中石化天津LNG碼頭方案優(yōu)化研究

劉東 晏林

摘 要：從通航安全和船舶操縱的角度出發(fā)，基于船舶進(jìn)出港及靠離泊仿真模擬試驗(yàn)，對(duì)LNG碼頭及配套的航道、防

波堤布置提出一些優(yōu)化建議和方案，供工程設(shè)計(jì)和海事監(jiān)管借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：LNG碼頭 航道 防波堤

近幾年中國(guó)進(jìn)口能源最快捷可行的方式就是通過(guò)海岸線由海運(yùn)進(jìn)口石油和液化天然氣，中石化天津LNG項(xiàng)目的建設(shè)有利于形成京津地區(qū)多氣源供應(yīng)格局，提高該地區(qū)供氣的經(jīng)濟(jì)性、安全性和平穩(wěn)性；有利于滿足環(huán)渤海地區(qū)對(duì)清潔能源需求，保護(hù)環(huán)境和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，中石化天津LNG碼頭的建設(shè)是十分必要和迫切的。

南港工業(yè)區(qū)概況

1、航道概況

規(guī)劃LNG航道有效寬度300m，設(shè)計(jì)底標(biāo)高-14.9m，航道方位為270°00′00″～90°00′00″，航道里程延伸至38+000。

2、防波堤概況

目前，港區(qū)南北防波堤堤頂間距為1800m，推薦的口門(mén)位置距東堤為3000m，目前施工至2000m，原推薦口門(mén)內(nèi)南防波堤轉(zhuǎn)折處間距1000m隔堤尚未建設(shè)。

3、港區(qū)水文氣象

港區(qū)常風(fēng)向?yàn)镾向，次常風(fēng)向?yàn)镋向，出現(xiàn)頻率分別為9.89%、9.21%。強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镋向，次強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镋NE向，≥7 級(jí)風(fēng)出現(xiàn)的頻率分別為0.32%、1.01%。

能見(jiàn)度＜1km的大霧平均每年為16.6個(gè)霧日，霧多發(fā)生在每年的秋冬季，每年12月份大霧日約為全年大霧日的30%左右，最長(zhǎng)的延時(shí)可達(dá)24小時(shí)以上。按大霧實(shí)際出現(xiàn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)，平均每年為8.7天。

LNG碼頭工程區(qū)域流場(chǎng)特點(diǎn)如下：① 南港工業(yè)區(qū)海域潮流表現(xiàn)為與岸線垂直的往復(fù)流，港區(qū)范圍內(nèi)口門(mén)處漲落潮流速最大，港池內(nèi)流速相對(duì)較小?？陂T(mén)區(qū)落潮流速大于漲潮流速。② 從流速分布上看，航道等級(jí)提高后口門(mén)流速會(huì)有所減小，有利于船舶航行。③ 從漲落急時(shí)刻的橫流大小分布上看，碼頭區(qū)橫流小于0.10m/s。航道中橫流最大處位于防波堤口門(mén)附近，但最大橫流不超過(guò)0.25m/s。

優(yōu)化前的LNG碼頭平面布置

LNG泊位碼頭平面布置采用離岸蝶型布置，主要由1座工作平臺(tái)、2對(duì)靠船墩、4對(duì)系纜墩、聯(lián)橋及引橋組成。泊位長(zhǎng)度為420m，操作平臺(tái)尺度為30×15m，高度為12m，采用鋼結(jié)構(gòu)，其上布置有控制室。引橋凈寬為15m，長(zhǎng)度為90m。碼頭所有系纜墩布置在同一直線上，并與碼頭前沿線平行。

圖1優(yōu)化前LNG碼頭平面布置圖

碼頭平面布置適應(yīng)性分析

1、基于規(guī)范的適應(yīng)性分析

主要研究LNG碼頭水域、航道和防波堤的適應(yīng)性，優(yōu)化LNG碼頭、航道及防波堤設(shè)計(jì)方案，在此主要選取26.6萬(wàn)m3LNG船舶作為研究對(duì)象。

