天津港LNG碼頭工程平面布置對通航條件影響研究

孔憲衛(wèi)，李華國，李曉松，王貫明

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456；2.中國遠洋散貨運輸有限公司，天津 300010）

天津港LNG碼頭工程平面布置對通航條件影響研究

孔憲衛(wèi)1，李華國1，李曉松1，王貫明2

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456；2.中國遠洋散貨運輸有限公司，天津 300010）

用船舶操縱模擬器結合水流數(shù)學模型對天津港LNG碼頭工程的平面設計方案進行了研究，結果表明設計方案下代表船舶在設定條件下模擬過程中出現(xiàn)了擱淺事故，設計方案的通航條件不滿足設計要求。優(yōu)化方案增加了港池水域的面積，增大了船舶的活動范圍，代表船舶在各設計條件下均能夠順利進出碼頭。

船舶操縱模擬器；平面布置優(yōu)化；天津港LNG碼頭

Biography：KONG Xian?wei（1981-），male，assistant professor.

天津港LNG（液化天然氣）接收終端項目位于天津港南疆港區(qū)南側岸線東部，距離大沽口港區(qū)口門僅有3 km，船舶利用大沽沙航道進出港。工程新建LNG泊位兩個，泊位長度均為400 m，旋回圈直徑為865 m，為最大設計船型長度的2.5倍［1］。

港口碼頭建設時，進出港安全一直是人們關注的最重要的問題，尤其是對危險性極高的LNG碼頭。天津港為人工開挖的港口，港口水域寬度受限，工程水域總平面形式如何布置，對航行安全的影響很大，必須進行深入研究。本文通過水流數(shù)學模型結合大型船舶操縱模擬器的手段對該項目的水域平面布置形式進行論證，提出了通航條件更優(yōu)的平面布置方案，并在設計中得到了應用。

1 工程水域通航條件概述

1.1 工程港區(qū)形勢

本工程位于天津港南疆南側岸線東端，工程周圍碼頭位置關系如圖1所示，距離擬建工程最近的南疆南側碼頭是正在施工的圣翰石化儲運碼頭，約7 000 m；距離大沽口港區(qū)最近的碼頭是2、3號糧油碼頭，約6 500 m；距天津港30萬t油碼頭位置約2 300 m；碼頭前沿線距離10萬t級大沽沙航道為600 m，距離漁船航道約500 m。工程布置滿足《液化天然氣碼頭設計規(guī)范》第5.3.3“液化天然氣泊位與液化石油氣泊位以外的其他貨類泊位的船舶凈距不應小于200 m”的要求［1］。

1.2 風

根據(jù)天津塘沽海洋站2009～2011年每日24次風速、風向觀測資料統(tǒng)計：常風向為NNW向，次常風向為W向，出現(xiàn)頻率分別為8.69%、8.55%。強風向為E向，次強風向為ENE向，該向≥7級風出現(xiàn)的頻率分別為0.06%、0.02%，詳見圖2風玫瑰圖。根據(jù)《液化天然氣碼頭設計規(guī)范》，靠離泊過程中允許作業(yè)的最大風速為15 m/s（七級），影響LNG船舶作業(yè)的天數(shù)在10 d之內，風對LNG船舶通航的影響較小。

圖1 工程形勢圖Fig.1 Sketch of the project

1.3 能見度

根據(jù)資料統(tǒng)計：能見度＜1 km的大霧多年平均為16.6個霧日，霧多發(fā)生在秋冬季節(jié)，日出后很快消散。每年12月為全年大霧出現(xiàn)最多月份，最長延時可達24 h以上。根據(jù)《液化天然氣碼頭設計規(guī)范》，靠離泊過程中允許作業(yè)的能見距離為1 000 m，影響LNG船舶作業(yè)的天數(shù)較少。

1.4 冰況

渤海灣常年冰期約為3個月（12月上旬至次年3月初），初冰日在12月下旬，終冰日在2月下旬，總冰期約60 d。嚴重冰期年平均僅為10 d，其中1月中旬至2月中旬冰況最嚴重，正常年份海冰對港口營運影響不大。

