長(zhǎng)江中游LNG 接卸碼頭結(jié)構(gòu)形式研究

黃高新，徐甜

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢430060）

0 引言

長(zhǎng)江中游地跨湖北、湖南、江西三省，是推動(dòng)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展、促進(jìn)中部地區(qū)崛起的重點(diǎn)區(qū)域。依托長(zhǎng)江黃金水道，采用小型LNG 運(yùn)輸船，通過LNG 江海聯(lián)運(yùn)的方式供氣，對(duì)長(zhǎng)江中游省市用氣安全、推進(jìn)長(zhǎng)江大保護(hù)、踐行綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。由于長(zhǎng)江水道環(huán)境復(fù)雜、兩岸人員密集、LNG 本身的危險(xiǎn)特性，LNG 進(jìn)江存在一定難度，海事部門已開展了LNG 船舶海進(jìn)江的相關(guān)通航研究工作。對(duì)于LNG 接卸碼頭，目前長(zhǎng)江尚無營(yíng)運(yùn)案例?？紤]長(zhǎng)江中游水文環(huán)境的復(fù)雜性，針對(duì)LNG 接卸碼頭的作業(yè)及安全要求，開展長(zhǎng)江中游LNG 接卸碼頭結(jié)構(gòu)形式研究是十分必要的。

長(zhǎng)江中游省市傳統(tǒng)油氣化工碼頭主要為沿江煉廠、油庫、化工園區(qū)等服務(wù)，貨種主要為成品油，少量液化石油氣、原油、其他液體化學(xué)品等?？紤]適應(yīng)長(zhǎng)江中游航道洪枯季大水位差（14～18 m）特點(diǎn)，現(xiàn)狀油氣化工碼頭基本為浮碼頭形式。近年，隨著內(nèi)河LNG 航運(yùn)應(yīng)用的加快發(fā)展，長(zhǎng)江中游干線建成了一些LNG 加注碼頭，它們也基本采用浮碼頭形式。相比LNG 接卸碼頭，LNG 加注碼頭年吞吐量規(guī)模較小，以5 000 t LNG 加注碼頭為例，單泊位年設(shè)計(jì)通過能力約2.6 萬t。由于技術(shù)手段的更新以及建港條件的限制，近期也出現(xiàn)了一些其他類型油氣化工碼頭形式。尚明芳等[1]結(jié)合長(zhǎng)江中游環(huán)境提出了一種直立墩式LNG 加注碼頭；尚明芳等[2]結(jié)合三峽庫區(qū)條件構(gòu)造出一種組合式浮碼頭用于油品運(yùn)輸；郭新杰等[3]提出了一種由固定碼頭平臺(tái)與浮箱結(jié)合的浮式組合固定液體散貨碼頭。這些新的碼頭形式豐富了技術(shù)思路，但都尚未得到大面積推廣應(yīng)用。對(duì)于LNG 接卸碼頭，國(guó)內(nèi)已運(yùn)營(yíng)LNG 接卸碼頭均位于沿海港口或河口，碼頭形式基本采用直立式高樁墩式或重力墩式結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)外尚未有類似長(zhǎng)江中游大水位差環(huán)境LNG 接卸碼頭運(yùn)營(yíng)案例。

綜上分析，在長(zhǎng)江中游地區(qū)，浮碼頭一直是油氣化工碼頭的主流形式，裝卸貨種以油品為主，實(shí)際未有長(zhǎng)期運(yùn)行的大吞吐量類LNG 深冷液體裝卸實(shí)例。已運(yùn)營(yíng)的LNG 接卸碼頭均位于沿海區(qū)域，采用直立式碼頭形式，對(duì)沿海自然環(huán)境（潮差變化2～6 m）具有成熟的工程方案。對(duì)于長(zhǎng)江中游LNG 接卸碼頭結(jié)構(gòu)形式，浮碼頭和直立式碼頭各有優(yōu)缺點(diǎn)，本文結(jié)合實(shí)際的工程案例開展了詳細(xì)研究。

