一種浮式平臺及其裝卸載過程中保持浮態(tài)和穩(wěn)性控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種浮式平臺，沿浮式平臺高度方向具有多層艙室，每層艙室滿載和裝卸載過程中的重心始終位于浮式平臺整體重心所在的豎直線上。所述的多個環(huán)形艙室容積為等比分艙：相鄰上下兩環(huán)形艙室容積比等于其存儲的液體密度的反比；在實(shí)際裝載過程中，通過調(diào)節(jié)不同層艙室裝載原油或海水，即可保證浮式平臺始終保持恒定的排水量，保持水線面位置不發(fā)生變化，保證浮式平臺始終具備最佳的水動力性能。
【專利說明】一種浮式平臺及其裝卸載過程中保持浮態(tài)和穩(wěn)性控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種浮式平臺和此種浮式平臺在裝載過程中浮態(tài)和穩(wěn)態(tài)的控制方法。涉及專利分類號B63船舶或其他水上船只；與船有關(guān)的設(shè)備B63B船舶或其他水上船只；船用設(shè)備B63B35/00適合于專門用途的船舶或類似的浮動結(jié)構(gòu)B63B35/44浮式建筑物，水上倉庫，水上鉆井平臺或水上車間，例如載有油水分離設(shè)備的。
【背景技術(shù)】
[0002]2013年天津大學(xué)，水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，唐友剛團(tuán)隊(duì)提出了一種混凝土材質(zhì)的新型多筒式FPSO (也可做FDPS0)，見圖1。該新型采用了中海油專家吳植融提出的“密閉氣壓連通式壓載海水和原油等質(zhì)量流率置換流程”這一專利技術(shù)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了對新型浮體水動力性能的優(yōu)化[I]。
[0003]這項(xiàng)技術(shù)主要是通過管道將儲油艙和壓載海水艙頂部連通，艙體密閉并預(yù)充一定壓力的氮?dú)?，原油進(jìn)艙泵-海水卸載泵、原油外輸泵-海水壓載泵兩組分別聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)等質(zhì)量流率置換。使用這種技術(shù)的目的是在儲油和外輸過程中，保證浮體重量不變，結(jié)構(gòu)吃水不變，重心垂向變化幅度小。
[0004]這種儲油技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)是保證浮體始終處于同一穩(wěn)性狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)水動力性能的最優(yōu)化。其次，壓載水和原油分開儲存很大程度上減少了對海洋環(huán)境的污染。但同時也存在著不可忽視的缺點(diǎn)。
[0005]首先，在滿載和空載兩種工況下，浮體總質(zhì)量變化巨大，水動力性能存在巨大差異，在設(shè)計(jì)過程中很難兼顧。在海工發(fā)展日益集約化多功能化的今天，有效載重能力的重要性越發(fā)突出，成為評價一個平臺非常重要的性能與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。該技術(shù)要求平臺必須預(yù)留足夠的固定壓載，為達(dá)到恒定吃水預(yù)留空間比接近4:5，本身就是對平臺載重性能極大的浪費(fèi)，也就使平臺經(jīng)濟(jì)性大打折扣。
[0006]其次，該專利設(shè)備成本投入不可忽視，氮?dú)獍l(fā)生裝置，壓力控制裝置，內(nèi)外雙層的儲罐，工藝復(fù)雜投入不菲。并且降低了設(shè)備使用可靠性，存在潛在的增加停工期的威脅。裝置示意圖如圖2所示。
[0007]2006年，在由法國DORIS公司與葡萄牙里斯本理工大學(xué)合作研究的新概念FPSO/FDPSO中，如圖3，為保持平臺恒定浮態(tài)，控制水線面面積所采用了一種創(chuàng)新的水油混合存儲技術(shù)[2，3]。
