大型LNG 碼頭長度優(yōu)化研究

王強，郭源媛

（1.國家管網(wǎng)集團南山（山東）天然氣有限公司，山東 煙臺 264000；2.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200000）

0 引言

港口岸線是支撐區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展的戰(zhàn)略性、稀缺性資源。伴隨岸線資源的日益緊張，岸線的高效、集約利用也成為當代港口發(fā)展的基本導向。優(yōu)化LNG 碼頭泊位長度，不僅有利于提高港口岸線整體利用效率，而且直接關(guān)系到船舶系泊作業(yè)的穩(wěn)定性和安全性，因而一直是LNG 碼頭設計中的研究重點和難點。根據(jù)調(diào)研，山東某工程碼頭泊位在目前國內(nèi)所有已建、在建15 萬總噸LNG碼頭中泊位長度最短。本文以此工程為研究背景，探討在岸線資源緊張的建設條件下，如何對LNG碼頭泊位長度進行優(yōu)化。通過物理模型試驗測定系泊船舶在波浪、水流和風等聯(lián)合作用時，不同泊位長度條件下，LNG 船舶運動響應及系纜力，為論證船舶安全系泊和作業(yè)提供科學依據(jù)，并對LNG 碼頭泊位長度的設計給出優(yōu)化建議，為同類LNG 碼頭泊位長度設計提供借鑒和參考。

1 工程案例

1.1 項目概況

工程[1]位于煙臺港龍口港區(qū)龍口作業(yè)區(qū)西凸堤液體散貨泊位區(qū)最北側(cè)LNG 泊位區(qū)的3 號泊位。龍口市位于膠東半島西北部，東與蓬萊、煙臺毗鄰，南與棲霞、濰坊市接壤，西臨渤海，隔渤海與天津、大連相望，其地理概位為：37°40′N，120°25′E。建設規(guī)模為新建15 萬總噸級液化天然氣（LNG）碼頭泊位1 個，最大可靠泊26.6 萬m3LNG船舶，設計年接卸能力500 萬t，泊位設計年通過能力644.6 萬t。

設計船型：本工程設計主力船型為8 萬～18萬m3的LNG 船，最大兼顧26.6 萬m3LNG 船，按艙容統(tǒng)計的船型主要尺度見表1。從船型長度來看，本項目需要兼容的船長范圍為239~345 m，跨度較大。

表1 設計船型主要尺度Table 1 Main dimensions of the design ship type

1.2 泊位長度優(yōu)化背景

工程位于已建4 號泊位西北側(cè)，已建4 號泊位為1 座10 萬噸級（水工結(jié)構(gòu)15 萬噸級）的散貨泊位，泊位岸線長度360 m，與本工程岸線間距72 m。4 號泊位東南側(cè)為5 號、6 號散貨泊位，泊位岸線長度607 m，碼頭等級為10 萬噸級。根據(jù)《煙臺港龍口港區(qū)總體規(guī)劃方案調(diào)整》，4 號泊位、5 號泊位與本工程所在的1 140 m 岸線規(guī)劃為LNG泊位岸線。工程相鄰泊位關(guān)系見圖1。

圖1 工程相鄰泊位關(guān)系圖Fig.1 Relationship diagram of adjacent berths in the project

根據(jù)規(guī)范要求，LNG 船舶與其他貨類船舶相鄰停靠時，船舶凈距不小于200 m。當規(guī)劃的3號（即工程案例）、4 號泊位均建成為LNG 泊位，LNG 船舶?？孔鳂I(yè)時，與5 號泊位船舶凈距需≥200 m，對5 號泊位運營有影響。為盡量減少對5號泊位的影響，需要對泊位長度的設計進行優(yōu)化。

1.3 LNG 碼頭平面布置

案例工程碼頭前沿線位置、走向為已建4 號泊位的延長線，方位角為（N144—N324）°，碼頭平面布置形式為開敞式墩式碼頭，采用蝶形布置形式，由1 座工作平臺、2 座靠船墩、6 座系纜墩、聯(lián)系橋和補償平臺等組成，泊位長度368 m。工程總平面布置見圖2。

圖2 工程總平面布置圖Fig.2 General layout of the project

工作平臺布置2 組護舷，護舷中心距為42 m；每個靠船墩各布置2 組護舷，護舷中心距分別為72 m 和116 m，滿足停靠8 萬～26.6 萬m3LNG船舶?？恳?。各墩（或工作平臺）之間通過人行鋼便橋聯(lián)系，端部系纜墩與已建4 號泊位增設人行通道。工作平臺通過長201.528 m、寬14 m 的引橋與陸域銜接。

2 泊位長度分析

2.1 LNG 泊位調(diào)研

通過對現(xiàn)有LNG 碼頭工程調(diào)研，近期完成的LNG 碼頭泊位長度均有不同程度的優(yōu)化。研究統(tǒng)計了近年來國內(nèi)已建成的大型LNG 接收站碼頭的泊位長度，見表2，發(fā)現(xiàn)近年來國內(nèi)外大型LNG碼頭泊位長度總體有縮短的趨勢。另外，目前國內(nèi)已建成的可接卸26.6 萬m3船舶的LNG 碼頭是福建漳州LNG 碼頭，碼頭采用蝶形布置形式，泊位長度370 m，其中系纜段356 m。

