Nghiên cứu tương tác của lực thủy động của sóng lên bể chứa nổi và tàu chở khí hóa lỏng trong trạng thái khai thác cập mạn
PETROVIETNAM
NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC CỦA LỰC THỦY ĐỘNG CỦA SÓNG
LÊN BỂ CHỨA NỔI VÀ TÀU CHỞ KHÍ HÓA LỎNG
TRONG TRẠNG THÁI KHAI THÁC CẬP MẠN
TS. Phạm Hiền Hậu
Đại học Xây dựng
Email: phienhau@gmail.com
Tóm tắt
Tàu chở khí hóa lỏng (LNGC) cập mạn với bể chứa khí hóa lỏng nổi (FLNG) là phương án neo phổ biến và hiệu quả
nhất để quãng đường xuất khí LNG là ngắn nhất, đảm bảo công nghệ làm lạnh khí hóa lỏng ở nhiệt độ khoảng -160oC.
Tuy nhiên, hình thức khai thác này có thể ảnh hưởng bất lợi đến bể chứa nổi và tàu. Bài báo giới thiệu các nghiên cứu
lý thuyết và thực nghiệm của hiện tượng tương tác giữa các lực thủy động của sóng với hai vật thể nổi có kích thước
lớn trong quá trình khai thác kiểu cập mạn.
Kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng cho điều kiện mỏ Bạch Hổ, với các tính toán có sử dụng phần mềm chuyên
dụng HydroStar của Đăng kiểm Pháp, để so sánh với trường hợp chỉ có bể chứa nổi để đánh giá mức độ gia tăng của
bề mặt sóng biển tại khoảng hở giữa FLNG và LNGC khi đang tiếp nhận khí hóa lỏng ở trạng thái cập mạn . Từ đó, tác
giả rút ra kết luận về sự tương tác của sóng đến FLNG - LNGC khi neo kiểu cập mạn và đánh giá ảnh hưởng đến sự an
toàn của công trình khai thác.
Từ khóa: Tương tác thủy động học, lực sóng, bể chứa khí hóa lỏng nổi, tàu chở khí hóa lỏng, LNG, khai thác kiểu cập mạn,
tương tác nhiều vật thể.
1. Giới thiệu
Nghiên cứu lực thủy động của sóng tương tác lên
thế giới qua kết quả mô hình hóa và thực nghiệm, tác giả
đã rút ra hệ số cản sử dụng cho vùng nước tương tác giữa
2 vật thể. Phần áp dụng số thực hiện tại mỏ Bạch Hổ, nơi
có độ sâu nước nông (50m nước) so với các nghiên cứu đã
thực hiện trên thế giới để xem xét tác động của sóng đến
FLNG và LNGC, sự ảnh hưởng đến cao độ bề mặt sóng,
các dịch chuyển và lực sóng tại khoảng hở giữa 2 vật thể...
Từ đó, tác giả đưa ra khuyến cáo với các chu kỳ sóng gây
cộng hưởng, nhạy cảm với hoạt động khai thác của 2 tàu
cập mạn.
FLNG và LNGC trong khi đang khai thác cập mạn là những
nghiên cứu mới ở Việt Nam, có tính ứng dụng cao trong
việc phát triển các dự án nghiên cứu khoa học và phục vụ
cho công tác đào tạo chuyên ngành kỹ thuật xây dựng
công trình biển. Nghiên cứu này còn có thể áp dụng cho
tính toán tương tác lực thủy động của sóng lên hệ thống
các tàu bè, phương tiện nổi neo giữ kiểu cập mạn khác.
Tác giả đã giới thiệu tổng quan về FLNG và các trạng
thái xuất các sản phẩm dầu khí; cơ sở lý thuyết tính toán
tác động của lực thủy động của sóng nhiễu xạ bức xạ lên
một vật thể kích thước lớn và tương tác của sóng với hai
vật thể cập mạn. Trên cơ sở tổng hợp các nghiên cứu trên
Phương pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu lý thuyết phân tích thủy động lực học
tác động lên bể chứa khí hóa lỏng nổi trong 2 trường hợp:
chỉ có FLNG và FLNG - LNGC đang khai thác kiểu cập mạn.
Hình 1. Bể chứa khí hóa lỏng nổi (FLNG)
DẦU KHÍ - SỐ 3/2015
51
CÔNG NGHỆ - CÔNG TRÌNH DẦU KHÍ
Từ bài toán hàm thế nhiễu xạ bức xạ bậc 1 và bậc 2 của
sóng tác động quanh vật thể kích thước lớn để xác định
lực thủy động tác dụng lên bể chứa nổi trong 2 trường
hợp trên.
được áp dụng trên thế giới là sử dụng FLNG để khai thác
khí tự nhiên từ mỏ mà không cần xây dựng cơ sở hạ tầng cố
định như: hệ thống đường ống hoặc nhà máy chế biến khí
trên bờ. Khi mỏ khai thác hết khí, chỉ cần nhổ cọc neo và di
chuyển FLNG tới mỏ khí khác. Khí khai thác từ mỏ được đưa
lên bể chứa, được hóa lỏng bằng công nghệ làm lạnh đến
-160oC và nén lại thu nhỏ thể tích của khí tới 600 lần nên có
thể vận chuyển được đến các vùng xa. Khí hóa lỏng được
chứa trong thùng chứa lớn tại bể chứa, sau đó được chuyển
sang tàu LNGC để vận chuyển tới các hộ tiêu thụ.
- Tổng hợp các nghiên cứu trên thế giới qua kết quả
mô hình hóa và thực nghiệm để rút ra hệ số cản sử dụng
cho vùng nước tương tác giữa hai tàu.
