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

Bài viết 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.

PETROVIETNAM NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC CỦA LỰC THỦY ĐỘNG CỦA SĨNG LÊN BỂ CHỨA NỔI VÀ TÀU CHỞ KHÍ HĨA 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 (FLNG) phương án neo phổ biến hiệu để quãng đường xuất khí LNG ngắn nhất, đảm bảo cơng nghệ làm lạnh khí hóa lỏng nhiệt độ khoảng -160oC Tuy nhiên, hình thức khai thác ảnh hưởng bất lợi đến bể chứa tàu Bài báo giới thiệu nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm tượng tương tác lực thủy động sóng với hai vật thể có kích thước lớn trình khai thác kiểu cập mạn Kết nghiên cứu ứng dụng cho điều kiện mỏ Bạch Hổ, với tính tốn có sử dụng phần mềm chuyên dụng HydroStar Đăng kiểm Pháp, để so sánh với trường hợp có bể chứa để đánh giá mức độ gia tăng bề mặt sóng biển khoảng hở FLNG LNGC tiếp nhận khí hóa lỏng trạng thái cập mạn Từ đó, tác giả rút kết luận tương tác sóng đến FLNG - LNGC neo kiểu cập mạn đánh giá ảnh hưởng đến an tồn cơng 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 Giới thiệu Nghiên cứu lực thủy động sóng tương tác lên FLNG LNGC khai thác cập mạn nghiên cứu Việt Nam, có tính ứng dụng cao việc phát triển dự án nghiên cứu khoa học phục vụ cho công tác đào tạo chuyên ngành kỹ thuật xây dựng cơng trình biển Nghiên cứu cịn áp dụng cho tính tốn tương tác lực thủy động sóng lên hệ thống tàu bè, phương tiện neo giữ kiểu cập mạn khác Tác giả giới thiệu tổng quan FLNG trạng thái xuất sản phẩm dầu khí; sở lý thuyết tính tốn tác động lực thủy động sóng nhiễu xạ xạ lên vật thể kích thước lớn tương tác sóng với hai vật thể cập mạn Trên sở tổng hợp nghiên cứu giới qua kết mơ hình hóa thực nghiệm, tác giả rút hệ số cản sử dụng cho vùng nước tương tác vật thể Phần áp dụng số thực mỏ Bạch Hổ, nơi có độ sâu nước nơng (50m nước) so với nghiên cứu thực giới để xem xét tác động sóng đến FLNG LNGC, ảnh hưởng đến cao độ bề mặt sóng, dịch chuyển lực sóng khoảng hở vật thể Từ đó, tác giả đưa khuyến cáo với chu kỳ sóng gây cộng hưởng, nhạy cảm với hoạt động khai thác tàu cập mạn Phương pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu lý thuyết phân tích thủy động lực học tác động lên bể chứa khí hóa lỏng trường hợp: có FLNG FLNG - LNGC khai thác kiểu cập mạn Hình Bể chứa khí hóa lỏng (FLNG) DẦU KHÍ - SỐ 3/2015 51 CƠNG NGHỆ - CƠNG TRÌNH DẦU KHÍ Từ tốn hàm nhiễu xạ xạ bậc bậc sóng tác động quanh vật thể kích thước lớn để xác định lực thủy động tác dụng lên bể chứa trường hợp - Tổng hợp nghiên cứu giới qua kết mơ hình hóa thực nghiệm để rút hệ số cản sử dụng cho vùng nước tương tác hai tàu - Tính tốn thủy động lực học chương trình HydroStar tính tương tác lực sóng lên bể chứa khí hóa lỏng trường hợp: có FLNG (BT1) FLNG LNGC khai thác kiểu cập mạn (BT2) - Phân tích đánh giá kết tính tốn: So sánh trường hợp tính tốn để đánh giá độ gia tăng mớn nước vật thể sóng tương tác với vật thể đứng song song cạnh nhau, đánh giá ảnh hưởng đến hệ neo giữ cơng trình Tổng