CN101080535A - 用于储存和卸载的设备及其方法 - Google Patents
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Abstract
描述了一种港口设备(10)形式的设备，用于在海上储存、装载和卸载石油产品或液化天然气(LNG)，该港口设备(10)包括多个由钢或混凝土制成的且置于海底(8)的单元(9)，这些单元(9)相互地置于海底(8)上，在海底(8)上相互之间不间隔一段距离，该距离不在单元(9)之间进一步限定，但能使得港口设备(10)可削弱一部分来波，而其它的波浪可穿过港口设备(10)。单元(9)的外部可具有一定粗糙度或多孔表面、尖锐边缘、突起等，以增加波浪的摩擦力，并进一步削弱波浪。单元(9)还形成有放大的底座(3)。
Description
技术领域
本发明涉及石油和天然气在海上的运输，更特别地，涉及如权利要求1的前序部分指定的装置。
更详细的，本发明涉及港口设备的安装和操作，用于在远离海岸的浅海区储存和装载或卸载冷却的液化天然气，可替换地，在海岸上或在停泊的浮动装置上建造用于液化天然气的储存装置。
在下文中，通常LNG(液化天然气)这一称呼用于指示被冷却至液态的天然气。通常将甲烷冷却至约-161摄氏度，但是本发明还可适用于其它类型的石油产品，例如冷却气体，例如乙烷，甲烷，丙烷，和丁烷。此外，本发明可被用于储存，装载和卸载石油和石油产品。
背景技术
由于其较低的温度，LNG是很难储存和处理的液体。在过去的30-40年里，已经发展了一些用于处理LNG的技术和设备。它通常被储存在球形的铝罐或所谓的薄膜储罐中。为了转移LNG，通常使用具有良好隔热性和柔性的铰接臂或软管。这些软管通常非常坚硬并且在实际中不能很好的弯曲。铰接臂通常仅在一个平面内移动，并且不能容忍侧向移动。这就需要LNG容器在装载或卸载操作过程中必须静止的躺在受保护的港口中。
用于LNG的港口设备被认为是非常危险的。因此，将其置于居民区附近是不利的。与此同时，在人口稠密的居民区又消耗最大量的LNG。因此，很多解决方案都建议将LNG储存装置置于海上。
提出的一种建议是使海上的用于LNG的港口设备为漂浮状态，或将其置于海底。漂浮港口设备的常见问题是LNG在容器和储存装置之间的转移发生在两个漂浮的可移动体之间。如果装载是并排进行的话，这种动态性极大地需要一些设备和安全性。
一种替代形式是在两个漂浮体的船尾和船头之间转移LNG，但是这与相应的、已知的石油装载操作相比被认为是更困难的，并且这种方法极大地取决于设备，这仍停留在图纸阶段。此外，如果这些容器还发生转动的话，LNG的储存容器必须装配复杂的用于LNG的水下转体。
为了减少漂浮体在装载过程中的动态性问题，已经提出了在海底建造大的、矩形混凝土结构，其用作海洋人造港口，其中连续的混凝土壁将形成对来波的防护。海水的典型深度为20-30米。这种观点认为，该类型的大结构将远离居民区建造，并且同时用作LNG船只在装载和卸载操作过程中的屏障。
NO公开文献126927描述了一种港口设备，其包括多个漂浮或沉下的单元，并且被构造为置于海底上。每一个单元包括底座，载重结构和可根据需要移动的可移动波浪破碎元件。
US 3958426描述了一种港口设备，其包括多个相互间隔地置于海底的单元，并因此形成了至少一个停泊位置。这些单元安装有护板。波阻尼装置可安装在这些单元之间。
但是，计算和水池试验表明，如果在实际中LNG船只出现在这些类型的矩形港口设备的迎风面时，它们将产生更大的移动。这是因为大浪和波浪将从港口壁上反射回来，并且将被捕获在LNG船只和港口结构之间。在一些情况下，可导致在港口壁和LNG船只之间形成静止的波浪，这在一定程度上增加了船只的移动。
该问题可通过将船只移动到港口结构的背风面来减少，但是计算和水池试验表明，在某期间从特别不利的角度产生波浪和大浪时，如果人们想要得到显著的屏蔽效果的话，形成连续屏障的港口结构必须被建造的非常大。这是由于已知效应的产生，即海浪将在这种结构的两侧弯曲并且在背风面之后的一定距离将出现弯曲的波浪在那里遭遇的焦点。在该焦点处，波浪的高度实际上将高于来波的高度。
