天津港LNG碼頭工程平面布置對(duì)通航條件影響研究

孔憲衛(wèi)，李華國(guó)，李曉松，王貫明

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；2.中國(guó)遠(yuǎn)洋散貨運(yùn)輸有限公司，天津 300010）

天津港LNG碼頭工程平面布置對(duì)通航條件影響研究

孔憲衛(wèi)1，李華國(guó)1，李曉松1，王貫明2

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；2.中國(guó)遠(yuǎn)洋散貨運(yùn)輸有限公司，天津 300010）

用船舶操縱模擬器結(jié)合水流數(shù)學(xué)模型對(duì)天津港LNG碼頭工程的平面設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了研究，結(jié)果表明設(shè)計(jì)方案下代表船舶在設(shè)定條件下模擬過(guò)程中出現(xiàn)了擱淺事故，設(shè)計(jì)方案的通航條件不滿足設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化方案增加了港池水域的面積，增大了船舶的活動(dòng)范圍，代表船舶在各設(shè)計(jì)條件下均能夠順利進(jìn)出碼頭。

船舶操縱模擬器；平面布置優(yōu)化；天津港LNG碼頭

Biography：KONG Xian?wei（1981-），male，assistant professor.

天津港LNG（液化天然氣）接收終端項(xiàng)目位于天津港南疆港區(qū)南側(cè)岸線東部，距離大沽口港區(qū)口門(mén)僅有3 km，船舶利用大沽沙航道進(jìn)出港。工程新建LNG泊位兩個(gè)，泊位長(zhǎng)度均為400 m，旋回圈直徑為865 m，為最大設(shè)計(jì)船型長(zhǎng)度的2.5倍［1］。

港口碼頭建設(shè)時(shí)，進(jìn)出港安全一直是人們關(guān)注的最重要的問(wèn)題，尤其是對(duì)危險(xiǎn)性極高的LNG碼頭。天津港為人工開(kāi)挖的港口，港口水域?qū)挾仁芟?，工程水域總平面形式如何布置，?duì)航行安全的影響很大，必須進(jìn)行深入研究。本文通過(guò)水流數(shù)學(xué)模型結(jié)合大型船舶操縱模擬器的手段對(duì)該項(xiàng)目的水域平面布置形式進(jìn)行論證，提出了通航條件更優(yōu)的平面布置方案，并在設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用。

1 工程水域通航條件概述

1.1 工程港區(qū)形勢(shì)

本工程位于天津港南疆南側(cè)岸線東端，工程周圍碼頭位置關(guān)系如圖1所示，距離擬建工程最近的南疆南側(cè)碼頭是正在施工的圣翰石化儲(chǔ)運(yùn)碼頭，約7 000 m；距離大沽口港區(qū)最近的碼頭是2、3號(hào)糧油碼頭，約6 500 m；距天津港30萬(wàn)t油碼頭位置約2 300 m；碼頭前沿線距離10萬(wàn)t級(jí)大沽沙航道為600 m，距離漁船航道約500 m。工程布置滿足《液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.3.3“液化天然氣泊位與液化石油氣泊位以外的其他貨類泊位的船舶凈距不應(yīng)小于200 m”的要求［1］。

1.2 風(fēng)

根據(jù)天津塘沽海洋站2009～2011年每日24次風(fēng)速、風(fēng)向觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)：常風(fēng)向?yàn)镹NW向，次常風(fēng)向?yàn)閃向，出現(xiàn)頻率分別為8.69%、8.55%。強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镋向，次強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镋NE向，該向≥7級(jí)風(fēng)出現(xiàn)的頻率分別為0.06%、0.02%，詳見(jiàn)圖2風(fēng)玫瑰圖。根據(jù)《液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》，靠離泊過(guò)程中允許作業(yè)的最大風(fēng)速為15 m/s（七級(jí)），影響LNG船舶作業(yè)的天數(shù)在10 d之內(nèi)，風(fēng)對(duì)LNG船舶通航的影響較小。

圖1 工程形勢(shì)圖Fig.1 Sketch of the project

1.3 能見(jiàn)度

根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)：能見(jiàn)度＜1 km的大霧多年平均為16.6個(gè)霧日，霧多發(fā)生在秋冬季節(jié)，日出后很快消散。每年12月為全年大霧出現(xiàn)最多月份，最長(zhǎng)延時(shí)可達(dá)24 h以上。根據(jù)《液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》，靠離泊過(guò)程中允許作業(yè)的能見(jiàn)距離為1 000 m，影響LNG船舶作業(yè)的天數(shù)較少。

1.4 冰況

渤海灣常年冰期約為3個(gè)月（12月上旬至次年3月初），初冰日在12月下旬，終冰日在2月下旬，總冰期約60 d。嚴(yán)重冰期年平均僅為10 d，其中1月中旬至2月中旬冰況最嚴(yán)重，正常年份海冰對(duì)港口營(yíng)運(yùn)影響不大。

