CN112389598A - 一种适用于无动力flng/fsru的拖航姿态控制方法 - Google Patents

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彭延建
安东雨
孙亚娟
吕梦芸
姜夏雪
王亚群
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Abstract

本发明涉及一种适用于无动力FLNG/FSRU的拖航姿态控制方法，包括以下内容：1)拖航方式采用前后拖方式，通过一艘主拖船在FLNG/FSRU的艏部进行吊拖，2艘或4艘副拖船系在FLNG/FSRU的船舷两侧；2)当FLNG/FSRU偏离预定航线一侧时，让对侧的副拖船减速或者让同侧的副拖船加速；3)当FLNG/FSRU调整到预定航线上时，副拖船保持同等马力，主拖船加大马力航行；4)在FLNG/FSRU上设置运动抑制***；5)利用运动抑制***来减小FLNG/FSRU的横摇和垂荡。本发明可以通过运动抑制***调节艏艉吃水差，使风动力的作用点后移，水动力的作用点前移，使偏荡的阻尼增大，抑制偏荡，从而克服因为不利水深条件、风、浪、流无动力FLNG拖航过程中推进、制动、保向和变向等。

Description

一种适用于无动力FLNG/FSRU的拖航姿态控制方法
技术领域
本发明涉及一种浮式设备的拖航姿态控制方法，具体是关于一种适用于无动力FLNG/FSRU的拖航姿态控制方法，属于液化天然气(LNG)技术领域。
背景技术
随着FLNG(Floating Liquefied Natural Gas，液化天然气浮式存储与气化装置)/FSRU(Floating Storage and Re-gasification Unit，浮式储存及再气化装置)应用技术的逐步成熟，FLNG/FSRU概念的工程化已被众多能源公司所接受。利用FLNG/FSRU进行海上气田开发结束了海上气田只能采用管道运输上岸的单一模式，节约了运输成本，且不占用陆上空间，而且，FLNG/FSRU可以安装在远离人群居住的地方，安全环保。
由于FLNG/FSRU已投产的只有壳牌的澳大利亚Prelude项目，目前关于FLNG/FSRU的操纵模拟研究还较少。实际上，不同于LNG运输船，FLNG/FSRU的船舶操纵仿真研究存在新的问题和挑战。从范围上将，FLNG/FSRU的船舶操纵仿真研究范围也更广，需要包括FLNG/FSRU的拖航操纵仿真和LNG船的旁靠作业操纵仿真。
现有FLNG/FSRU通常没有推进***，需要采用拖轮才能航行。由于FLNG/FSRU排水量大，惯性与冲程较大，拖航姿态比较难控制，其拖带航行具有如下特点：①不易掉头和转向，保向困难，受风和流的影响大，稍不注意就偏离了航线；②当固有周期接近波浪周期时，垂荡和纵摇幅值较大；③速度控制比较困难；④存在偏荡，偏荡会造成拖缆的张力突然增加，增加拖缆的磨损，阻力增加，航速下降，引起偏航风险。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种适用于无动力FLNG/FSRU的拖航姿态控制方法，以克服因为不利水深条件、风、浪、流无动力FLNG/FSRU拖航过程中推进、制动、保向和变向等。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种适用于无动力FLNG/FSRU的拖航姿态控制方法，包括以下内容：
1)拖航方式采用前后拖方式，即通过一艘主拖船在FLNG/FSRU的艏部进行吊拖，另外有2艘或4艘副拖船分别通过头缆和倒缆系在FLNG/FSRU的船舷两侧；
2)当FLNG/FSRU偏离预定航线一侧时，让对侧的副拖船减速或者让同侧的副拖船(2)加速；
