【摘要】由于规范、标准发展的相对滞后，目前业界尚未有关于LNG FSRU（液化天然气浮式储存再气化装置）的作业条件标准。本文通过时域系泊模拟，计算了FSRU在设计系泊海况下，FSRU的运动响应和缆绳受力情况，并对影响FSRU作业的主要因素进行了辨识和分析。 【关键词】LNG FSRU 作业条件 系泊模拟 LNG FSRU是液化天然气浮式接收储存和再气化装置，其外形类似于LNG运输船，主要功能是接收、储存和气化LNG，气化后的天然气通过海底管线上岸，并通过管道向电厂和城市用户供气。国际上多座已经建成投产和正在建设的浮式LNG接收再气化装置，在一定程度上检验了浮式LNG接收再气化装置的技术安全性和成熟性。相比传统陆上的LNG接收终端，FSRU具有建设周期短、占用陆域面积小、装置灵活性高等特点，可用于我国沿海经济发达、环境敏感、人口稠密地区，以满足这些地区国民经济和社会发展、能源结构调整、能源供应安全和改善人民生活水平的需要。 1 FSRU作业条件研究 在恶劣的环境条件下，影响FSRU作业的主要有以下几个因素： 是否满足系泊安全条件，以及缆绳受力情况； FSRU液货系统及气化设施等工艺设备在较大的船舶晃动情况下能否正常运行； 码头水工结构是否能承受船体的撞击力； 其中，FSRU的六自由度运动量、船舶运动加速度以及缆绳受力计算是以上分析的基础，需要先进行系泊分析。 1.1 FSRU系泊分析 采用MOSES时域分析方法进行系泊分析。动力分析考虑质量、阻尼和流体加速的随时间变化的效应。随时间变化的导缆点运动根据船舶的纵荡、横荡、垂荡、纵摇、横摇、首摇运动转换得到。在按时域法确定系泊缆波频张力时，基于在指定环境条件下系泊系统响应的时域模拟，应先按按海浪谱，产生一个至少3h的波高程时历。根据导缆点波频运动响应幅值算子将波高程时历转换为系泊缆平面内导缆点的水平和垂直运动时历。采用时域动力分析计算程序按此导缆点运动时历，计算张力响应时历。最后，确定最大波频张力、有效波频张力。 坐标系统采用惯用的右手正交坐标系统，Z轴向上。船体坐标原点取在船首。运动参考坐标原点一般取在船中，水线面中点。风、浪、流力方向沿坐标轴方向为正，力矩方向沿逆时针为正。考虑码头和船体两个单体，码头永久固定，不参与运动，船体假定为刚体，靠缆绳固定在码头上的系缆桩上。选择的典型装载状态为满载工况，吃水12.4 m。FSRU压载工况下的吃水为10 m，其运动结果和满载状态相差不大。 FSRU总长283.06m，船宽43.4m，型深26m，结构吃水12.4m，货舱舱容14万 m3。FSRU的系泊缆为HMPE高强度纤维缆，共18根，每根直径42mm，破断负荷112t。FSRU满载吃水12.4m，作业水深14.5m；风速20.7m/s、流速0.5kn、有义波高2m；风浪流载荷同向，作用力与FSRU成90°。 根据船舶的运动性能，进而获得系泊力，系泊力的求解值由时域计算获得。 在此工况下，FSRU最大横摇角0.52°，最大横荡距离1.24m，系泊缆最大系泊力67t，相应的破断系数为0.60。 计算中考虑的是风浪流同向的横向作用载荷，此时作用在FSRU上的面积最大。当风浪流不同向且非横向作用于FSRU时，相应的载荷将减小。 通过码头系泊措施，FSRU本身可以抵抗最大设计系泊工况下的外部载荷（风、浪、流），缆绳受力不超过其设计强度，船舶运动量也不超过PIANC的标准。如果码头设计结构强度足够，FSRU在此设计工况下可保持系泊。 1.2 工艺设备运行条件 相对于LNG外输的码头作业条件，高压气体外输臂本身具有更高的耐波性。参考国际某项目，高压气体外输臂作业条件为：连接工况： 风速≤22.5m/s（九级风），即风速>22.5m/s时高压气体外输臂应断开。 FSRU设计时液货系统均采用了加强型绝缘箱，可承受生存海况设计条件下的晃荡载荷。外海的海况相比港池内的海况要恶劣的多。尽管在航行条件下，LNG货舱液位要求不能在10～70%之间，但是在实际的气化作业条件下，如遇到恶劣海况，从工艺操作上可通过货舱泵可对LNG货舱液位进行调整，以避开危险货舱液位范围。而FSRU的关键设备主要为泵、压缩机和气化器，这些设备在选用时，从其工作原理、结构型式、材料及安装等方面已充分考虑了海上恶劣工作条件的要求，从在国外同类设施海上应用情况来看，通过良好的选型设计，这些设备对船舶的晃荡并不敏感，即FSRU工艺设施对海况作业环境适应很强。