下载文档原格式
系泊系统的设计:系泊系统数学建模系泊系统的设计摘要本文对系泊系统的设计问题进行了分析，给出合理的假设，建立优化模型，巧妙地解决了题目中所提出的问题。
针对问题一，首先采用集中质量的多边形近似法对单点系泊系统进行静力学分析，结合单点浮标系统特性，建立单点浮标的静力学模型，并对其算法进行改进，使算法能够迭代修正浮标受到的浮力。
其次通过适当的假设列出平衡方程并求解，得出锚链各节点处张力的递推公式，利用MATLAB软件迭代验证，最后得到了较为准确的结果。
针对问题二，基于问题一建立的模型，得出在题设条件下，浮标系统已不处于最优工作状态，须通过改变重物球来对系统进行调节。
计算出临界条件下重物球的质量，利用MATLAB 拟合得到的重物球重力与钢桶倾斜角度之间的关系曲线，得出对重物球进行调整的范围。
针对问题三，首先求得极端环境条件下钢桶倾角仍满足约束条件时候的重物球质量，然后通过合理的假设，在问题一建立的模型基础上，改变算法的迭代约束条件，从而得出不同情况下钢桶、钢管的倾斜角度、锚链形状、浮标的吃水深度和游动区域。
关键词：系泊系统；集中质量的多边形近似法；MATLAB；迭代一、问题的重述1.1问题的背景随着各国不断加大对海洋事业的投入以及不断深入对海底观测领域的探索，各海洋研究机构和海洋管理部门都相继建立了符合自身业务需求的海洋观测系统，其中浮标系统、系泊系统和水声通讯系统组成了近浅海观测网的传输节点。
而影响其系泊系统工作效果的因素很多，例如水流力、海风和水深等。
系泊系统的设计问题就是根据这些影响因素确定锚链的型号、长度和重物球的质量，使得系泊系统处于最佳工作状态。
从国家海洋资源战略角度来讲，研究各因素对系泊系统的不同影响显得尤为重要。
1.2问题的提出问题一：将该型传输节点布放在水深18m、海床平坦、海水密度为1.025×103kg/m3的静止海域时，选用II型电焊锚链22.05m，质量为1200kg的重物球，分别计算海面风速为12m/s和24m/s时钢桶和各节钢管的倾斜角度、锚链形状、浮标的吃水深度和游动区域。
万方数据第３７卷第５期杨雄文，等：Ｓｐａｒ平台结构型式及总体性能分析台）、桁架式平台（ＴｒｕｓｓＳｐａｒ）和多柱式平台（ＣｅｌｌＳｐａｒ）。
世界上第１座传统式Ｓｐａｒ平台是１９９６年在墨西哥湾建成下水的ＮｅｐｔｕｎｅＳｐａｒ。
从设计到平台正式采油，一共只花了２５个月，一开始就显示了高效率的特点，其工作记录也显示了高度的稳定性，大大提高了业主对Ｓｐａｒ技术的信心。
到２０００年，世界上已经发展了３座传统式Ｓｐａｒ平台，分别为ＮｅｐｔｕｎｅＳｐａｒ（５８８ｍ）、ＧｅｎｅｓｉｓＳｐａｒ（７９２ｍ）和ＨｏｏｖｅｒＳｐａｒ（１４６３ｍ），其中，ＧｅｎｅｓｉｓＳｐａｒ安装了一座钻探深度可达７６２０ｍ的全装钻塔，具备自行钻探的能力，是世界上第１座钻探和采油Ｓｐａｒ平台，ＨｏｏｖｅｒＳｐａｒ是目前在役的规模最大的Ｓｐａｒ。
桁架式Ｓｐａｒ平台的概念是ＤｅｅｐＯｉｌＴｅｃｈｎｏｌｏ—ｇｙ公司和ＳｐａｒＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ公司提出的，并于２００１年第１次应用于Ｎａｎｓｅｎ／Ｂｏｏｍｖａｎｇ油田。
自２００１年第ｌ座ＴｒｕｓｓＳｐａｒ——ＮａｎｓｅｎＳｐａｒ安装下水，目前全世界已有９座ＴｒｕｓｓＳｐａｒ先后建成下水，还有２座在建。
其中包括２００４年初安装下水的世界上最大的Ｓｐａｒ平台一一ＢＰ石油公司的Ｈｏｌ－ｓｔｅｉｎＳｐａｒ，Ｄｏｍｉｎｉｏｎ石油公司的ＤｅｖｉｌｓＴｏｗｅｒＳｐａｒ以及世界上第１座采用尼龙塑料系泊索系统的ＭａｄＤｏｇＳｐａｒ。
由于各种最新技术的采用，到２００４年底，新建成的ＴｒｕｓｓＳｐａｒ已在多个方面取得了创造性的突破，为Ｓｐａｒ向深水、超深水进军提供了方向。
但是不管是传统式Ｓｐａｒ平台还是桁架式Ｓｐａｒ平台，它们都有一个共同的缺点就是体形庞大，造价昂贵，而且其庞大的主体对建造船坞的要求很高。
目前几乎所有的Ｓｐａｒ平台的主体都是在欧洲和亚洲建造的，然后用特种船舶运输到墨西哥湾进行组合和安装，运费昂贵，且不易于安装。
小平台是生产和生活的中心，一般分为二层或三层的模块结构，甲板形状为矩形。
各个甲板之间用立柱和斜撑结构连接固定。
平台主体顶部装有立柱基座，与主体的垂直防水壁形成一个整体，平台上体的主支撑立柱直接与立柱基座对接，并贯入主体内部以便达到较好的固定效果。
生产和生活设施基本上按照传统平台的甲板布局方式布置，根据设计要求，可在顶层甲板上安装重型或轻型钻塔，以完成平台钻探、完井和修井作业。
主体：1.Classic spar：是一个在水中垂直悬浮的圆柱体，整体直径较大，主体尺度一般都在100m以上，重心位于水线面以下很深的位置。
