基于单点系泊的LNG船过驳新型作业模式

徐 磊，付博新，廖 勇，黄 威

(1.中交城乡能源有限责任公司，北京 100070；2.中交水运规划设计院有限公司，北京 100007；3.中国石油工程建设有限公司西南分公司，成都 610041)

LNG海上运输是LNG进口的一个重要环节，直接影响供应的稳定性与消费的经济性，随着LNG这种清洁能源在我国能源领域占有率的不断提高，越来越多的LNG通过船舶运输进口至我国。船对船过驳作业是一种在海上进行货物装卸的作业方式，在新形势下，采用LNG海上过驳的方式是解决逐年增加的LNG码头建设需求与港口岸线集约化开发利用矛盾的有效途径，既能满足日益增长的LNG运输需求，又能在国家对于现有存量岸线的新要求下，优化和减少对岸线资源的利用，一举多得，可以预见船对船过驳这种作业方式将会越来越多的得到应用。

国际上大宗液体散货危险品的船对船过驳作业操作复杂，风险性大，是公认的高难度作业，尤其是对于温度为-162℃的LNG而言。当前，采用传统方式进行船对船过驳作业，与原油相比，LNG对过驳船舶相对六个自由度的运动有着更高的要求，所以在开展作业前必须对可能造成作业危险的安全问题进行系统分析，并且做好充分的作业准备，以保证船对船过驳作业的安全，这对建设条件和作业条件有着近乎苛刻的要求。

为了适应前述大型LNG船舶海上过驳要求，更好的保障过驳作业安全，本研究提出一种基于单点系泊的LNG船过驳新型作业模式。

1 相关技术背景介绍

1.1 LNG海上过驳

过驳作业是常见的散货船舶倒运方式，同时，海上油品过驳也是世界公认的高风险作业。《船对船石油过驳安全作业要求》[1]中过驳作业的定义为：在船与船旁靠的情况下，将石油从一艘船舶输送到另一艘船舶所进行的一系列作业。传统过驳作业模式一般是大船停靠码头、浮筒、装卸平台或锚地，用驳船或其他小船倒运货物。

传统的LNG过驳作业通常有一艘卸载LNG的卸货船，另有一艘接收LNG的受货船，一般卸货船为锚泊船，受货船为机动船。受货船通常为新建或又由旧船改造的浮式LNG接收终端FSRU(Floating Storage and Re-gasification Unit)，其最大特点是在FSRU船上实现了再汽化功能，可替代陆上接收站，输送天然气至陆上管网并提供给用户。受货船与卸货船通过不同方式联通，LNG通过卸载臂或软管在船间传送。LNG海上过驳运输主要分四种类型，分别为单点艉靠、多点旁靠、码头单侧旁靠、码头双侧(或临近泊位)靠泊，见图1。传统的LNG海上过驳的优势与劣势对比见表1。

1-a 单点艉靠1-b 多点旁靠

1-c 码头单侧旁靠1-d 码头双侧(或临近泊位)靠泊图1 常见的LNG海上过驳类型Fig.1 Common types of LNG offshore transfers

表1 传统的LNG海上过驳的优势与劣势Tab.1 Advantages and disadvantages of traditional LNG offshore transfer

1.2 单点系泊系统

交通运输部《油轮单点系泊作业安全要求》[2]中对单点系泊的定义为：在海上凡允许系泊船舶随着盛行风和海况的变化而围绕着单个系泊点作风向标自由回转，从而不断地处于风、浪、流合阻力最小位置的系泊设施，可为固定式或浮式结构，通过刚性或铰接结构或悬链系泊系统固定在海上。

单点系泊是液体散货船舶的一种装卸作业方式，是指船舶通过单点形式系泊在一个固定式或浮式结构物上，船舶围绕该结构物可以随风浪流作360°回转，由于风标效应，被系泊船舶将会停泊在环境力最小的方位上[3]，典型构成见图2。与固定式的码头相比，它最大的特点是系泊方式是“点”系泊，就是说超大型油船可以将其系泊于一个“点”上然后进行卸货操作，技术优势与劣势对比见表2。单点系泊系统从20世纪50年代后期开始发展，已经成为广泛使用的一种海上系泊油轮和输送流体货物的方式[4]。

