一种新型海洋装备概念设计中的动力学问题研究

摘要

随着全球对能源需求的不断加大，向深海进军已成为海洋石油和天然气工业的发展方向。中国拥有广阔的海洋面积，在东南沿海的深海海域，已探明海底蕴含着丰富的海洋石油天然气资源。目前，我国已基本掌握了浅海石油的开发技术，而对水深超过500m以上的深海油气田的勘探开发技术还比较落后，因此突破深海石油开发装备的关键技术成为决定我国能否成功进军深海的决定性因素。浮式钻井生产储卸装置(Floating DrillingProduction Storage and Offloading system，简称FDPSO)是一种新型的海洋开发装备，适应于深远海及边际油田的开发，具有广阔的应用前景，近年来成为海洋工程界关注的一个热点。
　　FDPSO是在已有开发装备的基础上发展而来的，它同时包含了典型浮式钻井装置（如张力腿平台，立柱式平台及半潜式平台等）和浮式生产储卸装置(FPSO)两套系统的功能，具有更高的经济性。不同作业功能对浮体的水动力性能要求不尽相同，钻井作业时对浮体水动力性能要求较高，因此现有的浮式钻井装置的主体结构多由圆柱筒状，桁架及沉箱等组合而成来减小浮体的受力面积，减小其运动范围;而完成对原油的储卸则需要较大的存储空间，因此FPSO多为大型船型浮体，船型浮体受力面积大，运动性能则较差。可见，FDPSO要同时满足所有的作业要求，就必须对其性能进行总体设计，不能仅对原有装置进行简单组合。目前由于这种新型装备尚处于概念设计阶段，没有固定的结构形式，也没有设计的指导规范，建造经验更加匮乏，国内外研究机构正在积极开展相关的研究工作，促进其从概念走向实际工程应用。本文根据SBM公司(Single Buoy Moorings Inc.)提出的一种新型FDPSO的概念，围绕设计中涉及的整体布置，船体的水动力性能，特别是其关键结构TLD(Tension Leg Deck)的动力学问题，进行了如下研究工作:
　　(1)阐述FDPSO-TLD概念的基本原理，给出了船体及张力甲板系统的基本布置，并基于势流理论对船体的水动力性能进行分析，讨论了月池尺寸对船体水动力性能的影响，研究了在船体底部增加挡板改善船体水动力性能的效果。
　　(2)建立了船体和TLD系统的垂荡运动频域耦合模型，分析了船体和TLD系统的弱耦合特征;设计了TLD系统的中尺度室内模型仿真平台，利用半物理仿真实验技术对TLD系统的动力特性进行了实验研究，利用该理论模型对南海海况进行仿真分析，验证了其设计的升沉补偿作用，但浪向角对响应影响较大，应用中需避免横浪工况。
　　(3)采用Euler-Bernoulli梁模型对TLD系统中的立管进行模拟，采用微分变换的方法解决了立管在役和自由悬挂两种状态下的模态的求解问题。该方法可以考虑截面性质及轴向张力为空间变量，其控制方程为变系数四阶偏微分方程的情况，简单易行。通过算例验证了本方法的有效性;并考察了该数值算法的收敛速度;分析了立管主要参数变化对频率及振型的影响;结合工程实际考察了立管起下水作业时在飞溅区易发生共振的水深区域。
　　(4)基于TLD系统的简化模型，提出了随机波浪和参数激励共同作用时，TLD系统中立管振动的频域求解方法。考虑立管轴向的参数激励作用时，其控制方程为一个周期时变系统，无法采用传统频域方法进行求解。本文结合虚拟激励法对这种周期时变系统进行频域求解，并通过Floquet理论对稳定区域进行了分析。通过与Monte-Carlo非线性时域模拟对比验证了本文方法的正确性和高效性;研究了参数激励和随机波浪作用下立管的响应规律。
　　(5)采用尾流振子模型对海流可能引起的立管涡激振动进行了预报，研究了参数激励对涡激振动的影响。分析表明参数激励对涡激振动有重要影响，当参数激励的升沉幅值和频率较小时，参数激励可加大涡激振动的响应，并影响响应的频率成分，出现参数激励频率与涡激频率之间的和频和差频;当参数激励中升沉幅值和频率的较大时，立管的响应以参数激励主导，扰乱了漩涡脱落的形成，响应较之单纯涡激振动作用时增大了数倍，降低了立管的疲劳寿命。
　　(6)为避免由于FDPSO-TLD外部配重的运动引起立管轴向张力变化而导致的参数共振，提出了在船体上安装主动控制绞车以减小张力波动幅值的设计方案。基于TLD系统升沉方向的动力学模型，通过构造出H∞控制器和H∞观测器对立管的轴向动力响应进行主动控制，给出了相应的频域和时域分析方法。数值仿真表明选取适当的控制参数，该方法能取得较好的控制效果，立管的应力均方差显著降低，且增加控制后可保证立管底端时刻受拉，降低了立管因受压而导致的屈曲破坏的可能性。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 深水开发主要装备及开发模式