用作波浪屏障的置于海底的较大港口结构因此非常昂贵。已经提议了一些不同形式的该类型的LNG港口设备，它是在装载和卸载过程中使船只与波浪屏蔽的混凝土构造。一种建议的形状是，例如，建造马蹄形的结构并使LNG船只的装载/卸载在其内部进行。这将显著减少动态特性，但是与矩形的港口设备相比，该港口设备将更加昂贵。
大的混凝土结构，不管它们是漂浮的还是安置在底部上，都必须在特定形成的其建立和操作都很昂贵的码头上建造。这导致了建成的混凝土结构通常很昂贵。
本发明的目的是提供一种位于底部的海上港口设备(harbourplant)，它可直接在容器和港口设备之间储存、装载或卸载LNG，其中船只移动效应以简单和具有成本效率的方式最小化了。
本发明的另一目的是提供一种灵活的和定位在底部的LNG海上港口设备，它可由数个小的单元建造而成，其中每一个单元分别下沉到海底，所有这些单元最终形成了在预定方向上形成停泊位置的港口设备，可替换地，能在数个不同的方向上形成停泊位置。
本发明的另一目的是提供一种其中削弱波最好为中波频率的港口设备，例如频率为8-10秒的波浪，这需要船只能够操作。
而且，本发明的目的是在如此有限的时间内，极端的气候条件，例如携带巨大波浪的飓风，容器将很难在该港口中进行操作，最大的波浪将通过该港口设备。在极端能量穿过该港口设备后，这些极端环境力对港口设备的作用和影响因此被显著降低了。
此外，本发明的目的是能以合理的价格和效率来建造港口设备的每一个单元，并且尽可能的在传统的建造地点完成，优选通过使用干船坞在造船厂完成。从而，可最小化在海上进行的高成本工作。在建造地点作最终的装配后，每一个单元被牵引到或拖至安装位置，并且最终通过已知的技术下降。
本发明的另一目的是，构成港口设备的单元可预先计算好的相对距离置于海底上，以便使波浪的削弱效果最大化，并且这些单元可具有一定形状，以达到最佳的波浪削弱效果，以使得LNG容器在港口设备的装载/卸载操作过程中具有有利的移动。
根据本发明，构成用于LNG的港口设备的单元可下沉到海底、被拆除、被移动，以及被替换，以便通过使用已知技术根据需要形成新的单个构造。
根据本发明，形成港口设备的单元以预定的间距设置。单元之间的距离通过人们希望削弱的波频和将要穿过这些单元之间的频率来确定。该距离可通过已知的方法或借助于水池试验来计算。
由于这些单元以间隔一定距离设置，同时，可得到这样一种有利的效果，即可避免在港口壁和船只侧面之间聚集波能。特别的，由于垂直侧面之间的反射，在连续的结构和船只侧面将出现驻波。不需要的波能以及波能的末端将能够滑过这些单元之间。由于波能可通过这种方式部分地打破并且部分地穿过这些单元之间，从而可得到抵消效应，并且波能可在港口设备和船只附近的区域降低。
根据本发明的设备由适当的建筑材料制成，例如混凝土、钢或铝，并且具有所需的用于固定压载物、海水以及LNG的储存容积。由于根据本发明的港口设备由多个，例如5-7个单元做成，因此有可能在传统的工地来建造每一个单元。单元的形状很灵活，并且可适应需要和建筑技术。由于是在传统的工地进行建造，其价格也是合适的。在使用已知的技术安装后，每一个单元将具有所需的重量，这可确保在海底抵抗环境力的稳定性。
通过调节这些单元之间的距离，对于希望削弱来波频率的哪一部分，有可能实现最优化。这是通过来波沿数个方向从单元的壁和底部反射来实现的，因此可获得波浪的抵消。此外，能够根据单元之间的搅动，建立起有目的的、近似的混杂流动模型，并且通过随后减少船只的相应移动，还能够移除波浪的能量。
对于较大的波长，例如周期为15-16秒的大浪，从单元反射的波浪将很小，并且该波谱部分内的能量将穿过这些单元。具有该波长的波浪通常伴随风暴和飓风而来，并且船只由于该大风将不能正常操作，并将不能位于港口设备中。
由于单元具有带尖锐边缘所产生的部分摩擦力，因此可增加摩擦力和波浪的削弱。在波谱的特定部分，通过这种方式，得到非线性的削弱，消除影响船只的能量。