庞大的主体内部采用垂直隔水舱壁和水平甲板分隔成多层多舱结构，并具有各自的功能。
分为：硬舱、中段和软舱。
硬舱：主体顶甲板至可变压载舱底部之间的部分称为硬舱。
z硬舱位于主体的上部，是整个spar平台系统的主要浮力来源。
这部分中的舱室分为固定浮舱和可变压载舱。
z在靠近水线面处的浮舱外层还布置有双层防水壁结构，在平台撞击损坏时能够起到保护浮舱的屏障作用。
中段(midsection)：可变压载舱底部至临时浮舱顶甲板之间的部分称为中段。
其功能是刚性连接spar平台主体硬舱和软舱，并且保护中央井中的立管系统不受海流力的影响。
z中段部分最主要的两个结构是外壳体和内壳体，外壳体位于主体的最外侧，负责保护主体内的舱室，贯穿整个中段部分，这就是平台的储油舱。
z另外，spar平台的系泊索与平台主体的连接点也位于中段，中段的主体外侧装有定滑轮结构的导缆器。
软舱(soft tanks)Spar平台主体在中段以下的部分称为软舱。
Spar平台的压载大部分由软舱提供。
软舱中的舱室分为固定压载舱和临时浮舱。
Truss spar桁架结构：z是一个类似于导管架(jacket)结构的空间钢架，同传统Spar的金属圆柱中部结构相比，可以节省50％的刚才。
z通常由无内倾立腿，水平撑杆，斜杆和垂荡板(Heave plate)组成。
桁架中的管状部件在整个Spar的使用过程中均产生浮力。
Spar平台（深水浮筒平台）专题Spar平台（深水浮筒平台）属于顺应式平台的范畴，被广泛应用于人类开发深海的事业中，担负着钻探、生产、海上原油处理、石油储藏和装卸等各种工作，成为当今世界深海石油开采的有力工具。
1961年，在北海海域建造的一座浮动式工具平台，主要用于海洋研究工作。
20 世纪70年代，Royal Dutch Shell公司又在北海的中等水深中建造了一座Brent Spar平台，用作石油的储藏和装卸中心。
不过，早期建造的Spar平台结构与当前深海油气开发使用的Spar平台相比还是有区别的。
一般来讲，现代 Spar平台都具有以下几个特征（如右图所示）：Spar平台示意图1. 现代Spar平台的主体是单圆柱结构，垂直悬浮于水中，特别适宜于深水作业，在深水环境中运动稳定、安全性良好。
Spar平台主体可分为几个部分，有的部分为全封闭式结构，有的部分为开放式结构，但各部分的横截面都具有相同的直径。
由于主体吃水很深，平台的垂荡和纵荡运动幅度很小，使得Spar平台能够安装刚性的垂直立管系统，承担钻探、生产和油气输出工作。
2. Spar平台的中心处开有中央井，中央井内装有独立的立管浮筒，具有良好的灵活性。
生产立管上与平台上体的控井和生产处理设施相连，向下则一直延伸到海底油井。
Spar平台的油气产品有两种输出方式，它既可以通过柔性输油管、SCR立管或顶紧张式立管将油气产品直接输送到海底管道系统，也可以将石油储藏在 Spar平台的主体中，然后用油轮将石油向岸上运输。
由于采用了缆索系泊系统固定，使得Spar平台十分便于拖航和安装，在原油田开发完后，可以拆除系泊系统，直接转移到下一个工作地点继续使用，特别适宜于在分布面广、出油点较为分散的海洋区域进行石油探采工作。
Spar PlatformsSpar Platforms, moored to the seabed like the TLP, but whereas the TLP has vertical tension tethers the Spar has more conventional mooring lines. Spars have been designed in three configurations: the "conventional" one‐piece cylindrical hull, the "truss spar" where the midsection is composed of truss elements connecting the upper buoyant hull (called a hard tank) with the bottom soft tank containing permanent ballast, and the "cell spar" which is built from multiple vertical cylinders. The Spar may be more economical to build for small and medium sized rigs than the TLP, and has more inherent stability than a TLP since it has a