半潜式平台压载水系统模型分析与仿真

朱春丽，白雪平，钟雨桐

（中海油研究总院有限责任公司，北京100028）

0 引 言

陵水17-2 气田［1］于2014 年由深水半潜式钻井平台“海洋石油981”勘探发现，位于南海琼东南盆地深水区的陵水凹陷区，平均作业水深为1 500 m，项目总投资额超过200 亿元，系中国海洋石油集团有限公司第一个完全自营作业的大型深水气田，储量规模超1 000 亿m3。该气田采取“深水半潜平台+水下生产系统+干气接入崖城管网”的开发模式［2］，其中“深海一号”为该气田开发的生产储油平台，由1 座超过3.3 万t 的船体和1 座近2 万t的上部平台组成，排水量达10.5 万t［3］。要保证如此大的平台在建造安装、拖航和作业等工况下的浮态和稳性满足要求，需对其压载水系统进行调载。通过向不同的压载水舱注入压载水或从中排出压载水，调节整个平台的排水量、吃水、纵向和横向平衡，维持平台的稳心高，保证平台的安全性。由于“深海一号”的压载水舱数量较多，调载方案的制订较为复杂，若调载方案不尽合理，可能导致平台在作业过程中发生危险。因此，在正式作业之前对平台的压载水调节过程进行仿真预演，这样不仅能保证作业过程的安全高效，而且能帮助操作人员熟悉平台的压载水系统，提升其操作水平。本文根据“深海一号”半潜式平台的实船压载水系统的工作原理，采用管网有限元方法对压载水管网进行分解，建立压载水管网仿真模型，采用C＃语言设计开发压载水系统仿真软件，实现对压载水系统的仿真交互操作和监控。

1 半潜式平台压载水系统概述

“深海一号”半潜式平台的总长和总宽均为91.5 m。主船体部分由4 个立柱（Columns）和4 个浮箱（Pontoons）组成，单个立柱的尺寸为21.0 m×21.0 m×59.0 m，单个浮箱的尺寸为49.5 m×21.0 m×9.0 m。平台的压载水系统共有28 个压载舱，分别布置于各立柱和浮箱结构中（见图1）。

图1 压载水舱布置示意图

各压载水舱是根据其所在位置进行编号和命名的，其中：

1）北侧浮箱（North Pontoon）设有压载水舱N1 ～N4；

2）西侧浮箱（West Pontoon）设有压载水舱W1 ～W4；

3）南侧浮箱（South Pontoon）设有压载水舱S1 ～S4；

4）东侧浮箱（East Pontoon）设有压载水舱E1 ～E4；

5）东北角立柱（Northeast Column）设有压载水舱为NE1、NE3 和NE9；

6）西北角立柱（Northwest Column）设有压载水舱为NW1、NW3 和NW9；

7）东南角立柱（Southeast Column）设有压载水舱为SE1、SE3 和SE9；

8）西南角立柱（Southwest Column）设有压载水舱为SW1、SW3 和SW9；图1 中未作说明的舱为其他类型工作舱，如SE2 为冷凝舱。

平台压载水系统的总舱容为50 232.4 m3。该系统设计有2 条环形总管，各压载水舱由吸入口经压载水管与截止阀箱相连。主船体的压载水系统与上部平台的海水提升系统相连。压载时，海水自提升系统进入主船体压载管路，泵入各压载水舱；排载时，由700 m3／h 的排载泵将压载水自水舱吸入口吸入管路，经截止止回阀排至舷外。

2 仿真系统总体设计

仿真系统需根据平台的实船压载水系统建立压载水管网模型，基于该模型实现仿真系统的各项功能。本文设计的平台压载水系统仿真软件采用C＃语言开发，主要由用户操作界面、仿真模型数据库和水力计算等3 个模块组成［4］。设计的仿真系统软件架构见图2。

图2 设计的仿真系统软件架构

1）用户操作界面采用MDI（Multiple Document Interface）窗体设计，除了压载水系统仿真与监控主操作界面以外，还集成有工况设定、数据库信息查看、调载参数设置和通信连接设置等功能界面，可为用户提供友好的操作体验。