[0008]根據(jù)原油和水密度不同的原理，原油處于儲油艙上部，水處于儲油艙下部。當(dāng)生產(chǎn)時，進(jìn)入油艙的油將同樣體積的水，經(jīng)過水處理系統(tǒng)排出大海。水處理系統(tǒng)確保排出的水清潔。另一方面，當(dāng)外輸時，輸出的油的體積由大海中的海水進(jìn)入油艙填補(bǔ)。為了保持吃水恒定，等重量的壓載水必須進(jìn)入或移除來補(bǔ)償油和水體積的變化。這可以通過每個柱提供的壓載水艙得到。在裝卸載時，油水艙的任何突然變化都被大氣調(diào)節(jié)艙抑制，在大氣調(diào)節(jié)艙中，油和水的交界面可以自由波動。在加載過程中，油注入油緩沖艙，油緩沖艙與位于沉箱內(nèi)的四個儲油艙相連。當(dāng)油緩沖艙中的油面升高時，油柱增加的高度將會使儲油艙下部的水排入到水緩沖艙。水緩沖艙中的水將會由潛水泵抽入到水處理裝置，然后排入大海。儲油艙的設(shè)計(jì)概念圖如圖4。
[0009]這種儲油艙的優(yōu)點(diǎn)在于有效控制平臺總質(zhì)量不變進(jìn)而保持浮態(tài)不變，充分利用了平臺載重量，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。但是該技術(shù)同樣存在嚴(yán)重缺陷。
[0010]首先，在水油同時存在的階段，水油界面會隨浮體運(yùn)動而不斷變化，海洋狀況瞬息萬變，晃蕩過程中分界面乳化問題在所難免，為此必須嚴(yán)格控制輸入輸出速度防止水油混合。在經(jīng)歷了復(fù)雜海況后乳化現(xiàn)象嚴(yán)重，必須保持一段時間待水油分界面明顯后才能進(jìn)行原油輸入輸出工作，嚴(yán)重制約了平臺處理能力的充分發(fā)揮，降低運(yùn)作效率，即使如此乳化問題依然不能杜絕。
[0011]其次，水油混合存放，即使是在滿載原油的載況，根據(jù)設(shè)計(jì)要求艙室中還是會保留一定高度的壓載水以防止原油進(jìn)入水緩沖艙中。從采油到卸載原油這段比較長的時間中相互融合無法避免，必然會有大量海水中的鹽類物質(zhì)溶解進(jìn)入原油，增加了原油含鹽量，降低原油品質(zhì)。
[0012]再有，原油凝固點(diǎn)高，通常情況下需要加熱儲存，而水油同時存在必然存在熱交換導(dǎo)致大量熱量隨壓載水的排出而流失，導(dǎo)致大量熱能浪費(fèi)增加平臺操作成本，同時為后期原油轉(zhuǎn)運(yùn)帶來不必要的麻煩。
[0013]最后，為保護(hù)海洋環(huán)境，水油混合存儲技術(shù)為后期壓載水處理帶來很大壓力。與洗艙處理流程不同，該技術(shù)后期壓載水中的含油量將大幅提升，需要更高能力的處理設(shè)備才能滿足工藝流程要求，又增加了一個制約運(yùn)作效率的因素。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明針對以上問題的提出，而研制的一種浮式平臺，沿浮式平臺高度方向具有多層艙室，每層艙室滿載和裝卸載過程中的重心始終位于浮式平臺整體重心所在的豎直線上。在實(shí)際裝載過程中，通過調(diào)節(jié)不同層艙室裝載原油或海水，即可保證浮式平臺始終保持恒定的排水量，保持水線面位置不發(fā)生變化，保證浮式平臺始終具備最佳的水動力性能。
[0015]優(yōu)選的，浮式平臺在滿載原油時具備最佳水動力性能，此時的排水量和水線均處于最優(yōu)狀態(tài)。在輸出原油時，可以在所述多層艙室中的部分層次艙室中灌注海水(海水密度大于原油密度)，即可保證浮式平臺的浮心不發(fā)生變化。而每層艙室的重心都位于始終位于浮式平臺整體重心所在的豎直線上。保證了浮式平臺始終處于正浮狀態(tài)，保證了浮式平臺的穩(wěn)定性。
[0016]更進(jìn)一步的，考慮到一個所述的艙室至少需要一套原油注入、海水注入和輸出的管路以及配套的閥門；同時為了保證多個艙室的重心不變，需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)控制每個艙室的灌注和排出的速率和時間，生產(chǎn)成本高昂。
[0017]故所述的每層的多個艙室設(shè)置成連通器結(jié)構(gòu)，針對每層艙室只要設(shè)置一套所述的管路和閥門即可，大量減少了管路和閥門的數(shù)量，同時也可省去所述的控制系統(tǒng)和復(fù)雜的控制步驟。