表2 与固定式码头相比，单点系泊的技术优势与劣势Tab.2 Compared with fixed piers,the technical advantages and disadvantages of single-point mooring

液体散货(包括LNG)单点系泊与系船浮筒锚地类似，根据对宁波-舟山港和广州港的调研，系船浮筒锚地的设计环境条件与使用要求有关。例如：舟山港的浮筒锚地用于抗台，使用风速为不大于12级风；广州港系船浮筒锚地用于旁靠过驳，使用风速为不大于5级；表3中单点系泊的作业标准来源于广东茂名30万t级单点系泊工程操作指南[5]，对应其系泊和装卸要求风速不大于6级，离泊要求风速不大于8级。因此液体散货单点系泊与系船浮筒锚地的使用环境条件应根据系船浮筒系统的具体使用要求确定，并按照使用要求设计系船浮筒系统结构，与船型大小也有着密切关系，必要时应通过试验研究确定，系船浮筒系统的系泊试验手段包括数学模型模拟、物理模型试验和原型观测等[6]。

图2 悬链锚腿型单点系泊系统的总体示意图Fig.2 General layout of CALM single point mooring

表3 固定式码头与单点系泊方式作业限制条件标准比较Tab.3 Comparison of operating restriction standards between fixed wharf and single point mooring

当前有关LNG船舶和码头的相关研究热点多集中在通航[7-8]和系泊[9-11]方面，而鲜有LNG船舶过驳的相关研究。包括LNG船在内的液体散货船过驳作业基本是采用大小船紧靠系泊的方式，国内外现行的行业标准[12-14]、作业指南[1,2,15-17]、相关著作和已有研究[18-21]都是基于上述方式。通过前述的深入分析，面对可能遇到的技术问题，本研究将传统过驳方式与单点系泊相结合，取长补短、创新性的提出基于单点系泊LNG海上过驳作业模式。

2 设计方案

采用传统的单点系泊与过驳方式进行结合的方式，该作业系统由多个单点系泊子系统构成，通过海底管线使得各子系统连通，各个单点系泊子系统均按对应的船舶吨级大小的锚地锚位进行布置，布局方式可采用放射状也可采用干支状。可通过大船向小船泵入液体物料，也可反向输送，可一艘大船对多个小船同时作业，实现过驳作业要求。

2.1 水域选址原则

新模式下开展的过驳作业所需水域与锚地布置类似，在水域选址及船舶锚位布置时，所占水域规模和锚位数量应根据到港船型及其密度、港口生产组织和水域自然环境等因素综合确定。考虑到本研究所述LNG属危险品运输，参照危险品锚地的相关要求，建议设置专用过驳作业水域，不宜与其他锚地共用水域，并应与其他锚地及水陆域设施保持安全距离。

本研究所用的专用过驳作业水域位置应选在靠近港口、天然水深适宜、海底平坦、锚抓力好、水域开阔、风、浪和水流较小，便于过驳作业前后小船进出航道，且在临近海底管线的水域布设锚位时，应与之保持一定安全距离。

2.2 系统构架

本研究将通过例子并参照附图的方式说明，其中图3是新模型下过驳作业大船倒小船的系统示意图，基于单点系泊的液体散货船舶过驳作业系统模式，包括：

大船1：承装LNG的大型船舶。

小船2：承装LNG的小型船舶。

旋转头3：连接浮筒固定部分与转动部分，为液流态货物的装卸提供单一或多管道通道的部件。

海底管汇5：由连接海底管线和水下软管等多根管道交汇而成的并固定在海床上的组合体。

水下软管6：连接单点系泊浮筒和海底管汇的软管组。

漂浮软管7：连接旋转接头输LNG装卸臂与系泊LNG船舶管汇的自由漂浮在海面上的软管组。

值得注意的是，在不需要改变系统构架的情况下，大船倒小船的逆向输送即可实现小船倒大船；海底管汇非必需，通过水下软管直连也可实现该模式的功能。

2.3 布局方式

本研究可采用如图4的两种布局方式，分为放射状布局和干支状布局两种，其特点如下：

图3 LNG过驳作业新模式下系统构架示意图Fig.3 Schematic diagram of the system architecture under the new mode of LNG transfer operation图4 LNG过驳作业系统在新模式下的两种布局方式Fig.4 Two layout methods of LNG transfer operation system under the new mode

