國內(nèi)外LNG-FSRU系泊布置的比較研究

吳永強，張玉萍，曹煜

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300222）

0 引言

自2005年美國墨西哥灣第一座FSRU終端投產(chǎn)運營成功以來，至今全球共有30個FSRU運營項目，另有8個在建項目。根據(jù)相關(guān)預(yù)測，未來全球計劃將建造FSRU終端多達(dá)60多項，F(xiàn)SRU終端發(fā)展迅速。LNG-FSRU（LNG-Floating Storage and Regasification Unit）即浮式LNG儲存和再氣化裝置。國內(nèi)外LNG-FSRU系泊布置主要分為3種：旁靠型（side by side）、串靠型（tandem）、兩側(cè)型（back toback）。旁靠型為雙船并靠系泊布置（圖1（a））；兩側(cè)型為泊位分別布置在平臺兩側(cè)的系泊布置（圖1（b））；串靠型為2個泊位順岸布置（圖1（c））。

圖1 船舶系泊布置圖Fig.1 Mooring arrangement of vessels

由于國內(nèi)對水上液體散貨過駁的限制要求，國內(nèi)LNG-FSRU系泊布置主要采用串靠型布置形式，如天津中海油LNG泊位。而兩側(cè)型和串靠型泊位的水工結(jié)構(gòu)造價及碼頭裝卸工藝設(shè)備較旁靠型泊位的造價高（近2倍），國外多采用旁靠型泊位，如巴基斯坦卡西姆LNG碼頭[1]。

因兩側(cè)型中的單個泊位的系泊布置與串靠型單個泊位系纜布置基本相同，現(xiàn)結(jié)合柬埔寨某LNG項目，重點針對旁靠型、串靠型的系泊布置進(jìn)行對比研究。

1 設(shè)計方案

本項目在柬埔寨建設(shè)1個LNG泊位，設(shè)計年接卸能力一期150萬t/a，二期300萬t/a，2種系泊布置形式的碼頭泊位長度均為345 m。

1.1 設(shè)計船型

設(shè)計船型主尺度見表1。

表1 設(shè)計船型主尺度表Table 1 Main dimensions of design vessel

1.2 設(shè)計參數(shù)

1）風(fēng)

當(dāng)?shù)刈畲箫L(fēng)速24 m/s，風(fēng)向為W—NW。根據(jù)JTS 165-5—2016《液化天然氣碼頭設(shè)計規(guī)范》[2]碼頭系泊作業(yè)條件規(guī)定，LNG船系泊期間設(shè)計最大風(fēng)速不應(yīng)超過20 m/s（39 kn），故取20 m/s（39 kn）風(fēng)速作為設(shè)計風(fēng)速。

2）波浪

設(shè)計波浪要素取值見表2。

表2 碼頭設(shè)計波浪要素（2 a一遇）取值表Table 2 Value table of wharf design wave parameters(2 a return period)

3）海流

海流流向為N—S的沿岸流，設(shè)計流速1 kn。

4）護(hù)舷參數(shù)

碼頭處選用兩鼓一板SC2250標(biāo)準(zhǔn)反力型橡膠護(hù)舷，根據(jù)HG/T 2866—2016《橡膠護(hù)舷》[3]查表可知，護(hù)舷設(shè)計最大變形為52.5%，設(shè)計反力為2 502 kN，護(hù)舷性能曲線如圖2所示。

圖2 SC2250護(hù)舷性能曲線Fig.2 Performance curve of SC2250 fender

FSRU船護(hù)舷一般選用充氣護(hù)舷，選取φ3.3 m×6.5 m充氣護(hù)舷，護(hù)舷設(shè)計反力為3 961 kN，設(shè)計吸能量為2 532 kJ，護(hù)舷性能曲線如圖3所示。

圖3 φ3.3 m×6.5 m充氣護(hù)舷性能曲線Fig.3 Performance curve ofφ3.3 m×6.5 m floating fender

5）纜繩參數(shù)

系泊纜繩采用40 mm直徑HMPE纜繩，破斷力為128 t，琵琶結(jié)選用11 m長尼龍纜，直徑92 mm，破斷力為160 t，纜繩初張力按破斷力的15%計算，取19 t。

2 模型建立

2.1 軟件介紹

本工程系泊數(shù)值分析采用OPTIMOOR軟件，由英國Tension Technology International開發(fā)，專門用于船舶系纜系統(tǒng)分析計算，該軟件主要是基于石油公司國際海事論壇OCIMF（Oil Companies International Marine Forum）所推薦的公式和計算方法而開發(fā)。