quan FLNG trường hợp khai thác cập mạn 2.1 Vai trò vận hành FLNG Việc phát triển mỏ khí ngồi khơi cần chi phí đầu tư ban đầu lớn, mỏ khí thường sâu lòng đại dương xa bờ Cách thức truyền thống việc khai thác khí ngồi khơi vận chuyển khí vào bờ thơng qua hệ thống đường ống Một giải pháp hiệu khác áp dụng giới sử dụng FLNG để khai thác khí tự nhiên từ mỏ mà khơng cần xây dựng sở hạ tầng cố định như: hệ thống đường ống nhà máy chế biến khí bờ Khi mỏ khai thác hết khí, cần nhổ cọc neo di chuyển FLNG tới mỏ khí khác Khí khai thác từ mỏ đưa lên bể chứa, hóa lỏng cơng nghệ làm lạnh đến -160oC nén lại thu nhỏ thể tích khí tới 600 lần nên vận chuyển đến vùng xa Khí hóa lỏng chứa thùng chứa lớn bể chứa, sau chuyển sang tàu LNGC để vận chuyển tới hộ tiêu thụ Công đoạn sản xuất tách lọc chế biến khí thực FLNG mỏ khí ngồi biển FLNG thiết kế để hoạt động cách an toàn neo giữ mỏ điều kiện thời tiết khắc nghiệt 2.2 Bể chứa khí hóa lỏng FLNG giới   Trên giới có nhiều FLNG sử dụng để khai thác khí hóa lỏng Dự kiến vào năm 2017, bể chứa lớn giới (Prelude Shell) neo ngồi khơi cách 200km từ bờ biển phía Tây Bắc Australia để khai thác khí tự nhiên từ mỏ khí Prelude độ sâu 250m nước Bể chứa khí hóa lỏng dài 488m, rộng 75m cao 105m, Turret cao 93m với cụm dây xích neo neo cọc mút Khi chứa đầy tải, Prelude FLNG nặng 600.000 tấn, gấp lần tàu sân bay lớn Mỹ Mặc dù cơng trình ¼ kích thước nhà máy tương đương đất liền Các kỹ sư thiết kế module xếp theo chiều dọc để tiết kiệm không gian; đồng thời đưa ý tưởng bơm nước lạnh từ sâu đại dương để giúp làm mát khí Khí hóa lỏng nhiệt độ -162oC Prelude FLNG có khả chứa 220.000m3 LNG, 90.000m3 LPG 126.000m3 condensate, tương đương với khoảng 175 bể bơi Olympic Ước tính tổng mức đầu tư 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  Hình FLNG khai thác chế biến khí mỏ Hình Bể chứa khí hóa lỏng Prelude (Shell) 52 DẦU KHÍ - SỐ 3/2015 Dựa vào chất chứa bể chứa dầu hay khí hóa lỏng để lựa chọn hai cách xuất sản phẩm: kiểu nối đuôi kiểu cập mạn Kiểu nối đuôi (tanderm) giảm thiểu ảnh hưởng tương tác trường sóng tàu tác dụng lên nhau, nhiên quãng đường vận chuyển dài Cách phổ biến bể chứa dầu FPSO Kiểu cập mạn (side by side) không phổ biến cho FPSO trường sóng xung quanh tàu ảnh hưởng tương tác lên nhau, gây bất lợi cho hệ Kiểu xuất sản phẩm phù hợp với khí hóa lỏng (LNG) kiểu khai thác cập mạn (Hình 4) yêu cầu công nghệ PETROVIETNAM Chỉ số lực sóng tới; Fk: Lực cưỡng gây sóng tới sóng nhiễu xạ 3.2 Phương trình chuyển động cho vật thể [6, 7] Biên độ chuyển động vật thể đánh giá cách giải phương trình chuyển động: [ ( ] ) ' ∑ − ω M kj + Akj − iω Bkj + C kj + C kj a j = Fk j =1 (6) Trong đó: Mkj: Ma trận quán tính; C’kj: Ma trận độ cứng nước kèm; Hình Xuất khí hóa lỏng từ FLNG sang LNGC kiểu cập mạn k, j = 1, 2, , 6; o làm lạnh khí để hóa lỏng nhiệt độ -160 C Cập mạn song song tăng số lượng ống dẫn giảm quãng đường vận chuyển để đảm bảo nhiệt độ hóa lỏng khí q trình vận chuyển Lực thủy động sóng tác động lên vật thể 3.1 Điều kiện xuất phát Cho hàm