LNG 船舶進(jìn)港靠泊操縱模擬仿真研究

嚴(yán)虎

（鹽城引航站，江蘇 鹽城 224100）

江蘇濱海液化天然氣（LNG）項目碼頭工程，新建LNG 泊位1 個，碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計船型為8 萬-26.6 萬m3LNG 船舶，主力船型為17.7 萬m3考慮遠(yuǎn)期雙泊位靠船卸料。本文以26.6 萬m3LNG 船舶通過濱海港區(qū)航道進(jìn)港航行及靠泊期間，通過本文構(gòu)建基于風(fēng)、流共同作用下LNG 船舶漂移量數(shù)值計算模型及大型船舶操縱模擬器模擬仿真LNG 船舶在不同工況情況下進(jìn)港及靠泊方案，檢驗LNG 船舶能否安全進(jìn)港航行及靠泊作業(yè)。

1 船舶漂移量數(shù)值計算模型

本文構(gòu)建大型LNG 船舶進(jìn)出港航行漂移量計算模型主要有四個部分組成，分別是無風(fēng)、流情況下LNG船舶航跡帶寬度、LNG 船舶進(jìn)出港航行中風(fēng)致漂移量、LNG 船舶進(jìn)出港航行中流致漂移量和LNG 船舶進(jìn)出港航行中由偏航角引起的航跡帶寬度增加量四個部分組成本項目LNG 船舶在有風(fēng)、流作用情況下所需航道寬度數(shù)值計算模型。（大型LNG 船舶進(jìn)出港航行漂移量數(shù)值計算模型如圖1 所示）。

圖1 船舶漂移量數(shù)學(xué)模型

（1）無風(fēng)、流情況下LNG 船舶航跡帶寬度B1：

LNG 船舶在無風(fēng)、流的情況下進(jìn)出港航行時，其航跡帶寬度可按下式進(jìn)行計算：

（2）LNG 船舶進(jìn)出港航行中風(fēng)致漂移量BF：

考慮在極限的情況下（即LNG 船舶正橫受風(fēng)，其風(fēng)舷角為90°），風(fēng)對船舶的作用力最大，則船舶航行中風(fēng)致漂移速度VF可由下面公式計算得出：

因此，LNG 船舶進(jìn)出港航行中受風(fēng)影響情況下的漂移量BF可用下式計算：

（3）LNG 船舶進(jìn)出港航行中流致漂移量BL：

LNG 船舶進(jìn)出港航行在各種水流共同作用下的流致漂移量BL可用下式計算：

其中：Vw—水流流速（m/s）；Vs—船速（m/s）；VWL-橫向流速（m/s）；α—偏航角(°)；S—計算河長(m)。

（4）LNG 船舶進(jìn)出港航行中由偏航角引起的航跡帶寬度增加量BP：偏航角α 所引起的航跡帶寬度的增加量Bp可用下式進(jìn)行計算：

（5）LNG 船舶進(jìn)出港航行中航跡帶寬度B：

綜上所述，LNG 船舶進(jìn)出港航行過程中在最為不利的風(fēng)流組合下，LNG 船舶進(jìn)出港航行時所需的航跡帶寬度應(yīng)為：

3 LNG船舶及航路概況

江蘇濱海LNG 項目利用濱海港區(qū)航道進(jìn)港，航道設(shè)計范圍為在規(guī)劃建設(shè)中的10 萬噸級航道基礎(chǔ)上進(jìn)行拓寬、浚深，航道設(shè)計底標(biāo)高從規(guī)劃10 萬噸級航道-14.5m 至-15.0m。航道通航寬度拓寬至320m，全長約2740m。本項目共用濱海2#錨地，LNG 船舶待泊在2#錨地東南角。

本文選定Q-MAX 級別的26.6 萬m3LNG 船舶作為模擬試驗主要船型，用于模擬試驗的船舶數(shù)學(xué)模型，其船型具體參數(shù)是：船長345m，型寬55m，型深27m，設(shè)計吃水12m。