3)当FLNG/FSRU调整到预定航线上时，副拖船保持同等马力，主拖船加大马力航行；
4)在FLNG/FSRU上设置运动抑制***，该运动抑制***包括：第一压载水泵，第一压载水泵的进水口与海水相连通，第一压载水泵的出水口与FLNG/FSRU的第一压载舱相连通；第二压载水泵，第二压载水泵的进水口与第一压载舱相连通，第二压载水泵的出水口与FLNG/FSRU的第二压载舱相连通；第一气阀和第二气阀，通过空气管道分别与第一压载舱和第二压载舱相连通；
5)利用运动抑制***来减小FLNG/FSRU的横摇和垂荡。
所述的拖航姿态控制方法，优选地，所述主拖缆与FLNG/FSRU的连接方式采用多点连接，即采用两条以上龙须缆的一端分别连接在FLNG/FSRU的艏部两侧，另一端与主拖缆连接，以减小FLNG/FSRU的艏摇运动。
所述的拖航姿态控制方法，优选地，所述主拖缆的长度不小于FLNG/FSRU船长的4倍或者300m，取二者中小者，且主拖缆布置时应近乎水平；所述龙须缆夹角为30°-60°。
所述的拖航姿态控制方法，优选地，采用以下措施来降低FLNG/FSRU拖航过程中的偏荡：①降低拖航速度；②减少主拖缆的缆绳长度；③在主拖缆上加入抑制索；④在FLNG/FSRU的艉部系一艘拖轮；⑤FLNG/FSRU的艏艉吃水保持2-4m的吃水差。
所述的拖航姿态控制方法，优选地，拖航过程中FLNG/FSRU的船体下沉量按照以下公式估算：
m＝0.01×Cb×V2
式中，m为船体下沉量；Cb为方形系数；V为拖航速度；并且，浅水效应下拖航过程中FLNG/FSRU的船体下沉量是上述船体下沉量的2倍。
所述的拖航姿态控制方法，优选地，当FLNG/FSRU的船体横倾或横摇时，FLNG/FSRU的船体吃水增加量为：
n＝0.5×B×sinθ
式中，n为船体吃水增加量；B为FLNG/FSRU的船宽；θ为船体横倾角或横摇角。
所述的拖航姿态控制方法，优选地，FLNG/FSRU的总拖航阻力按以下公式计算：
RT＝1.15[Rf+RB+(Rft+RBt)]
式中，RT为FLNG/FSRU的总拖航阻力；Rf为被拖船的摩擦阻力；RB为被拖船的剩余阻力；Rft为拖船的摩擦阻力；RBt为拖船的剩余阻力；
其中，拖船的摩擦阻力和剩余阻力能够使用拖船的设计资料，被拖船的摩擦阻力和剩余阻力按如下近似方法确定：
Rf＝1.67A1V1.83×10-3
RB＝0.147CbA2V1.74+0.15V
式中，A1为FLNG/FSRU的水下湿表面积；V为拖航速度；Cb为方形系数；A2为FLNG/FSRU浸水部分的船中横剖面积。
所述的拖航姿态控制方法，优选地，利用运动抑制***来减小FLNG/FSRU的横摇和垂荡的具体为在第一压载舱和/或第二压载舱内注入一定重量的海水，然后通过第一压载水泵和/或第二压载水泵吸水和增加气压排水来调节第一压载舱和/或第二压载舱内的海水重量。
所述的拖航姿态控制方法，优选地，当第一压载舱或第二压载舱内液体流动速度为零，或者第一压载舱或第二压载舱内液体到达舱顶部时，关闭第一气阀或第二气阀使液体保持在船体向上运动的一侧压载舱内，以得到最大的减摇力矩。
所述的拖航姿态控制方法，优选地，为补偿由于液体惯性所产生的相位滞后，取船体角速度和船体角加速度反馈信息的加权作为气阀开启信号：
Figure BDA0002790033720000031
式中，β为气阀控制信号；
Figure BDA0002790033720000032
为船体角加速度；
Figure BDA0002790033720000033
为船体角速度；k1和k2均为控制参数；
