用于FLNG装置液化工艺的海上边界条件仿真模拟方法

摘要

本发明涉及一种用于FLNG装置液化工艺的海上边界条件仿真模拟方法，其特征在于包括以下步骤：(1)建立海况条件下工质在FLNG的液化工艺系统内部流动的三维控制体单元模型，分析得到工质流动方向的动量方程；(2)基于实际作业海域的海况条件基础数据，得到船体或平台的三维运动方程；(3)计算得到工质重心的平移运动方程和角运动方程；(4)建立一维流体流动方程，用于表征实际海况条件下工质在FLNG的液化工艺系统内的流动；(5)根据一维流体流动方程计算海况边界条件参数，并加载入FLNG装置液化工艺动态模型中，实现实际海况环境在FLNG装置液化工艺中的应用。本发明可以广泛应用于提高FLNG装置液化工艺仿真模拟的真实性和预测应急工况的准确性。

说明书

技术领域

本发明属于海洋石油工程领域，特别是关于一种用于FLNG装置液化工艺的海上边界条件仿真模拟方法。

背景技术

在深水气田开发中，由于距离海岸远，传统管道输送模式投资建造存在难度大、流动安全风险较高等问题，海洋工程界提出一种新型的深水气田开发模式FLNG装置，该装置将天然气的预处理、液化、储存、装卸等功能融为一体，成为解决深远海气田开发以及边际气田开发的首选设备。

然而，在设计FLNG装置上部液化工艺模块过程中，由于海上的特殊环境，在进行液化工艺仿真设计过程中无法准确描述海况条件对工艺和设备性能造成的影响，外界晃动在工艺动态仿真过程中也没有有效的方法对其进行边界定义。现有方法设计出的FLNG工艺流程为了满足海上安全性的要求，其工艺设计裕量大，空间占用大，从而导致FLNG上部液化工艺模块的投资占比高，总体费用不够经济有效。而且，单纯依靠试验进行数据采集和分析，需要耗费大量时间，经济成本过高。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于FLNG装置液化工艺的海上边界条件仿真模拟方法，可以有效实现液化工艺的动态仿真研究和海况适应性研究，进而提高FLNG装置液化工艺仿真模拟的真实性和预测应急工况的准确性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于FLNG装置液化工艺的海上边界条件仿真模拟方法，其特征在于包括以下步骤：(1)建立海况条件下工质在FLNG的液化工艺系统内部流动的三维控制体单元模型，分析海况条件在工质流动过程中的作用方式，得到海况环境及船体或平台运动条件下工质流动方向的动量方程；(2)基于实际作业海域的海况条件基础数据，得到船体或平台的三维运动方程；(3)对步骤(2)中得到的船体或平台的三维运动方程进行六自由度求解，得到工质重心的平移运动方程和角运动方程；(4)将得到的工质重心的平移运动方程和角运动方程代入步骤(1)中得到的海况环境下工质流动方向的动量方程进行惯性项求解，并考虑工质流动方向与船体或平台运动方向的夹角因素，建立一维流体流动方程，用于表征实际海况条件下工质在FLNG的液化工艺系统内的流动；(5)根据得到的一维流体流动方程，计算海况边界条件参数，并加载入FLNG装置液化工艺动态模型中，实现实际海况环境在FLNG装置液化工艺中的应用。

所述步骤(1)中，海况环境下工质流动方向的动量方程的建立过程，包括以下步骤：

(1.1)建立海况条件下工质在液化工艺系统内部流动的三维控制体单元模型；

(1.2)根据建立的三维控制体单元模型，分析工质所受重力、摩擦力和压力的作用力的影响，并计算得到海况条件及船体或平台无运动条件下工质流动方向的动量方程；

船体或平台无运动条件下工质流动方向的动量方程为：

式中，v为无运动条件下的工质流动方向x的速度，t为时间，P为压强，ρ为工质密度，g为重力加速度，f为达西摩擦系数，α为工质流动方向x与水平方向夹角；

(1.3)根据步骤(1.2)得到的船体或平台无运动条件下工质流动方向的动量方程，以及船体或平台运动对海况条件下工质流动的作用影响，得到海况条件及船体或平台运动条件下工质流动方向的动量方程：

式中，v_m为工质因船体或平台运动的流动速度，v为工质流动方向x的速度，△η为船体或平台运动产生的工质流动方向位移量，△t为单位时间间隔，其中η＝f(ω,t)，ω为船体或平台运动速度，t为时间，γ为船体或平台运动方向与工质流动方向的夹角。

所述步骤(2)中，所述船体或平台的三维运动方程为：

式中，i,j＝1,2,...,6，m_ij为船体或平台等系泊浮体质量矩阵，μ_ij(ω)为附加质量系数矩阵，λ_ij(ω)为阻尼系数矩阵，(C_ij)为静水恢复力系数矩阵，F_W为波浪力，η_ij为船体或平台等系泊浮体六自由度运动响应，分别表示纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇运动。