vận tốc dòng: V ( M , t ) = grad Φ ( M , t ) (1)  = 0 + P = 0 + (J + 7 ) (2) Fk: Lực cưỡng gây sóng tới sóng nhiễu xạ Dựa vào lời giải cho toán nhiễu xạ bậc 1, bậc trên, Chen [6, 7] xây dựng thuật tốn ứng dụng chương trình tính lực thủy động Hydrostar Kết phần mềm hàm truyền thơng số phục vụ việc tính tốn thiết kế như: lực sóng bậc 1, lực sóng bậc 2, chuyển vị kết cấu, áp lực nước lên bề mặt kết cấu nổi… 3.3 Lực thủy động bậc Từ hàm xác định lực thủy động bậc theo công thức sau: (1) [FH ](1) = ρ ∫∫ ∂Φ ⋅ [N] dS Trong đó: 0: Hàm vận tốc sóng tới, chưa có vật thể (thể trạng thái biển cách xa vật thể); P: Hàm dòng chảy nhiễu loạn; J: Hàm dòng chảy xạ sinh vật thể chuyển động mơi trường biển lặng khơng có sóng tới, gồm chuyển động (thẳng xoay) quanh trục; 7: Hàm dòng chảy nhiễu xạ sinh sóng tới đập vào vật thể giữ cố định không chuyển động Theo nghiên cứu [6, 7], hàm viết dạng: ⎛ ⎞ φ = ∫∫ ds ⎜− iω ∑ a jσ j + a0σ 7⎟ G + a0φ0 i.e φ j = ∫∫ dsσ j G (3) H H ⎝ j =1 ⎠ ω Akj + iωBkj = −iω (iω − μ )ρ ∫∫ dsφ j nk (4) H Fk = −(iω − μ ) ρ a0 ∫∫ ds (φ +φ ) nk (5) H Trong đó: Chỉ số j = - thể cho dịch chuyển sóng xạ; Chỉ số thể lực sóng nhiễu xạ; (7) ∂t Lực FH gồm lực gây sóng tới (lực Froude Krilov), lực nhiễu xạ lực xạ: [FH ](1) = [F0 ](1) + [F7 ](1) + [FJ ](1) = [Fk ](1) + [FJ ](1) (8) - Lực sóng tới Froude - Krilov tính bởi: [F0 ] (1) (1) = ρ ∫∫ H - Lực nhiễu xạ bậc 1: [F7 ] (1) {[ = ℜ F7 ] (1) ×e ∂φ ∂t − iwt [ ] × N dS }= ρ ∫∫ (1) ∂φ ∂t - Lực xạ bậc tính sau: [FJ ](1) = ρ ∫∫ (1) ∂φ J H ∂t (9) [ ] × N dS H (10) [ ] × N dS ⎧6 ⎫ − iω t (1) = ℜ⎨ ∑ ρ ∫∫ ω ² x j × φ j × e [N ]dS⎬ = ∑ Fkj ⎩ j =1 H ⎭ j =1 (11) - Lực xạ viết dạng sau: [FJ ](1) = [m a ]× [&x&](1) + [B ]× [x& ](1) = {− ω ²[m a ] − iω [B ] }× [x ] DẦU KHÍ - SỐ 3/2015 (12) 53 CƠNG NGHỆ - CƠNG TRÌNH DẦU KHÍ F(2) hàm truyền bậc (QTF) lực bậc tần số thấp (Lực dạng đầy đủ bao gồm phần: Phần thứ phụ thuộc vào thông số bậc 1, phần thứ phụ thuộc vào hàm vận tốc bậc 2) Trong đó: + Ma trận khối lượng nước kèm: [ma ] = mkj = − ρ ∫∫ ℜ (φ (j1) ) × N i dS H (k, j = → ) (13) + Ma trận cản: [B ] = B kj = − ρω ∫∫ ℑ(φ H (1) j )× Lực bậc 2 tần số thấp biểu diễn nhờ khai triển chuỗi Taylor cho dạng hiệu số tần số sóng  = j - k: N i dS = BW (k, j = → ) 3.6 Một số cơng thức gần tính lực bậc tần số thấp F (14) (15) (2) Lực bậc có hai dạng tần số (w1 ± w2) Với dạng tần số cao (w1 + w2) ứng dụng hệ liên kết cứng (như TLP) Còn dạng tần số thấp (w1 - w2) ứng dụng hệ liên kết mềm tốn tính dịch chuyển ngang kết cấu neo xiên (lực trôi dạt chậm FPSO, FPU), chu kỳ dao động riêng cơng trình tính phút Lực thủy động bậc gây sóng song sắc tính cơng thức: [FH ]( 2) = [F1 ]( 2) + [F2 ]( 2) + [FJ ]( 2) (16) [F1](2): Thành phần thứ lực tác động bậc 2, phụ thuộc vào hàm bậc [F2](2): Thành phần thứ hai lực tác động bậc 2, phụ thuộc vào hàm bậc sóng tới sóng nhiễu xạ [FJ](2) Lực xạ bậc 2: [FJ ] ( 2) = [m ] × [&x&] ( 2) + [B ] × [x& ] ( 2) = {− (ω ± ω )²[m ] − i (ω1 ± ω )[B ] } × [x ] (17) Với [m] [B] tương ứng ma trận khối lượng nước kèm ma trận cản 3.5 Lực bậc