- Tính toán thủy động lực học bằng chương trình
HydroStar tính tương tác của lực sóng lên bể chứa khí hóa
lỏng nổi trong 2 trường hợp: chỉ có FLNG (BT1) và FLNG -
LNGC đang khai thác kiểu cập mạn (BT2).
Công đoạn sản xuất tách lọc chế biến khí được thực
hiện trên FLNG ngay tại mỏ khí ngoài biển. FLNG được
thiết kế để hoạt động một cách an toàn và luôn được
neo giữ tại mỏ ngay cả trong điều kiện thời tiết khắc
nghiệt nhất.
- Phân tích đánh giá kết quả tính toán: So sánh 2
trường hợp tính toán để đánh giá độ gia tăng của mớn
nước giữa 2 vật thể nổi do sóng tương tác với 2 vật thể
đứng song song cạnh nhau, đánh giá sự ảnh hưởng đó
đến hệ neo giữ công trình.
2.2. Bể chứa khí hóa lỏng nổi FLNG trên thế giới
Trên thế giới hiện có nhiều FLNG đang sử dụng để
khai thác khí hóa lỏng. Dự kiến vào năm 2017, bể chứa nổi
lớn nhất thế giới (Prelude của Shell) sẽ neo ở ngoài khơi
cách 200km từ bờ biển phía Tây Bắc của Australia để khai
thác khí tự nhiên từ mỏ khí Prelude ở độ sâu 250m nước.
2. Tổng quan về FLNG và trường hợp khai thác cập mạn
2.1. Vai trò và vận hành FLNG
Việc phát triển các mỏ khí ngoài khơi cần chi phí đầu
tư ban đầu rất lớn, do các mỏ khí thường ở sâu trong lòng
đại dương và xa bờ. Cách thức truyền thống của việc khai
thác khí ở ngoài khơi và vận chuyển khí vào bờ là thông
qua hệ thống đường ống. Một giải pháp hiệu quả khác
Bể chứa khí hóa lỏng nổi này dài 488m, rộng 75m và
cao 105m, Turret cao 93m với 4 cụm dây xích neo và neo
bằng cọc mút. Khi chứa đầy tải, Prelude FLNG sẽ nặng
600.000 tấn, gấp 6 lần tàu sân bay lớn nhất của Mỹ. Mặc
dù vậy công trình này chỉ bằng ¼ kích thước của một nhà
máy tương đương trên đất liền. Các kỹ sư đã thiết kế các
module xếp theo chiều dọc để tiết kiệm không gian; đồng
thời đưa ra các ý tưởng bơm nước lạnh từ sâu trong đại
dương để giúp làm mát khí. Khí được hóa lỏng ở nhiệt độ
-162oC. Prelude FLNG có khả năng chứa 220.000m3 LNG,
90.000m3 LPG và 126.000m3 condensate, tương đương với
khoảng 175 bể bơi Olympic. Ước tính tổng mức đầu tư của
Dự án Prelude FLNG khoảng 10,8 - 12,6 tỷ USD [17, 18].
2.3. Phương pháp xuất khí hóa lỏng từ FLNG sang LNGC
Dựa vào chất chứa trong bể chứa nổi là dầu hay khí
hóa lỏng để lựa chọn một trong hai cách xuất sản phẩm:
kiểu nối đuôi hoặc kiểu cập mạn. Kiểu nối đuôi (tanderm)
sẽ giảm thiểu ảnh hưởng tương tác của trường sóng giữa
2 tàu tác dụng lên nhau, tuy nhiên quãng đường vận
chuyển dài. Cách này phổ biến đối với các bể chứa dầu
nổi FPSO. Kiểu cập mạn (side by side) không phổ biến cho
FPSO vì trường sóng xung quanh mỗi tàu sẽ ảnh hưởng
tương tác lên nhau, gây bất lợi cho cả hệ.
Hình 2. FLNG khai thác và chế biến khí tại mỏ
Kiểu xuất sản phẩm phù hợp với khí hóa lỏng (LNG)
là kiểu khai thác cập mạn (Hình 4) do yêu cầu công nghệ
Hình 3. Bể chứa khí hóa lỏng Prelude (Shell)
DẦU KHÍ - SỐ 3/2015
52
PETROVIETNAM
Chỉ số 0 là lực sóng tới;
Fk: Lực cưỡng bức gây ra bởi sóng tới và sóng nhiễu xạ.
3.2. Phương trình chuyển động cho một vật thể nổi [6, 7]
Biên độ chuyển động của vật thể nổi được đánh giá
bằng cách giải 6 phương trình chuyển động:
6
'
[
− ω2
(
Mkj + Akj
)
− i
ω
Bkj + Ckj + Ckj
]
a j = Fk
∑
(6)
j=1
Trong đó:
Mkj: Ma trận quán tính;
C’kj: Ma trận độ cứng nước kèm;
k, j = 1, 2, ..., 6;
Hình 4. Xuất khí hóa lỏng từ FLNG sang LNGC kiểu cập mạn
làm lạnh khí để hóa lỏng ở nhiệt độ -160oC. Cập mạn song
song sẽ tăng số lượng ống dẫn và giảm quãng đường vận
chuyển để đảm bảo nhiệt độ hóa lỏng của khí trong quá
trình vận chuyển.
Fk: Lực cưỡng bức gây ra bởi sóng tới và sóng nhiễu xạ.