特殊年份，海冰對港口營運影響較大，如2010年，受海冰影響，天津港錨地水域多次出現(xiàn)航標移位、大船走錨、主機故障及航行困難等險情、事故。但大沽沙航道及港池水域受冰危害較天津港主航道及錨地水域小，其原因一是天津港的海冰主要來源于漢沽、北塘的淺灘海域，由于天津港防波堤的阻擋，處于南側的大沽口港區(qū)受海冰影響小；二是大沽沙航道軸線與潮流流向夾角較小，海冰對船舶航行影響較小。

本項目碼頭位于天津港南疆港區(qū)東南部。一般年份，海冰對船舶航行和港區(qū)作業(yè)影響較小。極端低溫天氣發(fā)生時，航道港池將可能出現(xiàn)冰封，采取一定的破冰措施可以基本消除對LNG船舶通航的影響。

圖2 風玫瑰圖Fig.2 Wind rose

1.5 潮流

水流模型實驗研究表明，該海域潮流主要具有如下特征：（1）工程所在海區(qū)屬弱流區(qū)，外海潮流運動基本遵循漲潮流速大于落潮流速的規(guī)律；（2）近海潮流基本屬于往復流性質且流向較為集中，漲潮流向W—NW，落潮流向E—SE；（3）工程后，碼頭前沿流速漲潮條件下最大流速為0.405 m/s，落潮條件下最大流速為0.27 m/s；（4）大沽沙航道的走向與潮流向基本一致，碼頭前沿橫流較小。碼頭前沿的最大橫流為0.1 m/s；（5）工程后航道內最大流速為0.7 m/s，出現(xiàn)在口門處，流向與航道基本平行。

根據(jù)《液化天然氣碼頭設計規(guī)范》，航行過程中允許順流流速為2.5 m/s，允許橫流流速為1.5 m/s；靠離泊過程中允許順流流速為1.0 m/s，允許橫流流速為0.5 m/s，因此潮流對LNG船舶的作業(yè)無影響。

1.6 工程水域船舶交通流量

選取大沽口港區(qū)口門門線對該區(qū)域的船舶交通流量進行分析，該門線2009、2010、2011 3 a的船舶交通流量分別為6 015艘、3 992艘、5 012艘，3 a日平均流量為13.7艘。根據(jù)到港船舶統(tǒng)計分析，到港船舶主要是貨船占31.5%，油船占16.6%，非運輸船舶占51.9%。非運輸船舶主要是施工船和漁船，其活動具有如下特點：

（1）船舶吃水較淺，航線多選擇在大沽沙航道外側，進出口門時經(jīng)常橫穿大沽沙航道，和航行于大沽沙航道的船舶構成交叉會遇態(tài)勢。（2）航經(jīng)該水域船舶狀況、技術水平和操縱性能等差異極大，航行中易相互影響而引發(fā)事故，通航環(huán)境復雜。（3）漁船活動帶有很強的季節(jié)性，漁船出海頻繁時段2～5月，9～12月。天津港附近水域休漁期為每年6月1日～9月1日，此時間內基本沒有漁船進出。

LNG船舶進出港靠離泊過程中受施工船和漁船的影響較大，須采取交通安全監(jiān)管、護航等安全保障措施確保安全。

2 碼頭水域平面布置方案

本工程為專業(yè)化LNG泊位，LNG泊位等級按照最大靠泊26.6萬m3的LNG船進行設計，碼頭長度為850 m，設計方案的平面布置形式如圖3所示，碼頭方向（以正北方向為0度）為107°，港池北邊界方向為148°，口門內航道為109°，口門外航道為126°。船舶回旋水域位于碼頭前沿，其直徑為865 m。