[0018]更進(jìn)一步的，考慮到形成連通器的多個艙室內(nèi)部，由于每個艙室的容積不同，可能會存在自由液面，在高海況下影響浮式平臺穩(wěn)定性。
[0019]故所述每層艙室設(shè)計(jì)成一內(nèi)徑相等的環(huán)形艙室，在環(huán)形艙室底部設(shè)置相應(yīng)的輸入輸出閥門，可以保證每層環(huán)形艙室增加的重量適中均勻的分布在環(huán)形艙室內(nèi)，即保證每層環(huán)形艙室的重心始終保持不變，增加了平臺的穩(wěn)定性。
[0020]更進(jìn)一步的，為了進(jìn)一步的減少自由液面對平臺穩(wěn)定性的影響，優(yōu)選的，在所述的環(huán)形艙室內(nèi)部設(shè)置有多個橫艙壁，將環(huán)形艙室分隔成多個獨(dú)立的艙室，每個橫艙壁的下方設(shè)有開口，即利用連通器原理，使多個獨(dú)立的艙室形成連通器。進(jìn)一步的減少了自由液面的面積，增加了船舶的穩(wěn)定性。
[0021]更進(jìn)一步的，所述每層的環(huán)形艙室的容積與其相鄰的環(huán)形艙室存在比例關(guān)系，SP相鄰上下兩環(huán)形艙室容積比等于其存儲的液體密度的反比。對于浮式平臺，存儲的液體為海水和原油，環(huán)形艙室的體積比遵循如下公式:
【權(quán)利要求】
1.一種浮式平臺，其特征在于:沿浮式平臺高度方向設(shè)有多層艙室，每層艙室滿載和裝卸載過程中的重心始終位于浮式平臺整體重心所在的豎直線上；裝載過程中，通過調(diào)節(jié)不同層艙室裝載原油或海水，使浮式平臺始終保持恒定的排水量，保持水線面位置不發(fā)生變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種浮式平臺，其特征還在于:所述的每層艙室為應(yīng)用連通器原理的整體艙室。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種浮式平臺，其特征還在于:所述的每層艙室為一環(huán)形艙室，所述環(huán)形艙室的截面尺寸一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種浮式平臺，其特征還在于所述的每層環(huán)形艙室中設(shè)有多個底部具有開口的橫艙壁。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種浮式平臺，其特征還在于所述的多個環(huán)形艙室容積為等比分艙:相鄰上下兩環(huán)形艙室容積比等于其存儲的液體密度的反比；對于浮式平臺存儲的液體為海水和原油，環(huán)形艙室的體積比遵循如下公式:
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種浮式平臺，其特征還在于:所述的浮式平臺具有雙層殼體和雙層底，在雙層底內(nèi)設(shè)置有調(diào)載艙；所述調(diào)載艙的容積與其上方的環(huán)形艙室的容積比等于其存儲液體密度的反比，浮式平臺存儲海水和石油時，所述上方環(huán)形艙室與調(diào)載艙的容積比等于水與石油的密度比；調(diào)載艙為環(huán)形，重心位于所述豎直線上； 原油滿載狀態(tài)下:所述環(huán)形艙室均儲滿原油，調(diào)載艙處于空載狀態(tài)； 輸出原油作業(yè)時:向所述調(diào)載艙中灌注海水，同時抽取調(diào)載艙上層環(huán)形艙室的原油；當(dāng)所述的上層環(huán)形艙室的原油全部排空時，在該環(huán)形艙室中灌注海水，同時抽取該環(huán)形艙室上層的環(huán)形艙室的原油；重復(fù)上述過程，直到位于最上層的環(huán)形艙室處于空載狀態(tài)，完成原油輸出； 抽取原油和灌注海水作業(yè)同時進(jìn)行，保持在作業(yè)過程中，浮式平臺的重心保持恒定； 輸入原油作業(yè)時:在所述頂層處于空載狀態(tài)的環(huán)形艙室中注入原油，同時開始排空次頂層環(huán)形艙室中的海水；重復(fù)上述過程，直到最底層環(huán)形艙室注滿原油，所述調(diào)載艙處于空載狀態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的一種浮式平臺，其特征還在于:所述的浮式平臺具有雙層殼體和雙層底，在雙層底內(nèi)設(shè)置有調(diào)載艙；所述調(diào)整艙為兩個重心重合的環(huán)形的調(diào)載艙I和調(diào)載艙II，兩個調(diào)載艙的重心位于所述的豎直線上； 