系纜的動(dòng)力響應(yīng)。 上述四個(gè)過(guò)程均在SESAM 的HydroD/Wadam26和DeepC27中完成。第3章 西非海域環(huán)境分析3.1 西非海洋環(huán)境簡(jiǎn)介自上世紀(jì)八十年代以來(lái)，非洲西海岸成為了能源界的新大陸。隨著海洋平臺(tái)不斷的向著深海發(fā)展，西非海域的石油和天然

44、氣資源的到了世界的關(guān)注。在中東依舊是第一大原油出口地的同時(shí)，我們的南半球，非洲大陸，已經(jīng)躍居世界第二的石油出口地。在世界各國(guó)爭(zhēng)相進(jìn)去這一活躍地區(qū)的大環(huán)境下，我國(guó)的三大能源公司：中石油，中石化，中海油也和當(dāng)?shù)赜兄芮械暮献麝P(guān)系。他們正在以各種各樣的方式進(jìn)入這一領(lǐng)域。相信，在不久的將來(lái)，西非將成為世界上最大的原油輸出地，超過(guò)其他地區(qū)，成為最值得投資的地區(qū)。圖3-1為西非海域主要的油氣分布位置圖3-1為西非海域主要的油氣分布位置 從大西洋到印度洋，西非海域提供給海洋工程可以利用的地理范圍相當(dāng)大，海岸線超過(guò)四千多海里，可供開(kāi)采的水域已經(jīng)達(dá)到了3000多米水深。在這一大環(huán)境下有許多國(guó)家活躍著，主要是七個(gè)

45、國(guó)家，包括:安哥拉、科特迪亞、幾內(nèi)亞、剛果、加蓬。為了保證石油和天然氣高速快捷的存儲(chǔ)和運(yùn)輸，這不單單是依靠大量FPSO就能夠完成的一項(xiàng)艱巨任務(wù)，還需要投入巨額資金用于輸油管線的建設(shè)。對(duì)于特殊的地理環(huán)境，需要我們做出相應(yīng)的變通，采用有針對(duì)性的技術(shù)來(lái)解決地域的限時(shí)。主要包含以下幾個(gè)方面：l 如果是在淺水領(lǐng)域，需要多個(gè)鉆井設(shè)備同時(shí)開(kāi)采進(jìn)行儲(chǔ)油，如果是在深水領(lǐng)域，則只需要通過(guò)一個(gè)鉆井設(shè)備與其他設(shè)備進(jìn)行對(duì)接。依據(jù)不同的水域采用不同的開(kāi)采方式，不僅是分布范圍廣泛，更是因地制宜的體現(xiàn)；l 如果市場(chǎng)沒(méi)有想象中那么理想，則人們不會(huì)鋪設(shè)足夠的基礎(chǔ)設(shè)施用于油氣的管道運(yùn)輸，這就導(dǎo)致了開(kāi)采的原油只能夠在油田里面進(jìn)行暫時(shí)

46、的存儲(chǔ)或者是卸載；l 通常情況下，石油和天然氣是混合在一起的，這就需要進(jìn)行油氣分離處理，然而本地的市場(chǎng)通常沒(méi)有能力消耗這么多天然氣，導(dǎo)致大量的天然氣浪費(fèi)，同時(shí)造成環(huán)境污染；l 由于非洲的工業(yè)落后，導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐幕A(chǔ)設(shè)施無(wú)法跟上時(shí)代的步伐，而要建造海上鉆井平臺(tái)，需要符合國(guó)際公約，這就導(dǎo)致了復(fù)雜的施工還有執(zhí)行的不便。為了能夠在西非海洋環(huán)境下進(jìn)行石油和天然氣的勘探以及開(kāi)采活動(dòng)，需要我們對(duì)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境進(jìn)行細(xì)致的分析研究，比較風(fēng)、浪、流還有就是洋流對(duì)海洋平臺(tái)的作用。3.1.1 海上風(fēng)的作用西非靠近赤道的部分屬于低壓區(qū)。因此，在南北方向上，大氣輻射壓力逐漸升高，該信風(fēng)是南北赤道輻合帶，這里的風(fēng)力通常比較弱小，風(fēng)

47、的方向不能夠確定，在一般情況下，沒(méi)有高強(qiáng)度的風(fēng)力作用，相對(duì)溫和。東北信風(fēng)和東南信風(fēng)相互作用，在赤道兩側(cè)形成3-4級(jí)的風(fēng)力，這是形成洋流的關(guān)鍵。但是在高緯度地區(qū)，南北方向的季風(fēng)和地面形成鋒面和氣旋，這會(huì)造成惡劣的天氣影響。暴風(fēng)雪會(huì)在嚴(yán)寒的天氣出現(xiàn)，緯度較高時(shí)，則會(huì)形成危險(xiǎn)的海浪。這對(duì)海上石油和天然氣的開(kāi)采帶來(lái)了極大的不便。圖3-2為西非海域表面氣流循環(huán)。圖3-2西非海域表面氣流循環(huán)西非赤道地區(qū)，一般來(lái)說(shuō)，海風(fēng)相對(duì)較弱，但由于幾內(nèi)亞灣季風(fēng)弱，在6-8個(gè)月連續(xù)陸上風(fēng)。西非南部海域，主要是風(fēng)是南風(fēng)或東南風(fēng)在10月至4月達(dá)成最強(qiáng)的。在一些地方，再往南，在距離中緯度地區(qū)的夏季也受低壓;風(fēng)的力量在這個(gè)時(shí)候，

