中石化天津LNG碼頭方案優化研究

劉東 晏林

摘 要：從通航安全和船舶操縱的角度出發，基于船舶進出港及靠離泊仿真模擬試驗，對LNG碼頭及配套的航道、防

波堤布置提出一些優化建議和方案，供工程設計和海事監管借鑒和參考。

關鍵詞：LNG碼頭 航道 防波堤

近幾年中國進口能源最快捷可行的方式就是通過海岸線由海運進口石油和液化天然氣，中石化天津LNG項目的建設有利于形成京津地區多氣源供應格局，提高該地區供氣的經濟性、安全性和平穩性；有利于滿足環渤海地區對清潔能源需求，保護環境和促進經濟發展。因此，中石化天津LNG碼頭的建設是十分必要和迫切的。

南港工業區概況

1、航道概況

規劃LNG航道有效寬度300m，設計底標高-14.9m，航道方位為270°00′00″～90°00′00″，航道里程延伸至38+000。

2、防波堤概況

目前，港區南北防波堤堤頂間距為1800m，推薦的口門位置距東堤為3000m，目前施工至2000m，原推薦口門內南防波堤轉折處間距1000m隔堤尚未建設。

3、港區水文氣象

港區常風向為S向，次常風向為E向，出現頻率分別為9.89%、9.21%。強風向為E向，次強風向為ENE向，≥7 級風出現的頻率分別為0.32%、1.01%。

能見度＜1km的大霧平均每年為16.6個霧日，霧多發生在每年的秋冬季，每年12月份大霧日約為全年大霧日的30%左右，最長的延時可達24小時以上。按大霧實際出現時間統計，平均每年為8.7天。

LNG碼頭工程區域流場特點如下：① 南港工業區海域潮流表現為與岸線垂直的往復流，港區范圍內口門處漲落潮流速最大，港池內流速相對較小。口門區落潮流速大于漲潮流速。② 從流速分布上看，航道等級提高后口門流速會有所減小，有利于船舶航行。③ 從漲落急時刻的橫流大小分布上看，碼頭區橫流小于0.10m/s。航道中橫流最大處位于防波堤口門附近，但最大橫流不超過0.25m/s。

優化前的LNG碼頭平面布置

LNG泊位碼頭平面布置采用離岸蝶型布置，主要由1座工作平臺、2對靠船墩、4對系纜墩、聯橋及引橋組成。泊位長度為420m，操作平臺尺度為30×15m，高度為12m，采用鋼結構，其上布置有控制室。引橋凈寬為15m，長度為90m。碼頭所有系纜墩布置在同一直線上，并與碼頭前沿線平行。

圖1優化前LNG碼頭平面布置圖

碼頭平面布置適應性分析

1、基于規范的適應性分析

主要研究LNG碼頭水域、航道和防波堤的適應性，優化LNG碼頭、航道及防波堤設計方案，在此主要選取26.6萬m3LNG船舶作為研究對象。

表126.6萬m3LNG船舶尺度

1.1防波堤適應性分析

防波堤作為防護建筑物的基本功能之一就是抵御外海波浪入侵，改善港內水域的泊穩條件。口門寬度是影響掩護效果的一個重要參數。根據布置特點，口門寬度通常包含三個指標值：口門寬度BS、口門有效寬度B0以及安全距離d0。三者之間的相互關系如圖2所示。

圖2口門寬度值示意圖

根據《海港平面設計規范》，口門的有效寬度是指口門垂直于航道軸線方向的寬度；安全距離是指口門有效寬度底邊線至防波堤的距離，應根據堤的結構型式及其安全要求確定。針對防波堤口門區的設計寬度，規范要求防波堤口門有效寬度應為設計船型船舶船長的1-1.5倍。

表2口門有效寬度與船長對比表

由表2可知，規劃防波堤口門有效寬度可以滿足26.6萬m3LNG船安全進出口門的要求。考慮LNG船舶進出港時需要護航，選取兩艘拖輪（6000HP Z型拖輪）在前后護航通過口門時，整體船隊長度約433m，口門寬度/船長約4.2，可以滿足LNG船舶在護航條件下安全通過口門需要。