tần số thấp Fk (t) F ( 2) ( 2) ⎧ ⎩ ∗ = ℜ ⎨ a j ak F ( 2) (ω j , ω k ) × e ( 2) − i (ω j −ω k ) t ( 2) ⎫ ⎬ ⎭ (18) (ω j , ω k ) = F1 (ω j , ω k ) + F2 (ω j , ω k ) ( 2) (2) (ω , Δω ) (2) Δω + (19) Công thức Newman (1974) [11]: F 3.4 Lực thủy động bậc (ω j , ωk ) = F = F0 (ω ) + F1 (ω ) ⋅ Δω + F2 (ω ) ⋅ => Cơng thức tính tốn lực thủy động bậc sau: [FH ](1) = [Fk ](1) + [ma ]× [&x&](1) + [B ]× [x& ](1) (2) (2) - (2) (ω j , ω k ) ≈ Fd (ω j = ω k ) (lực trôi dạt chậm) (20) Công thức Pinkster (1975) [17]: ω j + ωk (2) (2) F (ω j , ω k ) ≈ Fd ( ) (21) Lực thủy động sóng tương tác lên nhiều vật thể cập mạn 4.1 Phương pháp trường trung gian [6, 7, 15] Với toán tàu cập mạn, dù vùng nước sâu hay nơng, vấn đề phải mơ tả đầy đủ chuyển động tần số thấp hệ thống, có tải trọng sóng trơi dạt sóng Có phương pháp tính tốn tải trọng sóng trơi dạt tần số thấp: Phương pháp trường gần Pinkster [13], trường xa Maruo - Newman [8,10] trường trung gian Chen [6, 7] Áp dụng trực tiếp cải biến lý thuyết Stokes ứng dụng lý thuyết hàm Green, phương pháp “Trường gần” tạo Chen phát triển thành Phương pháp trường trung gian, viết cho bề mặt giới hạn khoảng cách định từ vật thể Trường trung gian có ưu điểm trường xa, có độ hội tụ số nhanh lực trôi dạt ngang Trong trường hợp nhiều vật thể, trường trung gian tạo bề mặt giới hạn bao quanh vật thể tính tốn tải trọng sóng tác dụng lên vật thể bao quanh đó, trường xa cung cấp tổng tải trọng sóng tất vật thể Bài toán tương tác nhiều vật thể cập mạn ứng dụng quan trọng phương pháp trường trung gian Trạng thái cập mạn làm gia tăng tương tác động sóng khu vực khoảng hở vật thể 4.2 Tương tác nhiều vật thể cập mạn [1, 2, 5, 7, 12] Trong đó: Chỉ số j, k biểu diễn thông số bậc tương ứng với tần số sóng j, k; Dấu * thể liên hợp phức; 54 DẦU KHÍ - SỐ 3/2015 Tương tác nhiều vật thể gồm: tương tác học thủy động lực học Tương tác học định nghĩa đặc trưng học liên kết vật thể, phụ thuộc vào thiết kế trình vận hành Tương tác PETROVIETNAM thủy động lực học phức tạp yêu cầu giải pháp đầy đủ có kể đến tương tác vật thể Trong toán cập mạn tàu, vùng khoảng hở tàu, tương tác thủy động lực học triệt tiêu chuyển động sóng vài tần số sóng đó, lại tạo chuyển động dội trường sóng tần số sóng khác Do đó, cần đặc biệt ý tới tượng cộng hưởng Một phương pháp phát triển dựa giả thiết chất lỏng lý tưởng có tính đến chế cản chất lỏng Phương trình chuyển động cho nhiều vật thể (M số vật thể) có hình thức tương tự công thức (6) (4) với thay đổi nhỏ: M [ ( m =1 j =1 nm nm ) nm ' nm nm ]a ω Akj + iω B kj = −iω (iω − μ )ρ ∫∫ dsφ j n k nm nm m m n j = Fk (22) (23) Hn Trong xác định tương tự công thức (5):  Fk = −(iω − μ ) ρ a0 ∫∫ ds(φ + φ )nk n (24) H Chuyển động cộng hưởng chất lỏng khoảng hở tàu tương tác thủy động lực học Chuyển động sóng triệt tiêu bị khuếch đại phụ thuộc vào phân tán phức tạp vật thể Với lý thuyết hàm dịng tuyến tính cổ điển, khơng có giới hạn để dự đoán chiều cao sóng bề mặt nước, chuyển động cộng hưởng thực tế phải bị cản chế tiêu tán lượng khác Sự chuyển động khơng