LNG 船舶進港靠泊操縱模擬仿真研究

嚴虎

（鹽城引航站，江蘇 鹽城 224100）

江蘇濱海液化天然氣（LNG）項目碼頭工程，新建LNG 泊位1 個，碼頭結構設計船型為8 萬-26.6 萬m3LNG 船舶，主力船型為17.7 萬m3考慮遠期雙泊位靠船卸料。本文以26.6 萬m3LNG 船舶通過濱海港區航道進港航行及靠泊期間，通過本文構建基于風、流共同作用下LNG 船舶漂移量數值計算模型及大型船舶操縱模擬器模擬仿真LNG 船舶在不同工況情況下進港及靠泊方案，檢驗LNG 船舶能否安全進港航行及靠泊作業。

1 船舶漂移量數值計算模型

本文構建大型LNG 船舶進出港航行漂移量計算模型主要有四個部分組成，分別是無風、流情況下LNG船舶航跡帶寬度、LNG 船舶進出港航行中風致漂移量、LNG 船舶進出港航行中流致漂移量和LNG 船舶進出港航行中由偏航角引起的航跡帶寬度增加量四個部分組成本項目LNG 船舶在有風、流作用情況下所需航道寬度數值計算模型。（大型LNG 船舶進出港航行漂移量數值計算模型如圖1 所示）。

圖1 船舶漂移量數學模型

（1）無風、流情況下LNG 船舶航跡帶寬度B1：

LNG 船舶在無風、流的情況下進出港航行時，其航跡帶寬度可按下式進行計算：

（2）LNG 船舶進出港航行中風致漂移量BF：

考慮在極限的情況下（即LNG 船舶正橫受風，其風舷角為90°），風對船舶的作用力最大，則船舶航行中風致漂移速度VF可由下面公式計算得出：

因此，LNG 船舶進出港航行中受風影響情況下的漂移量BF可用下式計算：

（3）LNG 船舶進出港航行中流致漂移量BL：

LNG 船舶進出港航行在各種水流共同作用下的流致漂移量BL可用下式計算：

其中：Vw—水流流速（m/s）；Vs—船速（m/s）；VWL-橫向流速（m/s）；α—偏航角(°)；S—計算河長(m)。

（4）LNG 船舶進出港航行中由偏航角引起的航跡帶寬度增加量BP：偏航角α 所引起的航跡帶寬度的增加量Bp可用下式進行計算：

（5）LNG 船舶進出港航行中航跡帶寬度B：

綜上所述，LNG 船舶進出港航行過程中在最為不利的風流組合下，LNG 船舶進出港航行時所需的航跡帶寬度應為：

3 LNG船舶及航路概況

江蘇濱海LNG 項目利用濱海港區航道進港，航道設計范圍為在規劃建設中的10 萬噸級航道基礎上進行拓寬、浚深，航道設計底標高從規劃10 萬噸級航道-14.5m 至-15.0m。航道通航寬度拓寬至320m，全長約2740m。本項目共用濱海2#錨地，LNG 船舶待泊在2#錨地東南角。

本文選定Q-MAX 級別的26.6 萬m3LNG 船舶作為模擬試驗主要船型，用于模擬試驗的船舶數學模型，其船型具體參數是：船長345m，型寬55m，型深27m，設計吃水12m。

4 基于船舶漂移量計算模型對LNG船舶進出港航行研究

根據大型船舶進出港航行時航速一般控制在10kn以下，本文260000m3LNG 船在不利風、流條件（船舶正橫受風時）下，分別討論在風力4 級、5 級、6級、7 級、8 級，船速10kn、8kn、6kn、4kn，偏航角3°情況下260000m3LNG 船舶航行所需航道寬度。則260000m3LNG 船舶根據漂移量數值計算模型分析如表1：

表1 260000m3LNG 船舶單向航行所需航道寬度（單位m）

5 模擬試驗工況設置方案

根據項目水域通航自然環境要素分析，結合本項目要求，對Q-MAX 級別的LNG 船進港、靠泊碼頭模擬試驗進行了以下工況設計。選取SE、NE 兩個風向及對應的4、6 級風力強度作為試驗風要素；波浪方向與風向一致。潮流為往復流，漲潮流向SE，落潮流向NW。選擇對船舶影響較大的潮流資料落潮流0.4m/s（最大情況）和漲潮流0.43m/s（最大情況）進港靠泊情況，船舶乘潮進港靠泊。通過對以上不同環境要素進行組合，進行進港、靠泊試驗。本文26.6 萬m3LNG 船舶滿載進港航行及靠泊模擬仿真試驗如圖2-圖9 所示。

