帶FSU+FRU接收終端的浮式LNG碼頭平面設(shè)計(jì)

盧生軍，丁建軍，陳良志，覃 杰

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510290)

與傳統(tǒng)陸式LNG接收碼頭相比，海上浮式LNG接收碼頭具有建造成本低、周期短、選址方便、靈活度高及可重復(fù)利用等諸多優(yōu)點(diǎn)，隨著清潔能源需求的增加而具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景[1]。目前，已建成的浮式LNG碼頭多采用儲(chǔ)氣再氣化平臺(tái)FSRU作為其接收終端，采用FSU+FRU接收終端的浮式LNG碼頭在國外并不常見，在國內(nèi)更無先例。該類型LNG碼頭將儲(chǔ)氣和再氣化功能分開在FSU和FRU兩個(gè)獨(dú)立的浮體上實(shí)現(xiàn)，相比FSRU，其建造和維護(hù)的技術(shù)難度更低，且FSU可直接由舊的LNG船簡單改裝而成，特別適合在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)使用。

采用FSU+FRU接收終端的浮式LNG接收碼頭的平面設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)陸式及采用FSRU的浮式LNG碼頭均存在差異。本文結(jié)合西非采用FSU+FRU接收終端的某浮式LNG碼頭工程為例，對(duì)其碼頭平面設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行探討。

1 工程概況

該在建浮式LNG碼頭位于西非的加納特碼市，采用的是FSU+FRU的接收終端形式。為滿足當(dāng)?shù)靥烊粴膺M(jìn)口需求，計(jì)劃每10～14 d由17.4萬m3的LNG船向儲(chǔ)氣船F(xiàn)SU加注液化天然氣，其一次加注時(shí)間約為36 h。FSU中的液化天然氣經(jīng)由再氣化浮平臺(tái)FRU氣化后，經(jīng)1根直徑為406 mm的柔性海底管線輸送上岸。

項(xiàng)目主要建設(shè)內(nèi)容包含碼頭水域疏浚、防波堤、FSU、FRU、海底管線、靠船墩、系纜墩、人行橋以及碼頭附屬設(shè)施等。總平面布置如圖1所示。

圖1 總平面布置

1.1 自然條件

1.1.1潮位及設(shè)計(jì)水位

項(xiàng)目位于西非的幾內(nèi)亞灣海域，潮位參數(shù)如表 1所示。

該LNG碼頭的設(shè)計(jì)使用年限為25 a，但防波堤設(shè)計(jì)需考慮50 a一遇水位和設(shè)計(jì)波浪?？紤]近岸波浪增水、海平面上升等的影響后，確定用于碼頭設(shè)計(jì)的高水位和低水位分別為2.1和-0.2 m。

表1 潮位參數(shù) m

1.1.2波浪條件

受源自大西洋高緯度地帶的溫帶氣旋長距離傳播而來的波浪影響，工程區(qū)域波浪以長周期涌浪為主，其風(fēng)浪和涌浪具有如下顯著特征：

1)工程海域既有風(fēng)浪又有涌浪，波浪以涌浪為主，波浪譜峰周期Tp分布范圍較大，為6～20 s；

2)涌浪波高Hs一般小于2.5 m，但在波高Hs為1.5 m時(shí)，其周期Tp可達(dá)20 s，周期較長；

3)風(fēng)浪波高Hs一般小于2.0 m，周期Tp小于8 s；

4)波浪方向集中于南偏東或偏西10°范圍，即波向?yàn)?70°～190°。

防波堤堤腳處的近岸設(shè)計(jì)波浪要素如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)波高

1.1.3風(fēng)

全年盛行西南風(fēng)。根據(jù)對(duì)工程附近機(jī)場測站數(shù)據(jù)分析，工程位置營運(yùn)狀況下風(fēng)速為12 m/s，極端狀況下風(fēng)速為20 m/s。

1.1.4流

潮流方向多為東北向，流速較小，大部分時(shí)候垂線平均流速小于0.1 m/s，最大不超過0.5 m/s。

1.1.5地質(zhì)