có thực chất lỏng làm khuếch đại tải trọng sóng vật thể Để đưa chuyển động sóng cộng hưởng gần giống với thực tế, loại bỏ chuyển động sóng khơng có thực, Buchner nnk [1] phát triển phương pháp đặt nắp đậy (lid) lên vùng nước hai vật thể để ngăn chặn chuyển động sóng phi thực tế Tuy nhiên thực tế, khơng có độ cao sóng cịn tồn nắp đậy cứng (rigid lid) quan sát nhiễu loạn xung quanh đầu nắp hiệu ứng nhiễu xạ Do đó, phép xuất chuyển động gợn sóng nắp đậy, Newman [12] đưa phương pháp thảm mềm (flexible mat) cách sử dụng tập hợp hàm đa thức Chebychev sau giảm cách sử dụng hệ số cản Theo nghiên cứu Chen [5], ngồi phương pháp trên, áp dụng phương trình xác chất lỏng lý tưởng hồn tồn, cịn tiêu tán lượng biểu diễn qua hệ số cản  Phần tiêu tán xuất điều kiện biên bề mặt tự F: φ z − k ' φ − iε k ' φ = S = H ∪ F '∪ F (26) S phương trình tích phân để xác định nguồn phân phối σ là: 2πσ ( P ) + ∫∫ dsσ (Q )G n ( P , Q ) = v n P ⊂ H (27a) 4πσ ( P ) − ∫∫ dsσ (Q )G n ( P , Q ) = P ⊂ F ' (27b) S S 4πσ ( P ) + iε k ' ∫∫ dsσ (Q )G ( P , Q ) = P ⊂ F (27c) S Phương trình chuyển động cho nhiều vật thể nổi: ∑ ∑ − ω δ nm M kj + Akj − iω Bkj + δ nmCkj + Ckj φ ( P ) = ∫∫ dsσ (Q )G ( P , Q ) P ⊂ F ( z = 0) F’ diện tích bên phần giao với mặt đường nước, công thức (27b) để loại bỏ tần số không đều, công thức (27c) viết cho bề mặt tự F Điều quan trọng cần sử dụng hệ số cản ε ≠ vùng chuyển động chất lỏng nhạy cảm với cộng hưởng (giữa hai tàu) 4.3 Ví dụ chia lưới cản vùng không gian tàu [2, 5] Hai sà lan trạng thái cập mạn có kích thước: L × B × T = 2,47 × 0,6 × 0,18 (m) với tính chất học zG = 0,02, tự Lưới sà lan vùng khe hở chia vùng cản (ε = 0,016) Kết Hình cho thấy: - Chiều cao bề mặt tự lớn đáng ý tần số sóng; - Kết tính tốn số với giá trị ε = (không cản) lớn nhiều so với thực nghiệm với hệ số cản ε = 0,016 tương thích tốt với kết đo thực nghiệm; Hình Hai sà lan cập mạn vùng cản sà lan (25) Với k’ = ω /g ε hệ số tiêu tán Theo nghiên cứu Chen [5], ta có: Hình Cao độ mặt nước tâm khoảng hở [2] DẦU KHÍ - SỐ 3/2015 55 CƠNG NGHỆ - CƠNG TRÌNH DẦU KHÍ Bảng Các thông số kỹ thuật FLNG LNGC Thông số Chiều dài Lpp Chiều rộng B Lượng chiếm nước đầy tải Mớn nước đầy tải T Đơn vị m m m FLNG 258 46 171.930 16,84 LNGC 243 41,6 52.019 6,75 đo thực nghiệm Hệ số cản ε mục đích để tiêu tán lượng bề mặt mơ hình tính coi chất lỏng lý tưởng Tác giả áp dụng kết nghiên cứu cho phần ví dụ số điều kiện biển Việt Nam Áp dụng tính lực thủy động cho tàu cập mạn song song so sánh với trường hợp tàu 5.1 Giới thiệu phần mềm tính tốn Hình Sơ đồ FLNG LNGC cập mạn HydroStar phần mềm tính tốn thủy động lực học, đối tượng tàu thuyền hay cơng trình biển mềm như: FPSO, TLP, giàn bán chìm, Spar… HydroStar phát triển Đăng kiểm Pháp (Bureau Veritas BV) từ năm 1991 Hiện nay, HydroStar phát triển thành phần mềm số 3D để đánh giá toán nhiễu xạ xạ bậc 1, bậc độ sâu nước lớn độ sâu nước hữu hạn Các vấn đề giải quyết: Tác động sóng bậc 1, bậc lên kết cấu (các toán nhiễu xạ xạ), chuyển vị kết cấu tác dụng sóng, áp lực sóng điểm bề mặt kết