1 工程概況

擬建工程[4]位于岳陽港陸城港區(qū)、長(zhǎng)江中游螺山水道銜接段右岸。擬拆除原5 號(hào)泊位新建2 個(gè)10 000 m3LNG 接卸泊位，設(shè)計(jì)代表船型5 500～10 000 m3LNG 船，其主尺度見表1。工程區(qū)設(shè)計(jì)低水位16.85 m、設(shè)計(jì)高水位30.79 m、設(shè)計(jì)防洪水位32.2 m。工程處水流平順，無不良流態(tài)。

表1 設(shè)計(jì)代表船型尺度表Table1 Dimension of the design typical ship

2 結(jié)構(gòu)形式研究

2.1 方案研究

結(jié)合具體工程情況，對(duì)LNG 接卸碼頭采用浮碼頭及直立式碼頭結(jié)構(gòu)形式對(duì)比研究。

1） 常規(guī)浮碼頭方案

擬建工程從上游至下游布置2 個(gè)10 000 m3LNG 泊位。LNG 碼頭泊位長(zhǎng)度338.2 m，新建2座鋼質(zhì)躉船（尺寸90 m×16 m）、2 座活動(dòng)鋼引橋（尺寸60 m×6 m）、2 個(gè)閥室平臺(tái)，閥室平臺(tái)通過混凝土固定引橋與后方陸域接收站銜接。每個(gè)躉船配備3 臺(tái)DN200 LNG 裝卸臂，通過活動(dòng)鋼引橋、固定引橋管線與后方陸域接收站銜接。考慮適應(yīng)水位變化引起的活動(dòng)鋼引橋俯仰以及靠泊裝卸過程躉船位移，活動(dòng)鋼引橋管線與躉船、固定引橋管線之間采用真空絕熱低溫軟管過渡連接。浮碼頭平面布置見圖1，斷面圖見圖2。

圖1 浮碼頭平面布置圖（m）Fig.1 General layout of the floating wharf（m）

圖2 浮碼頭斷面圖（m）Fig.2 Cross section of the floating wharf（m）

2） 直立式碼頭方案

擬建工程從上游至下游布置2 個(gè)10 000 m3LNG 泊位。LNG 碼頭泊位長(zhǎng)度318.2 m，設(shè)置2個(gè)工作平臺(tái)兼靠船平臺(tái)（尺寸48 m×25 m）、3 個(gè)系纜墩（端部系纜墩尺寸12 m×12 m、中間系纜墩2個(gè)泊位共用尺寸24 m×15 m），系纜墩與工作平臺(tái)之間通過鋼聯(lián)橋和混凝土聯(lián)橋連接，工作平臺(tái)通過固定引橋與后方陸域銜接。結(jié)合工程區(qū)域地質(zhì)情況及使用要求，碼頭工作平臺(tái)（兼顧靠船）采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，系纜墩采用高樁墩臺(tái)?？紤]適應(yīng)不同水位系靠泊要求，工作平臺(tái)、系纜墩設(shè)置多層系纜平臺(tái)。每個(gè)泊位配備3 臺(tái)DN200 LNG 裝卸臂，通過碼頭平臺(tái)及引橋固定管線與后方罐區(qū)連接。直立式LNG 接卸碼頭平面布置見圖3，直立式碼頭結(jié)構(gòu)斷面見圖4。

圖3 直立式碼頭平面布置圖（m）Fig.3 General layout of the vertical wharf（m）

圖4 直立式碼頭斷面圖（m）Fig.4 Cross section of the vertical wharf（m）

浮碼頭方案、直立式碼頭方案對(duì)比見表2。

表2 方案對(duì)比表Table 2 Scheme comparison table

LNG 接收站是生命線工程，一旦斷供將產(chǎn)生極大的社會(huì)影響。考慮LNG 接收站高可靠性及安全要求，長(zhǎng)江中游地區(qū)LNG 接卸碼頭采用直立式碼頭結(jié)構(gòu)形式具有顯著優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)需針對(duì)性解決大水位差環(huán)境LNG 裝卸臂適應(yīng)性、快速脫纜鉤和靠泊輔助系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)問題。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)解決方案

