內(nèi)河LNG加氣碼頭總體布置及裝卸工藝研究

繆吉倫，牛軍偉，王召兵，周家俞

(重慶交通大學 西南水運工程科學研究所，重慶 400016)

內(nèi)河LNG加氣碼頭總體布置及裝卸工藝研究

繆吉倫，牛軍偉，王召兵，周家俞

(重慶交通大學 西南水運工程科學研究所，重慶 400016)

介紹了我國內(nèi)河第一座液化天然氣（LNG）加氣碼頭的總體布置及裝卸工藝。因優(yōu)良岸線資源匱乏，碼頭選址位于洛磧水道右岸，邊灘寬闊，寬達200余米，碼頭位于三峽水庫回水變動區(qū)，水位日變幅最大達7m，通航運行水位差近30m，日變幅及水位差均較大。LNG為超低溫易揮發(fā)易爆化危品，不能采用普通軟管輸送。經(jīng)方案比選，采用架空斜坡道結(jié)構，并布置躉船及鋼引橋連接，解決了裝卸安全性與水位適應性等復雜問題。

液化天然氣；碼頭；平面布置；裝卸工藝

1 前言

LNG（液化天然氣）是以甲烷為主的液態(tài)混合物，儲存溫度約為-162℃。泄漏后由于地面和空氣的加熱，生成白色蒸氣云，在空氣中快速擴散，與空氣混合后，體積分數(shù)在一定的范圍內(nèi)將會產(chǎn)生爆炸，火災危險性類別按照我國現(xiàn)行防火設計規(guī)范劃分為甲A類。

我國擁有各類船舶近4萬艘。船舶長期以來一直是我國物流行業(yè)能耗和二氧化碳的排放“大戶”。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國2010年河海水運年耗燃油達2500萬t左右，其中內(nèi)河水運消耗900萬t。隨著國內(nèi)貿(mào)易和內(nèi)河水路運輸?shù)姆€(wěn)定增長，預計船用燃油需求量將保持年均5%的增長率。三峽庫區(qū)船舶每年所消耗燃油達50萬t，產(chǎn)生二氧化硫為0.25～1.5萬t。我國是一個人均占有資源相對匱乏的國家，節(jié)能減排責任重大。LNG(液化天然氣)作為船用燃油的環(huán)境效益非常顯著，它幾乎可以100%減排硫氧化物、沒有顆粒、減少85%～90%氮氧化物和15%～20%二氧化碳的排放。同時LNG比石油便宜，價格僅相當于柴油的1/3。它的應用將帶來可觀的經(jīng)濟效益，天然氣儲量豐富，目前世界探明的天然氣儲量，如果加進非傳統(tǒng)能源，如頁巖氣等，可供人類使用250年[1]。

據(jù)統(tǒng)計，船舶如果采用柴油/天然氣雙燃料，則天然氣替代柴油率可高達70%左右。目前我國內(nèi)河還沒有已建成投產(chǎn)的船舶加氣碼頭，在長江上游建設內(nèi)河第一座船舶加氣碼頭，可極大促進天然氣在船舶上的應用，降低船舶運輸成本，促進地方經(jīng)濟的發(fā)展。

2 工程概況

擬建加氣碼頭位于重慶市巴南區(qū)麻柳嘴鎮(zhèn)，長江滾子角(604km)至魚鱔溪(602km)航段之間的右岸一側(cè)，與渝北區(qū)洛磧鎮(zhèn)隔江相望，碼頭緊臨規(guī)劃中的麻柳港區(qū)，上游有重慶主城九龍坡、寸灘、果園和東港等港區(qū)，下游有長壽港區(qū)，地理位置優(yōu)越。擬建加氣站距麻柳嘴鎮(zhèn)約2km，交通十分便利。

工程河段位于長江上游，屬典型的山區(qū)性河流，河床組成主要為砂卵石及基巖。兩岸基巖裸露，分布有較多零星的石盤、石梁及磧壩等，控制著該河段河勢。工程河段低水位時河面寬660m左右，高水期河面寬達900m左右。從平面形態(tài)上看，左岸下洛磧長且寬深入江心；右岸有確石、金錢罐、五金堆等石梁、石盤縱臥江心，下洛磧?yōu)榇ń臏\灘。工程河段又位于三峽水庫的變動回水區(qū)內(nèi)，在三峽水庫蓄水以后，非汛期工程河段為水深流緩的庫區(qū)河道，汛期水流急，確石至下迎春石一帶流態(tài)較壞，主流全年循河心下。

擬定新建1個泊位，泊位前沿設置一個可供3000t（兼顧5000t）級貨船?？考託獾膶Ｓ密O船，岸上布置LNG儲罐14個，儲量液態(tài)LNG2000m3。

根據(jù)調(diào)查，3000～5000t船舶加注LNG約需1h，則每天能加注12艘貨船。每艘加氣量18m3（液態(tài)），每天LNG加氣量為216m3，按330d考慮，一個充裝泊位每年加氣規(guī)模為7.12萬m3，折合液態(tài)為3.2萬t/年。