4 基于船舶漂移量計算模型對LNG船舶進(jìn)出港航行研究

根據(jù)大型船舶進(jìn)出港航行時航速一般控制在10kn以下，本文260000m3LNG 船在不利風(fēng)、流條件（船舶正橫受風(fēng)時）下，分別討論在風(fēng)力4 級、5 級、6級、7 級、8 級，船速10kn、8kn、6kn、4kn，偏航角3°情況下260000m3LNG 船舶航行所需航道寬度。則260000m3LNG 船舶根據(jù)漂移量數(shù)值計算模型分析如表1：

表1 260000m3LNG 船舶單向航行所需航道寬度（單位m）

5 模擬試驗工況設(shè)置方案

根據(jù)項目水域通航自然環(huán)境要素分析，結(jié)合本項目要求，對Q-MAX 級別的LNG 船進(jìn)港、靠泊碼頭模擬試驗進(jìn)行了以下工況設(shè)計。選取SE、NE 兩個風(fēng)向及對應(yīng)的4、6 級風(fēng)力強度作為試驗風(fēng)要素；波浪方向與風(fēng)向一致。潮流為往復(fù)流，漲潮流向SE，落潮流向NW。選擇對船舶影響較大的潮流資料落潮流0.4m/s（最大情況）和漲潮流0.43m/s（最大情況）進(jìn)港靠泊情況，船舶乘潮進(jìn)港靠泊。通過對以上不同環(huán)境要素進(jìn)行組合，進(jìn)行進(jìn)港、靠泊試驗。本文26.6 萬m3LNG 船舶滿載進(jìn)港航行及靠泊模擬仿真試驗如圖2-圖9 所示。

圖2 漲潮流、東北風(fēng)4 級

圖3 落潮流、東北風(fēng)4 級

圖4 漲潮流、東北風(fēng)6 級

圖5 落潮流、東北風(fēng)6 級

圖6 漲潮流、東南風(fēng)4 級

圖7 落潮流、東南風(fēng)4 級

圖8 漲潮流、東南風(fēng)6 級

圖9 落潮流、東南風(fēng)6 級

6 模擬仿真試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)試驗方案，本課題組通過多次設(shè)計船型船舶進(jìn)港及靠泊模擬試驗，基本都能順利完成設(shè)計工況的模擬試驗。對進(jìn)港靠泊所需航跡帶寬度進(jìn)行了統(tǒng)計，如表2所示。

表2 本項目26.6 萬m3LNG 船航跡帶寬度統(tǒng)計表

綜合分析：設(shè)計代表船型進(jìn)港航道模擬試驗選取自然條件為漲潮流和落潮流；風(fēng)向為常風(fēng)、強風(fēng)向的條件組合，分別選取了4 級、6 級風(fēng)進(jìn)行進(jìn)港及靠泊試驗。從設(shè)計工況的試驗結(jié)果來看：

設(shè)計代表船舶進(jìn)出選擇濱海港區(qū)航道，試驗區(qū)域為航道入口到泊位共3.5 海里（約6.4km）范圍。本文對LNG 船舶進(jìn)港水道進(jìn)行了模擬船舶通航試驗，考慮模擬試驗與實際操船之間的差異性，試驗結(jié)果顯示：代表船型26.6 萬m3LNG 船舶以6-7 節(jié)左右航速滿載進(jìn)港時，船舶航行至口門附近時的船速宜控制在5kn 左右，后逐漸左轉(zhuǎn)進(jìn)入港池水域，繼續(xù)降速、調(diào)整船舶位置和航向，在回旋水域內(nèi)將速度控制在1kn 左右，并擺正船位，借助大功率拖輪協(xié)助靠泊。進(jìn)港船舶應(yīng)根據(jù)風(fēng)流情況，正確擺正船位，選擇合理的風(fēng)流壓差，并根據(jù)不同船位的潮流流場的變化予以修正。26.6 萬m3LNG 船舶壓載出港時，船舶出港時，船舶上行至較開闊水域或落水流，駛?cè)霝I海港區(qū)航道，加速出港。