48、甚至更大的風(fēng)暴。3.1.2 颮首先，氣象學(xué)專家給颮做了如下定義：它是一種強(qiáng)風(fēng)帶，通常在強(qiáng)冷風(fēng)或者是積雨云前面出現(xiàn)，范圍較窄。當(dāng)它經(jīng)過(guò)時(shí)，通常伴有降雨，風(fēng)速會(huì)增加很多，它的風(fēng)向也會(huì)改變?cè)S多，不再沿著原來(lái)的方向前進(jìn)。在世界范圍內(nèi)，颮主要集中在以下幾個(gè)國(guó)家或地區(qū)：阿根廷，中美洲，東印度洋，北美，東海岸和西海岸非洲。世界氣象組織于1962年開(kāi)展了颮的規(guī)定，必要的條件如下：有至少一分鐘以上，風(fēng)速超過(guò)8米/秒以上，但也能滿足最大風(fēng)速超過(guò)11米/秒。其中圖3-3是海洋上的典型颮線，圖3-4為海洋工程中可能遇到的颮。圖3-3海洋上的典型颮線 圖3-4海洋工程中可能遇到的颮許多學(xué)者分析了颮及其浮動(dòng)海上結(jié)構(gòu)物水動(dòng)

49、力性能，挪威船級(jí)社海洋工程規(guī)范也做了颮有關(guān)規(guī)定的影響，根據(jù)系泊浮式結(jié)構(gòu)的計(jì)算規(guī)定時(shí)，系統(tǒng)必須考慮的影響的颮在時(shí)域分析。3.1.3 海浪西非海域的海浪相對(duì)于其他海域有著更為溫和的海洋環(huán)境，它的有義波高更小。但是西非海域的低頻能力較高，所以主要以低頻作為主要研究對(duì)象。西非海域涌浪的形成更復(fù)雜。如果是在冬天，涌浪主要是來(lái)自北大西洋，這些涌浪是從北部以及西北部傳遞過(guò)來(lái)的，如果是在夏天，那么它們有可能來(lái)自太平洋海域。當(dāng)然，不排除它們是由于颶風(fēng)引起的。在幾內(nèi)亞灣，只有涌浪是從南大西洋中緯度低壓，一直追蹤到在南非好望角。這些涌浪非常薄弱，但傳播一定距離后，已經(jīng)充分發(fā)展。在每年的5月同時(shí)激增至10月是最強(qiáng)的。

50、3.2 涌浪和風(fēng)浪的差異風(fēng)浪所謂的風(fēng)浪，是一組本地產(chǎn)生的波列。這些波是短峰波列，波峰長(zhǎng)度一般情況是表面波高的兩三倍左右。除此之外，這些風(fēng)浪極不規(guī)則，有可能顯示小浪接下來(lái)是大浪，也有可能先是大浪接下來(lái)是小浪。它們的傳播方向也會(huì)發(fā)生一定的偏移，每個(gè)波峰都會(huì)發(fā)生偏移，每次偏移的角度大概在10°左右，這些波峰表面有時(shí)會(huì)附帶微小的波浪，由此可以看出這些波峰相當(dāng)?shù)募怃J。涌浪涌浪是指在局部風(fēng)場(chǎng)中產(chǎn)生的風(fēng)浪，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的傳播，離開(kāi)了發(fā)源地的波浪。涌浪不同于其他波浪的關(guān)鍵在于，它能夠依靠自身的能量傳播到數(shù)百公里以外。與風(fēng)浪比較，每一個(gè)獨(dú)立的涌浪有著較為規(guī)則的圖形。與此同時(shí)，涌浪的波峰更加圓潤(rùn)。涌浪的

51、能浪大小也有著鮮明的對(duì)比。當(dāng)涌浪大時(shí)，某一定點(diǎn)會(huì)有至少五個(gè)以上的波列通過(guò)，當(dāng)涌浪小時(shí)，能夠在波面做不規(guī)則升沉運(yùn)動(dòng)時(shí)，維持至少一分鐘以上的低淺運(yùn)動(dòng)。表3-1為風(fēng)浪和涌浪的對(duì)比。表3-1風(fēng)浪和涌浪的特性對(duì)比涌浪風(fēng)浪周期1522S515S譜型譜型較窄，譜型因子 36，能力集中能量分散,譜型因子 1.03.3傳播形成后不需要外力形成后需要外力，如風(fēng)力形狀規(guī)則不規(guī)則除了上述的不同點(diǎn)，從理論上分析，風(fēng)浪的周期一般比較短，只能夠帶動(dòng)水表面的粒子運(yùn)動(dòng)，涌浪的周期一般比較長(zhǎng)，因而會(huì)引起水面以下的粒子運(yùn)動(dòng)。由于一些海洋平臺(tái)的型深較大，而這一類型的海洋平臺(tái)會(huì)設(shè)置制蕩板，這些制蕩板直接與水面以下的水粒子作用，因而生成

