CN108520108B - 一种基于温度场分析的浮式液化天然气装置液舱优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于温度场分析的浮式液化天然气装置液舱优化方法，其步骤：根据FLNG实际布置，得到FLNG装置横剖面模型；在工程计算中对FLNG装置横剖面模型进行简化；根据FLNG装置环境条件，选取计算工况，参数包括船舶吃水深度、海水温度和空气温度；根据计算工况，对FLNG装置横剖面模型的横截面温度场快速计算；根据温度场快速计算结果进行详细温度场计算；形成主要影响因素构成的温度场曲面；其中主要影响因素包括双排舱间距和中纵隔舱注水情况；基于温度场分析的FLNG液舱优化。本发明能快速针对重点关注区域提供详细计算结果，并能根据温度场分析结果为FLNG装置液舱结构优化提供理论依据。

Description

一种基于温度场分析的浮式液化天然气装置液舱优化方法

技术领域

本发明涉及一种浮式液化液化天然气装置液舱优化方法，特别是关于一种基于温度场分析的浮式液化天然气装置液舱优化方法。

背景技术

浮式液化天然气生产装置(Floating Liquefied Natural Gas,FLNG)是一种集生产、液化、储存和外输为一体的新型气田开发装置，是最具前景的深远海气田开发模式之一。众所周知，液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)温度为-162度，超低温的LNG使得液舱的安全至关重要，所以需要进行整个液舱结构的温度场计算，并且基于此进行液舱优化。

FLNG装置在海上生产作业过程中遭遇台风时，一般采取两种方式：船体解脱系泊系统撤离和船体不解脱系泊系统但装置停产人员撤离的方式。对于后者，由于停产且人员撤离，所以船上大部分设施关闭。对于装载了LNG的FLNG，液舱加热系统停止工作意味着船体将慢慢变冷，液舱围护系统内外温差非常高，使得液舱及周围结构的温度场分析十分重要。特别是在人员撤离的条件下，需要考虑FLNG装置在位情况下如何保持液舱围护系统的安全可靠，需要在液舱设计中充分考虑各种不利环境条件，分析各种状态下的液舱周围船体温度，使得舱室设计达到最优。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于温度场分析的浮式液化天然气装置液舱优化方法,该方法能快速针对重点关注区域提供详细计算结果，并能根据温度场分析结果为FLNG装置液舱结构优化提供理论依据。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于温度场分析的浮式液化天然气装置液舱优化方法，其特征在于包括以下步骤：1)根据FLNG实际布置，得到FLNG装置横剖面模型；2)在工程计算中对FLNG装置横剖面模型进行简化；3)根据FLNG装置环境条件，选取计算工况，参数包括船舶吃水深度、海水温度和空气温度；4)根据计算工况，对FLNG装置横剖面模型的横截面温度场快速计算；5)根据温度场快速计算结果进行详细温度场计算：根据工程经验，对于重点关注区域进行详细温度场计算，重点关注区域包括：温度场快速计算中温度低于或者接近船体钢材温度容许值的区域，以及船体的中纵隔舱区域；6)形成主要影响因素构成的温度场曲面；其中主要影响因素包括双排舱间距和中纵隔舱注水情况；7)基于温度场分析的FLNG液舱优化。

进一步，所述步骤2)中，简化内容如下：2.1)对于液舱围护系统的多层薄膜，根据热力学守恒定理简化为一层；2.2)对于实际FLNG船体内的骨材突出部分，模型中忽略骨材突出部分：根据现有实验数据，采用FLNG船体内骨材的热传导等效系数对骨材突出部分进行忽略处理；2.3)对于液舱内部，根据工程情况按照内部均充满液化天然气情况；2.4)对于分舱内空气，在工程计算中视为温度均一。

进一步，所述步骤4)中，对于每一个工况的快速计算，其步骤如下：4.1)根据钢材所处位置，在水线面以上的，采用空气温度与LNG的温度的中间值，设置船体钢材初始温度T_C0和分舱空气初始温度T_w0；在水线面以下的，采用海水温度与LNG的温度的中间值，设置船体钢材初始温度T_C0和分舱空气初始温度T_w0；4.2)根据舱室周围的船体钢材温度和舱室空气温度的差值等计算舱室内的对流交换系数h_n；4.3)根据舱室内的对流交换系数h_n计算船体钢材温度T_wi+1，i为迭代步数，i＝0,1,2，…；4.4)判断船体钢材温度T_wi+1与前一迭代步的船体钢材温度T_wi的差值是否小于预先设定容许值，若小于则进入下一步，反之则返回步骤4.2)继续迭代；4.5)迭代计算并更新分舱内的空气温度T_Ci+1，并判断该空气温度T_Ci+1与前一迭代步的空气温度T_Ci的差值是否小于预先设定容许值，若小于则完成计算，得到FLNG装置横截面温度场分布，反之则返回步骤4.2)继续迭代。