表2 國內(nèi)部分大型LNG 碼頭泊位表Table 2 Table of berths for some large LNG terminals in China

2.2 泊位長度計算

碼頭采用蝶形布置形式，按照JTS 165-5—2021《液化天然氣碼頭設計規(guī)范》[2]，碼頭泊位長度應滿足船舶安全靠泊、離泊和系泊作業(yè)要求，可取1.0~1.3 倍設計船長。必要時，應通過模型試驗優(yōu)化確定，但不應小于1 倍設計船長。近年來大量的工程實例驗證表明，LNG 碼頭長度為設計船長的1.0～1.2 倍在使用過程中較為理想。根據(jù)JTS 165—2013《海港總體設計規(guī)范》[3]，LNG 泊位之間的船舶凈距不應小于0.3 倍最大設計船型船長，且不應小于35 m。

式中：L為設計代表船型長度，m，26.6 萬m3LNG船L=345 m；Lb為泊位長度，m。

本項目LNG 碼頭卸船主力船型為8 萬～18 萬m3的LNG 船，最大兼顧26.6 萬m3LNG 船，所需泊位長度：

針對主力卸船船型18 萬m3的LNG 船，Lb=（1.0~1.2）L=300~360 m；

考慮最大卸船船型26.6 萬m3的LNG 船，Lb=（1.0~1.2）L=345~414 m；

考慮到岸線資源緊缺，在有限的建設條件下，優(yōu)先確保17.5 萬m3LNG 主力船型有最優(yōu)的靠泊條件。根據(jù)JTS 165—2013《海港總體設計規(guī)范》，泊位端部要考慮系纜安全需求，同時考慮艏艉纜系船設施外側(cè)的結(jié)構(gòu)長度，首尾系纜墩結(jié)構(gòu)長度共14 m。案例工程泊位長度取368 m，實際系纜長度為354 m，滿足主力船型和兼顧最大船型規(guī)范要求的系泊長度。

2.3 靠船墩間距計算

案例工程碼頭采用蝶形布置形式，根據(jù)《液化天然氣碼頭設計規(guī)范》規(guī)定：墩式液化天然氣碼頭宜布置2 個靠船墩，兩墩中心間距可為設計船長的25%～45%。當停靠船型差別較大時，可設置輔助靠船墩。根據(jù)OCIMF[4]規(guī)定：墩式液化天然氣碼頭宜布置2 個靠船墩，兩墩中心間距可為設計船長的25%~40%。各設計代表船型所需靠船墩中心間距見表3。

表3 靠船墩中心間距表Table 3 Center-to-center distance between berth piers

根據(jù)表3 可看出，由于船型尺度跨度較大，靠船墩中心間距范圍也較大。通過計算確定8 萬~26.6 萬m3LNG 船靠泊點位于工作平臺兩側(cè)的靠船墩，每個靠船墩布置2 組護舷，內(nèi)側(cè)護舷中心距為72 m，滿足8 萬m3船型靠泊；外側(cè)護舷中心距為116 m，滿足14.7 萬~26.6 萬m3船型靠泊。綜合考慮靠泊船型特點和工藝對工作平臺的尺度要求，本工程碼頭工作平臺尺度確定為46 m×32 m，平臺兩側(cè)各布置1 個靠船墩，靠船墩尺度為28 m×16 m，每個靠船墩各布置2 組護舷，護舷中心距分別為72 m 和116 m。

為保證系泊船舶的穩(wěn)定及安全性，通過物理模型試驗，對泊位長度和纜繩的布置形式展開研究，論證泊位長度及碼頭平面布置方案的合理性。

3 物理模型試驗分析

3.1 開展系泊物理模型試驗

目前關(guān)于船舶系泊條件的問題，主要采用物模試驗或數(shù)值分析2 種方法對實際情況進行模擬[5]。近年來隨著外海開敞式碼頭的大量建設，物理模型試驗研究可以針對工程區(qū)域的風、浪、流等動力因素隨機性較強的特點，成為優(yōu)化碼頭系纜布置和泊位長度的重要方法[6]。本研究通過系泊物理模型，選取368 m 和380 m 兩種都滿足船舶停泊要求的泊位長度進行對比試驗，比選更優(yōu)方案。

案例項目的主力設計船型為艙容17.5 萬m3LNG 船舶，最大接卸船型為艙容26.6 萬m3LNG船舶。從船型長度來看，本項目需要兼容的船長范圍包括239~345 m。為確保17.5 萬m3LNG 主力船型有最優(yōu)的系泊條件，碼頭長度優(yōu)化主要基于17.5 萬m3和26.6 萬m3LNG 船型進行分析。

