巴基斯坦卡西姆LNG碼頭總平面設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

朱利翔，邸戰(zhàn)震，谷文強(qiáng)

（1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州510230；2.河鋼集團(tuán)國(guó)際物流有限公司，河北石家莊050000）

巴基斯坦卡西姆LNG碼頭總平面設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

朱利翔1，邸戰(zhàn)震2，谷文強(qiáng)1

（1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州510230；2.河鋼集團(tuán)國(guó)際物流有限公司，河北石家莊050000）

詳細(xì)分析巴基斯坦卡西姆LNG碼頭工程的總平面設(shè)計(jì)要點(diǎn)。確定FSRU碼頭設(shè)計(jì)船型的選擇方法。針對(duì)FSRU碼頭的特殊性，給出了區(qū)別于常規(guī)LNG碼頭選址的特殊要求；針對(duì)FSRU碼頭常見(jiàn)的各種系泊模式進(jìn)行比選，最終確定了LNG-FSRU雙船并靠系泊模式為最優(yōu)方案；綜合安全要求和經(jīng)濟(jì)合理等因素確定碼頭布置位置；針對(duì)FSRU特殊的系泊、靠泊和裝卸作業(yè)要求，給出了FSRU碼頭的詳細(xì)平面布置方法；使用國(guó)際通用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行高程設(shè)計(jì)；通過(guò)系泊試驗(yàn)分析航道中通航船舶產(chǎn)生的船行波對(duì)系泊船舶的影響，確定本項(xiàng)目碼頭的港池寬度。通過(guò)對(duì)各設(shè)計(jì)要點(diǎn)的分析，總結(jié)出海外工程中FSRU碼頭總平面的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

FSRU；LNG-FSRU雙船并靠系泊模式；碼頭布置；高程設(shè)計(jì)；船行波

0 引言

巴基斯坦卡西姆LNG碼頭是中國(guó)企業(yè)在海外設(shè)計(jì)和承建的第一個(gè)FSRU碼頭，也是巴基斯坦第一個(gè)LNG碼頭項(xiàng)目，采用FSRU，即浮式儲(chǔ)存再氣化裝置，這種離岸式浮式終端接收站，遠(yuǎn)離工業(yè)區(qū)、人口密集區(qū)，不需要建岸上罐區(qū)、建設(shè)周期短，且為移動(dòng)式接收站方便撤離，能夠在短時(shí)間內(nèi)以低成本完成接收站建設(shè)并投入使用。本項(xiàng)目中總平面的各設(shè)計(jì)要素均采用國(guó)際化的精細(xì)化設(shè)計(jì)方法，可供海外工程中類(lèi)似項(xiàng)目總平面設(shè)計(jì)作為參考。

1 設(shè)計(jì)船型的選擇

1.1 FSRU設(shè)計(jì)船型

海上浮式LNG有多種方式，F(xiàn)SRU屬于其中之一。目前，全球已經(jīng)建成了數(shù)個(gè)FSRU項(xiàng)目，開(kāi)始商業(yè)運(yùn)營(yíng)。至今為止，世界上已經(jīng)投入使用的FSRU的艙容主要是125 000~173 400 m3。

根據(jù)調(diào)查，更大艙容量的FSRU正在建造或改造中，即將投入使用，屆時(shí)將會(huì)出現(xiàn)艙容量為21.6萬(wàn)m3或27萬(wàn)m3的FSRU進(jìn)入市場(chǎng)，但是根據(jù)已有訂單統(tǒng)計(jì)，主力FSRU船型仍然是125 000~ 173 400 m3FSRU。因此巴基斯坦卡西姆LNG碼頭，采用的FSRU設(shè)計(jì)船型為125 000~173 400 m3FSRU。

1.2 LNG運(yùn)輸船設(shè)計(jì)船型

小型的LNG船舶主要用于近海和內(nèi)河的運(yùn)輸，而為FSRU船舶輸運(yùn)LNG的LNG船舶，一般都是艙容量集中在12.5萬(wàn)~26.7萬(wàn)m3之間，巴基斯坦卡西姆LNG碼頭采用的LNG運(yùn)輸船艙容量為125 000~267 000 m3。