气阀的控制规则为：当β＞0时，允许第二压载水泵吸水，第一气阀打开往第一压载舱充气，第一压载舱排水；当β＜0时，允许第一压载水泵吸水，第二气阀打开往第二压载舱充气，第二压载舱排水。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用前后拖的拖航方式方式，通过调整主拖、副拖的航速，配合操作，有助于FLNG/FSRU保向。2、本发明FLNG/FSRU上设置运动抑制***，通过运动抑制***调节艏艉吃水差，使风动力的作用点后移，水动力的作用点前移，使偏荡的阻尼增大，抑制偏荡，从而克服因为不利水深条件、风、浪、流无动力FLNG/FSRU拖航过程中推进、制动、保向和变向等。
附图说明
图1是本发明的拖航方式示意图；
图2是本发明运动抑制***的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。此外，使用术语“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明提供的适用于无动力FLNG/FSRU的拖航姿态控制方法，包括以下内容：
1)如图1所示，拖航方式采用前后拖方式，即通过一艘主拖船1在FLNG/FSRU的艏部进行吊拖，另外有2艘或4艘副拖船2分别通过头缆3和倒缆系4在FLNG/FSRU的船舷两侧；
2)当FLNG/FSRU偏离预定航线向右时，可让左侧的副拖船2减速，或者让右侧的副拖船2加速；当发现FLNG/FSRU偏离预定航线向左时，可让右侧的副拖船2减速，或者让左侧的副拖船2加速；
3)当FLNG/FSRU调整到预定航线上时，副拖船2保持同等马力，主拖船1加大马力航行；
4)如图2所示，在FLNG/FSRU上设置运动抑制***10，该运动抑制***10包括：第一压载水泵11，第一压载水泵11的进水口与海水相连通，第一压载水泵11的出水口与FLNG/FSRU的第一压载舱12相连通；第二压载水泵13，第二压载水泵13的进水口与第一压载舱12相连通，第二压载水泵13的出水口与FLNG/FSRU的第二压载舱14相连通；第一气阀15和第二气阀16，通过空气管道17分别与第一压载舱12和第二压载舱14相连通；
5)利用运动抑制***10来减小FLNG/FSRU的横摇和垂荡。
在上述实施例中，优选地，为减小FLNG/FSRU的艏摇运动，主拖缆5与FLNG/FSRU的连接方式采用多点连接，即采用两条以上龙须缆6的一端分别连接在FLNG/FSRU的艏部两侧，另一端与主拖缆5连接。
在上述实施例中，优选地，龙须缆6夹角对FLNG/FSRU拖航过程中的偏荡、艏摇和拖缆张力都有影响。随着龙须缆6夹角增大，艏摇会增大；从30°开始，随着龙须缆6夹角增大，偏荡会先减小后增大，因此在拖航过程中龙须缆6夹角的选取不应过大或过小，选择30°-60°左右较为合理，具体设计中可进行模型试验来确定。
在上述实施例中，优选地，在拖航过程中，主拖缆5的长度应不小于FLNG/FSRU船长的4倍或者300m，取二者中小者，且主拖缆5布置时应近乎水平。
在上述实施例中，优选地，采用以下措施来降低FLNG/FSRU拖航过程中的偏荡：①降低拖航速度；②减少主拖缆5的缆绳长度；③在主拖缆5上加入抑制索；④在FLNG/FSRU的艉部系一艘拖轮；⑤FLNG/FSRU的艏艉吃水保持2-4m的吃水差。
在上述实施例中，优选地，根据伯努利方程的原理，当拖航速度增加时，水对船体表面的压力下降，FLNG/FSRU需要增加一定的下沉量，使浮力增加以与重力平衡。其中，拖航过程中FLNG/FSRU的船体下沉量按照以下公式估算：
m＝0.01×Cb×V2
式中，m为船体下沉量；Cb为方形系数(静水力表中可查得)；V为拖航速度；并且，浅水效应下拖航过程中FLNG/FSRU的船体下沉量是上述船体下沉量的2倍。
在上述实施例中，优选地，当FLNG/FSRU的船体横倾或横摇时，FLNG/FSRU的船体吃水增加量为：
n＝0.5×B×sinθ
式中，n为船体吃水增加量；B为FLNG/FSRU的船宽；θ为船体横倾角或横摇角。