根據(jù)設計單位的要求，碼頭水域平面布置方案應滿足以下要求：（1）應滿足船舶安全航行與靠離泊作業(yè)的要求；（2）應有利于維持港區(qū)水深,減少淤積,降低港口維護疏浚量；（3）在滿足國內規(guī)范、規(guī)程的前提下，充分參考國內外LNG碼頭成功經(jīng)驗，以確保碼頭的安全性和適用性。

用水流數(shù)學模型結合船舶操縱模擬器進行通航條件研究及港口水域平面布置形式優(yōu)化被證明是一種有效的方法，已在多個工程中得到了應用［2-7］。

圖3 設計方案平面布置圖Fig.3 Sketch of layout in LNG terminal project in Tianjin

3 代表船型率定及LNG船舶危險性分析

3.1 代表船型率定實驗

船舶操縱性能是指船舶受駕駛者的操縱而保持或改變其運動狀態(tài)的性能，反映了船舶航行過程中的航向穩(wěn)定性以及避免碰撞時的機動性。所建船舶模型的有關操縱性能參數(shù)必須符合1994年中國船級社公布的技術指導性文件《海船操縱性》，同時必須符合IMO1993年通過的現(xiàn)在依然有效的“船舶操縱性臨時標準”的相關要求［8］。

（1）定?；剞D性試驗。IMO規(guī)定的回轉試驗縱距小于4.5 L，由表1可見：代表船型的旋回操縱特性滿足IMO船舶操縱性臨時標準的要求。

（2）初始回轉性能試驗。10°舵角回轉試驗中，首相角改變10°，26.6萬m3LNG的縱距為1.9 L，26.6萬m3LNG的縱距為1.95 L，小于IMO規(guī)定的2.5 L，代表船型的旋回操縱特性滿足IMO船舶操縱性臨時標準的要求。

表1 旋回試驗結果Tab.1 Turning test of the design fleets

（3）偏航校正和航向保持能力試驗。

10°/10°Z形試驗時，26.6萬m3LNG船第一超越角為2.9°，第二超越角為3.2°；滿足IMO船舶操縱性臨時標準的要求。20°/20°Z形試驗時，26.6萬m3LNG船第二超越角為7.3°，滿足IMO船舶操縱性臨時標準的要求。

建立的模擬船舶模型，在對車舵的響應，船舶慣性和回旋性等方面比對模擬船型原型船舶的相關性能，結果基本一致，所建船舶模型的有關性能參數(shù)符合IMO船舶操縱性標準。

3.2 LNG船舶危險性分析

LNG的組成絕大部分是甲烷，天然氣經(jīng)過低溫液化后即得到液化天然氣。液化天然氣的儲存溫度為-162℃。LNG泄露時產生的主要危害是火災爆炸、低溫及中毒窒息。LNG船舶為特種專用船舶，具有高危險性和排他性。絕大部分LNG船采用球形的B型獨立液貨艙，由于球形貨艙有一部分露于甲板之上，船受風阻面積大，影響船體可見度。因此，LNG船和同尺度其他貨船相比具有吃水小、迎風面積大、受風流影響明顯等特點。在低船速時舵效明顯減低，對港口航道條件有一定要求。因此，LNG在營運方式上通常屬于定時、定點、定期航行的班輪，LNG船舶進出港時宜采取護航等安全保障措施。

4 平面布置優(yōu)化研究

4.1 設計方案通航條件研究

為避免邊界處的數(shù)值傳入誤差，模型范圍應足夠大。本次研究中潮流數(shù)學模型采用大、小兩層嵌套形式計算。大尺度模型計算范圍為整個渤海區(qū)域，可為小模型提供潮位邊界條件；小模型范圍為渤海灣海域。水流數(shù)模實驗表明：碼頭前沿流速漲潮條件下最大為0.41 m/s，落潮條件下最大為0.27 m/s，碼頭的最大橫流為0.1 m/s，對船舶進出港的影響較小，工程后流場見圖4所示。