2 FSRU碼頭選址的特殊要求

常規(guī)LNG碼頭的選址原則同樣適用于FSRU碼頭，但是FSRU碼頭因?yàn)樘厥獾南悼坎匆髮?duì)選址還有額外的特殊要求。為了保持供氣的穩(wěn)定性，一般FSRU船舶需要長(zhǎng)期系泊在碼頭上，只有在維修情況下（3~5 a 1次）和遭遇不可抗力氣候條件（臺(tái)風(fēng)、地震等）才允許離開(kāi)，理論上需要碼頭的年不可作業(yè)天數(shù)為零，因此碼頭需要布置在自然條件非常良好的港灣，必要的情況下需要建設(shè)防波堤提供良好的掩護(hù)條件。巴基斯坦卡西姆LNG碼頭布置在具有天然掩護(hù)的港灣內(nèi)，碼頭距離出海口40多km，具有良好的泊穩(wěn)條件。同時(shí)FSRU船舶如果采用開(kāi)式氣化裝置，則碼頭應(yīng)選擇在熱交換水允許排放的地區(qū)。

3 FSRU碼頭泊位布置方案比選

FSRU碼頭的泊位布置方案，通常有背靠背布置模式、串聯(lián)布置模式、雙船并靠模式3種，如圖1~圖3所示。

圖1 FSRU碼頭泊位背靠背布置模式Fig.1Back to back arrangement of FSRU terminal

圖2 FSRU碼頭泊位串聯(lián)布置模式Fig.2Tandem arrangement of FSRU terminal

圖3 FSRU碼頭泊位雙船并靠布置模式Fig.3Double bank arrangement of FSRU terminal

由圖1~圖3可以看出，背靠背布置模式和串聯(lián)布置模式相對(duì)于雙船并靠布置模式碼頭結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)備造價(jià)均有較大增加，F(xiàn)SRU碼頭雙船并靠布置模式更佳，因此巴基斯坦卡西姆LNG碼頭即采用了雙船并靠模式。

4 碼頭布置位置的確定

根據(jù)業(yè)主要求，卡西姆LNG碼頭需要與現(xiàn)有EVTL化工品碼頭（遠(yuǎn)期考慮?？縇NG船）共用棧橋，因此碼頭需要布置在EVTL碼頭的西北側(cè)，碼頭走向與現(xiàn)有卡西姆主航道平行。本項(xiàng)目碼頭定位的影響因素包括本項(xiàng)目系泊船舶與EVTL碼頭系泊船舶之間的安全凈距、系泊船舶和附近通航船舶的安全距離、LNG碼頭裝卸安全區(qū)域范圍、港池疏浚和棧橋建設(shè)成本等。

4.1 各國(guó)規(guī)范中的安全距離要求

1）根據(jù)國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)（PIANC）規(guī)范《Safety Aspects Affecting the Berthing Operations of Tankers to Oil and Gas Terminals》[1]，LNG碼頭裝卸點(diǎn)周?chē)?00 m范圍為安全區(qū)域，在LNG碼頭進(jìn)行裝卸作業(yè)時(shí)其他船舶不能進(jìn)入該安全區(qū)域；通航船舶與系泊船舶的最小距離為50 m。

2）根據(jù)《Port Designer’s Handbook》[2]，對(duì)于液化天然氣碼頭，LNG船之間的間距推薦取250~ 300 m。

3）根據(jù)中國(guó)規(guī)范JTS 165-5—2016《液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]，當(dāng)液化天然氣泊位與油品或液體化學(xué)品泊位相鄰布置時(shí)，其船舶間凈距不應(yīng)小于0.3倍最大設(shè)計(jì)船長(zhǎng)，且不小于60 m。