这些单元的合适形状为能使单元的容积在水面以下膨胀，从而可得到波浪的充填，以使得波浪破碎，这还对波浪的削弱具有贡献并且减少港口设备背风面的波浪。水下结构的形状和样式可根据环境以及待削弱的波的周期改变。有利的形状是与海滩相应的倾斜面，其具有带尖锐边缘的构造，这是一种部分中空或布满孔的结构。
在海底，这些单元之间的距离可通过安装位置出现的以及想要削弱的波谱来确定，以便能有利地影响LNG船只的移动。港口设备的可能形状的计算表明，单元的形状为二次型，单元之间的距离为40m，置于水下18m深，并且在水面以下其容积不膨胀，将削弱波长小于80m的波浪。同时，计算表明，波长在200m以上的大波浪将以最小的能量损失通过。
计算还表明，通过在海洋表面以下使容积膨胀，人们将能够同时捕获短波浪和长波浪并消除更大的能量。
有利地影响容器移动的进一步削弱可通过例如，增加水下单元的容积来实现，例如，5-10m深并下降至海底。该容积增加可局限于这些单元之间，并且可沿LNG船只停泊的方向避免。容积增加可确保单元用于抵抗海底的良好基础。但是，必须形成斜面，以使得波浪不会向LNG船只反射，并引起不合乎需要的移动。
一部分波谱也可以通过，例如引入相应于船底龙骨向外延伸的尖锐边缘来削弱。这些尖锐边缘通常被引入到单元之间的空间，并且LNG船只不会在那里停泊。一系列可能的首创性波浪削弱效应已在本文献中描述过了，例如壁中的中空间隙、凸缘等。本发明提供了将这些用于LNG的首创类型以非常便宜的方式引入到港口设备。
由于港口设备通过数个彼此间隔地置于海底的单元形成，因此LNG船只可容易地停泊并支靠着港口设备进行操作。根据本发明，如果LNG船只位于港口设备的迎风面，则可避免波浪向船只反射，并且在船只和港口壁之间将产生不利的，静止的波浪。
可替换地，根据本发明，LNG船只可停泊在港口设备的背风面。预先估算的一部分波能将能够穿过这些单元之间，并且有可能削弱一部分波能。通过这种方式，可避免在背风面形成波浪的危险焦点，与此同时，背风侧上的波能将降低船只的移动并对其移动有利。
如果考虑局部波谱，在单元之间的距离最佳时，人们将能够实现显著的削弱，与此同时，每一个单元的水下结构可通过考虑削弱波能来成形。
根据本发明，特别有利的形状的港口设备将能够放置单元，以便形成数个停泊空间，并且这些停泊空间相对于彼此形成一定角度，例如90度。调节角度和设置以使其适合于港口设备安装位置处的已知波浪方向是有可能的。因此，可实现以合理的价格和非常有效的方式来避免受波浪冲击后的容器与船只成横向，这可引起强的和不利的滚动。通过能够将LNG船只设置成使得波浪从船只的侧面袭来，船只的移动将大体上呈起伏和冲击形式，这将显著降低发生LNG装载和卸载操作的船只中部的移动。
根据本发明，如果人们希望尽可能的保护港口操作本身，并且将船只停泊在波浪被削弱至预定程度的受更多保护的区域，用于LNG的港口设备可根据需要呈U形或V形。如果单元的水下部分形成为阻波器，优选地沿朝向临近单元的方向，这将是特别有效的。
构成港口设备的单元优选地还具有多个钢制或混凝土边缘，其对于支靠在海底的稳定结构具有贡献。该边缘的优选实施例为，它们在水平面上是圆形的，并且以倒置的杯子渗透到海底中。该边缘将有助于被包围的海底结构的土层，并且不会被海洋潮流侵蚀。此外，边缘可根据已知的技术来形成，以用作防止港口设备单元由于浮力或波浪力的影响从海底浮升的抽吸柱。
可替换地，每一个单元可通过已知的技术插入到海底，可替换地被置于预先安装在海底的底座的顶部上。
本发明的特征在于港口设备及其方法，分别由权利要求1和11的特征部分来表征。
本发明的可替换实施例分别通过从属权利要求2-10和12的特征部分来表征。
根据本发明，使单元彼此间隔一段距离地设置在港口设备的优点在于，所需部分的波谱可被削弱，而可在港口设备上产生极端应变的波浪可通过。因此，构成港口设备的单元可更便宜和更容易地建造，与此同时，当人们实现一部分波谱的削弱时，该船只的操作在港口设备附近或港口设备内进行。
本发明的优点还在于，波浪尤其可以从很多壁上反射回来而可通过破碎和抵消效应被有效地削弱，并且人们可避免波能被偏转，以及在港口设备附近的其它位置出现焦点。