large counterweight at the bottom and does not depend on the mooring to hold it upright. It also has the ability, by use of chain‐jacks attached to the mooring lines, to move horizontally over the oil field.The first Spar was Kerr‐McGee's Neptune, which is a floating production facility anchored in1,930 feet (588 m) in the Gulf of Mexico. Dominion Oil's Devil's Tower is located in 5,610 feet (1,710 m) of water, in the Gulf of Mexico, and is the world's deepest spar. The first (and only) cell spar is Kerr‐McGee's Red Hawk.sparOil and gas exploration in deep water has accelerated the need of ocean structures suitable for these depths. A spar platform is such a compliant floating structure used for deep water for the drilling, production, processing and storage of ocean deposits. This paper gives a review on the technical development of spar platform, including the research on dynamic response, mooring system, fatigue and coupled analysis and the design of heave plate and strake configuration.深海油气资源的大量开发加速了对适应深水环境的平台结构物的需求。
SPAR平台的发展现状及未来发展趋势一：前言在过去的二十年中，人们对石油的需求量急剧增长。
随着陆上石油资源日趋枯竭,海洋石油成为人类重要的能源来源之一,已探明的海洋石油储量80 %上在水深500m 以内,除了少数海域外,大部分地区的近海油气资源已日趋减少,向深海开发油气已成必然趋势,深海平台技术也成为国际海洋工程界的一个热点。
许多新型适应深海海洋环境的平台结构不断涌现,如顺应式平台、张力腿平台、浮式生产储油装置、SPAR 平台等。
与其它平台技术相比，SPAR平台具有以下特点：1.可以应用于深达3000m水深处的石油生产。
2.具有较大的有效载荷。
3.由于其浮心高于重心，因此能保证无条件稳定。
4.可以低成本储藏石油。
5.壳体可以是钢结构或水泥结构。
6.系泊系统的建造，操纵和定位较为容易。
正因为SPAR平台具有上述特点，它能很好地满足深度为500m至3000m水域中的石油生产及储藏，已经逐渐变为最具吸引力和最有发展潜力的平台形式之一。
二：SPAR平台的发展现状SPAR平台应用于海洋开发已经超过30年的历史，但在1987年以前，SPAR平台主要是作为辅助系统而不是直接的生产系统。
到目前为止SPAR平台已经发展到第三代..1.传统SPAR平台(Classic Spar)30年前就在海洋工程中得到应用的SPAR平台那时只是一种储油和卸油的浮筒。
l987年,Edward E. Horton在柱形浮标和张力腿平台概念的基础上提出一种用于深水的生产平台,即单柱平台。
这种设想于1996年被应用于墨西哥。
传统SPAR平台的主体是一个大直径、大吃水的具有规则外形的浮式柱状结构。
其中水线以下部分为密封空心体，用以提供浮力,称为浮力舱,舱底部一般装压载水或用以储油（柱内可储油也成为Spar平台的显著优点),中部由锚链呈悬链线状锚泊于海底。
世界上第一座传统型SPAR平台是于1996年建成的Neptune平台。
2.桁架式SPAR平台(Truss SPAR)第二代的桁架式SPAR平台的概念是Deep Oil Technology (DOT)公司和Spar International公司从1996年起经过大量的工作,历时5年后提出的,并于2000年2月份第一次应用于Nansen/Boomvang油田。