4.2 系泊船舶與現(xiàn)有航道邊界的凈距

在系泊試驗(yàn)中分析航道中通航船舶產(chǎn)生的船行波對(duì)系泊船舶的影響，可以得出系泊船舶與現(xiàn)有航道邊界的安全凈距要求，進(jìn)而確定了碼頭前沿線位置。

由于東側(cè)航道邊的現(xiàn)有EVTL化工品碼頭使用情況良好，因此初步考慮將FSRU外側(cè)的護(hù)舷前沿線與EVTL的碼頭前沿線保持一致，LNG運(yùn)輸船系泊在FSRU船外側(cè)。卡西姆LNG碼頭港池寬度計(jì)算方法為：港池寬度=碼頭護(hù)舷厚度（含面板厚度）+FSRU船舶寬度+兩船之間的護(hù)舷寬度+LNG運(yùn)輸船寬度+LNG運(yùn)輸船與現(xiàn)有航道邊線的凈距=2.8+46.4+4.3+50+60=163.5m。

本項(xiàng)目通過(guò)DIODORE軟件進(jìn)行纜繩受力數(shù)值模擬，數(shù)值模擬分為FSRU單獨(dú)系泊、FSRU和LNG不同船型并列?？抗r，并分析不同風(fēng)向?qū)Ω骼|繩的拉力，包括系到靠船墩上的纜繩和LNG船系到FSRU船身纜繩的拉力，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果如表1和表2所示。

表1 LNG船系泊狀態(tài)（不進(jìn)行裝卸作業(yè)）下通航船舶航速限制Table 1Limit of ship navigating speed under LNG carrier mooring condition(no loading and unloading operations)

表2 LNG船裝卸作業(yè)時(shí)通航船舶航速限制Table 2Limit of ship navigating speed under LNG carrier loading and unloading operations

巴基斯坦卡西姆港要求船舶航速不能超過(guò)6~ 7 kn。因此根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)航道中有較大船舶通航時(shí)，可以得出以下結(jié)果：

1）FSRU可安全系泊并進(jìn)行安全裝卸作業(yè)。

2）艙容量小于21.7萬(wàn)m3的LNG船可安全系泊在FSRU上，但需停止裝卸作業(yè)直到通航船舶離開(kāi)。

3）當(dāng)26.6萬(wàn)m3LNG船系泊在FSRU上，需要停止作業(yè)，并且航道中的大型通航船舶應(yīng)在拖輪協(xié)助下低速通過(guò)LNG碼頭區(qū)域。由于26.6萬(wàn)m3LNG船來(lái)船頻率非常低，因此基本不影響LNG碼頭和現(xiàn)有航道的正常作業(yè)。

4.3 碼頭定位

結(jié)合各國(guó)規(guī)范的規(guī)定、相關(guān)科研試驗(yàn)結(jié)果和定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等，各方溝通協(xié)調(diào)后，確定了碼頭位置布置如下：

1）LNG碼頭布置在現(xiàn)有EVTL化工品碼頭西側(cè)，碼頭走向與現(xiàn)有卡西姆主航道平行，便于LNG船舶靠離泊操作；

2）FSRU外側(cè)的護(hù)舷前沿線與EVTL的碼頭前沿線保持一致；

3）采用雙船并靠模式，最外側(cè)的LNG運(yùn)輸船與航道邊線的最小距離為60 m，F(xiàn)SRU船舶與航道邊線的最小距離為110 m；

4）LNG碼頭的最大設(shè)計(jì)船型在泊位?？繒r(shí)，與EVTL化工品碼頭遠(yuǎn)期最大設(shè)計(jì)船型的最小凈距為200 m。

5 碼頭的詳細(xì)布置方法

5.1 工作平臺(tái)

在卡西姆LNG碼頭工程中，工作平臺(tái)布置如圖4所示，將氣態(tài)天然氣裝卸臂布置在平臺(tái)左側(cè)，并預(yù)留1臺(tái)備用氣態(tài)裝卸臂位置，在平臺(tái)右側(cè)預(yù)留2臺(tái)液態(tài)天然氣裝卸臂位置（考慮遠(yuǎn)期改造成常規(guī)LNG碼頭）。根據(jù)平臺(tái)的工藝布置要求，工作平臺(tái)的尺度最終確定為40 m×18 m。