进一步，所述步骤4.2)中，对流交换系数h_n为：

其中L为经验系数，为由试验获得；ΔT船体钢材温度和舱室空气温度差值的绝对值。

进一步，所述步骤4.4)、4.5)中，预先设定容许值为0.001。

进一步，所述步骤5)中，对重点关注区域的详细温度场计算步骤如下：5.1)对于选定的区域建立三维模型，截取范围较选定区域增大一个分舱；5.2)截断处的温度场边界条件采用对应位置的温度场快速计算结果；5.3)采用现有计算方法得到选定区域的三维温度场分布。

进一步，所述步骤6)中，温度场曲面形成方法为：根据步骤5)的计算结果，得到液舱船体结构的最低温度，而影响该最低温度的主要影响因素是双排舱间距和中纵隔舱注水情况；通过计算不同工况的双排舱间距和中纵隔舱注水情况，得到不同工况的最低温度，由此构成温度场曲面上不同位置的点；各个点之间通过插值构成曲面，该曲面上点的X坐标即为双排舱间距，Y坐标即为中纵隔舱注水情况，Z坐标即为最低温度。

进一步，所述步骤7)中，根据船体钢材对温度的设计要求—最低温度要求，结合步骤6)形成的温度场曲面，通过绘制等值线，得到基于温度场的液舱优化主要参数的选值范围，完成优化。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明将液舱温度场快速计算和详细温度场计算相结合，能快速针对重点关注区域提供详细计算结果，并能根据温度场分析结果为FLNG装置液舱结构优化提供理论依据。2、本发明通过算得到整个液舱船体结构的温度，采用最低温度作为控制条件进行优化，各影响因素都选取多个数值，这样每种情况都计算得到每种情况的最低温度。由此可以得到温度场曲面的每个点，点和点之间通过插值构成曲面，通过有限的点得到整个曲面，通过在等值线上选择点来得到对应的主要影响参数实现优化。

附图说明

图1是FLNG装置典型横截面示意图；

图2是本发明的横截面温度场快速计算流程示意图；

图3是本发明的各影响因素构成的温度场曲面示意图；

图4是本发明的参数优化组合选取示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提供一种基于温度场分析的浮式液化天然气装置液舱优化方法，其包括以下步骤：

1)建立FLNG装置横剖面模型；

根据FLNG实际布置，得到FLNG装置横剖面模型及液舱的二维横剖面模型，其中包括船体外壳、船体内壳、船体分舱和液舱围护系统等。典型的FLNG双排舱截面图，如图1所示。

2)在工程计算中对FLNG装置横剖面模型进行简化；

简化内容如下：

2.1)对于液舱围护系统的多层薄膜，根据热力学守恒定理简化为一层；

2.2)对于实际FLNG船体内的骨材等突出部分，模型中忽略骨材等突出部分。根据现有实验数据，采用FLNG船体内骨材的热传导等效系数对骨材等突出部分进行忽略处理。其中，等效系数由不同型式钢材的实验数据获得。

2.3)对于液舱内部，根据工程情况按照最危险情况计算，即内部均充满液化天然气情况。

2.4)对于分舱内空气，在工程计算中视为温度均一。

3)选取FLNG装置横剖面模型计算工况：

根据FLNG装置环境条件，选取计算工况，参数包括船舶吃水深度、海水温度和空气温度等。

4)根据计算工况，对FLNG装置横剖面模型的横截面温度场快速计算；

如图2所示，对于每一个工况的快速计算，其步骤如下：

4.1)根据钢材所处位置，在水线面以上的，采用空气温度与LNG的温度的中间值，设置船体钢材初始温度T_C0和分舱空气初始温度T_w0；在水线面以下的，采用海水温度与LNG的温度的中间值，设置船体钢材初始温度T_C0和分舱空气初始温度T_w0；