圖1 工程河段河勢圖

3 總平面布置方案

3.1 設計水位

根據(jù) 《長江三峽工程建設期壩前及庫區(qū)重要城鎮(zhèn)分期水位報告》及長江科學院的《三峽水庫變動回水區(qū)最低通航水位計算分析》的成果，擬建碼頭設計高水位為181.70m（黃海，二十年一遇）。設計最低通航水位取95%保證率水位151.15m，水位差達30.55m。

3.2 設計船舶尺度

該工程綜合考慮麻柳作業(yè)區(qū)的功能定位和貨物流向、長江航道等級、正在營運的干散貨船現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢，確定設計代表船型為裝有液化天然氣/柴油船舶雙燃料發(fā)動機電控系統(tǒng)的3000t（兼顧5000t）級貨船。船型尺度依據(jù)《川江及三峽庫區(qū)運輸船舶標準船型主尺度系列》確定如表1。

表1 設計船型尺度表

3.3 總平面布置與結(jié)構方案

國內(nèi)外LNG碼頭均建在沿海港口，因水位變幅小，港池水深富足，多采用直立式結(jié)構[2-3]。該工程如采用直立式結(jié)構，高水位時碼頭前沿距岸邊約200m，處于高水期船舶航道范圍內(nèi)，影響過往船舶安全，且對行洪影響較大，故不宜采用直立式結(jié)構。根據(jù)總平面布置的原則，結(jié)合港區(qū)地形、地質(zhì)條件、碼頭運量、水域條件及風向等因素，該工程采用架空斜坡道碼頭，碼頭后方陸域布置作業(yè)區(qū)及生產(chǎn)輔助區(qū)（圖2）。

（1）港區(qū)水域條件

三峽正常蓄水至175m時，該河段水流平緩，水域?qū)掗煟ê綏l件好。三峽降低水位至145m運行時，該河段為天然狀態(tài)，因主槽位于河道左岸，碼頭前沿流速一般在2m左右。根據(jù)水文資料分析，3-5月低于156m的時間一般約20d。碼頭邊灘高程一般為152m，水深為3～4m，不能滿足5000t級船舶及今后大型化船舶進港加氣要求。同時碼頭位于張金灘邊灘，上游有泥鰍石、迎春石等石梁橫臥江中，下游有五金堆礁石及中檔壩大邊灘。為滿足碼頭常年運行加氣要求，需對擬建泊位港池進行炸礁清障以滿足船舶的回旋和進出。

（2）對通航行洪的影響

擬建碼頭僅斜坡道和樁墩占據(jù)一定的過水面積。二維水流數(shù)學模型計算表明，水位壅高區(qū)域主要在碼頭斜坡道樁墩和陸域平臺的上、下游附近，最大壅高為5.0cm，其影響范圍有限，對工程河段的防洪影響較小。碼頭修建后，工程河段流速分布、主流線位置都沒有發(fā)生明顯變化，流場變化主要集中在碼頭斜坡道附近、擋墻前沿局部較小的范圍內(nèi)，對碼頭作業(yè)水流條件基本沒有影響。碼頭的修建不會對該河段的防洪和河勢條件產(chǎn)生明顯的不利影響，港池和航道沖淤變化不明顯。

河演分析表明，擬建工程河段多年來河道洲槽形態(tài)變化不大，自然岸線固定，深泓平面擺動較小，河勢穩(wěn)定。三峽建成正常蓄水運用后，工程所在水域無明顯累積性泥沙淤積。

（3）結(jié)構方案（圖2、圖3）

圖2 總平面布置圖（方案一）

圖3 縱剖面布置圖

方案一：架空斜坡道管道運輸方案

采用架空斜坡道結(jié)構，斜坡道軸線與陸域坡頂線垂直，斜坡道前沿高程153.77m，后方頂端高程180.88m，坡度1:5.5，水平投影長150m，架空斜坡道寬5.24m，由10跨，跨度為15m的墩臺及樁柱組成；其中第1跨采用實體墩臺結(jié)構；后9跨為樁柱結(jié)構，每跨樁由2根直徑1.2m鉆孔灌注樁組成，樁上現(xiàn)澆蓋梁。碼頭前沿設計底標高為147.80m，需要開挖少量港池。為克服長江水位變化大對加氣的影響，在躉船上設置33m×3m的鋼引橋。在斜坡道上布置了3根LNG真空不銹鋼無縫鋼管，一根消防水管DN150，一根電力電纜及一根控制光纜。

斜坡道后方為碼頭陸域平臺，平臺長240.0m，寬90m，高程184.0m，陸域平臺前沿擋墻為直立結(jié)構，擋墻置于基巖或塊石基床上。邊坡采用預制混凝土六角塊護坡。碼頭陸域主要布置

生產(chǎn)區(qū)和生產(chǎn)輔助區(qū)。生產(chǎn)區(qū)包括LNG儲罐區(qū)、LNG工藝區(qū)、CNG裝卸區(qū)、放散管、地中衡、門衛(wèi)。生產(chǎn)輔助區(qū)：包括生產(chǎn)輔助用房、消防水池、室外箱式變電站。

