深水动力定位原油转驳船主尺度设计

蔡灵，李荣，吴承恩

(1.南通中远海运船务工程有限公司，江苏 南通 226006；2.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003)

FPSO是海洋油气生成开采系统的重要组成部分，通常和水下采油装置、穿梭油船组成一套完整的生产采油系统[1]。穿梭油船与常规油船相比，其单位造价高、数量少，载重量小，运输成本高。如何在大规模、远距离深海油气资源开发中，充分发挥常规油船数量多、造价低、载重大、运输成本低的优势，将现有常规油船不加改造就能从事深海油田的原油运输作业，已成为国际原油输送装备技术客观需求和潜在的发展方向[2]。在这样的市场背景下，产生了一款全新概念的离岸深水FPSO原油转驳船，主要由配置DP(dynamic positioning system)装置的浮式载体CTV(cargo transfer vessel)及由CTV搭载的原油转驳输送装置组成[3]。原油转驳船CTV依靠自身大功率推进器与动力定位装置牵引缺乏定位能力的普通油船(VLCC)避碰FPSO并游弋在一定范围内，从而通过CTV大口径输油软管将FPSO原油过驳输送至VLCC等常规油船上。同时，配置大型装卸装置，将FPSO原油转驳至VLCC上，实现离岸深水FPSO的原油外输，即“FPSO+CTV+VLCC”[4]，见图1。这种全新深海原油驳运模式，以CTV(见图2)为核心，通过一进一出2条输油软管和输送泵形成输送系统：1条受油软管连接FPSO，1条输油软管连接VLCC，CTV通过动力定位保持和FPSO之间的相对位置，油船通过系泊装置与CTV连接实现动态跟随[5]。全新概念深水动力定位原油转驳船的设计也解决了部分边际油田必须配置穿梭油船的瓶颈，提高了VLCC级别的常规油船的作业范围和作业条件，CTV的投入与使用降低了原油的整体外输成本。

图1 “FPSO+CTV+常规油船”原油输送模式

图2 CTV概念模型

CTV是一种新型海洋工程船，没有现存的资料可供参考，如何合理地确定其主要要素，需要考虑多个方面，如作业区域、作业任务，以及自身的浮性、稳性、操纵性及布置。这些要素对船舶经济性能、设计质量起着决定性的作用。通过结合CTV用途、船级社的规范、总布置等，探讨CTV主尺度的设计，为CTV主尺度的选取提供参考。

1 CTV主尺度设计的一般步骤

国外在新型原油输送装置设计及建造技术也处于起步阶段，第一艘新型原油输送装置“HiLoad DP No.1”号已成功在挪威Haugesund的Aibel船厂建造，该船安装了Remora公司发明的HiLoad固定系统。作为一种替代穿梭油船的新技术HiLoad也有自身的缺陷，如操作水线面、排水量低，对重量重心敏感性差等，由于上述缺陷，HiLoad技术没有推出市场，这为新型原油转驳船(CTV)实施提供了良好的发展机遇。新型原油转驳船为了避免“HiLoad DP No.1”设计缺陷，在CTV主要尺度前，需要选择船舶主要要素，应充分考虑以下几个方面：①满足承受重量需要的浮力；②满足舱容及甲板面积；③满足新船各项技术性能；④船东对新船的有关使用要求；⑤经济性。由于各主要要素对空船重量、稳性、操纵性、布置等技术性能的影响各不相同，试图一次确定主要要素以满足要求是不可能的，要通过反复迭代、逐步近似来完成，具体CTV主尺度优化流程见图3。

图3 CTV主尺度优化流程

2 CTV设计任务书

根据国家重大科技专项(工信部联装[2016]26号)要求，该CTV设计要求及应满足的相关规范，见表1。

表1 CTV设计任务总体要求

3 主要要素论证

3.1 CTV设计任务分析

3.1.1 推进系统

为了保证FPSO原油的转驳与外输的安全，在设计CTV推进系统时，不仅要考虑其在复杂、恶劣的海况下自航和独立定位的能力，还要考虑其牵引300 000 DWT油船时与FPSO的相对定位。因此，在确定CTV推进系统时，须满足自航(航速≥14 kn)、独立定位(航向稳定，航速为0 kn)及拖曳(航速≥2 kn)3种模式的要求。

3.1.2 侧装载系统

侧装载系统的主要作用是从FPSO接收原油并传送到CTV船的货油主管路中，通过增压泵加压后送到卸载系统。CTV转驳船上的接收口须定位于船舯位置，考虑营运中接收的方便，左右舷各设置一接收口，互为备用。接收口配置1台悬挂式万向接头，可以在前后左右方向旋转，调整不同的角度，与FPSO伸出的软管接头相连接；同时在左舷安装一套备用装载站，以满足在应急状况下，FPSO输油管道特殊接口的连接要求。

为便于FPSO的软管的导入，在CTV转驳船的中心线附近配置1台软管提升绞车及垂向导缆滚轮、水平导缆滚轮、软管提升绞车的配合牵引，牵引软管先导绳，把FPSO伸出软管接头提升到万向接头位置，通过万向接头上的快速连接装置，实现与软管的快速有效连接。

3.1.3 卸载系统

1)软管辊筒。CTV转驳船主要用于FPSO原油卸载，为满足卸载要求，在主甲板上须设卸油软管辊筒(简称软管滚轮，见图2)，辊筒见图4，尺寸为l×b×h=17 150 mm×15 650 mm×17 800 mm，重量约为240 t。为保证CTV转驳船的稳性及营运时软管的操作，辊筒轴线距主甲板高度应在5 m左右。因此，辊筒安装处的主甲板须开设凹槽。