4.2)根据舱室周围的船体钢材温度和舱室空气温度的差值等计算舱室内的对流交换系数h_n。

其中L为经验系数，为由试验获得；ΔT船体钢材温度和舱室空气温度差值的绝对值。

4.3)根据舱室内的对流交换系数h_n计算船体钢材温度T_wi+1，i为迭代步数，i＝0,1,2，…；

4.4)判断船体钢材温度T_wi+1与前一迭代步的船体钢材温度T_wi的差值是否小于预先设定容许值，若小于则进入下一步，反之则返回步骤4.2)继续迭代；其中，该预先设定容许值优选为0.001；

4.5)迭代计算并更新分舱内的空气温度T_Ci+1，并判断该空气温度T_Ci+1与前一迭代步的空气温度T_Ci的差值是否小于预先设定容许值，若小于则完成计算，得到FLNG装置横截面温度场分布，反之则返回步骤4.2)继续迭代；其中，该预先设定容许值优选为0.001。

5)根据温度场快速计算结果进行详细温度场计算：

根据工程经验，对于重点关注区域进行详细温度场计算，使得计算结果更加准确。重点关注区域包括：温度场快速计算中温度低于或者接近船体钢材温度容许值的区域；以及船体的中纵隔舱区域，即船体横截面中部两个液舱之间的区域。对重点关注区域的详细温度场计算步骤如下：

5.1)对于选定的区域建立三维模型，为了截取不影响选定区域，截取范围较选定区域增大一个分舱。

5.2)截断处的温度场边界条件采用对应位置的温度场快速计算结果。

5.3)采用现有计算方法得到选定区域的三维温度场分布；现有计算方法可以采用ANSYS等。

6)形成主要影响因素构成的温度场曲面：

根据步骤5)的计算结果，得到液舱船体结构的最低温度；由于液舱船体结构优化必须使得最低温度满足设计要求，而影响该最低温度的主要影响因素是双排舱间距和中纵隔舱注水情况。通过计算不同工况的双排舱间距和中纵隔舱注水情况，得到不同工况的最低温度，由此构成温度场曲面上不同位置的点。各个点之间通过插值构成曲面。该曲面上点的X坐标即为双排舱间距，Y坐标即为中纵隔舱注水情况，Z坐标即为最低温度。形成的温度场曲面示意图如图3所示。

7)基于温度场分析的FLNG液舱优化：

根据船体钢材对温度的设计要求，即为最低温度要求。结合步骤6)形成的温度场曲面，通过绘制等值线，即可得到基于温度场的液舱优化主要参数(双排舱间距和中纵隔舱注水情况)的选值范围。如图4所示，如最低温度要求在粗黑线处，则两个主要参数的取值极限在粗黑线处所示的温度等位线及其以上位置。例如可取双排舱间距在X，注水情况在Y等。因在优化中尽量选取最佳值，所以在等值线上选值。

由于FLNG液舱的整体优化需要结合多个专业综合考虑，所以基于温度场分析的FLNG液舱优化需要给出多个优化结果以便综合考虑时选取。对于中纵隔舱的注水情况，考虑到船体内部的其他要求，一般注水不会超过3个舱室，且均采取注满的方式。也就是说，在图4的中纵隔舱注水情况中一般选值为0、1、2和3这4个整数值(分别记为Y0，Y1，Y2和Y3)，并由此通过等值线得到每种中纵隔舱注水情况对应的双排舱间距最小值，分别记为X0，X1，X2和X3。这就得到了基于温度场分析的FLNG对于液舱的主要参数双排舱间距和中纵隔舱注水情况的优化结果。

综上所述，基于温度场分析的FLNG液舱优化结果的使用，举例如下：在FLNG液舱的整体优化时，不仅仅有基于温度场分析的FLNG液舱优化结果，也会有基于其他考虑的FLNG液舱优化结果。假设对于各种考虑，中纵隔舱注水情况为Y1均可行，基于温度场分析的双排舱间距最小值为X1；基于A考虑的双排舱间距最小值为XA1；基于B考虑的双排舱间距最大值为XB1。则FLNG液舱的整体优化最终结果：对于中纵隔舱注水情况为Y1时，双排舱间距必须大于X1和XA1，同时小于XB1。