特殊年份，海冰對(duì)港口營(yíng)運(yùn)影響較大，如2010年，受海冰影響，天津港錨地水域多次出現(xiàn)航標(biāo)移位、大船走錨、主機(jī)故障及航行困難等險(xiǎn)情、事故。但大沽沙航道及港池水域受冰危害較天津港主航道及錨地水域小，其原因一是天津港的海冰主要來(lái)源于漢沽、北塘的淺灘海域，由于天津港防波堤的阻擋，處于南側(cè)的大沽口港區(qū)受海冰影響??；二是大沽沙航道軸線與潮流流向夾角較小，海冰對(duì)船舶航行影響較小。

本項(xiàng)目碼頭位于天津港南疆港區(qū)東南部。一般年份，海冰對(duì)船舶航行和港區(qū)作業(yè)影響較小。極端低溫天氣發(fā)生時(shí)，航道港池將可能出現(xiàn)冰封，采取一定的破冰措施可以基本消除對(duì)LNG船舶通航的影響。

圖2 風(fēng)玫瑰圖Fig.2 Wind rose

1.5 潮流

水流模型實(shí)驗(yàn)研究表明，該海域潮流主要具有如下特征：（1）工程所在海區(qū)屬弱流區(qū)，外海潮流運(yùn)動(dòng)基本遵循漲潮流速大于落潮流速的規(guī)律；（2）近海潮流基本屬于往復(fù)流性質(zhì)且流向較為集中，漲潮流向W—NW，落潮流向E—SE；（3）工程后，碼頭前沿流速漲潮條件下最大流速為0.405 m/s，落潮條件下最大流速為0.27 m/s；（4）大沽沙航道的走向與潮流向基本一致，碼頭前沿橫流較小。碼頭前沿的最大橫流為0.1 m/s；（5）工程后航道內(nèi)最大流速為0.7 m/s，出現(xiàn)在口門(mén)處，流向與航道基本平行。

根據(jù)《液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》，航行過(guò)程中允許順流流速為2.5 m/s，允許橫流流速為1.5 m/s；靠離泊過(guò)程中允許順流流速為1.0 m/s，允許橫流流速為0.5 m/s，因此潮流對(duì)LNG船舶的作業(yè)無(wú)影響。

1.6 工程水域船舶交通流量

選取大沽口港區(qū)口門(mén)門(mén)線對(duì)該區(qū)域的船舶交通流量進(jìn)行分析，該門(mén)線2009、2010、2011 3 a的船舶交通流量分別為6 015艘、3 992艘、5 012艘，3 a日平均流量為13.7艘。根據(jù)到港船舶統(tǒng)計(jì)分析，到港船舶主要是貨船占31.5%，油船占16.6%，非運(yùn)輸船舶占51.9%。非運(yùn)輸船舶主要是施工船和漁船，其活動(dòng)具有如下特點(diǎn)：

（1）船舶吃水較淺，航線多選擇在大沽沙航道外側(cè)，進(jìn)出口門(mén)時(shí)經(jīng)常橫穿大沽沙航道，和航行于大沽沙航道的船舶構(gòu)成交叉會(huì)遇態(tài)勢(shì)。（2）航經(jīng)該水域船舶狀況、技術(shù)水平和操縱性能等差異極大，航行中易相互影響而引發(fā)事故，通航環(huán)境復(fù)雜。（3）漁船活動(dòng)帶有很強(qiáng)的季節(jié)性，漁船出海頻繁時(shí)段2～5月，9～12月。天津港附近水域休漁期為每年6月1日～9月1日，此時(shí)間內(nèi)基本沒(méi)有漁船進(jìn)出。

LNG船舶進(jìn)出港靠離泊過(guò)程中受施工船和漁船的影響較大，須采取交通安全監(jiān)管、護(hù)航等安全保障措施確保安全。

2 碼頭水域平面布置方案

本工程為專業(yè)化LNG泊位，LNG泊位等級(jí)按照最大靠泊26.6萬(wàn)m3的LNG船進(jìn)行設(shè)計(jì)，碼頭長(zhǎng)度為850 m，設(shè)計(jì)方案的平面布置形式如圖3所示，碼頭方向（以正北方向?yàn)?度）為107°，港池北邊界方向?yàn)?48°，口門(mén)內(nèi)航道為109°，口門(mén)外航道為126°。船舶回旋水域位于碼頭前沿，其直徑為865 m。

根據(jù)設(shè)計(jì)單位的要求，碼頭水域平面布置方案應(yīng)滿足以下要求：（1）應(yīng)滿足船舶安全航行與靠離泊作業(yè)的要求；（2）應(yīng)有利于維持港區(qū)水深,減少淤積,降低港口維護(hù)疏浚量；（3）在滿足國(guó)內(nèi)規(guī)范、規(guī)程的前提下，充分參考國(guó)內(nèi)外LNG碼頭成功經(jīng)驗(yàn)，以確保碼頭的安全性和適用性。