放射状：采用中心向四周发散的方式，大船单点系泊(图中方块)与小船单点系泊(图中圆圈)通过海底管汇或水下软管(图中双向箭头)直连，其显著特点是有效节省海底管汇和水下软管的长度，相比干支状布局由于管线较短，传输效率较高，尤其适用于传输过程中对保冷要求较高的LNG，有利于节约管线造价。

干支状：一般情况下，近岸水浅、远岸水深，因此大船布置在远岸一侧，小船视吨级大小布置在近岸一侧，采用主干与分支的布局方式，大船单点系泊与小船单点系泊通过海底管汇或水下软管干管和支管连通，其显著特点是充分利用水下地势，相比放射状布局离岸更近，可节省小船的航程，但水下管汇和软管相对较长，传输效率较低。

2.4 平面布置

每个单点系泊锚泊点的布置可参照《海港总体设计规范》(JTS165—2013)[12]锚地计算进行设计，对于油船和危险品船舶应设置专用锚地或专用泊位。锚地规模可根据反映船舶到港规律的排队论模型或其他数学模拟的方法推算。根据该规范要求，油船等液体化工品锚地，除考虑单船的回旋半径外，尚应考虑其他船进出锚地时的航行安全需求。采用本研究的海上油品过驳方式时，锚地布置型式可按照图5所示方式进行布置。

过驳平面方案采用放射状布局，大船单点系泊锚位布置于锚地中间，小船单点系泊锚位布置在外侧周边，并根据规范要求预留2～3倍大船设计船宽的船舶航行通道，作为大船进出以及浮筒等设备的维修通道。大小船系泊浮筒间通过海底管汇或水下软管直连，能有效节省海底管汇和水下软管的长度。

5-a 放射状 5-b 干支状图5 单点系泊过驳作业锚泊水域布置平面图Fig.5 Layout plan of mooring water area for single-point mooring transfer operation

过驳平面方案采用干支状布局，大船单点系泊锚位布置在锚地一端，小船单点系泊锚位布置在上下两侧，上下两排锚位间根据规范要求布置2～3倍设计船宽的船舶航行通道，作为船舶进出以及浮筒等设备的维修通道，浮筒间通过海底管线进行连接，能够最大限度的利用锚地空间。

2.5 技术特点分析

对应前述过驳作业和单点系泊的特点，本研究很好地继承了两种方式的优点，前述存在的缺陷也得到很好的解决，论述如下：

(1)港口的可持续发展与海岸线保护相适应的问题。

在新模式下，大船与小船在外海进行过驳作业前或作业后，小型船舶仍需在近岸固定码头进行常规装卸作业，适用于水浅滩长或中小型规模的港区，一方面无需大规模建设防波堤形成掩护水域和开挖深水航道，另一方面也满足了港区扩大LNG水运业务发展的需要，很好地化解了港区发展与海岸线保护的矛盾。

本研究提出的新模式，首先，既可以很好地满足LNG能源需求的增长，保障能源转型和能源安全，保证港口行业的发展建设需要，同时缓和了传统港口开发建设方式与海岸线保护之间的矛盾，更有利于可持续发展；其次，可引导现有存量岸线通过功能调整、升级改造、优化布局、重新开发等方式来提高岸线利用率；第三，是新的岸线资源开发利用模式的创新之举，与国家日趋严格的岸线准入管理政策相适应，充分响应国家对有限的岸线资源朝着更加集约、高效、现代化方向开发的指导思想。

