开敞式液化天然气泊位平面布置优化

董焱赫，马林，杨学斌

（中交水运规划设计院有限公司，北京 100007）

1 工程概况

1.1 工程背景

随着天然气市场需求的大幅增长，为进一步提高渤海地区LNG接收站冬季调峰和应急供气能力，有效缓解京津冀地区冬季天然气供应不足的问题，渤海湾一系列液化天然气码头进入谋划和建设阶段，大部分位于开敞水域。

本文拟建LNG码头地处唐山港曹妃甸港区，位于已建中石油LNG码头东侧，设计船型为3万～26.6万m3LNG船，码头采用蝶形布置形式，通过长约2.4 km引桥与陆域罐区衔接。

根据JTS 165—2013《海港总体设计规范》及JTS 165-5—2016《液化天然气码头设计规范》，开敞式液化天然气码头平面布置应综合考虑工程区域的水深、地形、风、波浪、潮流、泥沙等自然条件以及设计船型、装卸工艺等需求。结合上述原则，本文结合数学及物理模型试验，对拟建液化天然气码头的轴线方位、泊位长度、系缆墩布置等进行了分析。

1.2 自然条件

1）设计水位

设计高水位2.91 m；设计低水位0.53 m；极端高水位4.46 m（重现期50 a），4.58 m（重现期100 a）；极端低水位-1.27 m（重现期50 a）。

2）风

曹妃甸海区常风向为SSW向，频率为10%，次常风向为ENE和SSE，频率9.0%，强风向为ENE，最大风速为25 m/s，次强风向为NE，最大风速为21 m/s，全年各向平均风速为5.3 m/s。工程区域重现期100 a的10 min平均最大风速20.475 m/s（风力8级），重现期50 a的10 min平均最大风速19.383 m/s（风力8级）。

3）设计波浪

码头区域，最大波高为E向波，重现期100 a极端水位下重现期100 a的最大波高H1%为6.54 m，波周期为8.6 s；重现期50 a极端水位下重现期50 a的最大波高H1%为6.17 m，波周期为8.1 s；设计高水位下重现期2 a的H4%波高为2.43 m，波周期5.4 s。

4） 潮流

工程区域海域以往复流为主，甸头两侧沿顺岸方向或沿等深线方向流动，根据潮流观测资料及走航测量，涨潮期间工程区域各站最大流速及对应流向分别为0.99 m/s和245°，落潮期间各站最大流速及对应流向分别为0.98 m/s和63°，涨潮期间各站最大平均流速及对应流向分别为0.55 m/s和236°，落潮期间各站最大平均流速及对应流向分别为0.58 m/s和76°。

2 码头走向

LNG船相较于油船、散货船等货运船舶，在相同尺度下船舶总重较轻，更易受横风及横流的影响[1]。码头轴线宜与风、浪、流主导方向一致，并应与航道、港池、接岸建筑物布置相协调。

结合实测潮流成果及潮流数值模拟，已建LNG码头前沿水流较为顺直，在码头后方，水流逐渐向东北偏转，如考虑拟建LNG泊位后移（如图1所示），虽然可以减小栈桥及管道投资，但疏浚量较大；且同一方位角上水流并不平顺，码头前沿横流较大，同时造成多个泊位不在同一轴线情况，对船舶操纵形成困难。考虑通航安全性及码头前沿流场，本工程轴线拟与已建LNG码头平齐，轴线为 68°～248°。

图1 码头平面布置图Fig.1 Layout plan ofterminal

对工程前后潮流场模拟可知，工程前，泊位前涨潮期间最大流速为0.88～0.90 m/s，流向为243°；落潮期间最大流速为0.99～1.00 m/s，流向为61°～62°。从流向来看，与码头走向夹角较小，在10°以内。工程后，泊位前涨潮期间最大流速为0.59～0.62 m/s，流向为 236°～239°；落潮期间最大流速为 1.02～1.04 m/s，流向为 66°～67°。从流向来看，与码头走向夹角最大为12°。

3 泊位长度

开敞式液化天然气码头泊位长度应使主力船型达到最优系泊作业条件，同时满足其他设计船型的系泊要求。根据《液化天然气码头设计规范》，泊位长度不应小于1倍设计船长，可按1.0～1.2倍船长估算。本工程最大船型为26.6万m3LNG船，船长345 m，泊位长度取值介于345～414 m。

根据克拉克松所统计的在役和订单船舶数量，至2022年，舱容14.7万～17.5万m3LNG船将达到84.5%（约560艘），将成为绝对主力的运力，而21.7万～26.6万m3LNG船不再有建造订单，将维持目前规模，故本工程泊位长度将基于17.5万m3LNG船型分析，该船型总长为290 m。

为进一步研究泊位长度，本工程开展系泊物理模型试验研究工作，选取已建中石油LNG码头的400 m长泊位方案与360 m短泊位方案进行对比，工作平台及靠船墩高程为10.5 m，系缆墩高程为9.5 m。结合工程区域自然条件及LNG船作业标准，试验采用外部动力因素如表1及图2所示。缆绳采用44 mm直径HMPE缆绳进行试验，其最小破断力为1 370 kN，根据国际航海协会要求，单根缆绳所受最大拉力应小于50%最小破断力，即685 kN。为使缆绳具有足够的附加变形，HMPE缆绳常与尼龙尾锁组合使用。2种泊位长度下的带缆方式均为2∶2∶2∶2，船舶系缆方案如图3所示。