1．2．1 几种主要装备简介

1．2．2 各种平台方案对比

1．2．3 深海油田开发模式

1．3 FDPSO的产生及发展现状

1．3．1 Azurite FDPSO

1．3．2 SEVAN DRILLER

1．3．3 FDPSO-SRV

1．3．4 半潜式FDPSWO

1．3．5 FDPSO-TLD

1．3．6 多立柱圆筒型半潜FDPSO

1．4 FDPSO的相关研究进展

1．4．1 FDPSO水动力性能研究

1．4．2 FDPSO钻采系统的分析研究

1．4．3 FDPSO定位系统设计

1．4．4 FDPSO立管系统设计分析

1．5 本文的主要工作

2 FDPSO-TLD的概念设计及船体水动力性能分析

2．1 引言

2．2 布置方案

2．2．1 主要组成

2．2．2 船体的主尺度及布置

2．2．3 船体系泊系统

2．2．4 张力甲板系统布置

2．3 船体的频域响应理论

2．3．1 坐标系

2．3．2 流场速度势的表示和定解条件

2．3．3 频域运动方程

2．4 船体的频域响应计算分析

2．4．1 船体运动响应分析

2．4．2 月池尺寸对运动响应的影响

2．4．3 底板对船体运动响应的影响

2．5 小结

3 FDPSO-TLD垂荡性能研究

3．1 引言

3．2 理论模型

3．2．1 垂荡运动控制方程

3．2．2 控制方程的频域解

3．2．3 频域响应分析

3．3 半物理仿真实验

3．3．1 实验简化模型

3．3．2 相似关系设计

3．3．3 实验平台及仪器简介

3．3．4 实验工况

3．3．5 实验结果与分析

3．4 真实海况的时候域数值模拟

3．4．1 船体的垂荡时程

3．4．2 张力甲板的垂荡时程

3．5 小结

4 海洋立管的动力学特性分析

4．1 引言

4．2 立管的动力学模型

4．2．1 控制方程

4．2．2 两种状态的边界条件

4．2．3 方程的无量纲化

4．3 微分变换方法的运用

4．3．1 微分变换的定义

4．3．2 应用求解

4．4 算例与分析

4．4．1 立管的基本参数

4．4．2 算法验证

4．4．3 收敛速度分析

4．4．4 参数分析

4．5 小结

5 波浪作用下张力系统的动力响应

5．1 引言

5．2 张力系统模型

5．2．1 控制方程

5．2．2 波浪力

5．2．3 边界条件

5．3 求解过程

5．3．1 方程的化简

5．3．2 线性时变系统的虚拟激励法

5．3．3 虚拟激励法的运用

5．4 参数激励系统的稳定性分析

5．5 算例与分析

5．5．1 稳定性分析

5．5．2 算法验证

5．5．3 随机波浪和参数激励共同作用下的频域响应

5．5．4 船体升沉频率的影响

5．5．5 船体升沉幅值的影响

5．5．6 弯曲应力

5．6 强度校核及疲劳分析

5．6．1 强度校核

5．6．2 疲劳分析

5．7 小结

6 海流作用下张力系统的动力分析

6．1 引言

6．2 基于尾流振子的涡激振动模型

6．2．1 结构模型

6．2．2 尾流振子模型

6．2．3 结构和尾流振子的耦合

6．2．4 数值求解

6．3 模型验证

6．3．1 均匀流

6．3．2 剪切流

6．4 参数激励-涡激耦合作用

6．4．1 耦合响应比较分析

6．4．2 流速的影响

6．4．3 升沉幅值和频率的影响

6．5 小结

7 立管轴向张力的H∞控制

7．1 引言

7．2 轴向动力学模型

7．3 H∞控制问题的提出

7．4 动力方程的求解

7．4．1 频域解

7．4．2 时域解

7．5 数值仿真与分析

7．5．1 计算参数

7．5．2 控制效果

7．5．3 相关参数分析

7．6 小结

8 结论与展望

8．1 结论

8．2 创新点

8．3 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介