項(xiàng)目周邊海域地質(zhì)分布均勻，海床面以下2～3 m為松散砂層，該層以下即是風(fēng)化的片麻巖地層。片麻巖強(qiáng)度較高，疏浚開挖難度大。

1.2 設(shè)計(jì)船型

項(xiàng)目設(shè)計(jì)船型單一，LNG運(yùn)輸船倉容為17.4萬m3，F(xiàn)SU儲(chǔ)氣船考慮由一艘舊的12.7萬m3的LNG船改裝而成以節(jié)約建設(shè)成本。LNG船和FSU船的設(shè)計(jì)參數(shù)見表 3。

表3 FSU及LNG船設(shè)計(jì)參數(shù)

FRU再氣化浮平臺(tái)為長95.0 m、寬38.4 m、型深19.8 m的方形結(jié)構(gòu)，其倉容量為2.80萬m3。平臺(tái)自質(zhì)量1.29萬t，設(shè)計(jì)吃水6.7 m，滿載時(shí)干舷13.1 m，故受風(fēng)面積較大。

2 碼頭選址要求

采用FSU+FRU接收終端的浮式LNG碼頭選址不僅要滿足常規(guī)陸式LNG碼頭的選址要求，而且FSU和FRU須永久系泊在碼頭上，即使在最極端的環(huán)境條件下也不能緊急離泊。另外，浮體單元對(duì)波浪的動(dòng)態(tài)響應(yīng)也遠(yuǎn)比固定式碼頭結(jié)構(gòu)敏感。因此，碼頭需要選址在自然條件良好的港灣，必要時(shí)需要建設(shè)足夠長的防波堤進(jìn)行掩護(hù)。

項(xiàng)目位于加納特碼市，附近無掩護(hù)條件良好的天然港灣，而已建成的特碼老港水域空間狹窄，布置LNG碼頭受到安全距離的限制。為此，通過多方案比選，最終將碼頭選址于特碼老港防波堤口門處(圖1)，利用特碼老港已有防波堤及新建的約780 m長防波堤為碼頭提供足夠的掩護(hù)。該碼頭選址方案具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)：

1)在無占用老港水域的情況下，充分利用老港已有防波堤結(jié)構(gòu)和配套設(shè)施，節(jié)約投資；

小夏的口吻中不再有之前對(duì)她的信賴和感激，反而透著居高臨下的憐憫：“他在水吧等你時(shí)被圍住了，卻也不敢走?！彼淅涞爻蛩谎?，“他怕你突然來了?！崩兹揪酉聲D(zhuǎn)身往外跑去?！?樓，38病房?！鄙砗蟮男∠拇舐暫暗馈?/p>

2)老港防波堤口門處天然水深接近碼頭設(shè)計(jì)水深，可大幅減少碼頭水域疏浚工程量，尤其是炸礁量；

3)新建防波堤不僅能為新碼頭提供掩護(hù)，同時(shí)改善了老港進(jìn)港航道的船舶航行條件。

但是，因碼頭位于防波堤口門處，北側(cè)緊鄰特碼老港主航道，需要評(píng)估其他航行船舶對(duì)碼頭營運(yùn)條件及安全的影響，增加了碼頭平面設(shè)計(jì)的技術(shù)難度。

3 作業(yè)條件

與陸式LNG碼頭不同，F(xiàn)SU與FRU在極端環(huán)境條件下不能緊急離泊，因此除了需要滿足在正常營運(yùn)條件下LNG船的安全操作要求外，還需要考慮在極端環(huán)境條件下的浮體結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)量及受力也能滿足浮體運(yùn)動(dòng)量、纜繩安全工作荷載、護(hù)舷變形以及FRU錨碇結(jié)構(gòu)承載力等的相關(guān)要求。

3.1 浮體運(yùn)動(dòng)量標(biāo)準(zhǔn)

FRU浮平臺(tái)采用大直徑鋼管樁錨碇，考慮FRU營運(yùn)及其設(shè)備安全需要，要求在極端風(fēng)、浪、流作用下的FRU浮體縱、橫向水平位移均不超過0.5 m。