工程試驗船舶受風(fēng)面積大，在航道航行時，外航道受風(fēng)、浪、流影響較大，同時，風(fēng)浪條件對拖輪影響也較大，工程設(shè)計船型進(jìn)港時宜選擇在風(fēng)、浪、流影響較小的時段進(jìn)港。結(jié)合模擬試驗及工程水域?qū)崪y潮流信息，工程船舶進(jìn)港時機應(yīng)盡可能選擇在平潮至高平潮后1 小時進(jìn)行靠泊作業(yè)。船速也是重要的控制因素。

根據(jù)港口規(guī)定，船舶在航道航行時要保持一定速度減小風(fēng)、流對船舶的影響，船舶在航道內(nèi)航行時航速應(yīng)控制在10 節(jié)以內(nèi)，在接近防波堤口門轉(zhuǎn)彎時降至6 節(jié)左右，帶妥拖輪，接近航道末端時降至4 節(jié)左右，轉(zhuǎn)向后在拖輪協(xié)助下船舶轉(zhuǎn)向、降速，擺好靠泊姿勢，拖輪頂推入泊，控制好靠泊速度及拖輪與其它泊位?？看暗陌踩嚯x。

試驗船型在港內(nèi)航道航行時，由于航速降低，船舶航向穩(wěn)定性降低，軌跡帶寬度增大，且在低航速時，船舶應(yīng)舵性能差，試驗船舶在進(jìn)入防波堤口門前，必須配備并帶妥拖輪，以防止船舶偏離航道導(dǎo)致失控，且應(yīng)正確地估計風(fēng)壓力和流壓力，防止船舶偏航或失控，保證航行安全。

目前，濱海港區(qū)航道進(jìn)港，實際水深15m，可航寬度設(shè)計為320m。因此，工程設(shè)計進(jìn)港航道寬度320m能滿足所有試驗設(shè)計代表船型進(jìn)港單向通航的要求。

根據(jù)船舶進(jìn)港模擬試驗結(jié)果，船舶進(jìn)港對附近航道通航條件影響不大，正常操縱船舶、選擇合適的靠泊時機，在拖輪協(xié)助下，船舶進(jìn)港安全是可以控制的。

7 LNG 船舶進(jìn)港及靠泊操作方案

船舶滿載進(jìn)港時應(yīng)根據(jù)潮流情況做好引航方案，進(jìn)港前應(yīng)確認(rèn)船舶資料、引航卡，特別是確認(rèn)吃水及潮位，核查是否有足夠富裕水深，核算到達(dá)泊位的時間，根據(jù)操作要求，配置好全回旋拖輪。

船舶進(jìn)港時，應(yīng)根據(jù)當(dāng)時風(fēng)、流條件及時調(diào)整船位，盡可能保持推薦航路中心線上航行，航行中應(yīng)實時檢查富余水深變化情況，確保航行安全。船舶到達(dá)口門附近應(yīng)適當(dāng)減速，控制船速為5kn 左右。當(dāng)本船進(jìn)入本項目港池水域時控制船速4kn 以下，船艏抵達(dá)回旋水域時，控制船速1 節(jié)左右。采用逆時針掉頭右舷靠泊時，應(yīng)控制入泊角度及速度，到達(dá)泊位外檔1～2 倍船寬時將船擺正，應(yīng)特別注意與流的交角不宜過大。船舶在泊位前沿擺正船位及姿態(tài)后，使用外舷拖輪頂推入泊，同時不斷調(diào)整首尾各拖輪頂推力量，入泊方式采用平行入泊，利用本船拖輪調(diào)整船位及姿態(tài)，擺正船位，控制船舶平行入泊，控制好橫移的速度，逐漸減小頂推力量以 確保貼靠泊位速度不大于0.2m/s 為宜，適當(dāng)用車控制避免船舶前沖后縮，靠攏后應(yīng)使用拖輪防止船舶反彈離開泊位。