OPTIMOOR軟件主要功能是計算分析船舶在風(fēng)、浪、流綜合作用下系纜系統(tǒng)（包括船舶纜繩、護(hù)舷和系纜柱）的受力情況，可用于系纜系統(tǒng)的設(shè)計、事故分析及碼頭生產(chǎn)管理方面。OPTIMOOR在國際上擁有非常多的用戶，是一款通用可靠的系泊分析軟件。

2.2 基本原理

軟件基于OCIMF規(guī)范計算各環(huán)境變量（如風(fēng)、浪和流等）產(chǎn)生的作用在船舶上的荷載。OPTIMOOR軟件通過計算尋找滿足系統(tǒng)力和力矩方程的船體位置。力和力矩方程如下所示：

式中：Fx為外力沿x方向的分量，如風(fēng)、流或其他荷載；Px為系纜力的沿x方向的分量（護(hù)舷沿x方向不施加任何作用力）；Fy為外力沿y方向的分量，如風(fēng)、流或其他荷載；Py為系纜力或護(hù)舷撞擊力沿y方向的分量；Mxy為由外力產(chǎn)生的x-y平面上的力矩，如風(fēng)、流或其他荷載；Nxy是由系纜力或護(hù)舷撞擊力產(chǎn)生的x-y平面上力矩。

軟件的輸入條件包括纜繩特性、護(hù)舷特性、系泊布置、泊位形狀、風(fēng)、浪、流等環(huán)境參數(shù)等。當(dāng)輸入條件給定后，程序通過迭代運算尋找一個滿足上述平衡方程的系泊船位置，首先是x（縱向）方向的迭代運算，然后是y（橫向）方向，最后是x-y（旋轉(zhuǎn)）方向。在對3個特定方向的每次迭代運算之后，程序?qū)z查運算結(jié)果是否滿足適用的平衡方程。若滿足方程，程序?qū)⒃谕粋€方向上應(yīng)用相同大小的迭代。如果結(jié)果超過了等式上限，那么程序?qū)⒃谠摲较虻南喾捶较蛏蠎?yīng)用一個較小的迭代。

在每個迭代步驟中，程序?qū)Υw重疊部分處的每根系泊纜繩及每個護(hù)舷的受力進(jìn)行重新計算。各系纜力方向由相應(yīng)的導(dǎo)纜孔和系船柱的相對位置決定。各護(hù)舷撞擊力方向垂直于船體側(cè)面相應(yīng)的護(hù)舷。程序的結(jié)果包括纜繩力、系船柱合力、護(hù)舷反力以及船舶相對于初始位置的運動量。

對于波浪作用，程序采用反應(yīng)振幅算子方法（response amplitude operator）計算波浪產(chǎn)生的一階和二階波浪力，以及相應(yīng)的船舶運動量。

2.3 限制條件

1）纜繩力約束

根據(jù)OCMIF規(guī)范《Mooring equipment guidelines》[4]，對于合成纖維纜，纜繩力不應(yīng)超過纜繩破斷力的50%；對于鋼纜，纜繩力不應(yīng)超過纜繩破斷力的55%。本工程船舶纜繩主纜為HMPE合成纜，因此按纜繩受力不超過破斷力50%作為控制標(biāo)準(zhǔn)。

2）船舶運動量約束

目前國內(nèi)外無系泊條件下允許運動量標(biāo)準(zhǔn)值，現(xiàn)采用《液化天然氣碼頭設(shè)計規(guī)范》裝卸作業(yè)允許運動量標(biāo)準(zhǔn)值，作為LNG-FSRU系泊狀態(tài)下運動量的標(biāo)準(zhǔn)值，縱移、橫移取2 m，橫搖、縱傾、回轉(zhuǎn)均取2°。

3）快速脫纜鉤與護(hù)舷限制條件

纜繩作用在快速脫纜鉤上的合力不應(yīng)超過快速脫纜鉤承載能力上限，護(hù)舷反力和最大壓縮變形不應(yīng)超過護(hù)舷的設(shè)計最大反力和容許最大壓縮變形。

4）組合工況

組合工況見表3。

表3 組合工況Table 3 Load combinations

3 計算結(jié)果

3.1 纜繩力、運動量、護(hù)舷反力

計算結(jié)果表明，上述各工況組合中，對纜繩力的控制工況為工況1和工況2，對最大護(hù)舷反力的控制工況為工況5和工況6，具體計算結(jié)果見表4、圖4和表5。

