摘 要

FPSO（Floating Production Storage and Offloading），即浮式生产储油卸油装置，具有浮式生产、储备和卸载的功能，被称为“海上石油加工厂”。其具有工作水深范围广、储卸油能力较强、、抵抗风浪的能力强、可以重复使用等优点，适用在浅海、深海和边际油田等多种环境条件下的资源开发。由于FPSO在深海区域良好的作业性能符合油气资源开发向深海发展的趋势，因此其在海上能源开发中逐渐占据了主导地位，具有广阔的应用前景。

FPSO通过系泊系统长期系泊在工作海域，通过管线与油井相连，对其系统的安全性要求较高，因此对FPSO系泊系统运动响应的数值预报一直都是研究的重点与难点问题，具有重要的理论价值和工程意义。

本文运用水动力软件AWQA进行了规则波下FPSO水动力分析，得到了附加质量、阻尼系数、运动响应幅值算子RAOs等水动力参数，并探讨了其随水深的变化规律。在水动力计算结果的基础上，运用海洋工程专业分析软件Orcaflex，通过时域耦合分析方法，计算了FPSO的运动响应及缆绳的动张力响应，对中国南海、百年一遇海况下FPSO系泊系统运动响应进行了实时的数值预报。

为了提高FPSO系统的作业安全，增加其使用寿命，需要尽量减小FPSO的水平偏移、增加系泊系统的安全系数。本文根据这两个要求，探讨了系泊缆材料分布、系泊缆预张力、系泊缆预张力倾角及系泊缆布置方式4种因素对FPSO系统运动响应及缆绳张力的影响。综合考虑系统安全性和经济性等因素，对FPSO系泊系统参数进行了优选，得出了优选方案。本文的计算分析结果对FPSO内转塔式单点系泊系统的设计有一定的指导意义。

关键词：FPSO;单点系泊；运动响应

Abstract

The FPSO (Floating Production Storage and Offloading) system has the function of floating production, storage and offloading, which is known as "offshore oil processing plant. It includes process equipment, ship system and mooring system. It is suitable for shallow environmental conditions such as shallow sea, abysmal sea and marginal oilfield. Due to the good performance in deep sea area, FPSO is in line with the development trend of oil and gas resources exploitation to the abysmal sea. Therefore, it has gradually occupied the leading position in offshore energy development, and has widely application prospect.

FPSO system is often moored in the working area, so it calls higher requirements for its mooring system. Therefore, the prediction of the motion response of the FPSO mooring system has always been focused, and have important theoretical value and engineering significance.

In this paper, hydrodynamic analysis of FPSO under regular wave is carried out by using AWQA, and the hydrodynamic parameters such as additional mass, damping coefficient and RAOs are obtained. Based on the results of hydrodynamic calculation, the dynamic response of FPSO and the dynamic response of cable are calculated by time domain coupling analysis method using Orcaflex software, which is the ocean engineering professional analysis software. The FPSO mooring system works in the South China Sea and the century Motion response is carried out in real time.

In order to improve the safety of the FPSO system and increase its service life, it is necessary to minimize the horizontal offset of the FPSO and increase the safety factor of the mooring system. Based on these two requirements, the influence of four factors on the motion response and cable tension of the FPSO system is discussed.. Considering the factors such as system safety and economy, the parameters of FPSO mooring system are optimized, and the optimal scheme is obtained. The calculation results of this paper have some guiding significance for the design of FPSO single tower mooring system.

Key Words：FPSO; Single Position Mooring; Dynamic Response

目 录

第1章 绪论 1

1.1背景及研究意义 1

1.2国内外研究现状 3

1.2.1 系泊浮式结构水动力分析方法研究现状 3

1.2.2 FPSO系泊系统方案设计研究现状 4

1.3论文研究的主要内容 4

第2章 规则波中FPSO的水动力分析 6

2.1基于频域方法的三维势流理论 6

2.1.1 概述 6

2.1.2 速度势及其定界条件 7

2.1.3 格林函数法 8

2.2 水动力计算分析理论 9

2.2.1 附加质量和阻尼系数 9

2.2.2 一阶波浪力 10

2.2.3 二阶波浪力 10

2.2.4 运动响应 11

2.3 FPSO的水动力分析 12

2.3.1 计算模型建立 12

2.3.2入射波设置 13

2.3.3水深对FPSO的水动力性能的影响 13

2.4本章小结 20

第3章 FPSO单点系泊系统动力响应分析 21

3.1引言 21

3.2 FPSO动力响应计算分析理论 21

3.2.1 海洋环境载荷 21

3.2.2 波浪谱 23

3.2.3 系泊缆绳的系泊约束力 24

3.2.4 时域耦合运动方程 26

3.3 FPSO及张紧式系泊系统耦合动力响应计算 26

3.3.1 海洋环境条件 26

3.3.2 锚泊缆参数及布置 27

3.3.3计算工况 27

3.4结果分析 28

3.4.1运动响应谱 28

3.4.2系泊张力谱 29

3.4.3船舶六自由度运动响应 29

3.4.4系泊系统动力响应 33

3.5 本章小结 34

第4章 系泊系统参数对FPSO系统动力响应的影响分析 35

4.1 引言 35

4.2 系泊材料分布对FPSO系统动力效应的影响 35

4.3 系泊预张力对FPSO系统动力响应的影响 38

4.3.1 系泊缆预张力倾角对FPSO系统动力效应的影响 38

4.3.2 系泊预张力对FPSO系统动力响应的影响 40

4.4 系泊缆布置对FPSO系统动力效应的影响 42

4.5 系泊系统优选 44

第5章 总结与展望 46

5.1 总结 46

5.2 展望 47

参考文献 48

致谢 50

第1章 绪论

1.1背景及研究意义

海洋约占地球面积的71%，是一个巨大的资源宝库，它不仅有丰富的水资源和生物资源，而且还蕴藏着丰富的石油与天然气资源。在陆地油气资源经过长期、大规模的开采后，人们逐渐把目光聚集到海洋油气资源上。截至2016年，世界上已被探明的石油储量为1.8万亿桶，其中海洋石油占66% ^[1]。我国海域辽阔,预计石油储量达250亿吨,我国海上石油天然气开发具有丰富的资源基础。目前,我国已制定了海洋经济发展战略,其中海上石油天然气资源就是重点开发项目。海洋经济的发展最不可或缺的就是海工装备，海工装备的设计制造水平，直接反映了一个国家的海洋开发能力。海工平台目前已由起初的适用于浅海的重力式平台和导管架平台发展到能适用于深水的Spar平台、张力腿平台、自升式平台以及可适用超深水的半潜式平台、FPSO等。