Dựa vào lời giải cho bài toán nhiễu xạ bậc 1, bậc 2 như
trên, Chen [6, 7] đã xây dựng thuật toán ứng dụng trong
chương trình tính lực thủy động Hydrostar. Kết quả của
phần mềm này là hàm truyền của các thông số phục vụ
việc tính toán thiết kế như: lực sóng bậc 1, lực sóng bậc
2, chuyển vị kết cấu, áp lực nước lên bề mặt kết cấu nổi…
3. Lực thủy động của sóng tác động lên một vật thể
3.1. Điều kiện xuất phát
Cho 1 hàm thế của vận tốc dòng:
3.3. Lực thủy động bậc 1
(1)
V (M , t) = grad Φ(M , t)
Từ các hàm thế xác định được lực thủy động bậc 1
theo công thức sau:
= 0 + P = 0 + (J + 7 )
Trong đó:
(2)
∂Φ (1)
[
FH
]
(1) = ρ
⋅
[
N
]
dS
(7)
∫∫
∂t
0: Hàm thế của vận tốc sóng tới, khi chưa có vật thể
(thể hiện trạng thái biển cách xa vật thể);
Lực FH gồm các lực gây ra bởi sóng tới (lực Froude -
Krilov), các lực nhiễu xạ và lực bức xạ:
P: Hàm thế của dòng chảy nhiễu loạn;
(1)
(1)
(1)
(1)
(1)
(1)
(8)
[
FH
]
=
[
F0
]
+
[
F7
]
+
[
FJ
]
=
[
Fk
]
+
FJ
[ ]
J: Hàm thế của dòng chảy bức xạ sinh ra do vật thể
chuyển động trong môi trường biển lặng không có sóng
tới, gồm 6 chuyển động (thẳng và xoay) quanh 3 trục;
- Lực sóng tới Froude - Krilov được tính bởi:
∂
φ0(1)
(1)
(9)
[
F0
]
=
ρ
×
[
N dS
]
∫∫
7: Hàm thế của dòng chảy nhiễu xạ sinh ra do sóng
tới đập vào vật thể được giữ cố định không chuyển động.
H
∂t
- Lực nhiễu xạ bậc 1:
∂
φ7(1)
Theo nghiên cứu [6, 7], hàm thế được viết dưới dạng:
[
F7
]
(1) = ℜ
{
[
F7
]
(1) ×e−iwt
}
=
ρ
×
[
N dS
]
∫∫
(10)
6
H
∂t
⎛
⎝
⎞
⎠
(3)
φ
= ds − i
ω
a
jσ j + a0σ 7 G+ a0φ0 i.e φj
=
dsσ j
G
∑
∫∫
∫∫
⎜
⎟
- Lực bức xạ bậc 1 được tính như sau:
j=1
H
H
2 Akj + i
ω
Bkj = −i
iω −μ
ω
(
i
ω
−
μ
)
ρ
dsφ jnk
∂
φ(J1)
ω
(1)
∫∫
(4)
(5)
[
FJ
]
=
ρ
×
[
N
]
dS
∫∫
H
∂t
H
(11)
Fk = −
(
)
ρa ds
0 H∫∫
(
φ0 φ7 nk
)
+
6
6
∑
⎧
⎨
⎩
⎫
⎭
=
ℜ
ρ
ω
²
xj ×φ(j1)
×
e−iωt
[
N
]
dS =
F
kj
∑
∫∫
⎬
j=1
j=1
H
Trong đó:
Chỉ số j = 1 - 6 thể hiện cho 6 dịch chuyển do sóng
bức xạ;
Chỉ số 7 thể hiện lực sóng nhiễu xạ;
- Lực bức xạ cũng có thể viết dạng sau:
(1)
(1)
(1)
&
&
&
×
[
=
FJ
]
−
=
[
ma
]
×
[
x
]
+
×
[
[ ]
x
B
]
[ ]
x
(12)
{
ω
²
[
ma − i
]
ω
[
B
]
}
DẦU KHÍ - SỐ 3/2015
53
CÔNG NGHỆ - CÔNG TRÌNH DẦU KHÍ
Trong đó:
F(2) là hàm truyền bậc 2 (QTF) của lực bậc 2 tần số thấp
(Lực này dạng đầy đủ bao gồm 2 phần: Phần thứ 1 chỉ phụ
thuộc vào các thông số bậc 1, phần thứ 2 phụ thuộc vào
hàm thế vận tốc bậc 2).
+ Ma trận khối lượng nước kèm:
[
ma
]
= mkj = −
ρ
ℜ
(
φ (1)
)
× NidS
∫∫
j
H
(13)
(14)
(k, j = 1 → 6 )
3.6. Một số công thức gần đúng tính lực bậc 2 tần số thấp
+ Ma trận cản:
Bkj = −ρω
Lực bậc 2 tần số thấp được biểu diễn nhờ khai triển
chuỗi Taylor cho dạng hiệu số của tần số sóng = j - k:
(1)
j
[
B
]
=
ℑ
(φ
)
× N idS = BW
∫∫
H
F(2) (ωj ,ωk ) = F(2) (ω, Δω)
(k, j = 1 → 6 )
Δω2
2
(19)
= F0(2) (ω) + F(2) (ω) ⋅ Δω + F2(2) (ω) ⋅
+ ...
=> Công thức tính toán lực thủy động bậc 1 như sau:
1
(1)
(1)
(1)
(1)
Công thức của Newman (1974) [11]:
&
&
&
×
[
FH
]
=
[
Fk
]
+
[
ma
]
×
[
x
]
+
[
B
]
[
x
]
(15)
F (2)-
(ω j
,
ωk ) ≈ Fd(2)
(ω j = ωk )
(lực trôi dạt chậm) (20)
3.4. Lực thủy động bậc 2
Công thức của Pinkster (1975) [17]:
Lực bậc 2 có hai dạng tần số (w1 w2). Với dạng tần
số cao (w1 + w2) được ứng dụng trong hệ liên kết cứng
(như TLP). Còn đối với dạng tần số thấp (w1 - w2) được
ứng dụng trong hệ liên kết mềm như bài toán tính dịch
chuyển ngang của các kết cấu nổi neo xiên (lực trôi dạt
chậm của FPSO, FPU), trong đó chu kỳ dao động riêng của
công trình được tính bằng phút.