1.2航道適應性分析

1.2.1航道水深

根據《液化天然氣碼頭設計規范》的要求，液化天然氣碼頭進出港航道設計水深的計算基準面宜采用當地理論最低潮面。設計水深計算中的各項富裕深度應按《海港總平面設計規范》的規定確定。根據《海港總平面設計規范》對航道尺度的要求。

D0=T+Z0+Z1+Z3+Z4

D0－航道通航水深（m）；D－航道設計水深(m)；T－設計船型滿載吃水(m)；Z0－船舶航行時船體下沉值（航速取8節）；Z1－航行時龍骨下最小富裕深度(m)；Z2－波浪富裕深度(m)，取0.9；Z3－船舶裝載縱傾富裕深度，取0.15m；Z4－備淤深度(m)，取0.4m。

表3航道水深計算表（單位：m）

1.2.2航道寬度

根據《液化天然氣碼頭設計規范》要求，液化天然氣碼頭人工進出港航道可按單向航道設計，航道有效寬度應按《海港總平面設計規范》的規定確定，且不應小于5倍設計船寬。航道有效寬度由航跡帶寬度船舶間富裕寬度和船舶與航道底邊間的富裕寬度組成。單向通航寬度按下式確定：

A=n(Lsin?酌+B)

n—船舶漂移倍數；?酌—風、流壓偏角；L—船長（m）；B—船寬（m）。

表4單向通航所需航寬（m）

該工程配套航道設計水深為14.9m，設計寬度為300m，可以滿足26.6萬m3船滿載航行要求。

通過以上分析可知，LNG碼頭配套的航道及防波堤理論上均可滿足26.6萬m3LNG船安全航行及靠離泊要求。下面將采用船舶操縱模擬的手段，從船舶實際操縱的角度進一步分析LNG碼頭及航道、防波堤設施的適應性。

2、船舶仿真模擬試驗

根據工程水域水文、氣象、航道尺度、船舶特征等環境參數，利用全任務大型船舶操縱模擬器對通航環境進行建模，模擬船舶進出港及靠離泊情況。在此選取其中一組模擬試驗結果，具體工況如表3所示。

表5設計船型模擬試驗工況設置表

模擬試驗表明，LNG船進港時，在主航道的船速為6～10節，主航道外段船速一般8～10節，風流壓差約3°～5°，進入防波堤口門前降至5～6節，防波堤航段風流壓差約6°～9°，至防波堤隔堤前降至3節，風流壓差約10°～15°，鑒于進港航道防波堤隔堤的口門區航段為LNG船舶進港的制動段，也是LNG船離泊出港時轉向上線的關鍵航段，LNG船低速狀態下受風影響顯著，建議對進港航道防波堤隔堤的口門區航段進一步拓寬。

根據模擬試驗軌跡分析，除進港航道防波堤隔堤的口門區航段外，航道設計有效寬度300m滿足規范對設計船型單向通航的要求，LNG船舶在進港航道防波堤隔堤的口門區航段的船位橫向偏移范圍距離航道軸線約左、右各增加了1倍船寬，縱向偏移范圍在防波堤隔堤前、后各為1.5倍船長。

工程優化方案

1、防波堤處航道優化方案

根據前面模擬試驗可知，在LNG船舶進出港尤其是離泊通過口門過程中，船舶由于受風面積較大，且離泊時速度低舵效差，容易導致很大的風致漂移量尤其是受到西北風的情況下，LNG船舶在口門附近右轉進入航道操作難度很大，進入航道過程中極易受風的影響駛入港池和航道的外側導致擱淺事故。建議將LNG泊位港池的東北端口門附近水域適當加寬疏浚，將疏浚點D延伸到E點，共350m。

2、LNG碼頭優化方案

基于模擬試驗結論，在現有平面布置下，LNG船舶掉頭靠泊時轉角過大，船舶操縱難度較大，建議將碼頭位置前移190m，同時調整了預留泊位及工作船泊位位置。

另外，鑒于碼頭布置在非港池水域，同時考慮將碼頭進一步前移的難度。該工程還可不前移碼頭位置，將碼頭兩側水域進行浚深，增加船舶進港掉頭可利用水域，可達到減小船舶進出港操縱難度效果。同時，為便于LNG船舶在緊急情況下能及時撤離碼頭，建議將碼頭方向朝南北向調整。

（第一作者單位：中國石油化工股份有限公司天然氣分公司）