表4 船舶運動量Table 4 Vessel movement

圖4 纜繩受力情況對比圖Fig.4 Comparison of mooring forces

表5 護(hù)舷反力Table 5 Fender reactions

1）上述最不利工況計算結(jié)果表明，旁靠型外檔LNG船舶纜繩受力最大，為50.7 t，占纜繩破斷力40%；串靠型LNG船舶靠泊時，纜繩最大受力為46.7 t，占纜繩破斷力的36%；各船型纜繩受力均小于破斷力50%，上述纜繩受力均能滿足要求。

2）旁靠型船舶系泊時FSRU船最大橫移為0.4 m、縱移為0.6 m，外檔LNG船最大橫移為1.4 m、縱移為0.8 m；串靠型船舶系泊時最大橫移為0.4 m，縱移為0.5 m；滿足規(guī)范中對船舶運動量的限制要求，其他維度的運動量也滿足要求。

3）護(hù)舷最大反力為245 t，為旁靠型FSRU船與碼頭接觸的最外側(cè)護(hù)舷aa，護(hù)舷反力小于設(shè)計反力2 502 kN；旁靠型FSRU船充氣護(hù)舷的最大反力為155 t，小于護(hù)舷設(shè)計反力3 961 kN。護(hù)舷壓縮變形在合理范圍內(nèi)，滿足使用要求。

3.2 系泊最大允許風(fēng)速分析

本工程計算采用《液化天然氣碼頭設(shè)計規(guī)范》[2]中允許作業(yè)風(fēng)速值為蒲福風(fēng)級，為平均10 min風(fēng)速值。OCMIF[4]建議靜態(tài)系纜分析中采用30 s陣風(fēng)風(fēng)速，計算各種船型在給定波浪、海流時，360°全回轉(zhuǎn)風(fēng)作用下的最大允許瞬時風(fēng)速。根據(jù)船舶允許運動量及纜繩允許最大纜繩力、護(hù)舷最大受力標(biāo)準(zhǔn)，計算得到不同方向上最大允許風(fēng)速的風(fēng)玫瑰圖。

將30 s陣風(fēng)風(fēng)速與平均風(fēng)速進(jìn)行轉(zhuǎn)換，根據(jù)《Port designer’s handbook》[5]（Third edition）給出了不同時距與10 min時距的換算值，其中30 s陣風(fēng)與10 min時距的換算系數(shù)為1.21。

1）當(dāng)風(fēng)速增大時，旁靠型外檔LNG船最先達(dá)到50%，對應(yīng)瞬時風(fēng)速為50 kn，轉(zhuǎn)化成平均風(fēng)速為21.3 m/s。串靠型纜繩受力達(dá)到破斷力50%時，對應(yīng)瞬時風(fēng)速為55 kn，轉(zhuǎn)化成平均風(fēng)速為23.4 m/s；結(jié)果表明，采用瞬時風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)計算LNG船系泊作業(yè)的最不利工況，纜繩力也能滿足小于破斷力50%要求[6-8]，見表6。

表6 纜繩力達(dá)到破斷力50%時瞬時風(fēng)速值Table 6 Instantaneous wind speed at mooring force of 50% breaking limit

2）旁靠型在58 kn瞬時風(fēng)速時，外檔LNG船縱、橫移超過2 m，系泊分析工況組合中采用39 kn平均風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)，對應(yīng)外檔LNG船最大縱、橫移為0.8 m、1.4 m。可見旁靠型系泊時外檔LNG船運動量對風(fēng)速較為敏感，應(yīng)重點關(guān)注外擋船舶對風(fēng)速變化情況。

4 結(jié)語

1）通過對LNG-FSRU串靠型、旁靠型的系泊布置，在同等外部條件下，旁靠型系泊和串靠型系泊布置各船的系纜力、運動量、護(hù)舷反力等差別不大，均能滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。

2）旁靠型系泊時外檔LNG船舶運動量對風(fēng)速較為敏感，系泊時更應(yīng)關(guān)注外擋船舶對風(fēng)速變化情況。

3）受海上液體散貨限制過駁要求的限制，國內(nèi)LNG-FSRU采用串靠型布置，泊位利用率低且工程投資較大，旁靠型布置還處于空白，國外旁靠型的布置比較成熟。對于LNG碼頭岸線使用，泊位利用效率、碼頭結(jié)構(gòu)及陸域接收站工程投資方面，旁靠型的系泊布置具有較大優(yōu)勢，可為國內(nèi)相關(guān)工程的建設(shè)和制度的建立提供參考。