此外，港口设备被制造成较小的单元，使得其具有合理的构造和经济性。因此，数个工场可竞争该结构，因此在很大程度上能够通过传统的船坞来制造。此外，安装的危险性也小多了。
附图说明
根据本发明的装置可在下文中通过说明书并参照附图作更详细的阐述。
图1是基于球形罐的LNG储存器且直立在海底上的港口设备单元的侧视图，该储存罐具有圆柱形中部并置于海底。
图2是基于薄膜储罐的LNG储存器的港口设备单元另一实施例的侧视图，该储罐置于海底上。
图3和4分别是港口设备可能形状的水平剖面图和垂直剖面图，其中单元以彼此间隔一段距离置于海底，还形成单元的底座以实现保护和对波浪的削弱效应。
图5是海洋安装的侧视图，其中单元彼此非常靠近的设置。
图6是港口设备的水平剖面图，其中单元被置于海底，以便形成相对于彼此以一定角度设置的用于LNG船只的停泊空间。
具体实施方式
图1示出了一个包括上部结构4和依靠在洋底8的底座3的单元9。
图3示出了用于LNG的港口设备10，其包括多个根据附图1的被置于洋底的单元9，从而形成了一个或多个停泊空间，其中LNG船只可停泊，以借助于特定的装载/卸载装置(未示出)来执行LNG的装载或卸载操作。
若干单元9，或者它们的全部，可装配有停泊护板6，以使得有可能借助于停泊装置(未示出)将LNG船只5安全地停泊在港口设备。停泊护板6可由已知的柔性材料根据已知的技术制成。但是，它们不必包括停泊装置，由于替换实施例中，停泊装置可设置在远离港口设备本身的地方。
构成港口设备10的单元9以这样一种方式形成、建造并置于洋底8，从而环境力，例如波浪、风和潮流的负面影响被最小化了。
单元9和港口设备10根据局部环境条件，例如海水的深度、洋底的类型、波的产生来形成，从而由环境力，例如波浪、风和潮流产生的可能负面影响被最小化了。根据LNG船只5的预期停泊方向和位置，单元9以预定的构造置于洋底，以使得LNG船只的预期装载条件可根据操作和安全考虑最佳。
置于集成港口设备10内的单元9的形状适合于安装位置处的局部波谱，以使得引起港口设备10中的船只在操作过程中产生移动的波浪能尽可能的削弱，同时其它波浪被允许通过港口设备10。
对波浪的调节可通过将单元9彼此远离地设置在洋底来实现。相应地，小波浪可以较短的距离来削弱，大波浪可通过较大的距离来削弱。计算表明，单元9之间的距离大约为希望被削弱的波长的约1/4至1/2是特别有利的。
为了确定想要削弱哪一个波浪，人们可从波高和波频形式的波谱开始。借助于波谱，例如，通过测量每一个波的最大高度，可描述多个波与时间的关系。通过使用统计分布，例如所述波谱的有效值，人们可大体上确定需要削弱哪种类型的波频和波高。通过这些有效值，它意味着第三种波的平均值是20分钟周期内达到最高(为了测量波高)。也可以使用其它形式的统计分布，并且由于这对于本领域技术人员来说是公知的，因此不作进一步说明。
单元9的底座3的尺寸可适合于实现最佳的波浪削弱。底座3的上部被置于海洋表面之下是有利的，以便在底座3的上部和海洋表面之间建立起堤坝。计算表明，对于人们想要削弱的波高和波长来说，将单元9置于海洋表面之下约波高的一半处是特别有利的。这样的一个例子为，如果人们想要削弱的波高为8m，则将底座3的顶部置于海洋表面7之下约4m是有利的。为达到海洋表面7和底座3之间的这种距离，底座的尺寸被相应地调节。
底座3的外观对港口设备10附近的波浪的削弱也具有影响。底座3在平面上为正方形是有利的，在该例子中，只需改变其高度以便相对于海洋表面来调节底座3。但是，应该注意的是，也可以应用具有其它外观的底座，并且将在下面的说明书中对它们作更详细的描述。
图1示出了优选地通过自由悬浮的铝制球形罐1，或通过例如图2所示的薄膜储罐2储存在单元9中的LNG。应该指出的是，根据附图的这些罐仅仅是示例，并且也可以使用能满足相同目的其它类型的罐。
单元9的底座4也可根据目的、需要和期望以多种方式形成。