图4 卸油辊筒

辊筒上设有装载软管，用来把石油从CTV传输到油船上，总长420 m，重约137 t。

2)软管滑坡。用来放置和引导装载软管的释放和回收，每800 mm间距布置1根卷轴以减小摩擦阻力。配置液压驱动排管器，以配合辊筒排布回收软管。滑坡尺寸为l×b×h=9 948 mm×13 415 mm×7 800 mm，重量48 t，见图5。

图5 软管滑坡

为保证卸油软管在装卸过程中的安全，滑坡须安装在CTV主甲板的艉部，且尾封板开设凹槽，以布置软管滑坡。

3.1.4 其他

CTV转驳船有3种工作模式，满负荷工作状态约占25%，其他时间都工作在低负荷下。为了满足氮、硫化物的排放要求，配电系统采用直流电力配电系统，其主机能根据不同的负荷运行在不同的转速下，减少了燃油消耗。

为保证装卸油作业的安全性，驾驶人员应能全方位观察到CTV、油船的位置，在布置时，驾驶室高度、驾驶人员视线盲区必须满足要求。

3.2 母型船资料

根据对CTV转驳船设计任务书及具体作业的分析，选用5 960 kW(8 000 hp)深水三用工作船作为母型船，见图6，主要参数见表2[6]。

表2 8 000 hp深水三用工作船主要要素

图6 8 000 hp深水三用工作船外观

如果将CTV卸油系统当作甲板载货，则两者之间有许多相似之处。

1)航行于无限航区，具有良好的适航性能和耐波性能，能在恶劣海况条件下安全运行。

2)装载量大，运输能力强。

3)航速快，均为中高速船。

4)系柱拉力大，满足对储油船及提油船进行拖带要求。

相比于母型船，CTV有以下不同之处。

1)为保证装卸作业的安全性，CTV转驳船定位能力要求较高，除了满足自身定位，还要保证拖带30万t油船时的定位。

2)设有大型舷梯，以方便船员在CTV与油船之间通行。舷梯能适应最低点离水线7 m(与苏伊士码头高度相适应)，最高点距离水线22 m(与油船主甲板高度相适应)。舷梯需要具有可伸缩性，能满足油船与CTV之间距离(15 m)及最低、最高点要求，伸缩范围18.5～28.5 m，舷梯俯仰极限角度：+32°～-30°(根据苏伊士码头、油船、CTV之间的高度关系模拟)。

3.3 排水量初步估算

利用载重量系数法估算CTV排水量Δ。通过调研分析，以任务书中要求为准，载重量DW=3 400 t。

(1)

母型船DW0=2 150 t，Δ0=4 920 t，ηdw=0.437

空船重量LW0=2 770 t

考虑CTV舾装设备较多，取ηdw=0.425

则：Δ=8 000 t，LW=4 600 t

3.4 主尺度初步确定

3.4.1 船长Lpp、型宽B，吃水T的初步选取

Lpp=Lpp0(Δ/Δ0)1/3

(2)

B=B0(Δ/Δ0)1/3

(3)

T=T0(Δ/Δ0)1/3

(4)

式中：母型船Lpp0=64.8 m；Δ=8 000 t；Δ0=4 920 t；Lpp0=64.8 m,B0=16.0 m,T0=6.0 m。

计算得：

Lpp=76.2 m，B=18.8 m，T=7.0 m，Cb=0.774

以上船长Lpp、型宽B只是初步确定，还需结合CTV转驳船的定位能力、装载系统、卸载系统布置等要求，还需对船长Lpp、型宽B作进一步校核。

3.4.2 型深的选取

选取型深时应考虑舱容与总布置，甲板上浪与抗沉性、稳性、强度等。本船由于装设大型辊筒，型深不能按照常规选取，须结合辊筒安装要求来确定。

3.4.3 主尺度调整

在上述初步确定的基础上，对CTV转驳船进行详细布置，考虑到装载系统布置、动力定位系统布置及浮态的要求，在吃水T不变的情况下，将船长Lpp增加5 m,干舷增加3 m，以便布置装载系统、动力定位系统。

4 主尺度确定

对初步确定的主尺度，采用GeniE和Maxsurf等软件进行建模校核计算，包括对浮性、稳性、阻力、快速性、船体强度，以及操纵性仔细分析，通过反复调整主要要素，最终确定CTV主要要素(见表3)，具体布置见图7。

表3 CTV转驳船主要要素

图7 CTV转驳船总布置

5 结论

利用参考母型船的方法得出CTV主尺度虽然过程不复杂，但是需要计算软件对稳性、结构强度、疲劳等方面多次校核调整，船型的完整稳性和破舱稳性要满足国际海事组织IMO Resolution MSC.335(90)关于海洋服务船的完整稳性和破舱稳性要求。计算得出的干舷要校验保证充裕，满足ICLL1966载重线公约的干舷最低要求。此外，CTV主尺度设计还要要满足船型功能配置等要求。全新概念深水动力定位原油转驳船的主尺度设计，助推了我国石油公司突破深海油田原油外输达到低成本、高效率的技术瓶颈，对于提高我国深远海油田原油外输的能力、海洋资源开发综合竞争力、建设海洋强国、促进国民经济转型升级等具有重要意义。