52、嚴(yán)重的制蕩響應(yīng)。3.3 西非海洋平臺(tái)應(yīng)用在已知的西非海域中，石油和天然氣的開(kāi)發(fā)依舊是在近海領(lǐng)域，海洋平臺(tái)的可作業(yè)區(qū)域大概在262000米水深。目前主要的開(kāi)采設(shè)備依舊是以FPSO為主，這些平臺(tái)主要集中在以下四個(gè)國(guó)家：安哥拉、幾內(nèi)亞、尼日利亞、剛果。FPSO的總數(shù)大概在40多座。其他海洋平臺(tái)數(shù)目較少，只有少數(shù)的TLP和SEMI。FPSO在西非取得了巨大的成功，原因是FPSO制造成本低，制作周期短。除了本身優(yōu)良的屬性外，F(xiàn)PSO還能夠很好的抵抗風(fēng)浪載荷。與固定式海洋平臺(tái)相比，可以移動(dòng)作業(yè)區(qū)域更是不可忽視的優(yōu)點(diǎn)。綜合上述優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)PSO給各個(gè)國(guó)家的投資者帶來(lái)了豐厚的利潤(rùn)。在西非海域的FPSO應(yīng)用具體分布

53、位置如圖3-8所示。西非海域跨度很大FPSO工作深度，在281980米深度范圍。其中，更大的超過(guò)500米的深水浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油共24工作深度。在這些FPSO，每日最高產(chǎn)量達(dá)每天25萬(wàn)桶，達(dá)210萬(wàn)桶的最大存儲(chǔ)容量。在西非海域，浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油使用各種多點(diǎn)系泊系統(tǒng)和單點(diǎn)系泊等方法固定在停泊水域生產(chǎn)，這是最重要的多點(diǎn)系泊系泊方式，一共有27個(gè)FPSO的采用了多點(diǎn)系泊方式，用單點(diǎn)系泊方式是其余16 艘FPSO。在單點(diǎn)系泊，共九個(gè)FPSO系泊外轉(zhuǎn)塔。其中表 3-2為目前西非海域浮式生產(chǎn)平臺(tái)應(yīng)用分布，圖3-5為目前西非海域 FPSO 應(yīng)用分布。表 3-2 目前西非海域浮式生產(chǎn)平臺(tái)應(yīng)用分布FPSOSEMI/FPU

54、SparTLP數(shù)量43104作業(yè)水深/-m2819802034/2711178位置See Fig. 3-8剛果/安哥拉,幾內(nèi)亞作業(yè)者各主要石油公司Total/Exxon, Hess 等圖 3-5 目前西非海域 FPSO 應(yīng)用分布3.4 本章小結(jié)本章主要介紹了西非海況不同于其他海域的鮮明特點(diǎn)，其中以風(fēng)、浪、流的影響作為主要的闡述對(duì)象。并對(duì)涌浪和風(fēng)浪的差異性進(jìn)行對(duì)比，希望給西非海域的平臺(tái)開(kāi)發(fā)提供一些建議。第4章 涌浪和風(fēng)浪環(huán)境下多點(diǎn)系泊FPSO響應(yīng)分析4.1 FPSO 水動(dòng)力性能計(jì)算在總結(jié)了西非海域的特殊海洋環(huán)境的基礎(chǔ)上，采用挪威船級(jí)社的SESAM軟件進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算以下是所需的海洋環(huán)境參數(shù)，如表4

55、-1所示。以及圖4-1環(huán)境入射角度與系泊布置。表4-1海洋環(huán)境條件參數(shù)數(shù)值有義波高/m3.6涌浪譜峰周期/s17.5譜峰因子4角度/deg90有義波高/m2.75風(fēng)浪譜峰周期/s7.2譜峰因子2.4角度/deg180速度/mS-12流角度/deg180速度/mS-116角度/deg180圖 4-1環(huán)境入射角度與系泊布置4.1.1 邊界元模型及耦合分析模型FPSO的邊界元模型先采用Genie模塊畫出，然后再HydroD中生成具體模型,如圖4-2所示,這是我們進(jìn)行頻域分析的基礎(chǔ)。圖4-3是在DeepC中生存的水動(dòng)力模型，它包含海洋環(huán)境參數(shù)，F(xiàn)PSO，還有系泊系統(tǒng)。圖4-2FPSO邊界元模型圖 4-3 FPSO 及系泊系統(tǒng)耦合分析模型4.1.2 多點(diǎn)系泊FPSO 頻域分析結(jié)果6&#