圖4 FSRU碼頭工作平臺(tái)布置圖Fig.4Working platform layout of FSRU terminal

FSRU船舶中心區(qū)域仍作為L(zhǎng)NG的管匯區(qū)域，作為L(zhǎng)NG運(yùn)輸船輸送LNG的接口，因此FSRU船上氣化后的天然氣輸送管道接口一般布置在偏離中心的位置，具體位置根據(jù)FSRU上設(shè)備總體布置確定，根據(jù)美國(guó)EXCELERATE公司提供的資料，一般布置在偏向船頭方向，距離船舶中心大約30 m位置。FSRU碼頭工作平臺(tái)的布置位置，應(yīng)保證平臺(tái)上的氣態(tài)天然氣裝卸臂與FSRU船上的氣態(tài)天然氣管道接口相接，所以FSRU碼頭工作平臺(tái)的位置比常規(guī)的LNG碼頭更靠近船頭。

5.2 靠船墩

本項(xiàng)目靠泊船型的船長(zhǎng)差別較小，因此采用2個(gè)靠船墩。FSRU船全年?？吭诖a頭上，根據(jù)業(yè)主和咨工要求，本工程LNG泊位需要保證在任何一個(gè)橡膠護(hù)舷維修或報(bào)廢的情況下，碼頭均能正常運(yùn)營(yíng)，即LNG船能正?？坎辞褾SRU船能正常作業(yè)，因此每個(gè)靠船墩上布置2個(gè)SCK2500H E1.4護(hù)舷，并且應(yīng)保證在最低天文潮LAT到最高天文潮HAT之間任意水位和船舶空載到滿(mǎn)載任意配載狀態(tài)，護(hù)舷的布置位置都在船舶平直段范圍內(nèi)，以此可以確定靠船墩的平面位置，此方法也是確定護(hù)舷豎向位置和靠船墩高程的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之一。而靠船墩的間距也應(yīng)滿(mǎn)足OCIMF規(guī)范《Mooring Equipment Guideline》[5]的要求，即護(hù)舷間距應(yīng)為0.25~0.4倍設(shè)計(jì)船長(zhǎng)。最終2個(gè)靠船墩的間距確定為93 m，根據(jù)樁基布置設(shè)計(jì)，每個(gè)靠船墩尺度為16 m×18 m。

每個(gè)靠船墩上布置2套3鉤快速脫纜鉤用作倒纜系泊，根據(jù)系泊數(shù)模試驗(yàn)，為增加倒纜的長(zhǎng)度，快速脫纜鉤布置在偏向工作平臺(tái)的位置。

5.3 系纜墩

5.3.1 初步系泊布置方法

OCIMF規(guī)范《Mooring Equipment Guidelines》[4]中給出了蝶式碼頭系泊布置的建議，在項(xiàng)目初期可以按照該建議進(jìn)行初步的系泊布置，在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段根據(jù)具體的系泊試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證和優(yōu)化系泊布置方案。

5.3.2 系泊數(shù)值模型試驗(yàn)分析

本項(xiàng)目通過(guò)DIODORE軟件進(jìn)行系泊數(shù)值模型試驗(yàn)分析，確定最優(yōu)的碼頭平面布置形式，應(yīng)滿(mǎn)足環(huán)境作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)下的各種限制要求，并滿(mǎn)足受力均勻、節(jié)省造價(jià)等要求。

1）纜繩受力限制要求

OCIMF規(guī)范《Mooring Equipment Guidelines》[4]對(duì)于系纜力規(guī)定如下：

①對(duì)于鋼纜，系纜力不應(yīng)超過(guò)纜繩破斷力的55%；

②對(duì)于尼龍纜外的合成纖維纜，系纜力不應(yīng)超過(guò)纜繩破斷力的50%；

③對(duì)于尼龍纜，系纜力不應(yīng)超過(guò)纜繩破斷力的45%。

以上限制僅是表明纜繩的安全工作荷載，超過(guò)限值并不表示會(huì)斷纜，但是會(huì)造成纜繩永久性的變形，使纜繩性能大大降低。

2）系泊船舶運(yùn)動(dòng)量限制標(biāo)準(zhǔn)