ω j
+
ωk
F(2)-
(ω j
,
ωk ) ≈ Fd(2)
(
)
(21)
2
4. Lực thủy động của sóng tương tác lên nhiều vật thể
cập mạn
4.1. Phương pháp trường trung gian [6, 7, 15]
Với bài toán 2 tàu cập mạn, dù trong vùng nước sâu
hay nông, vấn đề chính là phải mô tả đầy đủ chuyển động
tần số thấp của hệ thống, trong đó có tải trọng sóng trôi
dạt của sóng. Có 3 phương pháp tính toán tải trọng sóng
trôi dạt tần số thấp: Phương pháp trường gần của Pinkster
[13], trường xa của Maruo - Newman [8,10] và mới nhất là
trường trung gian của Chen [6, 7]. Áp dụng trực tiếp các
cải biến của lý thuyết Stokes và ứng dụng lý thuyết hàm
Green, phương pháp “Trường gần” mới được tạo ra và được
Chen phát triển thành Phương pháp trường trung gian,
được viết cho bề mặt giới hạn tại một khoảng cách nhất
định từ vật thể. Trường trung gian này có các ưu điểm như
trường xa, có độ hội tụ số nhanh đối với lực trôi dạt ngang.
Trong trường hợp nhiều vật thể, trường trung gian có thể
tạo ra bề mặt giới hạn bao quanh từng vật thể và tính toán
được các tải trọng sóng tác dụng lên vật thể được bao
quanh đó, trong khi trường xa chỉ cung cấp tổng các tải
trọng sóng trên tất cả các vật thể. Bài toán tương tác nhiều
vật thể cập mạn là ứng dụng quan trọng của phương pháp
trường trung gian. Trạng thái cập mạn làm gia tăng tương
tác động của sóng trong khu vực khoảng hở giữa 2 vật thể.
Lực thủy động bậc 2 gây ra bởi sóng song sắc được
tính bởi công thức:
(2)
(2)
(2)
(2)
(16)
[
FH
]
=
[
F
]
+
[
F2
]
+
FJ
[ ]
1
[F1](2): Thành phần thứ nhất của lực tác động bậc 2, chỉ
phụ thuộc vào hàm thế bậc 1.
[F2](2): Thành phần thứ hai của lực tác động bậc 2,
phụ thuộc vào hàm thế bậc 2 của sóng tới và của sóng
nhiễu xạ.
[FJ](2) Lực bức xạ bậc 2:
(2)
(2)
(2)
&
&
&
×
[
FJ
]
=
[
m
]
×
[
x
]
+
[
B
]
[ ]
x
(17)
=
{
−
(ω1 ω2
)²
[
m
]
− i
(
ω1 ω2
)
[
B
]
}
×
x
[ ]
Với [m] và [B] tương ứng là các ma trận khối lượng
nước kèm và ma trận cản.
3.5. Lực bậc 2 tần số thấp
(ωj −ωk )
t
F (t)(2) = ℜ a a∗F(2)
(
ω j
,
ωk ) × e−i
⎧
⎩
⎫
⎬
⎭
⎨
k
j k
(18)
)
F(2
(ω j
,
ωk ) = F(2)
(ω j
,
ωk ) + F2(2)
(
ω j
,
ω
)
1
k
4.2. Tương tác nhiều vật thể cập mạn [1, 2, 5, 7, 12]
Trong đó:
Tương tác của nhiều vật thể gồm: tương tác cơ học
và thủy động lực học. Tương tác cơ học được định nghĩa
bởi các đặc trưng cơ học của liên kết giữa các vật thể, chỉ
phụ thuộc vào thiết kế và quá trình vận hành. Tương tác
Chỉ số biểu diễn các thông số bậc 1 tương ứng với
j, k
các tần số sóng j, k;
Dấu * thể hiện liên hợp phức;
DẦU KHÍ - SỐ 3/2015
54
PETROVIETNAM
thủy động lực học phức tạp hơn và yêu cầu giải pháp đầy đủ có
kể đến tương tác giữa các vật thể. Trong bài toán cập mạn tàu,
trong vùng khoảng hở giữa 2 tàu, tương tác thủy động lực học
có thể triệt tiêu chuyển động sóng ở một vài tần số sóng nào đó,
nhưng lại tạo ra chuyển động dữ dội của trường sóng ở các tần số
sóng khác. Do đó, cần đặc biệt chú ý tới hiện tượng cộng hưởng
này. Một phương pháp mới được phát triển dựa trên giả thiết
chất lỏng lý tưởng có tính đến cơ chế cản trong chất lỏng.
φ
(
P
)
=
ds
σ
(
Q
)
G
(
P
,
Q
)
(26)
∪F
S = H ∪ F
'
∫∫
S
và các phương trình tích phân để xác định các
nguồn phân phối σ là:
2πσ (P) + ds
σ
(Q)Gn (P,Q) = vn
(Q)Gn (P,Q) = 0
P ⊂ H
P ⊂ F '
P ⊂ F
(27a)
(27b)
(27c)
∫∫
S
4
πσ (P) − ds
σ
∫∫
S
4πσ (P) + i
ε
k' ds
σ
(Q)G(P,Q) = 0
∫∫
S
Phương trình chuyển động cho nhiều vật thể nổi:
F’ là diện tích bên trong của phần giao với mặt
đường nước, công thức (27b) để loại bỏ các tần số
không đều, công thức (27c) viết cho bề mặt tự do
F. Điều quan trọng là cần sử dụng hệ số cản ε ≠ 0 ở
những vùng chuyển động của chất lỏng nhạy cảm
với cộng hưởng (giữa hai tàu).