方案二：架空斜坡道纜車方案

碼頭采用架空斜坡道結(jié)構，斜坡道軸線與陸域坡頂線垂直，斜坡道前沿高程151.0m，后方頂端高程182.90m，坡度1: 5.8，水平投影長185m，架空斜坡道寬5.24m，由11跨跨度為15m的架空結(jié)構及20m的實體斜坡道組成，架空結(jié)構每跨樁由2根直徑120cm鉆孔灌注樁組成，樁上現(xiàn)澆蓋梁。碼頭前沿設計底標高為147.80m，需要開挖少量港池。

碼頭的陸域布置與方案一基本相同。需增加裝卸槽車場地以及在斜坡道上游側(cè)布置一卷揚機絞車房。

4 裝卸工藝

工程河段受三峽回水影響，處于變動回水區(qū)內(nèi)，汛期水位日變幅大，汛期日變幅達7m。LNG為超低溫液態(tài)易揮發(fā)。因此，裝卸工藝必須能適應水位變化，盡量避免躉船頻繁移位，以減少BOG泄漏量。提出兩個裝卸工藝方案。

方案一采用沿架空斜坡道鋪設LNG管道，通過鋼引橋接至躉船加氣機，通過加氣機及裝卸設施給貨船加氣。工程流程為：LNG儲罐?架空斜坡道管道?躉船加氣機?貨船。

架空斜坡道上的工藝管路按每15m設置分段截止閥，截止閥前設支管，支管設分截止閥；在主管截止閥后設氮氣充入閥。架空斜坡道纜車上設置LNG、BOG工藝管道，兩端為真空軟管與主管和支管相連。當河道水位變化需移動躉船時，先關閉上一級主管截止閥，氮氣通過其后充氣閥注入，將液態(tài)LNG通過軟管頂入船上LNG杜瓦瓶內(nèi)，LNG排完后，拆除LNG管道，移動斜架車和躉船，然后將軟管接入上一級支管。LNG充入杜瓦瓶后，通過BOG管段輸送到岸上處理。

方案二采用槽車儲裝LNG，通過纜車將槽車拖放至躉船處，將槽車LNG卸至躉船上儲氣罐，再由儲氣罐通過加氣機及加氣設備給貨船加氣。工藝流程為：LNG槽車?纜車?沿架空斜坡道下行?躉船儲罐?加氣機?貨船。

推薦方案工藝見圖4，兩方案綜合比選見表2。

表2 方案綜合比選表

經(jīng)綜合比較，考慮水位適應性，結(jié)合工藝、水工結(jié)構分析，推薦采用方案一。

5 結(jié)論

節(jié)能減排戰(zhàn)略和能源多元化戰(zhàn)略的實施，液化天然氣這種清潔能源作為未來石油的燃料的代替能源，必然在船舶上廣泛使用，但目前在三峽庫區(qū)內(nèi)還沒有一家船舶加氣碼頭。

關于LNG加注碼頭設計尚無規(guī)范可供參考，本文介紹了我國內(nèi)河第一座LNG加氣碼頭的建設方案。該碼頭具有寬邊灘、大落差、水位日變幅大等特點，且要滿足LNG安全輸送、泄漏損失少、裝卸效率高、不礙航行洪等要求，設計難度大。設計采用架空斜坡道及躉船鋼引橋結(jié)構，成功解決了長江上游山區(qū)河流LNG船舶加氣的難題，可供其它設計建設單位借鑒。

圖4 裝卸工藝圖

[1]繆吉倫，王召兵，齊艷萍，等.重慶港主城港區(qū)麻柳作業(yè)區(qū)液化天然氣加氣碼頭工程可行性研究[R].重慶西科水運工程咨詢中心，2013.

[2]繆吉倫，張緒進，王召兵.山區(qū)河流重大件碼頭裝卸工藝設計研究 [J].水運工程，2009：80-84.

[3]韓理安.港口水工建筑物[M].北京：人民交通出版社，2011：185-190.

責任編輯：孫蘇

Study on Plane Layout and Handling Technology of LNG-adding Wharf in Neihe

The plane layout and handling technology of the first LNG-adding wharf in Neihe is introduced.For lack of good coastline resource,the wharf is located at the right bank of Luoqi with a wide bank of over 200 meters.The wharf is within the backwater fluctuation area of the Three Gorges reservoir,the daily amplitude of water level is up to 7 meters and the navigation difference is nearly 30 meters,so daily amplitude and water level difference are huge.LNG is volatile and explosive,so it cannot be transported through flexible pipe.After comparison,overhead ramp structure is applied and wharf boat and steel approach bridge are used for connection,thus,the complex problems of handling safety and water level adaptation are resolved.

LNG;wharf;plane layout;handling technology

X505

C

：1671-9107（2013）12-0044-03

2013-10-24

繆吉倫（1971-），男，四川閬中人，博士，高級工程師，主要從事水運工程結(jié)構設計研究。

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.12.044