2）仿真模型数据库是基于SQL（Structured Query Language）建立的，主要用于存储和读取压载水系统仿真模型中的船型信息、压载水管网信息、工况表、静水力表和舱容表等数据，以方便仿真系统各功能间的相互调用，使压载水系统仿真实现建模参数化，自动高效地生成计算管路网络。

3）水力计算模块的主要任务是对压载水管网进行水力计算，实时求解管网流量，并统计各压载水舱的装载状态和总调载水量等，为静水浮态计算和平台受力计算提供数据。

3 模型与仿真系统实现

3.1 基于有限管元法的数学模型研究

若要实现对平台压载水系统的计算机仿真，首先需分析实船压载水系统的组成，根据压载系统原理图确定采用何种仿真原理建立压载水管网的仿真模型，这是实现仿真系统各项功能的基础。“深海一号”半潜式平台的压载水系统主要包含管路单元、压载排载泵、阀门和压载舱等4 种基本元件。可根据各压载元件的连接情况对管网进行分解，采用压载水仿真系统开发领域应用较多的有限管元法建立仿真模型。本文的仿真软件主要参考文献［5］中的有限元法设计，采用该方法建立压载水系统仿真模型的基本原理是根据连接情况将整个管网划分为若干个管元，将管元的端部、管元与管元之间的连接点设为节点。对于任意一个节点，流量的流入与流出是相等的，本文规定流出节点的流量为正，流入节点的流量为负，则有质量守恒方程

式（1）中：Φ为与节点i相邻的节点集合；Qij为管段ij的流量；qi为节点i的流量。

将压载水在管元中的流动视为沿管元长度方向的一维流动，由于压载水在流动过程中会产生沿程损失和局部损失，因此其在管路不同位置的断面处的流速是不同的。沿程损失可采用达西公式计算，即

式（2）中：λ为沿程阻力系数（无量纲），与流体的黏性、密度、管道粗糙度和流速有关，λ ＝；Re为雷诺数；l为管段长度，m；R为水力半径，m；v为管段内水的平均流速，m／s；g为重力加速度，m／s2。

局部损失的计算公式为

式（3）中：ξi为局部阻力系数。

由此，单元管元的总水头损失Δhi可表示为沿程损失与局部损失之和，即

现在，他应该后悔，慢慢来，稳着，不急着搞大的，他会有今天？拖得起吗？他把要做的事排到65岁退休，再往后加十年都排不完，他急，心急脾气就大，没人敢拦，拚着往前赶的他，从未料到会在这连天暴雨中嘎然而止。

式（4）中：λi为沿程阻力系数；li为管长；di为管径；vi为管内流速。压载水管网在物理层面上需满足质量守恒方程和能量守恒方程［6］。

1）对于任一管元，可得到管元单元方程为

2）对于节点，有连续方程

式（6）中：Cj为节点净流量；Qij为管元流量。

3）对于整个压载水管网，可由所有管元和节点方程构建得到管网矩阵方程

式（7）可简写为

通过对以上矩阵进行求解，即可计算出各管元节点的流量。

3.2 基于参数化的模型数据库构建

根据有限元法原理，本文的仿真软件采用文献［4］中提出的船舶压载水系统仿真参数化建模方法，将管路系统中的各项信息参数化，以数据库的形式存储，从而使该系统能方便地对压载水系统进行建模，减少因修改模型而产生的软件开发工作量，缩短软件开发时间。本文对“深海一号”的压载水系统进行分解，得到160个管元和124 个节点，编号0 ～27 的节点为压载水舱节点。仿真模型中包含管网中的80 个阀门、4 个压载泵和4 个排载泵。图3 为平台压载水管网分解示意图。基于以上分解，构建平台压载水系统的模型数据库，各数据库结构见图4。数据库的读写操作通过程序文件DataReader.cs和DataWriter.cs实现。