Phương trình chuyển động cho nhiều vật thể (M là số vật
thể) có các hình thức tương tự như công thức (6) và (4) với những
thay đổi nhỏ:
M
6
nm
kj
nm
nm
kj
nm
kj
'nm
[
−
ω2
(
δnm
M
+ A
)
− i
ω
B
+
δnm
C
+C
]
amj = Fkn
∑ ∑
(22)
(23)
kj
kj
m=1 j=1
2
nm
nm
kj
ω
A
+ i
ω
B
= −i
ω
(
i
ω
−
μ
)
ρ
dsφ mj nk
∫∫
4.3. Ví dụ về chia lưới cản tại vùng không gian
giữa 2 tàu [2, 5]
kj
Hn
Trong đó được xác định tương tự công thức (5):
Hai sà lan trong trạng thái cập mạn có cùng kích
thước: L × B × T = 2,47 × 0,6 × 0,18 (m) với tính
chất cơ học zG = 0,02, nổi tự do. Lưới của sà lan và
vùng khe hở được chia như vùng cản (ε = 0,016).
Fkn = −
(
i
ω
−
μ
)
ρ
a0 ds
(
φ0
+
)
φ7 nk
(24)
∫∫
H
Chuyển động cộng hưởng của chất lỏng tại khoảng hở giữa
2 tàu là do tương tác thủy động lực học. Chuyển động sóng có
thể được triệt tiêu hoặc bị khuếch đại phụ thuộc vào sự phân tán
phức tạp giữa các vật thể. Với lý thuyết hàm dòng tuyến tính cổ
điển, không có bất kỳ giới hạn nào để dự đoán chiều cao sóng
ở bề mặt nước, trong khi chuyển động cộng hưởng trong thực
tế phải bị cản bởi các cơ chế tiêu tán năng lượng khác nhau. Sự
chuyển động không có thực này của chất lỏng làm khuếch đại
tải trọng sóng trên các vật thể.
Kết quả Hình 6 cho thấy:
- Chiều cao bề mặt tự do lớn đáng chú ý ở 3
tần số sóng;
- Kết quả tính toán số với giá trị ε = 0 (không
cản) lớn hơn nhiều so với thực nghiệm trong khi với
hệ số cản ε = 0,016 tương thích tốt với kết quả đo
thực nghiệm;
Để đưa chuyển động sóng cộng hưởng này về gần giống
với thực tế, loại bỏ chuyển động sóng không có thực, Buchner
và nnk [1] đã phát triển phương pháp đặt một nắp đậy (lid) lên
trên vùng nước giữa hai vật thể để ngăn chặn các chuyển động
sóng phi thực tế. Tuy nhiên trên thực tế, không có độ cao sóng
nào còn tồn tại dưới nắp đậy cứng (rigid lid) này và có thể quan
sát được nhiễu loạn xung quanh đầu của nắp do hiệu ứng nhiễu
xạ. Do đó, để cho phép xuất hiện chuyển động gợn sóng trên
nắp đậy, Newman [12] đưa ra phương pháp tấm thảm mềm
(flexible mat) bằng cách sử dụng một tập hợp hàm đa thức của
Chebychev sau đó giảm đi bằng cách sử dụng hệ số cản. Theo
nghiên cứu của Chen [5], ngoài các phương pháp trên, có thể áp
dụng các phương trình chính xác của chất lỏng lý tưởng hoàn
toàn, còn sự tiêu tán năng lượng được biểu diễn qua hệ số cản .
Phần tiêu tán xuất hiện trong điều kiện biên trên bề mặt tự do F:
Hình 5. Hai sà lan cập mạn và vùng cản giữa 2 sà lan
φ
z − k'
Với k’= ω2/g và ε là hệ số tiêu tán.
Theo nghiên cứu của Chen [5], ta có:
φ
− i
ε
k'
φ
= 0
P ⊂ F(z = 0)
(25)
Hình 6. Cao độ mặt nước tại tâm khoảng hở [2]
DẦU KHÍ - SỐ 3/2015
55
CÔNG NGHỆ - CÔNG TRÌNH DẦU KHÍ
Bảng 1. Các thông số kỹ thuật của FLNG và LNGC
đo thực nghiệm. Hệ số cản ε mục đích để tiêu
tán năng lượng trên bề mặt tự do vì trong mô
hình tính coi chất lỏng là lý tưởng. Tác giả sẽ áp
dụng kết quả nghiên cứu này cho phần ví dụ
số trong điều kiện biển Việt Nam.
Thông số
Chiều dài Lpp
Đơn vị
m
FLNG
258
46
LNGC
243
41,6
52.019
6,75
Chiều rộng B
m
Lượng chiếm nước đầy tải
Mớn nước đầy tải T
tấn
m
171.930
16,84
5. Áp dụng tính lực thủy động cho 2 tàu
cập mạn song song so sánh với trường hợp
một tàu
5.1. Giới thiệu phần mềm tính toán
HydroStar là một phần mềm tính toán
thủy động lực học, đối tượng là các tàu thuyền
hay các công trình biển mềm như: FPSO, TLP,
giàn bán chìm, Spar… HydroStar được phát
triển bởi Đăng kiểm Pháp (Bureau Veritas -
BV) từ năm 1991. Hiện nay, HydroStar được
phát triển thành phần mềm số 3D để đánh
giá các bài toán nhiễu xạ và bức xạ bậc 1, bậc
2 ở độ sâu nước rất lớn hoặc ở độ sâu nước
hữu hạn.