图3和4示出了单元9的例子，它们形成了港口设备10，并且每一个单元9相对较大，并具有相对较大和大容积的底座3，这些底座3置于彼此的旁边。通过单元9的这种构造和设置，能够得到作为波谱预定部分的阻波器或碎波器的港口设备10，例如，周期小于10秒的波浪。与此同时，如果需要的话，较长周期的大浪将能够滑过港口设备10。此外，减少海洋潮流的不利影响是可能的。
如果需要较强的削弱，单元9可形成为具有多个倾斜的侧壁，并且彼此靠近地放置。如果希望增加与波浪的相互作用，并且经一步削弱该波浪(未示出)，单元9和底座3可形成粗糙和多孔的表面、尖锐的边缘，突起等。
单元9无需相对于彼此排成直线，而是可以像图6所示那样相对于彼此以预定的角度设置。如果想要避免例如来自不同方向的大浪的影响，这是有利的。在装载和卸载操作过程中，在船只中部方向上出现强的波浪和大浪是特别不利的。这将使LNG船只5作大的起伏和滚动，与此同时，由于船只可压紧停泊位置，在LNG的装载和卸载过程中将发生特别不希望的事情。
使LNG船只5沿另一方向停泊，可使得较强的波浪或大浪从船只侧面的方向过来。LNG船只5对来自船只侧面方向的波浪的反应将显著降低滚动和冲击移动，并且降低船只中部的动态性。
根据本发明，用于LNG的港口设备10的形状可具有多种变化可能性，并且这取决于海洋潮流的行为、风的方向、波谱以及所需的波削弱。为了降低局部环境条件的影响，形成用于LNG的港口设备10的重要参数为底座3的形状、单元9之间的距离和单元9相对于彼此的个别设置。
Claims (11)
1、用于在海上储存、装载和卸载石油产品和/或液化天然气(LNG)的港口设备，包括多个彼此置于海底上的单元(9)，以便形成排列成直线或近似直线的港口设备，其特征在于，单元(9)彼此以给定间隔独立地设置，它们被设置用来削弱一部分来波，并让另一部分波穿过港口设备，其中单元(9)根据待削弱的波频和将要穿过这些单元(9)之间的频率来设置。
2、根据权利要求1所述的港口设备，其特征在于，单元(9)之间的距离等于待削弱的波长的约1/4-1/2。
3、根据权利要求2所述的港口设备，其特征在于，待削弱的波长根据在一段时间内测得的一定区域内的波高的波谱的统计分布来确定。
4、根据权利要求1所述的港口设备，其特征在于，单元(9)的形状适合于待削弱的波频以及将要穿过这些单元(9)之间的频率，单元(9)的表面被做成粗糙和/或多孔状，并且包括尖锐的边缘、突起等。
6、根据前述权利要求之一所述的港口设备，其特征在于，单元(9)包括放大的底座(3)，其中底座(3)的顶部和海洋表面之间的距离相对于待削弱的波高大约为波长的一半。
7、根据权利要求5所述的港口设备，其特征在于底座(3)为设置有向下朝向海洋底部的倾斜面的正方形(quadratic)，具有呈部分中空、或多孔结构等等的尖锐边缘的构造。
8、根据前述权利要求之一所述的港口设备，其特征在于，单元(9)设置成正方形，并且这些单元之间的距离为约20m，其中这些单元被置于18m深的水中。
9、根据前述权利要求之一所述的港口设备，其特征在于，单元(9)被设置成形成两个或多个停泊位，并且所述停泊位相对于彼此形成例如90度的角度。
10、根据前述权利要求之一所述的港口设备，其特征在于，港口设备通过适当的建筑材料来建造，例如混凝土、钢或铝，并且具有所需的用于固定压载物、海水以及LNG的储存容积。
11、建造和放置根据前述权利要求1-10之一所述的港口设备的方法，其特征在于，包括下列步骤：
以彼此隔开一定距离来放置单元(9)，以使得该港口设备可削弱一部分来波，而另一部分波浪可穿过该港口设备，和
根据人们想要削弱的波频和想要使其穿过单元(9)之间的波频来计算单元(9)之间的距离。
12、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，单元之间的距离借助于下列步骤来确定：
测量一段时间内预定区域内的波高，
建立所测得的波高的波谱，
计算波谱的统计分布，
根据波谱的正态分布来确定平均波高，和
根据平均波高值来确定单元之间的距离。
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