2.2.1 LNG 裝卸臂適應(yīng)性

長(zhǎng)江中游水位差約14～18 m，LNG 裝卸臂對(duì)大水位差環(huán)境的適應(yīng)性直接關(guān)系到直立式LNG 接卸碼頭結(jié)構(gòu)形式的可行性，其中LNG 裝卸臂上下工作范圍為最關(guān)鍵參數(shù)。LNG 裝卸臂工作范圍與碼頭設(shè)計(jì)參數(shù)、港口水位、船舶艙容、管匯參數(shù)等[5]息息相關(guān)，應(yīng)能滿足設(shè)計(jì)低水位最小靠泊船型滿載工況、設(shè)計(jì)高水位最大靠泊船型壓載工況正常工作需要。目前，尚無5 500～10 000 m3江海直達(dá)小型LNG 運(yùn)輸船實(shí)船，本工程設(shè)計(jì)代表船型僅為概念設(shè)計(jì)船型，因此無實(shí)船管匯參數(shù)。參考OCIMF 規(guī)定[6]，假定5 500～10 000 m3江海直達(dá)小型LNG 運(yùn)輸船管匯中心至主甲板高度1.5 m，計(jì)算本工程LNG 裝卸臂需至少適應(yīng)-12.55～3.49 m（以碼頭面為基準(zhǔn)面計(jì)）上下工作范圍才能滿足正常卸料要求。

為論證裝卸臂制造可行性，調(diào)研長(zhǎng)江已建最大水位差直立式液體化工碼頭輸油臂建造情況。以安徽無為華誼液體化工碼頭[7]為例，工程處水位差10.3 m，碼頭靠泊500 DWT—5 000 DWT 液體化學(xué)品船，碼頭平臺(tái)設(shè)置DN200 裝卸臂，裝卸物料為常溫甲醇/乙醇，其裝卸臂工作范圍為-9.8～7.5 m（以碼頭面為基準(zhǔn)面計(jì)）。本工程LNG 裝卸臂工作范圍與實(shí)例輸油臂工作范圍基本相當(dāng)，但工作范圍下限略低。經(jīng)詢專業(yè)制造廠家，總體比較而言，LNG 裝卸臂設(shè)計(jì)制造難度略有增加，可在工程實(shí)施階段進(jìn)一步聯(lián)合廠家深化細(xì)化解決。

LNG 船舶基本為固定航線運(yùn)營(yíng)。由于目前尚無5 500～10 000 m3江海直達(dá)小型LNG 運(yùn)輸船實(shí)船，實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)，本工程需定制江海直達(dá)小型LNG 運(yùn)輸船船隊(duì)。為解決大水位差LNG 裝卸臂適應(yīng)性難題，除專門針對(duì)性設(shè)計(jì)LNG 卸料臂外，同時(shí)可將LNG 運(yùn)輸船舶管匯適當(dāng)抬高或設(shè)置高低管匯平臺(tái)。國(guó)內(nèi)已建14 000 m3LNG 船“華祥8 號(hào)”即采用了高低管匯建造方案?！叭A祥8 號(hào)”設(shè)計(jì)船型尺度125.8 m×22.7 m×13.1 m×6.8 m（總長(zhǎng)×型寬×型深×滿載吃水），其下層管匯中心距離主甲板面高度2.4 m，上層管匯中心距離主甲板面高10.4 m。定制船型采用類似高低管匯設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)低水位時(shí)LNG 裝卸臂與上層管匯連接，設(shè)計(jì)高水位時(shí)LNG 裝卸臂與下層管匯連接。該方案可極大地簡(jiǎn)化LNG 裝卸臂設(shè)計(jì)，完美解決大水位差LNG 接卸碼頭裝卸難題。