因此，液货系统及工艺设备在近岸方案条件下对风浪流条件的要求较为为宽松。 1.3 FSRU对码头结构的撞击力 根据《港口工程荷载规范》（JTS 144-1-2010），系泊船舶在横浪作用下撞击力可按照以下公式计算： 式（1）中： Ew0―横浪作用下系泊船舶有效撞击能量（kJ）； k―偏心撞击能量折减系数，取0.94； Cm―船舶附加水体影响系数，取1.35； m―船舶质量（t）； nV―横浪作用下法向撞击速度。 根据系泊分析的计算结果，系泊FSRU在横浪作用下撞击能量计算结果见下表1： FSRU码头靠船墩设计选用SC2250H标准反力型一鼓一板橡胶护舷，假设主要由两个靠船墩受力，当横荡速度为0.262m/s时，船舶的撞击能量为4898KJ，船舶撞击能量为橡胶护舷的设计吸收能量的99%，橡胶护舷的反力会迅速增大，会对码头结构产生不利影响。当风速超过20m/s时，FSRU应离泊，或提高码头设计标准。 2 结论 LNG FSRU是一项新兴的海洋工程技术，其自身的技术特征，决定了对于不同的工程方案，其对环境条件的敏感因素、敏感系统、设备可能会有所不同。在对LNGFSRU近岸方案作业条件研究的基础上，应加快对LNG FSRU全海式方案作业条件的研究，以拓展LNG FSRU的应用，建设更为环境友好型、更为安全的LNG储存再气化工程。 参考文献 [1] Faltinsen，O M，and Timokha，AN，（2009）. Sloshing，Cambridge [2] Kim，Y，Nam，BW，Kim，DW，and Kim，YS，（2007）. “Study on coupling effects of ship motion and sloshing，” Ocean Eng Vol 34，pp 2176～2187 [3] Kim，B，and Shin，YS，（2008）. “Coupled Seakeeping with liquid sloshing in ship tanks，”27th Int Conf Ocean，Offshore and Arctic Eng，Estoril [4] 港口工程荷载规范.（JTS 144-1-2010）
【摘要】由于规范、标准发展的相对滞后，目前业界尚未有关于LNG FSRU（液化天然气浮式储存再气化装置）的作业条件标准。本文通过时域系泊模拟，计算了FSRU在设计系泊海况下，FSRU的运动响应和缆绳受力情况，并对影响FSRU作业的主要因素进行了辨识和分析。 【关键词】LNG FSRU 作业条件 系泊模拟 LNG FSRU是液化天然气浮式接收储存和再气化装置，其外形类似于LNG运输船，主要功能是接收、储存和气化LNG，气化后的天然气通过海底管线上岸，并通过管道向电厂和城市用户供气。国际上多座已经建成投产和正在建设的浮式LNG接收再气化装置，在一定程度上检验了浮式LNG接收再气化装置的技术安全性和成熟性。相比传统陆上的LNG接收终端，FSRU具有建设周期短、占用陆域面积小、装置灵活性高等特点，可用于我国沿海经济发达、环境敏感、人口稠密地区，以满足这些地区国民经济和社会发展、能源结构调整、能源供应安全和改善人民生活水平的需要。 1 FSRU作业条件研究 在恶劣的环境条件下，影响FSRU作业的主要有以下几个因素： 是否满足系泊安全条件，以及缆绳受力情况； FSRU液货系统及气化设施等工艺设备在较大的船舶晃动情况下能否正常运行； 码头水工结构是否能承受船体的撞击力； 其中，FSRU的六自由度运动量、船舶运动加速度以及缆绳受力计算是以上分析的基础，需要先进行系泊分析。 1.1 FSRU系泊分析 采用MOSES时域分析方法进行系泊分析。动力分析考虑质量、阻尼和流体加速的随时间变化的效应。随时间变化的导缆点运动根据船舶的纵荡、横荡、垂荡、纵摇、横摇、首摇运动转换得到。在按时域法确定系泊缆波频张力时，基于在指定环境条件下系泊系统响应的时域模拟，应先按按海浪谱，产生一个至少3h的波高程时历。根据导缆点波频运动响应幅值算子将波高程时历转换为系泊缆平面内导缆点的水平和垂直运动时历。采用时域动力分析计算程序按此导缆点运动时历，计算张力响应时历。最后，确定最大波频张力、有效波频张力。 坐标系统采用惯用的右手正交坐标系统，Z轴向上。船体坐标原点取在船首。运动参考坐标原点一般取在船中，水线面中点。风、浪、流力方向沿坐标轴方向为正，力矩方向沿逆时针为正。