表126.6萬(wàn)m3LNG船舶尺度

1.1防波堤適應(yīng)性分析

防波堤作為防護(hù)建筑物的基本功能之一就是抵御外海波浪入侵，改善港內(nèi)水域的泊穩(wěn)條件?？陂T(mén)寬度是影響掩護(hù)效果的一個(gè)重要參數(shù)。根據(jù)布置特點(diǎn)，口門(mén)寬度通常包含三個(gè)指標(biāo)值：口門(mén)寬度BS、口門(mén)有效寬度B0以及安全距離d0。三者之間的相互關(guān)系如圖2所示。

圖2口門(mén)寬度值示意圖

根據(jù)《海港平面設(shè)計(jì)規(guī)范》，口門(mén)的有效寬度是指口門(mén)垂直于航道軸線方向的寬度；安全距離是指口門(mén)有效寬度底邊線至防波堤的距離，應(yīng)根據(jù)堤的結(jié)構(gòu)型式及其安全要求確定。針對(duì)防波堤口門(mén)區(qū)的設(shè)計(jì)寬度，規(guī)范要求防波堤口門(mén)有效寬度應(yīng)為設(shè)計(jì)船型船舶船長(zhǎng)的1-1.5倍。

表2口門(mén)有效寬度與船長(zhǎng)對(duì)比表

由表2可知，規(guī)劃防波堤口門(mén)有效寬度可以滿足26.6萬(wàn)m3LNG船安全進(jìn)出口門(mén)的要求?？紤]LNG船舶進(jìn)出港時(shí)需要護(hù)航，選取兩艘拖輪（6000HP Z型拖輪）在前后護(hù)航通過(guò)口門(mén)時(shí)，整體船隊(duì)長(zhǎng)度約433m，口門(mén)寬度/船長(zhǎng)約4.2，可以滿足LNG船舶在護(hù)航條件下安全通過(guò)口門(mén)需要。

1.2航道適應(yīng)性分析

1.2.1航道水深

根據(jù)《液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，液化天然氣碼頭進(jìn)出港航道設(shè)計(jì)水深的計(jì)算基準(zhǔn)面宜采用當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?。設(shè)計(jì)水深計(jì)算中的各項(xiàng)富裕深度應(yīng)按《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定確定。根據(jù)《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)航道尺度的要求。

D0=T+Z0+Z1+Z3+Z4

D0－航道通航水深（m）；D－航道設(shè)計(jì)水深(m)；T－設(shè)計(jì)船型滿載吃水(m)；Z0－船舶航行時(shí)船體下沉值（航速取8節(jié)）；Z1－航行時(shí)龍骨下最小富裕深度(m)；Z2－波浪富裕深度(m)，取0.9；Z3－船舶裝載縱傾富裕深度，取0.15m；Z4－備淤深度(m)，取0.4m。

表3航道水深計(jì)算表（單位：m）

1.2.2航道寬度

根據(jù)《液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，液化天然氣碼頭人工進(jìn)出港航道可按單向航道設(shè)計(jì)，航道有效寬度應(yīng)按《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定確定，且不應(yīng)小于5倍設(shè)計(jì)船寬。航道有效寬度由航跡帶寬度船舶間富裕寬度和船舶與航道底邊間的富裕寬度組成。單向通航寬度按下式確定：

A=n(Lsin?酌+B)

n—船舶漂移倍數(shù)；?酌—風(fēng)、流壓偏角；L—船長(zhǎng)（m）；B—船寬（m）。

表4單向通航所需航寬（m）

該工程配套航道設(shè)計(jì)水深為14.9m，設(shè)計(jì)寬度為300m，可以滿足26.6萬(wàn)m3船滿載航行要求。

通過(guò)以上分析可知，LNG碼頭配套的航道及防波堤理論上均可滿足26.6萬(wàn)m3LNG船安全航行及靠離泊要求。下面將采用船舶操縱模擬的手段，從船舶實(shí)際操縱的角度進(jìn)一步分析LNG碼頭及航道、防波堤設(shè)施的適應(yīng)性。

