一种浮式平台及其装卸载过程中保持浮态和稳性控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种浮式平台，沿浮式平台高度方向具有多层舱室，每层舱室满载和装卸载过程中的重心始终位于浮式平台整体重心所在的竖直线上。所述的多个环形舱室容积为等比分舱：相邻上下两环形舱室容积比等于其存储的液体密度的反比；在实际装载过程中，通过调节不同层舱室装载原油或海水，即可保证浮式平台始终保持恒定的排水量，保持水线面位置不发生变化，保证浮式平台始终具备最佳的水动力性能。
【专利说明】一种浮式平台及其装卸载过程中保持浮态和稳性控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种浮式平台和此种浮式平台在装载过程中浮态和稳态的控制方法。涉及专利分类号B63船舶或其他水上船只；与船有关的设备B63B船舶或其他水上船只；船用设备B63B35/00适合于专门用途的船舶或类似的浮动结构B63B35/44浮式建筑物，水上仓库，水上钻井平台或水上车间，例如载有油水分离设备的。
【背景技术】
[0002]2013年天津大学，水利工程仿真与安全国家重点实验室，唐友刚团队提出了一种混凝土材质的新型多筒式FPSO (也可做FDPS0)，见图1。该新型采用了中海油专家吴植融提出的“密闭气压连通式压载海水和原油等质量流率置换流程”这一专利技术为设计基础，实现了对新型浮体水动力性能的优化[I]。
[0003]这项技术主要是通过管道将储油舱和压载海水舱顶部连通，舱体密闭并预充一定压力的氮气，原油进舱泵-海水卸载泵、原油外输泵-海水压载泵两组分别联动，实现等质量流率置换。使用这种技术的目的是在储油和外输过程中，保证浮体重量不变，结构吃水不变，重心垂向变化幅度小。
[0004]这种储油技术的突出优点是保证浮体始终处于同一稳性状态，实现水动力性能的最优化。其次，压载水和原油分开储存很大程度上减少了对海洋环境的污染。但同时也存在着不可忽视的缺点。
[0005]首先，在满载和空载两种工况下，浮体总质量变化巨大，水动力性能存在巨大差异，在设计过程中很难兼顾。在海工发展日益集约化多功能化的今天，有效载重能力的重要性越发突出，成为评价一个平台非常重要的性能与经济指标。该技术要求平台必须预留足够的固定压载，为达到恒定吃水预留空间比接近4:5，本身就是对平台载重性能极大的浪费，也就使平台经济性大打折扣。
[0006]其次，该专利设备成本投入不可忽视，氮气发生装置，压力控制装置，内外双层的储罐，工艺复杂投入不菲。并且降低了设备使用可靠性，存在潜在的增加停工期的威胁。装置示意图如图2所示。
[0007]2006年，在由法国DORIS公司与葡萄牙里斯本理工大学合作研究的新概念FPSO/FDPSO中，如图3，为保持平台恒定浮态，控制水线面面积所采用了一种创新的水油混合存储技术[2，3]。
[0008]根据原油和水密度不同的原理，原油处于储油舱上部，水处于储油舱下部。当生产时，进入油舱的油将同样体积的水，经过水处理系统排出大海。水处理系统确保排出的水清洁。另一方面，当外输时，输出的油的体积由大海中的海水进入油舱填补。为了保持吃水恒定，等重量的压载水必须进入或移除来补偿油和水体积的变化。这可以通过每个柱提供的压载水舱得到。在装卸载时，油水舱的任何突然变化都被大气调节舱抑制，在大气调节舱中，油和水的交界面可以自由波动。在加载过程中，油注入油缓冲舱，油缓冲舱与位于沉箱内的四个储油舱相连。当油缓冲舱中的油面升高时，油柱增加的高度将会使储油舱下部的水排入到水缓冲舱。水缓冲舱中的水将会由潜水泵抽入到水处理装置，然后排入大海。储油舱的设计概念图如图4。
[0009]这种储油舱的优点在于有效控制平台总质量不变进而保持浮态不变，充分利用了平台载重量，具有良好的经济性。但是该技术同样存在严重缺陷。
[0010]首先，在水油同时存在的阶段，水油界面会随浮体运动而不断变化，海洋状况瞬息万变，晃荡过程中分界面乳化问题在所难免，为此必须严格控制输入输出速度防止水油混合。在经历了复杂海况后乳化现象严重，必须保持一段时间待水油分界面明显后才能进行原油输入输出工作，严重制约了平台处理能力的充分发挥，降低运作效率，即使如此乳化问题依然不能杜绝。