選擇S風，NE風和NW風及漲落急流場的不同組合對LNG船舶的靠離泊進行了模擬。根據(jù)《液化天然氣碼頭設計規(guī)范》，靠離泊過程中允許作業(yè)的最大風速為15 m/s（七級），因此模擬過程中選擇的最大風速為7級。通過以上組合的33組工況進行了模擬實驗，其中靠泊20組，離泊13組，32組成功，1次失敗，模擬過程中出現(xiàn)船舶偏出航道擱淺的事故，失敗的工況條件為西北風及落潮流的組合條件，如圖5所示。

圖4 工程后流場圖Fig.4 Sketch of flow field

圖5 航行失敗軌跡圖Fig.5 Sketch of failure test

設計方案存在的問題是轉向較多，在約1 000 m（不到3倍設計船長）的范圍內需要拐彎兩次，一個彎約40°，一個彎約20°，船舶航跡呈“S”形，船舶操縱困難，容易出現(xiàn)危險局面。

4.2 優(yōu)化方案通航條件研究

根據(jù)設計方案存在的問題，提出了2個優(yōu)化方案，優(yōu)化方案主要對港池的疏浚北邊線進行了優(yōu)化。優(yōu)化方案一平面布置形式見圖5，優(yōu)化方案1是從航道拐彎處至碼頭東邊緣的疏浚水域進行了取直；優(yōu)化方案2平面布置形式見圖6，優(yōu)化方案2是對航道進行了切角，航道與港池連接處呈喇叭口形狀，喇叭口上口寬度為635 m，下口寬度為375 m，喇叭口下口與外航道夾角為8°，優(yōu)化方案主要對港池的疏浚北邊線進行了優(yōu)化，優(yōu)化方案增加了港池水域的面積，增大了船舶的活動范圍。模擬實驗研究表明：代表船舶在各設計條件下均能夠順利碼頭，兩個方案都能滿足通航安全的要求。方案1工程量較大，方案2工程量較小，設計單位最終選取了方案2作為最終的方案。

圖6 優(yōu)化方案1平面布置圖Fig.6 Sketch of optimized layout 1

圖7 優(yōu)化方案2平面布置圖Fig.7 Sketch of optimized layout 2

5 結論

本文用水流數(shù)學模型與船舶操縱模擬器研究了天津港LNG碼頭工程水域平面布置方案，結論如下。

（1）船舶操縱模擬器結合通航水流模型試驗進行通航建筑物平面優(yōu)化研究是一種比較科學的方法。

（2）設計方案存在的問題是轉向較多，在約1 000 m（不到3倍設計船長）的范圍內需要拐彎兩次，一個彎約40°，一個彎約20°，船舶航跡呈“S”形，船舶操縱困難，代表船舶在設定條件下模擬過程中出現(xiàn)了擱淺事故，設計方案下設計方案的通航條件不滿足設計要求。

（3）根據(jù)設計方案存在的問題，提出了兩個優(yōu)化方案，優(yōu)化方案主要對港池的疏浚北邊線進行了優(yōu)化，優(yōu)化方案增加了港池水域的面積，增大了船舶的活動范圍，代表船舶在各設計條件下均能夠順利碼頭，優(yōu)化方案滿足了設計要求。最終設計單位采用了優(yōu)化方案2。

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Application of ship handling simulator in layout of LNG dock in Tianjin

KONG Xian?wei1,LI Hua?guo1,LI Xiao?song1,WANG Guan?ming2
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin300456,China;2.COSCO Bulk Carrier Co.Ltd.,Tianjin300010,China）

Using ship handling simulator and tidal current numerical model,the layout of LNG terminal project in Tianjin was studied.The design ship grounded under the designed conditions in the layout scheme.So the design layout could not satisfy the design requirements.The basin area was enlarged in the optimized layout and ships had enough room to adjust their motion.The design ships can berth and depart safely under all conditions in the opti?mized layout.

navigation simulator;layout optimizing;LNG terminal project in Tianjin

U 661.33

A

1005-8443（2014）03-0234-05

2013-04-12；

2013-05-22

孔憲衛(wèi)（1981-），男，山東省人，助理研究員，主要從事通航安全研究。