cấu, loại bỏ tần số không đều, toán tương tác nhiều vật thể, thay đổi tác động sóng bể cảng, kết nối chương trình Gnuplot, BV-Vship cho phép kiểm tra hiển thị kết tính, tương thích sử dụng kết cho chương trình tính dây neo Ariane-3D, chương trình PTHH NASTRAN cho tính kết cấu 5.2 Số liệu đầu vào Hình Hình ảnh chia lưới phần ngập nước FLNG (BT1) FLNG - LNGC cập mạn (BT2) - Xa miền cộng hưởng (nơi xảy tăng chiều cao bề mặt tự lớn), hệ số cản ε (để tiêu tán lượng bề mặt tự do) không ảnh hưởng đến phản ứng chuyển động sóng Qua phân tích nghiên cứu trước toán cập mạn, cần thiết phải thêm vào mơ hình tính hệ số cản ε ≠ (theo Chen [2] ε = 0,016) kết tính theo mơ hình tương thích với 56 DẦU KHÍ - SỐ 3/2015 Số liệu mơi trường lấy mỏ Bạch Hổ [15]: Sóng ngẫu nhiên đặc trưng phổ sóng JONSWAP với thơng số sóng: Hs = 8,6m; TP = 13,5s, min = 0,3 rad/s, max = 1,1 rad/s,  = 1,45 Gió dịng chảy coi lực tĩnh khơng sử dụng nghiên cứu Độ sâu nước 50m mỏ Bạch Hổ coi vùng nước nông so với vùng biển khác giới nghiên cứu Khi tính tốn lực thủy động sóng chương trình HydroStar cần tính tốn cho hướng sóng sóng tính tốn sóng đơn vị (sóng ngẫu nhiên tập hợp N sóng PETROVIETNAM đơn Airy có biên độ a = 1m) kết hàm truyền RAO phản ứng kết cấu tác dụng lực sóng đơn vị Các thơng số kỹ thuật FLNG LNGC thể Bảng 5.3 Tính tốn lực thủy động cho FLNG cực trị (BT1) Trong nghiên cứu này, tác giả thiết lập so sánh toán: FLNG điều kiện cực trị không khai thác (BT1) theo [16] FLNG khai thác xuất khí hóa lỏng cho LNGC trạng thái cập mạn (BT2) Mỗi toán cần thiết lập file data cho module tính tốn riêng theo sơ đồ thuật tốn chương trình HydroStar Phần hiển thị kết sử dụng Gnuplot để xem hình ảnh RAO BVVship để mơ chuyển động cơng trình tác dụng loại tải trọng sóng Sau lập file liệu cho module chạy module: Hsmsh, Hslec, Hschk, Hvisu, tác giả thu hình ảnh chia lưới phần tử phần ngập nước tốn để tính tốn lực thủy động (Hình 8) Tiếp tục bước tính toán theo module Hsrdf, Hstat, Hsmec, Hsdft, Hsrao tính lực nhiễu xạ, xạ, giải phương trình chuyển động để tính dịch chuyển tàu, lực tác động bậc sóng (sóng tới + sóng nhiễu xạ), lực trơi dạt bậc sóng theo lý thuyết, xuất kết RAO Các kết xuất dạng text đồ thị RAO gồm: Chuyển động tàu theo phương dọc trục phương quay quanh trục x, y, z, ma trận cản ma trận khối lượng kèm, lực sóng bậc (nhiễu xạ, lực sóng tới), lực tác động sóng bậc 2, lực trơi dạt, xuất kết RAO, QTF, added mass cho chương trình Ariane… Nhận xét kết tính BT1 (bể chứa FLNG đứng độc lập): - Chuyển vị: thành phần chuyển vị thẳng chuyển vị dọc OY (sway) lớn có diện tích chắn sóng lớn nhất, chuyển vị xoay quanh OX (roll) có chuyển vị bất lợi tàu dễ bị ổn định theo phương Tần số sóng thấp (chu kỳ dài) (Hình 10a) cho chuyển vị lớn, cho thấy chuyển vị phụ thuộc chủ yếu vào lực trôi dạt, lực có chu kỳ dài - Lực sóng: So sánh kết tương đương sóng bậc sóng bậc cho thấy, lực sóng bậc nhỏ so với lực sóng bậc (ví dụ với hướng sóng 90o so sánh FY sóng bậc 2% so với FY sóng bậc (chênh lệch gần 50 lần) (Hình 11a, 12a) Các