所述調(diào)載艙I和調(diào)載艙II的容積之和與最底層環(huán)形艙室的容積比等于其存儲液體密度的反比，存儲海水和石油時，所述上方環(huán)形艙室與調(diào)載艙的容積比等于水與石油的密度比； 所述調(diào)載艙I或調(diào)載艙II滿載海水的質(zhì)量等于所述次頂層環(huán)形艙室滿載海水與頂層環(huán)形艙室滿載原油的質(zhì)量差；原油滿載狀態(tài)下:所述多個環(huán)形艙室均儲滿原油，調(diào)載艙I和調(diào)載艙II處于空載狀態(tài)； 輸出原油作業(yè)時:在所述調(diào)載艙I和調(diào)載艙II中分別灌入海水，同時開始抽取調(diào)載艙上層環(huán)形艙室的原油；在排空原油的環(huán)形艙室中灌入海水，同時抽取該環(huán)形艙室上層的環(huán)形艙室的原油；重復(fù)上述過程，直到位于最上層的環(huán)形艙室處于放空狀態(tài)；當(dāng)頂層環(huán)形艙室原油排空時，為了保持浮式平臺整體的重心不變，排空所述調(diào)載艙I或調(diào)載艙II裝載的海水； 輸入原油作業(yè)時:首先在所述頂層處于空載狀態(tài)的環(huán)形艙室中灌注原油，開始排空次頂層環(huán)形艙室的海水，同時在所述調(diào)載艙I或調(diào)載艙II中灌注海水，保證浮式平臺重心不發(fā)生改變；重復(fù)上述過程，直到最底層環(huán)形艙室注滿原油，此時所述調(diào)載艙I和調(diào)載艙II位空載。
8.一種具有如權(quán)利要求7所述結(jié)構(gòu)的浮式平臺裝卸載過程中保持浮態(tài)和穩(wěn)性控制方法，具有如下步驟: 原油滿載狀態(tài)下:所述環(huán)形艙室均儲滿原油，調(diào)載艙處于空載狀態(tài)； 輸出原油作業(yè)時:在所述調(diào)載艙中灌滿海水，抽取調(diào)載艙上層環(huán)形艙室的原油；在排空原油的環(huán)形艙室中灌滿海水，抽取該環(huán)形艙室上層的環(huán)形艙室的原油；重復(fù)上述過程，直到位于最上層的環(huán)形艙室處于空載狀態(tài)，完成原油輸出； 輸入原油作業(yè)時:在所述頂層處于空載狀態(tài)的環(huán)形艙室中注入原油，排空次頂層環(huán)形艙室的海水；重復(fù)上述過程，直到最底層環(huán)形艙室注滿原油，所述調(diào)載艙處于空載狀態(tài)。
9.一種具有如權(quán)利要求8所述結(jié)構(gòu)的浮式平臺裝卸載過程中保持浮態(tài)和穩(wěn)性控制方法，具有如下步驟: 原油滿載狀態(tài)下:所述環(huán)形艙室均儲滿原油，調(diào)載艙I和調(diào)載艙II處于空載狀態(tài)；當(dāng)頂層環(huán)形艙室原油排空時，排空所述調(diào)載艙I或調(diào)載艙II裝載的海水； 輸出原油作業(yè)時:在所述調(diào)載艙I和調(diào)載艙II中灌滿海水，抽取調(diào)載艙上層環(huán)形艙室的原油；在排空原油的環(huán)形艙室中灌滿海水，抽取該環(huán)形艙室上層的環(huán)形艙室的原油；重復(fù)上述過程，直到位于最上層的環(huán)形艙室處于空載狀態(tài)， 輸入原油作業(yè)時:在所述頂層處于空載狀態(tài)的環(huán)形艙室中注入原油，排空次頂層環(huán)形艙室的海水，在所述調(diào)載艙I或調(diào)載艙II注滿海水；重復(fù)上述過程，直到最底層環(huán)形艙室注滿原油，此時所述調(diào)載艙I和調(diào)載艙II位空載。
【文檔編號】B63B35/44GK103832556SQ201410106561
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月20日
【發(fā)明者】黃一, 王文華, 姚宇鑫, 葉茂生, 劉剛, 張崎, 李紅霞, 陳景杰, 董磊 申請人:大連理工大學(xué)