所述步骤(3)中，工质重心的平移运动速度方程为：

式中，为工质重心的平移运动速度，m为工质的质量，是重力的受力矢量。

所述步骤(3)中，工质重心的角运动速度方程为：

式中，为工质重心的角运动速度，L为惯性张量，为角速度矢量，为工质力矩矢量，且

式中，是重心力矩矢量，R是一个转化矩阵，展开为

式中，C_x＝cosx，S_x＝sinx；φ、θ、ψ分别代表六自由度中x、y、z方向的旋转。

所述步骤(4)中，建立的一维流体流动方程为：

式中，v_m为工质因船体或平台运动的流动速度，v为工质流动方向x的速度，η为系泊浮体六自由度运动响应，γ为工质流动方向与船体或平台运动方向夹角。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明有效搭建了三维船体或平台运动与一维液化工艺仿真之间的桥梁，能够将复杂的海况环境进行大幅度简化用于快速计算运动对FLNG装置天然气液化工艺的动态影响，通过实际作业海域的海况环境基本参数，能够快速计算液化工艺在该海域不同环境条件下的工艺适用性，缩短了计算时间并提高了计算可靠性。2、本发明为FLNG等浮式液化工艺的设计和关键设备选型提供了有利的环境条件参考，能够为工艺设计的环境影响参数提供可靠的计算依据和结果预测。本发明可以使FLNG装置的工艺动态仿真与海上真实环境相关联，可以快速高效的对海况作用条件对工艺性能的影响进行评估，能够较好的解决工程中遇到的现实问题，为FLNG装置工艺类型比选提供有效的海上适应性依据，非常适用于前期研究。

附图说明

图1是本发明的流程结构示意图；

图2是本发明海上环境工质流体流动受力图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供的一种用于FLNG装置液化工艺的海上边界条件仿真模拟方法，包括以下步骤：

(1)建立海况条件下工质在FLNG的液化工艺系统内部流动的三维控制体单元模型，分析海况条件在工质流动过程中的作用方式，得到海况环境及船体或平台运动条件下工质流动方向的动量方程；

(2)基于实际作业海域的复杂海况条件基础数据(如风、浪、流等因素)，获得船体或平台的三维运动情况，得到船体或平台的三维运动方程；

(3)对步骤(2)中得到的船体或平台的三维运动方程进行六自由度求解，得到工质重心的平移运动方程和角运动方程；

(4)将步骤(3)中得到的工质重心的平移运动方程和角运动方程代入步骤(1)中得到的海况环境下工质流动方向的动量方程进行求解，并考虑工质流动方向与船体或平台运动方向的夹角因素，建立一维流体流动方程，用于表征实际海况条件下工质在FLNG的液化工艺系统内的流动；

(5)根据步骤(4)中得到的一维流体流动方程，计算海况边界条件参数，并加载入FLNG装置液化工艺动态模型中，实现实际海况环境在FLNG装置液化工艺中的应用。

上述步骤(1)中，海况环境下工质流动方向的动量方程的建立过程，包括以下步骤：

(1.1)建立海况条件下工质在液化工艺系统内部流动的三维控制体单元模型。

(1.2)根据建立的三维控制体单元模型，分析工质所受重力、摩擦力和压力的作用力的影响，并计算得到海况条件及船体或平台无运动条件下工质流动方向的动量方程。

如图2所示，为海况条件下工质的流体流动受力图。图中工质所受的重力作用G为

式中，ρ为工质密度，g为重力加速度，x为工质流动方向，A为工质的截面积。

工质截面上所受的压力F为：

式中，P为压强。

工质外表面上所受的摩擦力F_f为：

F_f＝-τ₀πDδx>

式中，D为工质流动当量直径，τ₀为剪应力，且

式中，f为达西摩擦系数，V为工质的流动速度。

根据式(1)～(4)即可得到船体或平台无运动条件下工质流动方向的动量方程为：

式中，v为无运动条件下的工质流动方向x的速度，t为时间，α为工质流动方向x与水平方向夹角。

(1.3)根据步骤(1.2)得到的船体或平台无运动条件下工质流动方向的动量方程，以及船体或平台运动对海况条件下工质流动的作用影响，得到海况条件及船体或平台运动条件下工质流动方向的动量方程。

由图2可知，工质受船体或平台运动的作用力为F_η，因而得到海况环境及船体或平台运动条件下工质流动方向的动量方程为：

式中，v_m为工质因船体或平台运动的流动速度，△η为船体或平台运动产生的工质流动方向位移量，△t为单位时间间隔，其中η＝f(ω,t)，ω为船体或平台运动速度，t为时间，γ是船体或平台运动方向与工质流动方向x的夹角。

上述步骤(2)中，基于复杂海况条件(风、浪、流等因素)基础数据所获得的船体或平台的三维运动方程为：

式中，i,j＝1,2,...,6，m_ij为船体或平台等系泊浮体质量矩阵，μ_ij(ω)为附加质量系数矩阵，λ_ij(ω)为阻尼系数矩阵，(C_ij)为静水恢复力系数矩阵，F_W为波浪力，η为船体或平台等系泊浮体六自由度运动响应，和分别为η的一阶形式和二阶形式，分别表示纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇运动。

上述步骤(3)中，对船体或平台六自由度运动进行简单的方程求解，获得以工质重心的平移运动与角运动方程，其中平移运动时平移运动速度方程为：

式中，为工质重心的平移运动速度，m为工质的质量，是重力的受力矢量。

其中角运动时角运动速度方程为：

式中，为工质重心的角运动速度，L为惯性张量，为角速度矢量，为工质力矩矢量，且

式中，是重心力矩矢量，R是一个转化矩阵，展开为

式中，C_x＝cosx，S_x＝sinx。φ、θ、ψ分别代表六自由度中x、y、z方向的旋转。

在上述步骤(4)中，考虑工质流动方向方向与船体或平台运动方向的夹角因素，将或带入方程(5)和方程(6)中，得到一维流体流动方程为：

式中，v_m为工质因船体或平台运动的流动速度，v为工质流动方向x的速度，η为系泊浮体六自由度运动响应，γ为工质流动方向x与船体或平台运动方向的夹角，根据实际运动情况结合方程(8)和(9)进行求解。

上述实施例中，步骤(2)和步骤(3)中，采用计算机语言FORTRAN编写程序进行计算。步骤(4)中，采用计算机语言C#编写程序进行计算。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。