在上述实施例中，优选地，当流速增大或吃水增加引起拖航阻力增大时，或航行水域水深较浅、水深与吃水比小于1.2时，为了减少FLNG/FSRU的拖航阻力和吃水,FLNG/FSRU拖航过程中通过第一压载水泵11或第二压载水泵13减少压载或加少量压载。
在上述实施例中，优选地，FLNG/FSRU的总拖航阻力可按以下公式计算：
RT＝1.15[Rf+RB+(Rft+RBt)]
式中，RT为FLNG/FSRU的总拖航阻力；Rf为被拖船的摩擦阻力；RB为被拖船的剩余阻力；Rft为拖船的摩擦阻力；RBt为拖船的剩余阻力。
其中，拖船的摩擦阻力和剩余阻力可使用拖船的设计资料，被拖船的摩擦阻力和剩余阻力按如下近似方法确定：
Rf＝1.67A1V1.83×10-3
RB＝0.147CbA2V1.74+0.15V
式中，A1为FLNG/FSRU的水下湿表面积；V为拖航速度；Cb为方形系数；A2为FLNG/FSRU浸水部分的船中横剖面积。
在上述实施例中，优选地，利用运动抑制***10来减小FLNG/FSRU的横摇和垂荡的具体为在第一压载舱12和/或第二压载舱14内注入一定重量的海水，然后通过第一压载水泵11和/或第二压载水泵13吸水和增加气压排水来调节第一压载舱12和/或第二压载舱14内的海水重量。
在上述实施例中，优选地，当第一压载舱12或第二压载舱14内液体流动速度为零，或者第一压载舱12或第二压载舱14内液体到达舱顶部时，关闭第一气阀15或第二气阀16使液体保持在船体向上运动的一侧压载舱内，以得到最大的减摇力矩。
在上述实施例中，优选地，若压载舱内液体与船体横摇角保持反相，且船体横摇角速度超前船体横摇角π/2相位，压载舱达到最佳减摇相位。但是由于液体惯性的存在，不能以船体横摇角速度为反馈信号，因为船体横摇角速度为零时开启气阀会存在相位滞后。为补偿由于液体惯性所产生的相位滞后，取船体角速度和船体角加速度反馈信息的加权作为气阀开启信号：
Figure BDA0002790033720000061
式中，β为气阀控制信号；
Figure BDA0002790033720000062
为船体角加速度；
Figure BDA0002790033720000063
为船体角速度；k1、k2为控制参数。
气阀的控制规则为：当β＞0时，允许第二压载水泵13吸水，第一气阀15打开往第一压载舱12充气，第一压载舱12排水；当β＜0时，允许第一压载水泵11吸水，第二气阀16打开往第二压载舱14充气，第二压载舱14排水。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种适用于无动力FLNG/FSRU的拖航姿态控制方法，其特征在于，包括以下内容：
1)拖航方式采用前后拖方式，即通过一艘主拖船(1)在FLNG/FSRU的艏部进行吊拖，另外有2艘或4艘副拖船(2)分别通过头缆(3)和倒缆系(4)在FLNG/FSRU的船舷两侧；
2)当FLNG/FSRU偏离预定航线一侧时，让对侧的副拖船(2)减速或者让同侧的副拖船(2)加速；
3)当FLNG/FSRU调整到预定航线上时，副拖船(2)保持同等马力，主拖船(1)加大马力航行；
4)在FLNG/FSRU上设置运动抑制***(10)，该运动抑制***(10)包括：第一压载水泵(11)，第一压载水泵(11)的进水口与海水相连通，第一压载水泵(11)的出水口与FLNG/FSRU的第一压载舱(12)相连通；第二压载水泵(13)，第二压载水泵(13)的进水口与第一压载舱(12)相连通，第二压载水泵(13)的出水口与FLNG/FSRU的第二压载舱(14)相连通；第一气阀(15)和第二气阀(16)，通过空气管道(17)分别与第一压载舱(12)和第二压载舱(14)相连通；
5)利用运动抑制***(10)来减小FLNG/FSRU的横摇和垂荡。