3.2 泊位長度對纜繩系泊角度的影響

17.5 萬m3船舶系纜方式為3 ∶2 ∶2 ∶2 方式，即艏艉纜分別系在1 號和6 號系纜墩上，艏、艉橫1 組纜分別系在2 號和5 號系纜墩上，艏、艉橫2組纜分別系在3 號和4 號系纜墩上，艏、艉倒纜分別系在外側(cè)1 號和2 號靠船墩上。26.6 萬m3船舶系纜方式為3∶2∶3∶2 方式，即艏艉纜分別系在1號和6 號系纜墩上，艏、艉橫1 組纜分別系在2號和5 號系纜墩上，艏、艉橫2 組纜分別系在3號和4 號系纜墩上，艏、艉倒纜分別系在外側(cè)1號和2 號靠船墩上。

圖3 和圖4 分別給出了在368 m 和380 m 兩種泊位長度下17.5 萬m3和26.6 萬m3LNG 船舶的系泊狀態(tài)。

圖3 2 種泊位長度下17.5 萬m3LNG 船舶系泊狀態(tài)Fig.3 Moored condition of 175 000 m3 LNG ship with two berth lengths

圖4 2 種泊位長度下26.6 萬m3LNG 船舶系泊狀態(tài)Fig.4 Moored condition of 266 000 m3 LNG ship with two berth lengths

泊位長度不同時，系泊船舶的艏艉纜及艏艉橫纜系纜點位置發(fā)生變化，主要改變的是各纜繩的長度和系泊角度，但圖中可以看出2 個方案下，纜繩的長度和角度未有明顯改變。

3.3 泊位長度對船舶運動量和系纜力影響

試驗對比了368 m 和380 m 兩種泊位長度下船舶運動響應和纜繩張力，分析不同長度的碼頭泊位對船舶運動量和系纜力大小的影響。由于船舶在壓載時的運動響應整體大于滿載狀態(tài)，本節(jié)對比2 種泊位長度在波浪、水流和風聯(lián)合作用下，壓載工況下主力船型17.5 萬m3LNG 船舶運動響應和系纜力的部分試驗結(jié)果，試驗結(jié)果見表4—表7。

表4 90°橫浪作用時系纜力試驗結(jié)果Table 4 Test result of mooring force under 90°transverse-sea action

表5 90°橫浪+順流+吹開風作用時系纜力試驗結(jié)果Table 5 Test result of mooring force under combined action of 90°transverse-sea,downstream,offshore-wind

表6 0°順浪+順流+45°吹開風作用系纜力試驗結(jié)果Table 6 Test result of mooring force under combined action of 0°transverse-sea,downstream,45°offshore-wind

試驗結(jié)果表明：

1） 整體而言，368 m 泊位長度下，90°橫浪及90°橫浪+順流+吹開風作用時，船舶橫移運動略小于380 m 泊位長度下的結(jié)果，艏艉纜纜力略微增大。

2） 368 m 泊位長度下，0°順浪+順流+45°吹開風作用時，船舶縱移運動略大于380 m 泊位長度下的結(jié)果，且倒纜纜力略大，但增大程度不大，兩者具備幾乎相同的抵抗縱向運動的能力。

3） 2 種泊位長度下，盡管船舶橫移、縱移和纜繩張力等動力響應有一定的差別，但試驗結(jié)果量級上是一致的。

綜合2 個泊位長度船舶運動量和纜繩張力數(shù)據(jù)分析，總體上2 個泊位長度方案均能滿足船舶使用要求，短泊位在限制船舶橫移運動方面略占優(yōu)。

3.4 試驗結(jié)論

泊位長度對比試驗結(jié)果顯示，90°橫浪作用時，368 m 泊位長度下，船舶橫移運動小于380 m泊位長度下的結(jié)果，艏艉纜纜力略微增大。0°順浪運動作用時，2 個方案下縱移運動相當。泊位長度采用368 m 時，對船舶的橫向約束效果更好。可見，在滿足系纜力規(guī)范要求的情況下，適當縮短泊位長度，可以更好地限制船舶的橫移運動，更有利于提高船舶系泊的安全性。

4 結(jié)語

1） 通過物理模型試驗驗證，碼頭采用368 m方案時，可以滿足主力船型和最大船型的靠泊。并且采用短泊位方案，對船舶的橫向約束效果更好。

2） 在滿足系纜力規(guī)范要求的情況下，適當縮短泊位長度，可以更好地限制船舶的橫移運動，更有利于提高船舶系泊的安全性。

3） 短泊位為后續(xù)泊位建設提供了更加富裕的岸線尺度。在LNG 碼頭的建設中，為節(jié)約岸線資源，有效利用深水岸線，可以根據(jù)實際運量，在滿足最大船型靠泊的情況下，針對主力船型對碼頭泊位進行設計，以提高項目效益。

4） 為保證泊位長度優(yōu)化的合理性，在項目設計中應進一步利用數(shù)學模型對優(yōu)化方案進行驗證，從而獲得更準確的結(jié)論。