2、船舶仿真模擬試驗(yàn)

根據(jù)工程水域水文、氣象、航道尺度、船舶特征等環(huán)境參數(shù)，利用全任務(wù)大型船舶操縱模擬器對(duì)通航環(huán)境進(jìn)行建模，模擬船舶進(jìn)出港及靠離泊情況。在此選取其中一組模擬試驗(yàn)結(jié)果，具體工況如表3所示。

表5設(shè)計(jì)船型模擬試驗(yàn)工況設(shè)置表

模擬試驗(yàn)表明，LNG船進(jìn)港時(shí)，在主航道的船速為6～10節(jié)，主航道外段船速一般8～10節(jié)，風(fēng)流壓差約3°～5°，進(jìn)入防波堤口門(mén)前降至5～6節(jié)，防波堤航段風(fēng)流壓差約6°～9°，至防波堤隔堤前降至3節(jié)，風(fēng)流壓差約10°～15°，鑒于進(jìn)港航道防波堤隔堤的口門(mén)區(qū)航段為L(zhǎng)NG船舶進(jìn)港的制動(dòng)段，也是LNG船離泊出港時(shí)轉(zhuǎn)向上線的關(guān)鍵航段，LNG船低速狀態(tài)下受風(fēng)影響顯著，建議對(duì)進(jìn)港航道防波堤隔堤的口門(mén)區(qū)航段進(jìn)一步拓寬。

根據(jù)模擬試驗(yàn)軌跡分析，除進(jìn)港航道防波堤隔堤的口門(mén)區(qū)航段外，航道設(shè)計(jì)有效寬度300m滿足規(guī)范對(duì)設(shè)計(jì)船型單向通航的要求，LNG船舶在進(jìn)港航道防波堤隔堤的口門(mén)區(qū)航段的船位橫向偏移范圍距離航道軸線約左、右各增加了1倍船寬，縱向偏移范圍在防波堤隔堤前、后各為1.5倍船長(zhǎng)。

工程優(yōu)化方案

1、防波堤處航道優(yōu)化方案

根據(jù)前面模擬試驗(yàn)可知，在LNG船舶進(jìn)出港尤其是離泊通過(guò)口門(mén)過(guò)程中，船舶由于受風(fēng)面積較大，且離泊時(shí)速度低舵效差，容易導(dǎo)致很大的風(fēng)致漂移量尤其是受到西北風(fēng)的情況下，LNG船舶在口門(mén)附近右轉(zhuǎn)進(jìn)入航道操作難度很大，進(jìn)入航道過(guò)程中極易受風(fēng)的影響駛?cè)敫鄢睾秃降赖耐鈧?cè)導(dǎo)致擱淺事故。建議將LNG泊位港池的東北端口門(mén)附近水域適當(dāng)加寬疏浚，將疏浚點(diǎn)D延伸到E點(diǎn)，共350m。

2、LNG碼頭優(yōu)化方案

基于模擬試驗(yàn)結(jié)論，在現(xiàn)有平面布置下，LNG船舶掉頭靠泊時(shí)轉(zhuǎn)角過(guò)大，船舶操縱難度較大，建議將碼頭位置前移190m，同時(shí)調(diào)整了預(yù)留泊位及工作船泊位位置。

另外，鑒于碼頭布置在非港池水域，同時(shí)考慮將碼頭進(jìn)一步前移的難度。該工程還可不前移碼頭位置，將碼頭兩側(cè)水域進(jìn)行浚深，增加船舶進(jìn)港掉頭可利用水域，可達(dá)到減小船舶進(jìn)出港操縱難度效果。同時(shí)，為便于LNG船舶在緊急情況下能及時(shí)撤離碼頭，建議將碼頭方向朝南北向調(diào)整。

（第一作者單位：中國(guó)石油化工股份有限公司天然氣分公司）