LNG船和FSU船的運(yùn)動(dòng)量標(biāo)準(zhǔn)采用PIANC規(guī)范[2]中的建議值，如表4所示。

表4 LNG船及FSU船運(yùn)動(dòng)量標(biāo)準(zhǔn)

3.2 纜繩安全工作荷載

LNG船和FSU船系泊時(shí)，系纜力不應(yīng)超過纜繩的安全工作荷載(SWL)，其標(biāo)準(zhǔn)采用OCIMF規(guī)范[3]的建議值(表5)。

表5 系纜力限值

3.3 護(hù)舷變形限值

3.4 FRU錨碇結(jié)構(gòu)承載力

極端環(huán)境條件下的FRU浮平臺(tái)所受風(fēng)、浪、流等水平荷載較大，其傳遞到錨樁的水平力不應(yīng)超過錨樁的水平承載力。

上述4點(diǎn)是確定碼頭作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵性因素，目前尚無經(jīng)驗(yàn)公式可供計(jì)算，須進(jìn)行專門動(dòng)態(tài)系泊分析。通過對(duì)不同波高、波周期、不同系泊情況下共32個(gè)控制工況的模擬，最終確定港內(nèi)波浪標(biāo)準(zhǔn)如下：當(dāng)譜峰周期Tp為20 s時(shí)的有效波高Hs不應(yīng)超過0.5 m，遠(yuǎn)比一般陸式LNG碼頭港內(nèi)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格。

4 平面設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 碼頭水域

碼頭選址于特碼老港防波堤口門位置的深水區(qū)，回旋水域往外海處天然水深超過16.0 m，滿足設(shè)計(jì)船舶安全航行吃水要求，不需要專門設(shè)置外航道。

為優(yōu)化回旋水域尺度，對(duì)各種可能的風(fēng)、浪、流條件下的船舶操縱情況進(jìn)行模擬(圖2)，最終采用1.5倍設(shè)計(jì)船長(LNG船)，即直徑為450 m的小回旋圓直徑方案。

圖2 操船試驗(yàn)軌跡

碼頭前沿停泊水域按LNG船與FSU雙船并靠設(shè)計(jì)，寬度取125 m，停泊水域長度為設(shè)計(jì)船長加上艏、艉各50 m的安全距離。

碼頭水域底高程按船舶系泊或進(jìn)出港航行時(shí)龍骨下富余深度UKC≥1.0 m為控制標(biāo)準(zhǔn)?？紤]規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算確定的水深與船舶實(shí)際航行時(shí)的水深偏差較大且往往偏保守，項(xiàng)目采用UKC仿真試驗(yàn)對(duì)不同風(fēng)、浪、流情況下的船舶系泊和進(jìn)出港航行情況進(jìn)行模擬，得到所有工況均滿足UKC≥1.0 m標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，有、無防波堤掩護(hù)的碼頭水域底高程應(yīng)至少分別為-15和-16 m。

4.2 防波堤布置

因FSU船及FRU不能緊急離泊，港內(nèi)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)需考慮極端波浪，且因浮體受力對(duì)港內(nèi)波浪十分敏感，故港內(nèi)允許作業(yè)波高較小。因此，在評(píng)估防波堤對(duì)港內(nèi)的掩護(hù)效果時(shí)，堤身透浪和堤頂越浪不可忽略?？紤]一般波浪數(shù)模無法模擬堤身透浪和堤頂越浪，針對(duì)該類型碼頭建議通過三維波浪物模對(duì)港內(nèi)波浪做進(jìn)一步驗(yàn)證。

為了給碼頭提供足夠掩護(hù)，在已有防波堤堤頭位置處新建約780 m長防波堤延長段。因外海波浪方向?yàn)檎舷?170°～190°)，防波堤軸線采用東西向U形布置。堤頂高程設(shè)置在高水位以上約1.4倍波高位置6.3 m處，極端波浪條件下存在越浪。堤身采用拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)，堤心透浪。最終通過波浪數(shù)模及三維波浪物模試驗(yàn)對(duì)防波堤掩護(hù)效果進(jìn)行評(píng)估。