kết chuyển vị, lực sóng ảnh hưởng tới kết thiết kế hệ thống neo FLNG 5.4 Lực thủy động cho FLNG - LNGC trạng thái khai thác kiểu cập mạn (BT2) Để có thêm sở lựa chọn kết phục vụ thiết kế, cần phải nghiên cứu tính tốn lực thủy động cho FLNG trường hợp khai thác cập mạn (xuất khí hóa lỏng) Xét tương tác thủy động tàu trường hợp cập mạn (FLNG LNGC) quan trọng trường hợp nối đuôi Tại vùng nước tàu có tượng bề mặt sóng tăng đột ngột Theo nghiên cứu mơ hình tính tốn thực nghiệm thấy thực tế tượng cộng hưởng bị tiêu tán nhanh so với mơ hình tính phần mềm Do vậy, chương trình tính phải thêm vào hệ số giảm chấn ( = 0,016) vùng cộng hưởng tàu kết tính gần với số liệu đo thực nghiệm - Tạo file cho BV-Vship Có thể quan sát dao động mơ hình áp lực sóng lên tàu phần mềm tương tác BV-Vship Cần phải khai báo lưới phần tử khu vực xung quanh tàu cho dễ nhìn thấy đối tượng tính tốn Hình cho thấy mớn nước tăng đột ngột khoảng hở tàu cập mạn So sánh kết RAO trường hợp cực trị (1 tàu) trường hợp khai thác tàu cập mạn: vài kết chuyển vị dọc trục Y, lực sóng bậc dọc trục Y, lực sóng trôi dạt bậc dọc trục Y: - Chuyển vị dọc OY: trường hợp cập mạn, dịch chuyển dọc Y tăng đột ngột quanh  = 1rad/s (Hình 10); - Lực tác động sóng bậc (FK lực nhiễu xạ): trường hợp cập mạn, FY cộng hưởng quanh  = 0,8rad/s (Hình 11); - Lực trơi dạt bậc 2: trường hợp cập mạn, lực trôi dạt bậc FY tăng đột ngột quanh  = rad/s (giá trị âm) (Hình 12) Hình Cộng hưởng chuyển động sóng vùng nước tàu DẦU KHÍ - SỐ 3/2015 57 CƠNG NGHỆ - CƠNG TRÌNH DẦU KHÍ (a) (b) Hình 10 RAO chuyển vị theo phương dọc trục OY Sway: tàu (a) - hai tàu cập mạn (b) (a) (b) Hình 11 RAO lực sóng bậc FY: tàu (a) - hai tàu cập mạn (b) (a) (b) Hình 12 RAO lực trơi dạt FY theo lý thuyết trường trung gian: tàu (trái) - hai tàu cập mạn (phải) 5.5 Nhận xét kết trường hợp nghiên cứu mỏ Bạch Hổ Các đồ thị hàm truyền RAO cho thấy rõ ảnh hưởng cộng hưởng khoảng hở bể chứa tàu (vùng cản dampingzone) trường hợp cập mạn, đặc biệt với dao động dọc OY, lực sóng FY bậc lực trơi dạt FY 58 DẦU KHÍ - SỐ 3/2015 sóng bậc lớn Ở ngồi vùng cộng hưởng hình dạng đồ thị RAO cập mạn tương đối giống với cực trị (do đầu vào sóng đơn vị a = 1m) Đặc biệt, tần số quanh  = rad/s có tăng đột ngột hình dáng đồ thị Do đó, cần phải xem xét khoảng tần số  = 0,95 - 1,05 rad/s, tức chu kỳ khoảng T = (s) Do chu kì sóng Ts = - 20 (s) nên thiết kế phải tránh tượng PETROVIETNAM cộng hưởng với tần số sóng gây nguy hiểm cho cơng trình Quan sát hình ảnh chuyển động tàu (Hình 9) cho thấy mớn nước tăng đột ngột vùng nước tàu Kết RAO cho thấy cộng hưởng khoảng hở tàu cập mạn không ảnh hưởng trường sóng địa phương mà cịn làm gia tăng chuyển động bậc lực trôi dạt trung bình 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 Kết luận 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 vùng khoảng hở tàu cập mạn mỏ Bạch Hổ ảnh hưởng đến việc tính tốn chuyển động tương đối vị trí tàu để xác định tải trọng thiết kế tác dụng lên dây neo định độ nhạy cảm hoạt động dỡ tải Trong tính tốn cập mạn, cần