图3 平台压载水管网分解示意图

图4 仿真模型数据库结构

3.3 基于C＃语言的仿真系统界面设计

考虑到C＃语言在程序图形界面开发中的优点，本文的仿真软件界面借助VS（Visual Studio）开发平台，采用C＃语言开发。该软件系统仿真界面主要实现对压载水项目作业的仿真，通过网络交互与其他软件进行交互，具有仿真场景演示、仿真物理效果、网络通信、仿真环境编辑和仿真漫游等功能。

1）仿真场景演示：对模型、环境系统和物理效果等多种因素进行融合仿真显示。

2）仿真物理效果：对海洋环境、平台运动、缆绳运动和压载水作业等进行物理仿真演算。

3）网络通信：对仿真场景演示的内容和交互信息进行网络通信。

4）仿真环境编辑：对仿真环境进行编辑的网络交互功能。

5）仿真漫游：对仿真视点进行漫游的网络交互功能。

仿真界面集操作与监控功能于一体，通过自定义的压载水舱控件、阀门控件和压载／排载泵控件实现与用户的交互操作的界面。28 个压载水舱控件是仿真界面的主要监控元件，该控件可实时显示各压载水舱当前的压载水量、百分比和液位高；阀门控件、压载／排载泵控件分别设计开启和关闭2 种状态，可由用户控制；压载系统管路是采用C＃语言的画线函数，根据节点的坐标信息绘制。软件界面根据数据库模型信息加载生成，这种方式有利于在软件开发过程中对界面设计进行参数化修改，进而提高软件开发效率。为保证系统正常运行，另外需安排专门人员对系统进行维护管理。在压载水系统仿真软件主界面可看到28 个压载舱及其管路的分布情况，当通过该软件进行压载水注入与排出操作时，可清楚地看到各压载舱的水位变化及管路中各元件的运行状况。对平台的压载水作业过程进行仿真预演，可真实地模拟出平台作业时各参数的变化，帮助工程人员提前预知平台在开展压载水作业过程中可能遇到的危险，从而保证作业过程的安全性，为后续实际压载水作业的开展提供经验，同时帮助相关操作人员熟悉平台压载水系统，提升其操作水平。

4 仿真操作实例

平台压载水系统通过压载水泵、阀门等部件实现压载水注入或排出，以及在各压载水舱之间置换等操作。本文对“深海一号”半潜式平台的压载水系统进行仿真模拟研究，软件仿真界面上的参数主要有水泵的工作流量、管壁绝对粗糙度、各管段的长度及直径、管系中各阀件的特性曲线、各舱的初始液位高度和各舱舱容曲线表等。压载水系统用于抵消平台在开展采油作业时产生的力矩，保证平台的浮态和稳性满足要求。用户可在压载水系统仿真界面根据压载水调载方案对压载水系统的阀门进行控制，从而调节压载舱的水位；同时，该界面可显示平台的横倾和纵倾数据，以及压载管网系统的泵、阀门等部件的状态。用户可根据平台的压载水系统原理，通过开关阀门和压载泵，实现压载水的注入或排出。操作顺序为先打开管路上的阀门，确认管路形成回路之后再开启压载泵。若管路逻辑错误，则会弹出“调载终止提示”的警告信息。

4.1 压载操作

当向压载舱（以N3 压载舱为例）注水时，系统先模拟一遍注水过程，选择相应的管路阀门和压载泵开启方案，再进行实际的注水作业。当软件仿真界面模拟向N3 压载舱注水时，系统会先检查N3 压载舱内传感器的参数，判断该舱是否满足注水作业条件（若不能满足，则会向仿真界面反馈相关错误信息；若满足，则检查相关压载水管路、阀门控件和压载水泵等设备的状况，依次在仿真界面显示相应的信息）。若无错误等信息反馈，开始模拟注水作业。在此作业过程中，可通过仿真界面直观地看到压载水泵工作、相关阀门开启和管线形成回路等过程，同时显示的还包括N3 压载舱内的水位高度、水量大小等信息。可通过仿真界面设定向N3 压载舱注水的量，当达到设定值时，系统会自动停止作业，并在仿真界面显示出来。平台压载舱注水作业仿真模拟结束之后，可根据模拟过程中系统出现的变化对压载水系统进行调控。当注水作业模拟过程中系统出现较大的问题时，仿真系统界面会反馈相应的设备故障信息，在故障修复之后重新进行模拟，直至压载水系统满足注水条件，无问题发生。在此基础上进行实际的注水作业，由于在此之前已进行模拟，可直接向N3 压载舱注水。当向N3 压载舱注水的量满足平台实际要求时，工程人员根据界面提示信息停止注水作业。至此，N3 压载舱注水作业结束。向其他压载舱注水也采用类似操作。