4.3 碼頭平面布置

4.3.1安全距離評(píng)估

PIANC規(guī)范[4]中規(guī)定：1)LNG碼頭裝卸點(diǎn)周圍200 m范圍為安全區(qū)域，在LNG 碼頭進(jìn)行裝卸作業(yè)時(shí)其他任何船舶不能進(jìn)入該區(qū)域；2)通航船舶與系泊船舶的最小安全距離為50 m。

為節(jié)省投資，將碼頭選址在特碼老港防波堤口門處，碼頭距離陸地超1 km，LNG船及安全區(qū)距離北側(cè)主航道邊界的最小安全距離分別為100和50 m。針對(duì)該安全距離進(jìn)行分析論證：

1)航行安全評(píng)估。通過統(tǒng)計(jì)分析當(dāng)?shù)卮邦愋汀⒋笮?、航速、航線等，評(píng)估系泊船舶與主航道上過往船舶發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)過往船舶距離主航道安全距離為100 m時(shí)，發(fā)生船舶碰撞的可能性較低。

2)船行波影響分析。采用動(dòng)態(tài)系泊數(shù)值模擬手段，對(duì)特碼老港主航道航行船舶產(chǎn)生的船行波對(duì)系纜船舶的影響進(jìn)行分析，結(jié)果表明安全距離100 m時(shí)船行波對(duì)系泊船舶的影響很小。

3)定量安全風(fēng)險(xiǎn)分析。采用定量安全風(fēng)險(xiǎn)分析法評(píng)估項(xiàng)目對(duì)周邊公眾安全的風(fēng)險(xiǎn)。浮式LNG碼頭距離陸地超1 km，遠(yuǎn)離居民區(qū)及工業(yè)區(qū)，每年可能發(fā)生公眾安全風(fēng)險(xiǎn)的頻率遠(yuǎn)小于10-6，屬于可被廣泛接受的風(fēng)險(xiǎn)。

4.3.2泊位布置

碼頭采用LNG船與FSU雙船并靠模式以節(jié)約泊位數(shù)量，泊位平面采用墩式布置形式，共設(shè)置2個(gè)靠船墩和5個(gè)系纜墩，見圖3。

4.3.3FRU浮平臺(tái)

圖3 碼頭平面布置(單位：m)

本項(xiàng)目與一般采用FSRU的浮式LNG碼頭最大的不同是將再氣化裝置單獨(dú)設(shè)置在一個(gè)浮平臺(tái)FRU上，相比FSRU的操作空間更大，可將氣態(tài)天然氣裝卸臂直接集成在FRU上，省去單獨(dú)建設(shè)一座固定式工作平臺(tái)的費(fèi)用。

再氣化浮平臺(tái)FRU長95.0 m，寬38.4 m，型深19.8 m，設(shè)計(jì)吃水6.7 m，采用6根直徑2.5 m的鋼管樁進(jìn)行固定，鋼管樁壁厚50 mm。因FRU浮平臺(tái)為永久系泊，錨樁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮波浪、水流等循環(huán)往復(fù)荷載下的疲勞破壞。

4.3.4靠船墩

與一般陸式LNG碼頭相比，采用FSU+FRU接收終端的浮式LNG碼頭的靠船墩布置時(shí)應(yīng)考慮如下特點(diǎn)：

1)與靠船墩直接作用的僅有FSU船，設(shè)計(jì)船型單一且固定；

2)采用的是LNG船與FSU雙船并靠的系泊方式，且極端條件下FSU無法緊急離泊，船舶系泊時(shí)的擠靠力而非靠泊時(shí)的撞擊力是決定靠船墩上護(hù)舷性能、數(shù)量及靠船墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制性因素；

3)靠船墩上護(hù)舷的布置和性能對(duì)系泊船舶運(yùn)動(dòng)量和纜繩纜力影響相比傳統(tǒng)陸式LNG碼頭更大。

靠船墩布置的核心目標(biāo)是保證船舶靠泊時(shí)靠船墩上的護(hù)舷防沖板能盡量對(duì)稱地作用在船體平直段上，且盡量使靠泊船體受力均衡穩(wěn)定。