thiết phải thêm vào mơ hình tính hệ số cản ε ≠ (nghiên cứu ε = 0,016) kết tính theo mơ hình tính tương thích với đo thực nghiệm Hệ số cản ε mục đích để tiêu tán lượng bề mặt mơ hình tính coi chất lỏng lý tưởng Sự khác biệt đột ngột tương tác thủy động học toán cực trị toán khai thác cập mạn xảy tượng chuyển động bề mặt sóng tăng đột ngột (cộng hưởng) vùng nước tàu, ảnh hưởng đến độ an toàn hệ thống Kết nghiên cứu góp phần bổ sung thêm vào tốn tính tốn thiết kế cho FLNG trường hợp khai thác xuất khí hóa lỏng cho tàu LNG mở rộng cho tính tốn loại tàu cập mạn khác Tuy Việt Nam chưa có FLNG với tiềm mỏ khí lớn, tương lai phát triển hướng khai thác hiệu Hiện tại, nghiên cứu ứng dụng cho tính tốn thiết kế neo giữ loại tàu, phương tiện nổi, sà lan dịch vụ, phục vụ thi công, khai thác trạng thái cập mạn Nghiên cứu áp dụng cho tốn thiết kế hệ thống neo giữ, liên kết hai tàu, từ đánh giá độ an toàn hệ thống neo giữ kiểu cập mạn Tác giả trân trọng cảm ơn quan Đăng kiểm Pháp (BV) cho phép sử dụng phần mềm chuyên dụng (HydroStar, BV-Vship) Đại học Xây dựng tạo điều kiện để tác giả thực nghiên cứu Tài liệu tham khảo 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 X.B.Chen Hydrodynamic analysis for offshore LNG terminals 2nd International Workshop on Applied Offshore Hydrodynamics, Brazil 2005 X.B.Chen New formulations of the second-order wave loads Rapp Technique, NT2840/DR/XC, Bureau Veritas, Paris, France 2004 X.B.Chen Hydrodynamics in offshore and naval applications 6th International Conference on Hydrodynamics, Perth, Australia 2004 X.B.Chen Offshore hydrodynamics and applications The IES Journal Part A: Civil & Structural Engineering 2011; 4(3): p 124 - 142 H.Maruo The drift of a body floating on waves Journal of Ship Research 1960; 4: p - 10 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 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 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 CƠNG NGHỆ - CƠNG 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 17 Shell Prelude FLNG in numbers www.shell.com.au 18 Chris Summers The gas platform that will be the world’s biggest “ship” www.bbc.com 15/7/2011 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-byside offloading operation The obtained study results were applied to Bach Ho field conditions using the HydroStar Software of French Bureau 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 60 DẦU KHÍ - SỐ 3/2015 ... vùng nước tương tác hai tàu - Tính tốn thủy động lực học chương trình HydroStar tính tương tác lực sóng lên bể chứa khí hóa lỏng trường hợp: có FLNG (BT1) FLNG LNGC khai thác kiểu cập mạn (BT2)... pháp xuất khí hóa lỏng từ FLNG sang LNGC  Hình FLNG khai thác chế biến khí mỏ Hình Bể chứa khí hóa lỏng Prelude (Shell) 52 DẦU KHÍ - SỐ 3/2015 Dựa vào chất chứa bể chứa dầu hay khí hóa lỏng để... kể đến tương tác vật thể Trong toán cập mạn tàu, vùng khoảng hở tàu, tương tác thủy động lực học triệt tiêu chuyển động sóng vài tần số sóng đó, lại tạo chuyển động dội trường sóng tần số sóng