4.2 排载操作

若对压载舱（以NW1 压载舱为例）进行排水作业，先通过仿真界面模拟一遍排水过程，再进行实际的排水作业。当通过软件仿真界面模拟从NW1 压载舱向外排水时，系统同样会先检查平台是否满足排水作业条件，反馈相关传感器信息。若满足排水作业条件，则开始检查相关压载水管路、阀门控件和压载水泵等设备的状况，并依次在仿真界面显示相应的信息。若无错误等信息反馈，则开始进行排水作业模拟。在模拟排水作业过程中，仿真界面可显示NW1 压载舱内的水位高度和水量等信息。可通过仿真界面设定向NW1 压载舱排水的量，当达到设定值时，系统会自动停止作业，并在仿真界面中显示出来。平台压载舱排水作业仿真模拟结束之后，可根据模拟过程中系统出现的变化对压载水系统进行相应的调控。当排水作业模拟过程中系统出现较大问题时，仿真系统界面会反馈相应的设备故障，在故障修复之后重新进行模拟，直至压载水系统满足排水条件，无问题发生。在此基础上进行实际的排水作业，由于在此之前已进行模拟，可直接从NW1压载舱向外排水。当NW1 压载舱内的水量满足平台实际要求时，工程人员根据界面提示信息停止排水作业。至此，NW1 压载舱排水作业结束。从其他压载舱向外排水也采用类似操作。

4.3 平台大合拢调载作业仿真应用

“深海一号”半潜式平台的上部组块和主船体安装采用整体吊装合拢的方式实现，为保证此项作业能精准、安全、高效地完成，在施工之前对合拢方案进行高精度的仿真预演。本文开发的压载水仿真系统按大合拢压载程序，对平台合拢期间在各压载和漂浮工况下的调载作业进行仿真模拟，实时监控平台压载水系统的状态。除了仿真操作与监控功能以外，软件还可进行压载工况管理，实现压载方案的快速设定和切换。根据界面的管路流通状态，软件可实时计算压载水变化对平台受力的影响，并按需将结果发送给平台的运动仿真系统，从而为平台的运动响应计算提供数据基础。应用结果表明，该系统仿真精度高，稳定性好，能为作业预演提供可靠的仿真数据。

5 结 语

本文基于管网有限元方法建立了压载水管网仿真模型，对“深海一号”半潜式平台的压载水系统进行了模型和仿真研究，采用C＃语言开发了压载水系统仿真软件，主要实现了以下功能：

1）用户可通过用户界面对管路中的各阀门和泵元件进行开关操作，软件可根据阀门和泵的开启情况自动判断管路逻辑是否正确，对目标压载舱进行压载或排载；

2）在调载过程中，软件可实时显示管网中的压载水流通状态、压载水舱室内的液位高度和压载水水量等信息；

3）进行压载工况管理，快速设定和切换压载方案；

4）实时计算压载水变化量及其对平台受力的影响，并可按通信协议向关联的软件发送数据。

开发的仿真软件已成功接入“深海一号”半潜式平台建造大合拢作业仿真系统，对该平台在大合拢阶段的工程作业方案进行了仿真预演，有效避免了平台作业过程中可能遇到的危险，保证了作业过程的安全、高效。工程应用结果表明，该软件的仿真结果可靠，实用性强。