碼頭設(shè)2個(gè)靠船墩，其中心距90 m，滿足英標(biāo)BS6349-2的0.25～0.40倍設(shè)計(jì)船長要求。通過動(dòng)態(tài)系泊試驗(yàn)，確定在FSU船側(cè)安裝5個(gè)氣動(dòng)護(hù)舷，氣動(dòng)護(hù)舷尺寸為4.5 m×9.0 m，內(nèi)壓80 kPa，在每個(gè)靠船墩上布置2個(gè)SCN2000型護(hù)舷。

4.3.5系纜墩

LNG船+FSU雙船并靠的浮式LNG碼頭的系纜墩布置、纜繩受力等均與常規(guī)碼頭有較大差異，雙船并靠系泊的穩(wěn)定性及纜繩受力是設(shè)計(jì)時(shí)須重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵因素。

為滿足LNG船和FSU船共同系纜的要求，碼頭平面采用墩式布置，在船首和船尾分別設(shè)置3個(gè)和2個(gè)共5個(gè)系纜墩。艏墩MD1距離FSU船靠泊線25 m，其他系纜墩MD2～MD5距離FSU船靠泊線50 m，艏艉系纜墩中心距離387 m。

雙船并靠系纜方式如下：

1)首墩MD1設(shè)4鉤(150t)快速脫纜鉤，用于系LNG船艏纜；

2)LNG船除艏纜外的其他纜繩系于FSU船上；

3)系纜墩MD2和MD5分別設(shè)3鉤和4鉤(150 t)快速脫纜鉤，用于系FSU船艏艉纜；

4)系纜墩MD3和MD4分別設(shè)4鉤和3鉤(150 t)快速脫纜鉤，用于系FSU船艏橫纜；

5)在FSU船上設(shè)系纜點(diǎn)用于LNG船除艏纜外的其他纜繩系纜；

6)在兩個(gè)靠船墩BD1和BD2上設(shè)2鉤(150 t)快速脫纜鉤，用于系FSU船倒纜。

系纜墩布置及系泊方案通過動(dòng)態(tài)系泊試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，保證船舶運(yùn)動(dòng)量、纜繩纜力及護(hù)舷變形滿足規(guī)定的限值要求。

4.3.6海底管線

LNG管線需穿過特碼老港主航道，不具備建設(shè)管線棧橋的條件，相比棧橋方案，海底管線成本更低。因此，考慮將由FRU氣化后的天然氣經(jīng)由一根406 mm直徑的柔性海底管線輸送上岸。

海底管線采用開挖埋管方案，埋深考慮遠(yuǎn)期航道浚深要求，且在穿過主航道的區(qū)域設(shè)置保護(hù)結(jié)構(gòu)防止落錨，在海底管線海、陸兩端設(shè)置安全警示牌和警示燈。

4.4 船岸聯(lián)系

該浮式LNG碼頭沒有連接碼頭和陸地的引橋，為滿足船岸聯(lián)系做如下設(shè)計(jì)：

1)人員通過交通船由陸地至防波堤，經(jīng)堤頂通道及人行橋至靠船墩，再由安裝在靠船墩上的大型登船梯分別至FSU船或FRU平臺(tái)；

2)不設(shè)海底電纜及通訊光纜，在FRU平臺(tái)上設(shè)置專門發(fā)電設(shè)備用于供電，船岸采用無線電通信。

5 結(jié)論

1)FSU+FRU接收終端的LNG碼頭的港內(nèi)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)主要受極端環(huán)境條件下的浮體結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)量及受力控制，遠(yuǎn)比一般陸式LNG碼頭要求嚴(yán)格，碼頭應(yīng)選址于掩護(hù)條件良好的海域，防波堤透浪和越浪不能忽略，宜通過三維波浪物模進(jìn)行模擬。

2)碼頭安全距離應(yīng)通過航行安全評(píng)估、船行波影響分析、定量安全風(fēng)險(xiǎn)分析等一系列研究論證確定。

3)相比FSRU，F(xiàn)RU操作空間更大，可將氣態(tài)天然氣裝卸臂直接集成在FRU上，從而取消固定式工作平臺(tái)。