Hình 7. Sơ đồ FLNG và LNGC cập mạn
Các vấn đề được giải quyết: Tác động của
sóng bậc 1, bậc 2 lên kết cấu (các bài toán
nhiễu xạ và bức xạ), chuyển vị của kết cấu
dưới tác dụng của sóng, áp lực sóng tại các
điểm trên bề mặt kết cấu, loại bỏ các tần số
không đều, bài toán tương tác nhiều vật thể,
sự thay đổi tác động của sóng trong bể cảng,
kết nối chương trình con Gnuplot, BV-Vship
cho phép kiểm tra và hiển thị kết quả tính,
tương thích sử dụng kết quả cho các chương
trình tính dây neo Ariane-3D, chương trình
PTHH NASTRAN cho tính kết cấu nổi.
5.2. Số liệu đầu vào
Số liệu môi trường lấy ở mỏ Bạch Hổ [15]:
Sóng ngẫu nhiên ở đây được đặc trưng bởi
phổ sóng JONSWAP với các thông số sóng:
Hs = 8,6m; TP = 13,5s, min = 0,3 rad/s, max = 1,1
rad/s, = 1,45. Gió và dòng chảy coi là lực tĩnh
không sử dụng trong nghiên cứu này. Độ sâu
nước 50m ở mỏ Bạch Hổ được coi là vùng
nước nông so với các vùng biển khác trên thế
giới đã được nghiên cứu.
Hình 8. Hình ảnh chia lưới phần ngập nước của FLNG (BT1) và FLNG - LNGC cập mạn (BT2)
- Xa miền cộng hưởng (nơi xảy ra sự tăng chiều cao bề mặt tự do
lớn), hệ số cản ε (để tiêu tán năng lượng trên bề mặt tự do) không ảnh
hưởng đến phản ứng chuyển động của sóng.
Khi tính toán lực thủy động của sóng bằng
chương trình HydroStar cần tính toán cho mọi
hướng sóng và sóng tính toán là sóng đơn vị
(sóng ngẫu nhiên là tập hợp của N con sóng
Qua các phân tích các nghiên cứu trước đây về bài toán cập mạn,
cần thiết phải thêm vào mô hình tính một hệ số cản ε ≠ 0 (theo Chen
[2] thì ε = 0,016) để cho kết quả tính theo mô hình tương thích với
DẦU KHÍ - SỐ 3/2015
56
PETROVIETNAM
đơn Airy có biên độ a = 1m) để cho ra kết quả là
hàm truyền RAO phản ứng của kết cấu dưới tác
dụng của lực sóng đơn vị. Các thông số kỹ thuật
của FLNG và LNGC được thể hiện trong Bảng 1.
- Lực sóng: So sánh các kết quả tương đương của sóng bậc 2
và sóng bậc 1 cho thấy, lực sóng bậc 2 rất nhỏ so với lực sóng bậc 1
(ví dụ với cùng một hướng sóng là 90o so sánh FY do sóng bậc 2 chỉ
bằng 2% so với FY do sóng bậc 1 (chênh lệch gần 50 lần) (Hình 11a,
12a). Các kết quả của chuyển vị, lực sóng sẽ ảnh hưởng tới kết quả
thiết kế hệ thống neo của FLNG.
5.3. Tính toán lực thủy động cho FLNG cực
trị (BT1)
5.4. Lực thủy động cho FLNG - LNGC trong trạng thái khai thác
kiểu cập mạn (BT2)
Trong nghiên cứu này, tác giả thiết lập và
so sánh 2 bài toán: FLNG trong điều kiện cực trị
không khai thác (BT1) theo [16] và FLNG đang
khai thác xuất khí hóa lỏng cho LNGC ở trạng thái
cập mạn (BT2).
Để có thêm cơ sở lựa chọn kết quả phục vụ thiết kế, cần phải
nghiên cứu tính toán lực thủy động cho FLNG trong trường hợp
khai thác cập mạn (xuất khí hóa lỏng). Xét sự tương tác thủy động
giữa 2 tàu thì trường hợp cập mạn (FLNG và LNGC) quan trọng hơn
trường hợp nối đuôi. Tại vùng nước giữa 2 tàu sẽ có hiện tượng bề
mặt sóng tăng đột ngột. Theo nghiên cứu mô hình tính toán và
thực nghiệm thấy rằng trên thực tế hiện tượng cộng hưởng bị tiêu
tán mất đi nhanh hơn so với mô hình tính trong phần mềm. Do
vậy, trong chương trình tính phải thêm vào một hệ số giảm chấn
( = 0,016) tại vùng cộng hưởng giữa 2 tàu để cho kết quả tính gần
với số liệu đo thực nghiệm.
Mỗi bài toán cần thiết lập các file data cho
từng module tính toán riêng theo sơ đồ thuật toán
của chương trình HydroStar. Phần hiển thị kết quả
sử dụng Gnuplot để xem các hình ảnh RAO và BV-
Vship để mô phỏng chuyển động của công trình
dưới tác dụng của các loại tải trọng sóng.
Sau khi lập file dữ liệu cho các module và
chạy module: Hsmsh, Hslec, Hschk, Hvisu, tác
giả thu được hình ảnh chia lưới phần tử phần
ngập nước của 2 bài toán để tính toán lực thủy
động (Hình 8). Tiếp tục các bước tính toán theo
các module Hsrdf, Hstat, Hsmec, Hsdft, Hsrao lần
lượt tính lực nhiễu xạ, bức xạ, giải phương trình
chuyển động để tính các dịch chuyển của tàu, lực
tác động bậc 1 của sóng (sóng tới + sóng nhiễu
xạ), lực trôi dạt bậc 2 của sóng theo 3 lý thuyết,
xuất kết quả RAO...
- Tạo file cho BV-Vship
Có thể quan sát được dao động của mô hình và áp lực sóng
lên tàu trên phần mềm tương tác BV-Vship. Cần phải khai báo lưới
phần tử của khu vực xung quanh tàu sao cho có thể dễ nhìn thấy 2
đối tượng tính toán. Hình 9 cho thấy mớn nước tăng đột ngột trong
khoảng hở giữa 2 tàu cập mạn.