(2)过驳作业方面。

①新模式继承了前述单点系泊对作业条件要求较宽泛的优点，在外海相对恶劣的自然条件下可开展作业。

②新模式按外海锚地锚位布置，过驳船舶之间有足够的安全间隔，大大降低了传统LNG船靠船过驳作业中的危险性。

③新模式按锚地锚位布置，过驳船舶之间有足够的安全距离，便于应急处置，大大降低了交通事故的风险。

(3)单点系泊方面。

①新模式下，取消了水陆域连通的海底管线，即便增加了若干子系统锚位之间的管线，也远小于传统单点系泊水陆域连通海底管线的长度，将影响范围缩小到远离陆域的局部海域，有利于降低对陆域的安全风险，并能做到集中控制。

②LNG是一种无臭、无味、无毒、透明的燃料，一般以低温(零下162℃)常压条件下储存和运输。在新模式下，一旦船舶发生海上泄漏，常温下极易蒸发，汽化气体比空气轻，极易产生燃烧爆炸性蒸气，虽危险性高，但LNG及汽化气体基本不会造成环保危害和环境负担。

③新模式取消了长距离海底管线后，大船与小船之间的传输效率虽不及传统过驳作业旁靠方式，但传输距离远远小于传统单点系泊水陆域之间方式，压力损失小，无需加装接力泵，船与船之间物料输送的效率依然可以处于较高水平。

④新模式下，单点系泊具有可以移动、可以重复使用等特性，一旦遭遇大规模极端天气，可增加防护措施或将装置移走避险。此外，因其可移动的特性，可用于季节性调峰使用，比如冬季布设在中国北方海域用于寒冷季节的取暖燃料供应，夏季布设在中国南方海域用于解决炎热季节的用电高峰问题。

2.6 技术应用的经济性分析

从经济性角度分析此技术的适用条件，此技术的应用有别于传统LNG接收站管道运输或公路倒运的方式，将会增加LNG船舶二次转水的运输成本。因此，此技术应用主要适用于LNG水水中转码头以及航道、码头、罐区、陆域等基础设施条件不能满足LNG装卸作业需要的港口。应用此技术的经济性主要来自以下四个方面：

(1)提高作业效率。该模式可实现船-船转卸时多条LNG船舶同时作业，大大提高港口中转作业效率，减少船舶在港时间；作业效率的提高，将有效降低船舶待泊时间，缓解港口拥挤。

(2)节约土地及岸线资源。该模式主要在港口水域完成作业，对岸线和陆域需求较小，有效节约了国家土地和岸线资源，提高了资源的使用效率。

(3)减少建设和运营成本。该模式实现船舶作业主要在水域完成，采用直取模式转运，对罐区等仓储需求、码头及后方配套设施的需求降低，可降低港口建设成本；同时，作业空间和管理环节减少，或将降低管理和作业对用工的需求，降低运营期成本费用。

(4)受自然条件影响较小。该模式将利用广泛的自然水域空间作业，受航道、锚地、岸线、陆域、泊位水深等码头自然条件影响较小，泊位建设时可根据需要海向发展，泊位对船舶吨级、到港艘数等靠泊作业需求的适应性将会有较大提升。

因此，对于港口作业繁忙、船舶等待时间较长、岸线及陆域资源有限、基础设施建设成本较高、受自然及港口基础设施条件影响较大，但LNG运输和二程转运需求较大的港口，应用此技术的经济性较为明显。

3 可参考的技术标准

系统梳理了该新型过驳作业模式可参考的相关标准、规范、法规及操作指南，如表4所示。

从表4看出，上述规范标准基本覆盖了本研究提出的LNG海上过驳新型作业模式所涉及的技术细节，因此，本研究所应用到的技术手段和设备设施较为成熟，在实践层面是可行的、拥有好的应用前景。

表4 可参考的相关标准、规范、法规及操作指南Tab.4 Relevant standards,specifications,regulations and operating guidelines

4 结论

(1)对传统的LNG海上过驳和单点系泊系统进行分析，并对各自的特点、优势、劣势及可借鉴之处进行梳理。

(2)提出一种基于单点系泊的LNG船过驳新型作业模式，将传统的单点系泊与过驳方式进行结合，优势互补，该模式具有作业高效、安全可控、环境友好、资源节省等特点。

(3)系统梳理了相关标准、规范、法规及操作指南，基本覆盖了本研究所涉及的技术细节，所应用到的技术手段和设备设施较成熟，在实践层面是可行的，有较好的应用前景。