本項(xiàng)目采用PIANC規(guī)范《Criteria for Movements of Moored Ships in Harbours》[5]給出的LNG船舶裝卸作業(yè)時(shí)允許的運(yùn)動(dòng)量標(biāo)準(zhǔn)，如表3所示。

表3 LNG船裝卸作業(yè)時(shí)運(yùn)動(dòng)量限制標(biāo)準(zhǔn)Table 3Criteria of ship movement under LNG carrierloading and unloading operations

3）護(hù)舷限制標(biāo)準(zhǔn)

護(hù)舷的變形（或受力）不應(yīng)超過(guò)選定護(hù)舷的額定限值，本項(xiàng)目選用SCK2500護(hù)舷的變形限值為52.5%。

最終確定的系纜墩布置位置如圖3所示。由于本項(xiàng)目靠泊船型的船長(zhǎng)差別較小，因此布置4個(gè)系纜墩即可滿(mǎn)足系泊要求。其中內(nèi)側(cè)2個(gè)系纜墩分別布置1套4鉤快速脫纜鉤用于FSRU的橫纜系泊，系纜墩尺度為9 m×9 m；外側(cè)2個(gè)系纜墩分別各布置2套3鉤快速脫纜鉤，用于FSRU的艏艉纜系泊和LNG運(yùn)輸船的艏艉纜系泊，外側(cè)系纜墩的尺度設(shè)計(jì)為12 m×12 m。

6 高程設(shè)計(jì)

6.1 碼頭頂標(biāo)高設(shè)計(jì)

卡西姆LNG碼頭采用樁基結(jié)構(gòu)，根據(jù)本項(xiàng)目工程咨詢(xún)公司TECHNICA公司要求，工作平臺(tái)采用氣隙方法（"Air Gap"Approach）確定頂高程，即將樁基碼頭上部結(jié)構(gòu)布置在水面以上（包含極端情況下的波浪和風(fēng)暴等因素），僅允許樁承受波浪力，計(jì)算公式如下：碼頭頂高程=HAT+風(fēng)暴增水+波峰面高度+

Air Gap+平臺(tái)厚度=8.3 m

其中設(shè)計(jì)波浪的波峰面高度可以通過(guò)設(shè)計(jì)風(fēng)暴時(shí)期的最大波高Hmax及設(shè)計(jì)水位確定。根據(jù)德國(guó)港口工程協(xié)會(huì)規(guī)范EAU2012《Recommendations of the Committee for Waterfront Structures Harbours and Waterways》[6]，依據(jù)Rienecker/Fenton（1981）的傅里葉波浪理論，波浪波峰面高度可以按照Muttray（2000）公式來(lái)進(jìn)行估算：

式中：Hcr為水面以上波峰的高度，m；hDWL為設(shè)計(jì)水位，m；Hmax為最大波高，m；Π為非線性參數(shù)；L為波長(zhǎng)，m；d為水深，m。

系纜墩考慮上部結(jié)構(gòu)可以承受部分波浪力，因此頂高程設(shè)計(jì)為6.6 m。而靠船墩的高程設(shè)計(jì)還需要保證在LAT到HAT之間任意水位和船舶空載到滿(mǎn)載任意配載狀態(tài)，護(hù)舷的布置位置都在FSRU船平直段范圍內(nèi)，通過(guò)分析，靠船墩頂高程確定為8.3 m。

6.2 碼頭前沿底標(biāo)高設(shè)計(jì)

