開敞式液化天然氣泊位平面布置優化

董焱赫，馬林，楊學斌

（中交水運規劃設計院有限公司，北京 100007）

1 工程概況

1.1 工程背景

隨著天然氣市場需求的大幅增長，為進一步提高渤海地區LNG接收站冬季調峰和應急供氣能力，有效緩解京津冀地區冬季天然氣供應不足的問題，渤海灣一系列液化天然氣碼頭進入謀劃和建設階段，大部分位于開敞水域。

本文擬建LNG碼頭地處唐山港曹妃甸港區，位于已建中石油LNG碼頭東側，設計船型為3萬～26.6萬m3LNG船，碼頭采用蝶形布置形式，通過長約2.4 km引橋與陸域罐區銜接。

根據JTS 165—2013《海港總體設計規范》及JTS 165-5—2016《液化天然氣碼頭設計規范》，開敞式液化天然氣碼頭平面布置應綜合考慮工程區域的水深、地形、風、波浪、潮流、泥沙等自然條件以及設計船型、裝卸工藝等需求。結合上述原則，本文結合數學及物理模型試驗，對擬建液化天然氣碼頭的軸線方位、泊位長度、系纜墩布置等進行了分析。

1.2 自然條件

1）設計水位

設計高水位2.91 m；設計低水位0.53 m；極端高水位4.46 m（重現期50 a），4.58 m（重現期100 a）；極端低水位-1.27 m（重現期50 a）。

2）風

曹妃甸海區常風向為SSW向，頻率為10%，次常風向為ENE和SSE，頻率9.0%，強風向為ENE，最大風速為25 m/s，次強風向為NE，最大風速為21 m/s，全年各向平均風速為5.3 m/s。工程區域重現期100 a的10 min平均最大風速20.475 m/s（風力8級），重現期50 a的10 min平均最大風速19.383 m/s（風力8級）。

3）設計波浪

碼頭區域，最大波高為E向波，重現期100 a極端水位下重現期100 a的最大波高H1%為6.54 m，波周期為8.6 s；重現期50 a極端水位下重現期50 a的最大波高H1%為6.17 m，波周期為8.1 s；設計高水位下重現期2 a的H4%波高為2.43 m，波周期5.4 s。

4） 潮流

工程區域海域以往復流為主，甸頭兩側沿順岸方向或沿等深線方向流動，根據潮流觀測資料及走航測量，漲潮期間工程區域各站最大流速及對應流向分別為0.99 m/s和245°，落潮期間各站最大流速及對應流向分別為0.98 m/s和63°，漲潮期間各站最大平均流速及對應流向分別為0.55 m/s和236°，落潮期間各站最大平均流速及對應流向分別為0.58 m/s和76°。

2 碼頭走向

LNG船相較于油船、散貨船等貨運船舶，在相同尺度下船舶總重較輕，更易受橫風及橫流的影響[1]。碼頭軸線宜與風、浪、流主導方向一致，并應與航道、港池、接岸建筑物布置相協調。

結合實測潮流成果及潮流數值模擬，已建LNG碼頭前沿水流較為順直，在碼頭后方，水流逐漸向東北偏轉，如考慮擬建LNG泊位后移（如圖1所示），雖然可以減小棧橋及管道投資，但疏浚量較大；且同一方位角上水流并不平順，碼頭前沿橫流較大，同時造成多個泊位不在同一軸線情況，對船舶操縱形成困難?？紤]通航安全性及碼頭前沿流場，本工程軸線擬與已建LNG碼頭平齊，軸線為 68°～248°。

圖1 碼頭平面布置圖Fig.1 Layout plan ofterminal

對工程前后潮流場模擬可知，工程前，泊位前漲潮期間最大流速為0.88～0.90 m/s，流向為243°；落潮期間最大流速為0.99～1.00 m/s，流向為61°～62°。從流向來看，與碼頭走向夾角較小，在10°以內。工程后，泊位前漲潮期間最大流速為0.59～0.62 m/s，流向為 236°～239°；落潮期間最大流速為 1.02～1.04 m/s，流向為 66°～67°。從流向來看，與碼頭走向夾角最大為12°。

3 泊位長度

開敞式液化天然氣碼頭泊位長度應使主力船型達到最優系泊作業條件，同時滿足其他設計船型的系泊要求。根據《液化天然氣碼頭設計規范》，泊位長度不應小于1倍設計船長，可按1.0～1.2倍船長估算。本工程最大船型為26.6萬m3LNG船，船長345 m，泊位長度取值介于345～414 m。

根據克拉克松所統計的在役和訂單船舶數量，至2022年，艙容14.7萬～17.5萬m3LNG船將達到84.5%（約560艘），將成為絕對主力的運力，而21.7萬～26.6萬m3LNG船不再有建造訂單，將維持目前規模，故本工程泊位長度將基于17.5萬m3LNG船型分析，該船型總長為290 m。

為進一步研究泊位長度，本工程開展系泊物理模型試驗研究工作，選取已建中石油LNG碼頭的400 m長泊位方案與360 m短泊位方案進行對比，工作平臺及靠船墩高程為10.5 m，系纜墩高程為9.5 m。結合工程區域自然條件及LNG船作業標準，試驗采用外部動力因素如表1及圖2所示。纜繩采用44 mm直徑HMPE纜繩進行試驗，其最小破斷力為1 370 kN，根據國際航海協會要求，單根纜繩所受最大拉力應小于50%最小破斷力，即685 kN。為使纜繩具有足夠的附加變形，HMPE纜繩常與尼龍尾鎖組合使用。2種泊位長度下的帶纜方式均為2∶2∶2∶2，船舶系纜方案如圖3所示。