2.根据权利要求1所述的拖航姿态控制方法，其特征在于，所述主拖缆(5)与FLNG/FSRU的连接方式采用多点连接，即采用两条以上龙须缆(6)的一端分别连接在FLNG/FSRU的艏部两侧，另一端与主拖缆(5)连接，以减小FLNG/FSRU的艏摇运动。
3.根据权利要求2所述的拖航姿态控制方法，其特征在于，所述主拖缆(5)的长度不小于FLNG/FSRU船长的4倍或者300m，取二者中小者，且主拖缆(5)布置时应近乎水平；所述龙须缆(6)夹角为30°-60°。
4.根据权利要求2所述的拖航姿态控制方法，其特征在于，采用以下措施来降低FLNG/FSRU拖航过程中的偏荡：①降低拖航速度；②减少主拖缆(5)的缆绳长度；③在主拖缆(5)上加入抑制索；④在FLNG/FSRU的艉部系一艘拖轮；⑤FLNG/FSRU的艏艉吃水保持2-4m的吃水差。
5.根据权利要求1所述的拖航姿态控制方法，其特征在于，拖航过程中FLNG/FSRU的船体下沉量按照以下公式估算：
m＝0.01×Cb×V2
式中，m为船体下沉量；Cb为方形系数；V为拖航速度；并且，浅水效应下拖航过程中FLNG/FSRU的船体下沉量是上述船体下沉量的2倍。
6.根据权利要求5所述的拖航姿态控制方法，其特征在于，当FLNG/FSRU的船体横倾或横摇时，FLNG/FSRU的船体吃水增加量为：
n＝0.5×B×sinθ
式中，n为船体吃水增加量；B为FLNG/FSRU的船宽；θ为船体横倾角或横摇角。
7.根据权利要求1所述的拖航姿态控制方法，其特征在于，FLNG/FSRU的总拖航阻力按以下公式计算：
RT＝1.15[Rf+RB+(Rft+RBt)]
式中，RT为FLNG/FSRU的总拖航阻力；Rf为被拖船的摩擦阻力；RB为被拖船的剩余阻力；Rft为拖船的摩擦阻力；RBt为拖船的剩余阻力；
其中，拖船的摩擦阻力和剩余阻力能够使用拖船的设计资料，被拖船的摩擦阻力和剩余阻力按如下近似方法确定：
Rf＝1.67A1V1.83×10-3
RB＝0.147CbA2V1.74+0.15V
式中，A1为FLNG/FSRU的水下湿表面积；V为拖航速度；Cb为方形系数；A2为FLNG/FSRU浸水部分的船中横剖面积。
8.根据权利要求1所述的拖航姿态控制方法，其特征在于，利用运动抑制***(10)来减小FLNG/FSRU的横摇和垂荡的具体为在第一压载舱(12)和/或第二压载舱(14)内注入一定重量的海水，然后通过第一压载水泵(11)和/或第二压载水泵(13)吸水和增加气压排水来调节第一压载舱(12)和/或第二压载舱(14)内的海水重量。
9.根据权利要求1所述的拖航姿态控制方法，其特征在于，当第一压载舱(12)或第二压载舱(14)内液体流动速度为零，或者第一压载舱(12)或第二压载舱(14)内液体到达舱顶部时，关闭第一气阀(15)或第二气阀(16)使液体保持在船体向上运动的一侧压载舱内，以得到最大的减摇力矩。
10.根据权利要求9所述的拖航姿态控制方法，其特征在于，为补偿由于液体惯性所产生的相位滞后，取船体角速度和船体角加速度反馈信息的加权作为气阀开启信号：
Figure FDA0002790033710000021
式中，β为气阀控制信号；
Figure FDA0002790033710000022
为船体角加速度；
Figure FDA0002790033710000023
为船体角速度；k1和k2均为控制参数；
气阀的控制规则为：当β＞0时，允许第二压载水泵(13)吸水，第一气阀(15)打开往第一压载舱(12)充气，第一压载舱(12)排水；当β＜0时，允许第一压载水泵(11)吸水，第二气阀(16)打开往第二压载舱(14)充气，第二压载舱(14)排水。
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