表1 风、浪、流作用表Table 1 Wind,wave and currentcondition

图2 17.5万m3LNG船系缆平面布置图及外部动力要素示意图Fig.2 Layoutplan ofmooring and externalload elements of175 000 m3 LNG carrier

图3 长泊位及短泊位17.5万m3LNG船舶系泊状态Fig.3 Mooring status of175 000 m3 LNG carrier in long berth and shortberth

以正常运营工况为例，不同码头长度下运动量及缆绳张力如表2及表3所示。

表2 不同码头长度下运动量对比试验结果（17.5万m3LNG船）Table 2 Testresults ofmotion under differentterminal lengths(175 000 m3 LNG carrier)

表3 不同码头长度下缆绳张力对比结果（17.5万m3LNG船）Table 3 Results ofcable tension under differentterminal lengths(175 000 m3 LNG carrier)kN

通过表2及表3结果可以得出，短泊位方案时，同等工况下船舶的横移和回转有所降低，表中所示横移平均降幅达到21.6%，回转平均降幅达到50%，纵移、升沉、纵摇和横摇运动量变化不大。短泊位方案时，船舶艏、艉部横缆间受力不均匀性略有改善，艏缆和艉缆的张力较长泊位方案时增大。

上述试验结果表明，短泊位方案限制船舶横移运动方面占优[2]，作业条件较好；长泊位方案在最大缆力方面略占优，安全系泊条件较好，长短泊位方案均能满足最大缆力要求。由图3可知，短泊位方案下缆绳长度明显减小（倒缆除外），减幅可达25%～38%，360 m泊位长度方案下各缆绳间的长度不均匀系数明显减小。

综上，短泊位方案在缆力均匀分布、改善横缆受力及改善船舶运动量方面均有较好效果，故本工程采用泊位长度360 m（码头结构长度为372 m）的系缆墩布置方案。

4 系缆墩平面布置研究

合理的系缆墩布置应使缆绳尽量等长，缆力分布均匀[3]。对比码头设计规范[4-5]、英国规范和OCIMF（石油公司国际海事论坛）标准[6]，系缆角度及缆绳长度要求如下。

英国规范建议船舶纵向荷载主要由倒缆承担，横向荷载主要由横缆约束，艏、艉缆、横缆与船舶轴线最佳角度为75°～105°，最佳缆绳长度在35～50 m。OCIMF规范与英国规范建议基本一致，认为船舶应尽量在自身长度范围内进行系泊。

根据《海港总体设计规范》，艏艉缆的水平系缆角度不宜过小，可取45°～75°，横缆与码头前沿线夹角可以取75°～105°，艏艉缆长度可取35～60 m，横缆长度可取30～50 m，倒缆长度可取30 m左右，各缆绳与水平面夹角可取0°～30°。

由于本工程设计及兼顾船舶船长介于185～345 m之间，为满足各种船型的系缆要求，每个泊位设置系缆墩6座，系缆墩以工作平台为中心对称并后退布置（图4）。

计算采用英国“OPTIMOOR Mooring Analysis Computer Program”进行分析确定。计算船型为26.6万 m3LNG 船（带缆方式为 3∶2∶3∶2）及 17.5万m3LNG 船（带缆方式为 2∶2∶2∶2）。计算工程按照正常运营最不利工况（表4）。

在前述长短泊位系缆墩布置对比分析结论的基础上，开展端部系缆墩平齐与端部前移布置对比分析[7-11（]表 5）。

图4 端部系缆墩前移/平齐计算简图（26.6万m3LNG船）Fig.4 Calculation diagram offorward/leveling arrangementofend mooring dolphin(266 000 m3 LNGcarrier)

表4 Optimoor缆力计算工况Table 4 Optimoor mooring force calculation conditions

分析表5计算结果：端部系缆墩平齐和前移计算结果相差不大，均能满足设计要求，其中对于26.6万m3LNG船舶，端部系缆墩平齐方案较前移方案最大缆力有优化；对于17.5万m3LNG船舶，两个方案缆力基本相同。综合考虑泊位靠泊不同船型的适应性，同时避免最大设计船型靠泊作业时，艏艉缆过短，本工程采用端部系缆墩平齐的平面布置方案。

5 结语

1）通过对现有及订单LNG船型进行分析，舱容14.7万～17.5万m3LNG船将成为未来的绝对主力船型，在进行开敞式LNG码头总平面布置分析时，应优先满足主力船型的最优靠泊条件，在此基础上，通过优化系靠墩布置，进一步满足最大及最小兼靠船型的系靠需求。

2）LNG船相较于油船、散货船等货运船舶，在相同尺度下船舶总重较轻，更易受横风及横流的影响，开敞式LNG泊位的码头走向确定尤为重要，码头轴线应与风、浪、流的主导方向一致。在开展轴线研究时，应开展工程区域的潮流、波浪的水文测验及数值分析，必要时开展走航试验进一步验证。

3）通过系泊物理模型试验研究，短泊位方案在缆力均匀分布、优化横缆受力及改善船舶横向运动量方面均有较好效果，既可满足主力船型靠泊最优布置，又能满足最大船型系靠泊需求，同时节约岸线长度。

4）利用Optimoor软件对系缆墩布置形式进行了针对性的计算研究。通过模型模拟分析得出，对于开敞式码头，系缆墩平齐布置对于降低最大设计船型断缆风险、均衡缆绳张力、控制船舶横向运动有更好的效果。