So sánh kết quả RAO trường hợp cực trị (1 tàu) và trường hợp
khai thác 2 tàu cập mạn: một vài kết quả chuyển vị dọc trục Y, lực
sóng bậc 1 dọc trục Y, lực sóng trôi dạt bậc 2 dọc trục Y:
Các kết quả được xuất dưới dạng text hoặc
đồ thị RAO gồm: Chuyển động của tàu theo 3
phương dọc trục và 3 phương quay quanh 3 trục
x, y, z, ma trận cản và ma trận khối lượng kèm,
các lực sóng bậc 1 (nhiễu xạ, lực sóng tới), lực tác
động của sóng bậc 2, lực trôi dạt, xuất kết quả
RAO, QTF, added mass cho chương trình Ariane…
- Chuyển vị dọc OY: trường hợp cập mạn, dịch chuyển dọc Y
tăng đột ngột quanh = 1rad/s (Hình 10);
- Lực tác động của sóng bậc 1 (FK và lực nhiễu xạ): trường
hợp cập mạn, FY cộng hưởng quanh = 0,8rad/s (Hình 11);
- Lực trôi dạt bậc 2: trường hợp cập mạn, lực trôi dạt bậc 2 FY
tăng đột ngột quanh = 1 rad/s (giá trị âm) (Hình 12).
Nhận xét kết quả tính BT1 (bể chứa FLNG đứng
độc lập):
- Chuyển vị: trong 3 thành phần chuyển vị
thẳng thì chuyển vị dọc OY (sway) là lớn nhất vì
có diện tích chắn sóng lớn nhất, chuyển vị xoay
quanh OX (roll) có chuyển vị bất lợi nhất vì tàu
dễ bị mất ổn định theo phương này. Tần số sóng
thấp (chu kỳ dài) (Hình 10a) thì sẽ cho chuyển vị
lớn, cho thấy chuyển vị phụ thuộc chủ yếu vào lực
trôi dạt, lực này có chu kỳ dài.
Hình 9. Cộng hưởng của chuyển động sóng trong vùng nước giữa 2 tàu
DẦU KHÍ - SỐ 3/2015
57
CÔNG NGHỆ - CÔNG TRÌNH DẦU KHÍ
(a)
(b)
Hình 10. RAO chuyển vị theo phương dọc trục OY Sway: một tàu (a) - hai tàu cập mạn (b)
(a)
(b)
Hình 11. RAO lực sóng bậc 1 FY: một tàu (a) - hai tàu cập mạn (b)
(a)
(b)
Hình 12. RAO lực trôi dạt FY theo lý thuyết trường trung gian: một tàu (trái) - hai tàu cập mạn (phải)
5.5. Nhận xét kết quả trường hợp nghiên cứu tại mỏ
Bạch Hổ
của sóng bậc 2 là lớn nhất. Ở ngoài vùng cộng hưởng hình
dạng các đồ thị RAO cập mạn tương đối giống với cực trị
(do đầu vào đều là sóng đơn vị a = 1m). Đặc biệt, tại tần
số quanh = 1 rad/s có sự tăng đột ngột về hình dáng đồ
thị. Do đó, cần phải xem xét trong khoảng tần số = 0,95
- 1,05 rad/s, tức là chu kỳ khoảng T = 6 (s). Do chu kì của
sóng Ts = 3 - 20 (s) nên khi thiết kế phải tránh hiện tượng
Các đồ thị hàm truyền RAO đều cho thấy rõ ảnh hưởng
của cộng hưởng tại khoảng hở giữa bể chứa và tàu (vùng
cản dampingzone) đối với trường hợp cập mạn, đặc biệt
với các dao động dọc OY, lực sóng FY bậc 1 và lực trôi dạt FY
DẦU KHÍ - SỐ 3/2015
58
PETROVIETNAM
cộng hưởng với tần số sóng gây nguy hiểm cho công
trình. Quan sát hình ảnh chuyển động của 2 tàu (Hình 9)
cho thấy mớn nước tăng đột ngột trong vùng nước giữa
2 tàu. Kết quả RAO cho thấy cộng hưởng trong khoảng
hở giữa 2 tàu cập mạn không chỉ ảnh hưởng trường sóng
địa phương mà còn làm gia tăng chuyển động bậc 1 cũng
như lực trôi dạt trung bình.
2. X.B.Chen, F.Rezende, S.Malenica, J.R.Fournier.
Advanced hydrodynamic analysis of LNG terminals. 10th
International Symposium on Practical Design of Ships and
Other Floating Structures, Texas, ABS. 2007.
3. X.B.Chen. Hydrodynamic analysis for offshore LNG
terminals. 2nd International Workshop on Applied Offshore
Hydrodynamics, Brazil. 2005.
6. Kết luận
4. X.B.Chen. Approximation on the quadratic
transfer function of low-frequency loads. Proceeding of 7th
International Conference Behavior Offshore Structures.
1994; 2: p. 289 - 302.
Cộng hưởng trong vùng khoảng hở giữa 2 tàu cập
mạn tại mỏ Bạch Hổ ảnh hưởng đến việc tính toán các
chuyển động tương đối tại vị trí giữa 2 tàu để xác định
tải trọng thiết kế tác dụng lên dây neo và quyết định độ
nhạy cảm của hoạt động dỡ tải. Trong khi tính bài toán
cập mạn, cần thiết phải thêm vào mô hình tính một hệ
số cản ε ≠ 0 (nghiên cứu này ε = 0,016) để cho kết quả
tính theo mô hình tính tương thích với đo thực nghiệm.