表1 風、浪、流作用表Table 1 Wind,wave and currentcondition

圖2 17.5萬m3LNG船系纜平面布置圖及外部動力要素示意圖Fig.2 Layoutplan ofmooring and externalload elements of175 000 m3 LNG carrier

圖3 長泊位及短泊位17.5萬m3LNG船舶系泊狀態Fig.3 Mooring status of175 000 m3 LNG carrier in long berth and shortberth

以正常運營工況為例，不同碼頭長度下運動量及纜繩張力如表2及表3所示。

表2 不同碼頭長度下運動量對比試驗結果（17.5萬m3LNG船）Table 2 Testresults ofmotion under differentterminal lengths(175 000 m3 LNG carrier)

表3 不同碼頭長度下纜繩張力對比結果（17.5萬m3LNG船）Table 3 Results ofcable tension under differentterminal lengths(175 000 m3 LNG carrier)kN

通過表2及表3結果可以得出，短泊位方案時，同等工況下船舶的橫移和回轉有所降低，表中所示橫移平均降幅達到21.6%，回轉平均降幅達到50%，縱移、升沉、縱搖和橫搖運動量變化不大。短泊位方案時，船舶艏、艉部橫纜間受力不均勻性略有改善，艏纜和艉纜的張力較長泊位方案時增大。

上述試驗結果表明，短泊位方案限制船舶橫移運動方面占優[2]，作業條件較好；長泊位方案在最大纜力方面略占優，安全系泊條件較好，長短泊位方案均能滿足最大纜力要求。由圖3可知，短泊位方案下纜繩長度明顯減?。ǖ估|除外），減幅可達25%～38%，360 m泊位長度方案下各纜繩間的長度不均勻系數明顯減小。

綜上，短泊位方案在纜力均勻分布、改善橫纜受力及改善船舶運動量方面均有較好效果，故本工程采用泊位長度360 m（碼頭結構長度為372 m）的系纜墩布置方案。

4 系纜墩平面布置研究

合理的系纜墩布置應使纜繩盡量等長，纜力分布均勻[3]。對比碼頭設計規范[4-5]、英國規范和OCIMF（石油公司國際海事論壇）標準[6]，系纜角度及纜繩長度要求如下。

英國規范建議船舶縱向荷載主要由倒纜承擔，橫向荷載主要由橫纜約束，艏、艉纜、橫纜與船舶軸線最佳角度為75°～105°，最佳纜繩長度在35～50 m。OCIMF規范與英國規范建議基本一致，認為船舶應盡量在自身長度范圍內進行系泊。

根據《海港總體設計規范》，艏艉纜的水平系纜角度不宜過小，可取45°～75°，橫纜與碼頭前沿線夾角可以取75°～105°，艏艉纜長度可取35～60 m，橫纜長度可取30～50 m，倒纜長度可取30 m左右，各纜繩與水平面夾角可取0°～30°。

由于本工程設計及兼顧船舶船長介于185～345 m之間，為滿足各種船型的系纜要求，每個泊位設置系纜墩6座，系纜墩以工作平臺為中心對稱并后退布置（圖4）。

計算采用英國“OPTIMOOR Mooring Analysis Computer Program”進行分析確定。計算船型為26.6萬 m3LNG 船（帶纜方式為 3∶2∶3∶2）及 17.5萬m3LNG 船（帶纜方式為 2∶2∶2∶2）。計算工程按照正常運營最不利工況（表4）。

在前述長短泊位系纜墩布置對比分析結論的基礎上，開展端部系纜墩平齊與端部前移布置對比分析[7-11（]表 5）。

圖4 端部系纜墩前移/平齊計算簡圖（26.6萬m3LNG船）Fig.4 Calculation diagram offorward/leveling arrangementofend mooring dolphin(266 000 m3 LNGcarrier)

表4 Optimoor纜力計算工況Table 4 Optimoor mooring force calculation conditions

分析表5計算結果：端部系纜墩平齊和前移計算結果相差不大，均能滿足設計要求，其中對于26.6萬m3LNG船舶，端部系纜墩平齊方案較前移方案最大纜力有優化；對于17.5萬m3LNG船舶，兩個方案纜力基本相同。綜合考慮泊位靠泊不同船型的適應性，同時避免最大設計船型靠泊作業時，艏艉纜過短，本工程采用端部系纜墩平齊的平面布置方案。

5 結語

1）通過對現有及訂單LNG船型進行分析，艙容14.7萬～17.5萬m3LNG船將成為未來的絕對主力船型，在進行開敞式LNG碼頭總平面布置分析時，應優先滿足主力船型的最優靠泊條件，在此基礎上，通過優化系靠墩布置，進一步滿足最大及最小兼靠船型的系靠需求。

2）LNG船相較于油船、散貨船等貨運船舶，在相同尺度下船舶總重較輕，更易受橫風及橫流的影響，開敞式LNG泊位的碼頭走向確定尤為重要，碼頭軸線應與風、浪、流的主導方向一致。在開展軸線研究時，應開展工程區域的潮流、波浪的水文測驗及數值分析，必要時開展走航試驗進一步驗證。

3）通過系泊物理模型試驗研究，短泊位方案在纜力均勻分布、優化橫纜受力及改善船舶橫向運動量方面均有較好效果，既可滿足主力船型靠泊最優布置，又能滿足最大船型系靠泊需求，同時節約岸線長度。

4）利用Optimoor軟件對系纜墩布置形式進行了針對性的計算研究。通過模型模擬分析得出，對于開敞式碼頭，系纜墩平齊布置對于降低最大設計船型斷纜風險、均衡纜繩張力、控制船舶橫向運動有更好的效果。