[0011]其次，水油混合存放，即使是在满载原油的载况，根据设计要求舱室中还是会保留一定高度的压载水以防止原油进入水缓冲舱中。从采油到卸载原油这段比较长的时间中相互融合无法避免，必然会有大量海水中的盐类物质溶解进入原油，增加了原油含盐量，降低原油品质。
[0012]再有，原油凝固点高，通常情况下需要加热储存，而水油同时存在必然存在热交换导致大量热量随压载水的排出而流失，导致大量热能浪费增加平台操作成本，同时为后期原油转运带来不必要的麻烦。
[0013]最后，为保护海洋环境，水油混合存储技术为后期压载水处理带来很大压力。与洗舱处理流程不同，该技术后期压载水中的含油量将大幅提升，需要更高能力的处理设备才能满足工艺流程要求，又增加了一个制约运作效率的因素。
【发明内容】
[0014]本发明针对以上问题的提出，而研制的一种浮式平台，沿浮式平台高度方向具有多层舱室，每层舱室满载和装卸载过程中的重心始终位于浮式平台整体重心所在的竖直线上。在实际装载过程中，通过调节不同层舱室装载原油或海水，即可保证浮式平台始终保持恒定的排水量，保持水线面位置不发生变化，保证浮式平台始终具备最佳的水动力性能。
[0015]优选的，浮式平台在满载原油时具备最佳水动力性能，此时的排水量和水线均处于最优状态。在输出原油时，可以在所述多层舱室中的部分层次舱室中灌注海水(海水密度大于原油密度)，即可保证浮式平台的浮心不发生变化。而每层舱室的重心都位于始终位于浮式平台整体重心所在的竖直线上。保证了浮式平台始终处于正浮状态，保证了浮式平台的稳定性。
[0016]更进一步的，考虑到一个所述的舱室至少需要一套原油注入、海水注入和输出的管路以及配套的阀门；同时为了保证多个舱室的重心不变，需要复杂的控制系统控制每个舱室的灌注和排出的速率和时间，生产成本高昂。
[0017]故所述的每层的多个舱室设置成连通器结构，针对每层舱室只要设置一套所述的管路和阀门即可，大量减少了管路和阀门的数量，同时也可省去所述的控制系统和复杂的控制步骤。
[0018]更进一步的，考虑到形成连通器的多个舱室内部，由于每个舱室的容积不同，可能会存在自由液面，在高海况下影响浮式平台稳定性。
[0019]故所述每层舱室设计成一内径相等的环形舱室，在环形舱室底部设置相应的输入输出阀门，可以保证每层环形舱室增加的重量适中均匀的分布在环形舱室内，即保证每层环形舱室的重心始终保持不变，增加了平台的稳定性。
[0020]更进一步的，为了进一步的减少自由液面对平台稳定性的影响，优选的，在所述的环形舱室内部设置有多个横舱壁，将环形舱室分隔成多个独立的舱室，每个横舱壁的下方设有开口，即利用连通器原理，使多个独立的舱室形成连通器。进一步的减少了自由液面的面积，增加了船舶的稳定性。
[0021]更进一步的，所述每层的环形舱室的容积与其相邻的环形舱室存在比例关系，SP相邻上下两环形舱室容积比等于其存储的液体密度的反比。对于浮式平台，存储的液体为海水和原油，环形舱室的体积比遵循如下公式:
【权利要求】
1.一种浮式平台，其特征在于:沿浮式平台高度方向设有多层舱室，每层舱室满载和装卸载过程中的重心始终位于浮式平台整体重心所在的竖直线上；装载过程中，通过调节不同层舱室装载原油或海水，使浮式平台始终保持恒定的排水量，保持水线面位置不发生变化。
2.根据权利要求1所述的一种浮式平台，其特征还在于:所述的每层舱室为应用连通器原理的整体舱室。
3.根据权利要求1或2所述的一种浮式平台，其特征还在于:所述的每层舱室为一环形舱室，所述环形舱室的截面尺寸一致。
4.根据权利要求3所述的一种浮式平台，其特征还在于所述的每层环形舱室中设有多个底部具有开口的横舱壁。
5.根据权利要求4所述的一种浮式平台，其特征还在于所述的多个环形舱室容积为等比分舱:相邻上下两环形舱室容积比等于其存储的液体密度的反比；对于浮式平台存储的液体为海水和原油，环形舱室的体积比遵循如下公式:
6.根据权利要求5所述的一种浮式平台，其特征还在于:所述的浮式平台具有双层壳体和双层底，在双层底内设置有调载舱；所述调载舱的容积与其上方的环形舱室的容积比等于其存储液体密度的反比，浮式平台存储海水和石油时，所述上方环形舱室与调载舱的容积比等于水与石油的密度比；调载舱为环形，重心位于所述竖直线上； 原油满载状态下:所述环形舱室均储满原油，调载舱处于空载状态； 输出原油作业时:向所述调载舱中灌注海水，同时抽取调载舱上层环形舱室的原油；当所述的上层环形舱室的原油全部排空时，在该环形舱室中灌注海水，同时抽取该环形舱室上层的环形舱室的原油；重复上述过程，直到位于最上层的环形舱室处于空载状态，完成原油输出； 抽取原油和灌注海水作业同时进行，保持在作业过程中，浮式平台的重心保持恒定； 输入原油作业时:在所述顶层处于空载状态的环形舱室中注入原油，同时开始排空次顶层环形舱室中的海水；重复上述过程，直到最底层环形舱室注满原油，所述调载舱处于空载状态。
7.根据权利要求5或6所述的一种浮式平台，其特征还在于:所述的浮式平台具有双层壳体和双层底，在双层底内设置有调载舱；所述调整舱为两个重心重合的环形的调载舱I和调载舱II，两个调载舱的重心位于所述的竖直线上； 所述调载舱I和调载舱II的容积之和与最底层环形舱室的容积比等于其存储液体密度的反比，存储海水和石油时，所述上方环形舱室与调载舱的容积比等于水与石油的密度比； 所述调载舱I或调载舱II满载海水的质量等于所述次顶层环形舱室满载海水与顶层环形舱室满载原油的质量差；原油满载状态下:所述多个环形舱室均储满原油，调载舱I和调载舱II处于空载状态； 输出原油作业时:在所述调载舱I和调载舱II中分别灌入海水，同时开始抽取调载舱上层环形舱室的原油；在排空原油的环形舱室中灌入海水，同时抽取该环形舱室上层的环形舱室的原油；重复上述过程，直到位于最上层的环形舱室处于放空状态；当顶层环形舱室原油排空时，为了保持浮式平台整体的重心不变，排空所述调载舱I或调载舱II装载的海水； 输入原油作业时:首先在所述顶层处于空载状态的环形舱室中灌注原油，开始排空次顶层环形舱室的海水，同时在所述调载舱I或调载舱II中灌注海水，保证浮式平台重心不发生改变；重复上述过程，直到最底层环形舱室注满原油，此时所述调载舱I和调载舱II位空载。
8.一种具有如权利要求7所述结构的浮式平台装卸载过程中保持浮态和稳性控制方法，具有如下步骤: 原油满载状态下:所述环形舱室均储满原油，调载舱处于空载状态； 输出原油作业时:在所述调载舱中灌满海水，抽取调载舱上层环形舱室的原油；在排空原油的环形舱室中灌满海水，抽取该环形舱室上层的环形舱室的原油；重复上述过程，直到位于最上层的环形舱室处于空载状态，完成原油输出； 输入原油作业时:在所述顶层处于空载状态的环形舱室中注入原油，排空次顶层环形舱室的海水；重复上述过程，直到最底层环形舱室注满原油，所述调载舱处于空载状态。
9.一种具有如权利要求8所述结构的浮式平台装卸载过程中保持浮态和稳性控制方法，具有如下步骤: 原油满载状态下:所述环形舱室均储满原油，调载舱I和调载舱II处于空载状态；当顶层环形舱室原油排空时，排空所述调载舱I或调载舱II装载的海水； 输出原油作业时:在所述调载舱I和调载舱II中灌满海水，抽取调载舱上层环形舱室的原油；在排空原油的环形舱室中灌满海水，抽取该环形舱室上层的环形舱室的原油；重复上述过程，直到位于最上层的环形舱室处于空载状态， 输入原油作业时:在所述顶层处于空载状态的环形舱室中注入原油，排空次顶层环形舱室的海水，在所述调载舱I或调载舱II注满海水；重复上述过程，直到最底层环形舱室注满原油，此时所述调载舱I和调载舱II位空载。
【文档编号】B63B35/44GK103832556SQ201410106561
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月20日 优先权日:2014年3月20日
【发明者】黄一, 王文华, 姚宇鑫, 叶茂生, 刘刚, 张崎, 李红霞, 陈景杰, 董磊 申请人:大连理工大学