考虑码头和船体两个单体，码头永久固定，不参与运动，船体假定为刚体，靠缆绳固定在码头上的系缆桩上。选择的典型装载状态为满载工况，吃水12.4 m。FSRU压载工况下的吃水为10 m，其运动结果和满载状态相差不大。 FSRU总长283.06m，船宽43.4m，型深26m，结构吃水12.4m，货舱舱容14万 m3。FSRU的系泊缆为HMPE高强度纤维缆，共18根，每根直径42mm，破断负荷112t。FSRU满载吃水12.4m，作业水深14.5m；风速20.7m/s、流速0.5kn、有义波高2m；风浪流载荷同向，作用力与FSRU成90°。 根据船舶的运动性能，进而获得系泊力，系泊力的求解值由时域计算获得。 在此工况下，FSRU最大横摇角0.52°，最大横荡距离1.24m，系泊缆最大系泊力67t，相应的破断系数为0.60。 计算中考虑的是风浪流同向的横向作用载荷，此时作用在FSRU上的面积最大。当风浪流不同向且非横向作用于FSRU时，相应的载荷将减小。 通过码头系泊措施，FSRU本身可以抵抗最大设计系泊工况下的外部载荷（风、浪、流），缆绳受力不超过其设计强度，船舶运动量也不超过PIANC的标准。如果码头设计结构强度足够，FSRU在此设计工况下可保持系泊。 1.2 工艺设备运行条件 相对于LNG外输的码头作业条件，高压气体外输臂本身具有更高的耐波性。参考国际某项目，高压气体外输臂作业条件为：连接工况： 风速≤22.5m/s（九级风），即风速>22.5m/s时高压气体外输臂应断开。 FSRU设计时液货系统均采用了加强型绝缘箱，可承受生存海况设计条件下的晃荡载荷。外海的海况相比港池内的海况要恶劣的多。尽管在航行条件下，LNG货舱液位要求不能在10～70%之间，但是在实际的气化作业条件下，如遇到恶劣海况，从工艺操作上可通过货舱泵可对LNG货舱液位进行调整，以避开危险货舱液位范围。而FSRU的关键设备主要为泵、压缩机和气化器，这些设备在选用时，从其工作原理、结构型式、材料及安装等方面已充分考虑了海上恶劣工作条件的要求，从在国外同类设施海上应用情况来看，通过良好的选型设计，这些设备对船舶的晃荡并不敏感，即FSRU工艺设施对海况作业环境适应很强。因此，液货系统及工艺设备在近岸方案条件下对风浪流条件的要求较为为宽松。 1.3 FSRU对码头结构的撞击力 根据《港口工程荷载规范》（JTS 144-1-2010），系泊船舶在横浪作用下撞击力可按照以下公式计算： 式（1）中： Ew0―横浪作用下系泊船舶有效撞击能量（kJ）； k―偏心撞击能量折减系数，取0.94； Cm―船舶附加水体影响系数，取1.35； m―船舶质量（t）； nV―横浪作用下法向撞击速度。 根据系泊分析的计算结果，系泊FSRU在横浪作用下撞击能量计算结果见下表1： FSRU码头靠船墩设计选用SC2250H标准反力型一鼓一板橡胶护舷，假设主要由两个靠船墩受力，当横荡速度为0.262m/s时，船舶的撞击能量为4898KJ，船舶撞击能量为橡胶护舷的设计吸收能量的99%，橡胶护舷的反力会迅速增大，会对码头结构产生不利影响。当风速超过20m/s时，FSRU应离泊，或提高码头设计标准。 2 结论 LNG FSRU是一项新兴的海洋工程技术，其自身的技术特征，决定了对于不同的工程方案，其对环境条件的敏感因素、敏感系统、设备可能会有所不同。在对LNGFSRU近岸方案作业条件研究的基础上，应加快对LNG FSRU全海式方案作业条件的研究，以拓展LNG FSRU的应用，建设更为环境友好型、更为安全的LNG储存再气化工程。 参考文献 [1] Faltinsen，O M，and Timokha，AN，（2009）. Sloshing，Cambridge [2] Kim，Y，Nam，BW，Kim，DW，and Kim，YS，（2007）. “Study on coupling effects of ship motion and sloshing，” Ocean Eng Vol 34，pp 2176～2187 [3] Kim，B，and Shin，YS，（2008）. “Coupled Seakeeping with liquid sloshing in ship tanks，”27th Int Conf Ocean，Offshore and Arctic Eng，Estoril [4] 港口工程荷载规范.（JTS 144-1-2010）