圖2 漲潮流、東北風4 級

圖3 落潮流、東北風4 級

圖4 漲潮流、東北風6 級

圖5 落潮流、東北風6 級

圖6 漲潮流、東南風4 級

圖7 落潮流、東南風4 級

圖8 漲潮流、東南風6 級

圖9 落潮流、東南風6 級

6 模擬仿真試驗數據分析

根據試驗方案，本課題組通過多次設計船型船舶進港及靠泊模擬試驗，基本都能順利完成設計工況的模擬試驗。對進港靠泊所需航跡帶寬度進行了統計，如表2所示。

表2 本項目26.6 萬m3LNG 船航跡帶寬度統計表

綜合分析：設計代表船型進港航道模擬試驗選取自然條件為漲潮流和落潮流；風向為常風、強風向的條件組合，分別選取了4 級、6 級風進行進港及靠泊試驗。從設計工況的試驗結果來看：

設計代表船舶進出選擇濱海港區航道，試驗區域為航道入口到泊位共3.5 海里（約6.4km）范圍。本文對LNG 船舶進港水道進行了模擬船舶通航試驗，考慮模擬試驗與實際操船之間的差異性，試驗結果顯示：代表船型26.6 萬m3LNG 船舶以6-7 節左右航速滿載進港時，船舶航行至口門附近時的船速宜控制在5kn 左右，后逐漸左轉進入港池水域，繼續降速、調整船舶位置和航向，在回旋水域內將速度控制在1kn 左右，并擺正船位，借助大功率拖輪協助靠泊。進港船舶應根據風流情況，正確擺正船位，選擇合理的風流壓差，并根據不同船位的潮流流場的變化予以修正。26.6 萬m3LNG 船舶壓載出港時，船舶出港時，船舶上行至較開闊水域或落水流，駛入濱海港區航道，加速出港。

工程試驗船舶受風面積大，在航道航行時，外航道受風、浪、流影響較大，同時，風浪條件對拖輪影響也較大，工程設計船型進港時宜選擇在風、浪、流影響較小的時段進港。結合模擬試驗及工程水域實測潮流信息，工程船舶進港時機應盡可能選擇在平潮至高平潮后1 小時進行靠泊作業。船速也是重要的控制因素。

根據港口規定，船舶在航道航行時要保持一定速度減小風、流對船舶的影響，船舶在航道內航行時航速應控制在10 節以內，在接近防波堤口門轉彎時降至6 節左右，帶妥拖輪，接近航道末端時降至4 節左右，轉向后在拖輪協助下船舶轉向、降速，擺好靠泊姿勢，拖輪頂推入泊，控制好靠泊速度及拖輪與其它泊位?？看暗陌踩嚯x。

試驗船型在港內航道航行時，由于航速降低，船舶航向穩定性降低，軌跡帶寬度增大，且在低航速時，船舶應舵性能差，試驗船舶在進入防波堤口門前，必須配備并帶妥拖輪，以防止船舶偏離航道導致失控，且應正確地估計風壓力和流壓力，防止船舶偏航或失控，保證航行安全。

目前，濱海港區航道進港，實際水深15m，可航寬度設計為320m。因此，工程設計進港航道寬度320m能滿足所有試驗設計代表船型進港單向通航的要求。

根據船舶進港模擬試驗結果，船舶進港對附近航道通航條件影響不大，正常操縱船舶、選擇合適的靠泊時機，在拖輪協助下，船舶進港安全是可以控制的。

7 LNG 船舶進港及靠泊操作方案

船舶滿載進港時應根據潮流情況做好引航方案，進港前應確認船舶資料、引航卡，特別是確認吃水及潮位，核查是否有足夠富裕水深，核算到達泊位的時間，根據操作要求，配置好全回旋拖輪。

船舶進港時，應根據當時風、流條件及時調整船位，盡可能保持推薦航路中心線上航行，航行中應實時檢查富余水深變化情況，確保航行安全。船舶到達口門附近應適當減速，控制船速為5kn 左右。當本船進入本項目港池水域時控制船速4kn 以下，船艏抵達回旋水域時，控制船速1 節左右。采用逆時針掉頭右舷靠泊時，應控制入泊角度及速度，到達泊位外檔1～2 倍船寬時將船擺正，應特別注意與流的交角不宜過大。船舶在泊位前沿擺正船位及姿態后，使用外舷拖輪頂推入泊，同時不斷調整首尾各拖輪頂推力量，入泊方式采用平行入泊，利用本船拖輪調整船位及姿態，擺正船位，控制船舶平行入泊，控制好橫移的速度，逐漸減小頂推力量以 確保貼靠泊位速度不大于0.2m/s 為宜，適當用車控制避免船舶前沖后縮，靠攏后應使用拖輪防止船舶反彈離開泊位。