根據(jù)英標(biāo)6349-2:2010《Maritime works-Part 2: Code of Practice for the Design of Quay Walls，Jetties and Dolphins》[7]碼頭前沿設(shè)計(jì)底高程，需要考慮設(shè)計(jì)水位、設(shè)計(jì)船型最大吃水（包括鹽度和側(cè)傾對(duì)吃水的影響）、風(fēng)浪流導(dǎo)致的船舶豎向運(yùn)動(dòng)、龍骨下富裕深度、測(cè)量誤差和備淤深度等因素。本項(xiàng)目的碼頭前沿底標(biāo)高計(jì)算如表4所示，碼頭前沿設(shè)計(jì)底標(biāo)高取為-14.5 m（海圖基準(zhǔn)面）。

表4 碼頭前沿設(shè)計(jì)底標(biāo)高計(jì)算表Table 4Calculation of designed bottom level of wharf apron

7 結(jié)語(yǔ)

卡西姆LNG碼頭臨近已有的危險(xiǎn)品碼頭（EVTL化工品碼頭，遠(yuǎn)期停靠LNG船）和卡西姆主航道，并且采用屬于永久性系泊的FSRU碼頭類(lèi)型和雙船并靠系泊模式，因此在總平面設(shè)計(jì)中需要考慮安全、船行波影響、風(fēng)浪流環(huán)境條件等諸多因素，通過(guò)參考國(guó)際通用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求、進(jìn)行系泊數(shù)模試驗(yàn)分析、定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等措施對(duì)總平面進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，總結(jié)出海外工程中FSRU碼頭總平面的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，對(duì)其他類(lèi)似工程項(xiàng)目具有非常重要的參考價(jià)值。本項(xiàng)目已正式運(yùn)營(yíng)超過(guò)1 a，使用情況良好，成為中國(guó)企業(yè)在海外工程建設(shè)中的品牌工程。

[1]PIANC（International NavigationAssociation）.Safetyaspects affecting the berthing operations of tankers to oil and gas terminals [S].2012.

[2]THORESENCarlA.Portdesigner'shandbook[K].3rded.London:ICE Publishing,2014.

[3]JTS 165-5—2016，液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. JTS 165-5—2016,Code for design of liquefied natural gas port and jetty[S].

[4]OCIMF(Oil Companies International Marine Forum).Mooring equipment guidelines[S].3rd ed.London:Witherbys,2008.

[5]PIANC(International Navigation Association):Report of working group 24,criteria for movements of moored ships in harbours[S]. 1995.

[6]EAU.Recommendations of the committee for waterfront structures, harbours and waterways[S].11th German edition.2012.

[7]British Standards Institution BS 6349:2010.Maritime works-part 2,code of practice for the design of quaywalls,jetties and dolphins [S].2010.

The key design issues of general layout of LNG terminal at Qasim,Pakistan

ZHU Li-xiang1,DI Zhan-zhen2,GU Wen-qiang1
（1.CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China; 2.HBIS International Logistics Co.,Ltd.,Shijiazhuang,Hebei 050000,China）

The key issues of general layout of LNG terminal at Qasim,Pakistan are detailed analyzed.The design vessels of FSRU terminal are determined.Special requirements of site selection of FSRU are introduced due to the specialty of FSRU,in contrast to normal LNG terminal.The LNG-FSRU double bank mooring is taken as optimum option by the comparison of several mooring arrangement models.The wharf layout location is determined in consideration of the safe and economy.Detailed terminal layout is determined considering of the special mooring,berthing,loading and unloading requirements.Elevation is designed using the international standards and codes.The width of the basin is determined by analyzing the effect of ship waves on the moored vessels.The systematic design method is summarized by the analysis of key issues of general layout of FSRU terminal.

floating storage regasification unit;LNG-FSRU double bank mooring;terminal layout;elevation design;ship waves

U656.1

A

2095-7874（2017）05-0036-05

10.7640/zggwjs201705009

2017-03-10

2017-04-12

朱利翔（1964—），男，福建壽寧人，碩士，高級(jí)工程師，董事長(zhǎng)，港口與航道工程專(zhuān)業(yè)。E-mail:zhulx@fhdigz.com