本发明将液舱温度场快速计算和详细温度场计算相结合，能快速针对重点关注区域提供详细计算结果，并能根据温度场分析结果为FLNG装置液舱结构优化提供理论依据。例如，在FLNG装置的设计初期，会进行多个方案的比较，首先，本发明提出的温度场计算方法能够快速的对重点关注区域进行计算，避免计算时间过长，影响整体决策。之后根据温度场分析结果，形成各影响因素构成的温度场曲面。最后根据船体钢材对温度的设计要求，快速找到合适的优化方案，为FLNG装置液舱结构优化提供理论依据。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种基于温度场分析的浮式液化天然气装置液舱优化方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据FLNG实际布置，得到FLNG装置横剖面模型；

2)在工程计算中对FLNG装置横剖面模型进行简化；

3)根据FLNG装置环境条件，选取计算工况，参数包括船舶吃水深度、海水温度和空气温度；

4)根据计算工况，对FLNG装置横剖面模型的横截面温度场快速计算；

5)根据温度场快速计算结果进行详细温度场计算：根据工程经验，对于重点关注区域进行详细温度场计算，重点关注区域包括：温度场快速计算中温度低于或者接近船体钢材温度容许值的区域，以及船体的中纵隔舱区域；

6)形成主要影响因素构成的温度场曲面；其中主要影响因素包括双排舱间距和中纵隔舱注水情况；

7)基于温度场分析的FLNG液舱优化；

所述步骤5)中，对重点关注区域的详细温度场计算步骤如下：

5.1)对于选定的区域建立三维模型，截取范围较选定区域增大一个分舱；

5.2)截断处的温度场边界条件采用对应位置的温度场快速计算结果；

5.3)采用现有计算方法得到选定区域的三维温度场分布。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于：所述步骤2)中，简化内容如下：

2.1)对于液舱围护系统的多层薄膜，根据热力学守恒定理简化为一层；

2.2)对于实际FLNG船体内的骨材突出部分，模型中忽略骨材突出部分：根据现有实验数据，采用FLNG船体内骨材的热传导等效系数对骨材突出部分进行忽略处理；

2.3)对于液舱内部，根据工程情况按照内部均充满液化天然气情况；

2.4)对于分舱内空气，在工程计算中视为温度均一。

3.如权利要求1所述方法，其特征在于：所述步骤4)中，对于每一个工况的快速计算，其步骤如下：

4.1)根据钢材所处位置，在水线面以上的，采用空气温度与LNG的温度的中间值，设置船体钢材初始温度T_C0和分舱空气初始温度T_w0；在水线面以下的，采用海水温度与LNG的温度的中间值，设置船体钢材初始温度T_C0和分舱空气初始温度T_w0；

4.2)根据舱室周围的船体钢材温度和舱室空气温度的差值等计算舱室内的对流交换系数h_n；

4.3)根据舱室内的对流交换系数h_n计算船体钢材温度T_wi+1，i为迭代步数，i＝0,1,2，…；

4.4)判断船体钢材温度T_wi+1与前一迭代步的船体钢材温度T_wi的差值是否小于预先设定容许值，若小于则进入下一步，反之则返回步骤4.2)继续迭代；

4.5)迭代计算并更新分舱内的空气温度T_Ci+1，并判断该空气温度T_Ci+1与前一迭代步的空气温度T_Ci的差值是否小于预先设定容许值，若小于则完成计算，得到FLNG装置横截面温度场分布，反之则返回步骤4.2)继续迭代。

4.如权利要求3所述方法，其特征在于：所述步骤4.2)中，对流交换系数h_n为：

其中L为经验系数，为由试验获得；ΔT船体钢材温度和舱室空气温度差值的绝对值。

5.如权利要求3所述方法，其特征在于：所述步骤4.4)、4.5)中，预先设定容许值为0.001。

6.如权利要求1、3-5任一项所述方法，其特征在于：所述步骤6)中，温度场曲面形成方法为：根据步骤5)的计算结果，得到液舱船体结构的最低温度，而影响该最低温度的主要影响因素是双排舱间距和中纵隔舱注水情况；通过计算不同工况的双排舱间距和中纵隔舱注水情况，得到不同工况的最低温度，由此构成温度场曲面上不同位置的点；各个点之间通过插值构成曲面，该曲面上点的X坐标即为双排舱间距，Y坐标即为中纵隔舱注水情况，Z坐标即为最低温度。

7.如权利要求1、3-5任一项所述方法，其特征在于：所述步骤7)中，根据船体钢材对温度的设计要求—最低温度要求，结合步骤6)形成的温度场曲面，通过绘制等值线，得到基于温度场的液舱优化主要参数的选值范围，完成优化。

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