Hệ số cản ε mục đích để tiêu tán năng lượng trên bề mặt
tự do vì trong mô hình tính coi chất lỏng là lý tưởng. Sự
khác biệt đột ngột giữa tương tác thủy động học trong
bài toán cực trị và bài toán khai thác cập mạn khi xảy ra
hiện tượng chuyển động của bề mặt sóng tăng đột ngột
(cộng hưởng) trong vùng nước giữa 2 tàu, ảnh hưởng đến
độ an toàn của cả hệ thống.
5. X.B.Chen. New formulations of the second-order
wave loads. Rapp. Technique, NT2840/DR/XC, Bureau
Veritas, Paris, France. 2004.
6. X.B.Chen. Hydrodynamics in offshore and
naval applications. 6th International Conference on
Hydrodynamics, Perth, Australia. 2004.
7. X.B.Chen. Offshorehydrodynamicsandapplications.
The IES Journal Part A: Civil & Structural Engineering. 2011;
4(3): p. 124 - 142.
8. H.Maruo. The drift of a body floating on waves.
Journal of Ship Research. 1960; 4: p. 1 - 10.
Kết quả nghiên cứu trên sẽ góp phần bổ sung thêm
vào các bài toán tính toán thiết kế cho FLNG trong
trường hợp khai thác xuất khí hóa lỏng cho tàu LNG và
mở rộng cho tính toán các loại tàu cập mạn khác. Tuy
ở Việt Nam chưa có FLNG nhưng với tiềm năng các mỏ
khí rất lớn, trong tương lai sẽ phát triển hướng khai thác
mới và hiệu quả này. Hiện tại, nghiên cứu có thể ứng
dụng cho tính toán thiết kế neo giữ các loại tàu, phương
tiện nổi, sà lan dịch vụ, phục vụ thi công, khai thác ở
trạng thái cập mạn. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho
bài toán thiết kế hệ thống neo giữ, liên kết hai tàu, từ
đó đánh giá độ an toàn của hệ thống trong khi neo giữ
kiểu cập mạn.
9. Bernard Molin. Second-order diffraction loads upon
three-dimensional bodies. Applied Ocean Research. 1979;
1(4): p. 197 - 202.
10. J.N.Newman. The drift force and moment on ships
in waves. Journal of Ship Research. 1967; 11: p. 51 - 60.
11. J.N.Newman.
Second-order,
slowly-varying
forces on vessels in irregular waves. Proceedings of the
Symposium on the Dynamics of Marine Vehicles and
Structures in Waves, London. 1974: p. 182 - 186.
12. J.N.Newman. Progress in wave load computations
on offshore structures. 23rd OMAE Conference, Vancouver,
Canada. 2004.
Tác giả trân trọng cảm ơn cơ quan Đăng kiểm Pháp
(BV) đã cho phép sử dụng các phần mềm chuyên dụng
(HydroStar, BV-Vship) và Đại học Xây dựng đã tạo điều
kiện để tác giả thực hiện nghiên cứu này.
13. J.A.Pinkster. Low frequency second order wave
exciting forces on floating structures. 1980.
14. J.A.Pinkster.
Low-frequency
phenomena
associated with vessels moored at sea. Society Petroleum
Engineers Journal. 1975; 15(6): p. 487 - 494.
Tài liệu tham khảo
1. Bas Buchner, Adri Van Dijk, Jaap De Wilde.
Numerical multiple-body simulation of side-by-side mooring
to an FPSO. Proceeding of 11th International Offshore and
Polar Engineering (ISOPE) Conference, Stavanger, Norway.
17 - 22 June, 2001: p. 343 - 353.
15. Vietsovpetro. Environmental design criteria
extreme conditions for the Bach Ho - Rong fields - South -
East offshore Vietnam. 2000.
16. Pham Hien Hau. Estimation de la fiabilité du
DẦU KHÍ - SỐ 3/2015
59
CÔNG NGHỆ - CÔNG TRÌNH DẦU KHÍ
système d’ancrage des FPSO/FSOs au Vietnam, avec prise en
compte de l’accumulation du dommage de fatigue. Thèse
de Doctorat en Science de l’ingénieur. Université de Liège,
Belgique. 2010.
18. Chris Summers. The gas platform that will be the
Study of the hydrodynamic interaction of wave loads on the
floating facility and the liquefied natural gas carrier during
side-by-side offloading operation
Pham Hien Hau
National University of Civil Engineering
Summary
Liquefied Natural Gas Carrier (LNGC) is moored side-by-side to the Floating Liquefied Natural Gas facility (FLNG),
the most effective and popular mooring method for obtaining the shortest way to transfer gas, and ensuring the
frozen technology for liquefied gas at temperature of about -160oC. However this side-by-side offloading operation
can create disadvantages for the FLNG facility and LNG carrier. This paper presents the theoretical and experimental
studies of the hydrodynamic interaction of wave loads on two floating bodies with large dimension during side-by-
side offloading operation.
The obtained study results were applied to Bach Ho field conditions using the HydroStar Software of French Bu-
reau Veritas Register, in order to compare with the case of only one floating facility to evaluate the increase of the
wave surface elevation in the gap between the FLNG and the LNGC. Finally, the interaction between the wave and the
floating facility and tanker in the side-by-side mooring which causes adverse effects for the safety of the exploitation
platform was concluded.
Key words: Hydrodynamic interaction, wave loads, floating liquefied natural gas facility, liquefied natural gas carrier, LNG,
side-by-side offloading mooring, multiple-body simulations.
DẦU KHÍ - SỐ 3/2015
60
10 trang
16/04/2022
5160
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu tương tác của lực thủy động của sóng lên bể chứa nổi và tàu chở khí hóa lỏng trong trạng thái khai thác cập mạn", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nghien_cuu_tuong_tac_cua_luc_thuy_dong_cua_song_len_be_chua.pdf