2.2.2 快速脫纜鉤

長(zhǎng)期以來，長(zhǎng)江中上游地區(qū)油氣化工碼頭均未設(shè)置快速脫纜鉤。根據(jù)JTS 165-5—2021《液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]9.4.3 條：靠泊艙容10 000 m3及以上船舶或裝置的液化天然氣碼頭應(yīng)設(shè)置快速脫纜鉤。通?？焖倜摾|鉤包含大量電氣設(shè)備，不能水下長(zhǎng)期浸泡。為適應(yīng)長(zhǎng)江水位季節(jié)性漲落環(huán)境快速脫纜鉤使用要求，提出一種適應(yīng)全淹沒環(huán)境的可拆卸快速脫纜鉤方案。在水位較高時(shí)，船舶系泊于上層平臺(tái)，拆卸下層平臺(tái)快速脫纜鉤豎向連接軸，使鉤架組合與基座分離。在水位較低時(shí)，將錨鉤、鉤架組件運(yùn)輸至下層系纜平臺(tái)，高壓水槍沖洗基座表面及空洞處泥沙，安裝豎向連接軸，使鉤架組件與基座連接。本方案可良好地解決季節(jié)性水位變化下快速脫纜鉤使用問題。

2.2.3 靠泊輔助系統(tǒng)

海港液化天然氣碼頭通常標(biāo)配靠泊輔助系統(tǒng)，對(duì)于河港液化天然氣碼頭JTS 165-5—2021《液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]并未明確要求?？紤]內(nèi)河LNG 接卸碼頭尚屬起步階段，本工程按較高標(biāo)準(zhǔn)予以配備靠泊輔助系統(tǒng)。通?？坎摧o助系統(tǒng)中激光測(cè)距儀布置于碼頭平臺(tái)兩端用于船舶靠泊速度監(jiān)測(cè)。本工程位于長(zhǎng)江中游，設(shè)計(jì)低水位時(shí)LNG船舶甲板面遠(yuǎn)低于碼頭面，常規(guī)激光測(cè)距儀布置不能滿足要求。為解決大水差靠泊輔助監(jiān)測(cè)，提出一種全自動(dòng)升降導(dǎo)軌式激光測(cè)距儀，將激光測(cè)距儀放置于自動(dòng)升降平臺(tái)固定于垂直導(dǎo)軌上。自動(dòng)升降平臺(tái)根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的離水高度進(jìn)行位置調(diào)整，根據(jù)水位變化保持激光傳感器距離水面在預(yù)設(shè)的高度，另在現(xiàn)場(chǎng)控制箱或軟件系統(tǒng)中可控制傳感器進(jìn)行一鍵回倉，實(shí)現(xiàn)在極端天氣將激光傳感器升到最高位置的保護(hù)倉中。在監(jiān)控期間，傳感器根據(jù)水位的變化調(diào)整激光傳感器的位置，使其一直保持在預(yù)設(shè)的離水高度位置，每次離泊結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)將傳感器返回到保護(hù)倉中。

3 結(jié)語

1） 針對(duì)長(zhǎng)江中游建設(shè)條件，對(duì)LNG 接卸碼頭采用浮碼頭、直立式碼頭結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了詳細(xì)比選研究?？紤]LNG 接收站高可靠性及安全要求，長(zhǎng)江中游地區(qū)LNG 接卸碼頭采用直立式結(jié)構(gòu)形式具有顯著優(yōu)勢(shì)。

2） 本研究提出了長(zhǎng)江中游地區(qū)季節(jié)性大水位差環(huán)境直立式LNG 接卸碼頭關(guān)鍵技術(shù)方案，解決了LNG 裝卸臂適應(yīng)性難題，首次將快速脫纜鉤、靠泊輔助系統(tǒng)應(yīng)用于內(nèi)河油氣化工碼頭。

3） 本研究切實(shí)解決行業(yè)需求，為L(zhǎng)NG 海進(jìn)江奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，推動(dòng)長(zhǎng)江LNG 應(yīng)用發(fā)展，具有良好的應(yīng)用推廣價(jià)值。