用水流數(shù)學(xué)模型結(jié)合船舶操縱模擬器進(jìn)行通航條件研究及港口水域平面布置形式優(yōu)化被證明是一種有效的方法，已在多個(gè)工程中得到了應(yīng)用［2-7］。

圖3 設(shè)計(jì)方案平面布置圖Fig.3 Sketch of layout in LNG terminal project in Tianjin

3 代表船型率定及LNG船舶危險(xiǎn)性分析

3.1 代表船型率定實(shí)驗(yàn)

船舶操縱性能是指船舶受駕駛者的操縱而保持或改變其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性能，反映了船舶航行過(guò)程中的航向穩(wěn)定性以及避免碰撞時(shí)的機(jī)動(dòng)性。所建船舶模型的有關(guān)操縱性能參數(shù)必須符合1994年中國(guó)船級(jí)社公布的技術(shù)指導(dǎo)性文件《海船操縱性》，同時(shí)必須符合IMO1993年通過(guò)的現(xiàn)在依然有效的“船舶操縱性臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)”的相關(guān)要求［8］。

（1）定?；剞D(zhuǎn)性試驗(yàn)。IMO規(guī)定的回轉(zhuǎn)試驗(yàn)縱距小于4.5 L，由表1可見(jiàn)：代表船型的旋回操縱特性滿足IMO船舶操縱性臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（2）初始回轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)。10°舵角回轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，首相角改變10°，26.6萬(wàn)m3LNG的縱距為1.9 L，26.6萬(wàn)m3LNG的縱距為1.95 L，小于IMO規(guī)定的2.5 L，代表船型的旋回操縱特性滿足IMO船舶操縱性臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 旋回試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Turning test of the design fleets

（3）偏航校正和航向保持能力試驗(yàn)。

10°/10°Z形試驗(yàn)時(shí)，26.6萬(wàn)m3LNG船第一超越角為2.9°，第二超越角為3.2°；滿足IMO船舶操縱性臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的要求。20°/20°Z形試驗(yàn)時(shí)，26.6萬(wàn)m3LNG船第二超越角為7.3°，滿足IMO船舶操縱性臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

建立的模擬船舶模型，在對(duì)車舵的響應(yīng)，船舶慣性和回旋性等方面比對(duì)模擬船型原型船舶的相關(guān)性能，結(jié)果基本一致，所建船舶模型的有關(guān)性能參數(shù)符合IMO船舶操縱性標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 LNG船舶危險(xiǎn)性分析

LNG的組成絕大部分是甲烷，天然氣經(jīng)過(guò)低溫液化后即得到液化天然氣。液化天然氣的儲(chǔ)存溫度為-162℃。LNG泄露時(shí)產(chǎn)生的主要危害是火災(zāi)爆炸、低溫及中毒窒息。LNG船舶為特種專用船舶，具有高危險(xiǎn)性和排他性。絕大部分LNG船采用球形的B型獨(dú)立液貨艙，由于球形貨艙有一部分露于甲板之上，船受風(fēng)阻面積大，影響船體可見(jiàn)度。因此，LNG船和同尺度其他貨船相比具有吃水小、迎風(fēng)面積大、受風(fēng)流影響明顯等特點(diǎn)。在低船速時(shí)舵效明顯減低，對(duì)港口航道條件有一定要求。因此，LNG在營(yíng)運(yùn)方式上通常屬于定時(shí)、定點(diǎn)、定期航行的班輪，LNG船舶進(jìn)出港時(shí)宜采取護(hù)航等安全保障措施。

4 平面布置優(yōu)化研究

4.1 設(shè)計(jì)方案通航條件研究

為避免邊界處的數(shù)值傳入誤差，模型范圍應(yīng)足夠大。本次研究中潮流數(shù)學(xué)模型采用大、小兩層嵌套形式計(jì)算。大尺度模型計(jì)算范圍為整個(gè)渤海區(qū)域，可為小模型提供潮位邊界條件；小模型范圍為渤海灣海域。水流數(shù)模實(shí)驗(yàn)表明：碼頭前沿流速漲潮條件下最大為0.41 m/s，落潮條件下最大為0.27 m/s，碼頭的最大橫流為0.1 m/s，對(duì)船舶進(jìn)出港的影響較小，工程后流場(chǎng)見(jiàn)圖4所示。

選擇S風(fēng)，NE風(fēng)和NW風(fēng)及漲落急流場(chǎng)的不同組合對(duì)LNG船舶的靠離泊進(jìn)行了模擬。根據(jù)《液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》，靠離泊過(guò)程中允許作業(yè)的最大風(fēng)速為15 m/s（七級(jí)），因此模擬過(guò)程中選擇的最大風(fēng)速為7級(jí)。通過(guò)以上組合的33組工況進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，其中靠泊20組，離泊13組，32組成功，1次失敗，模擬過(guò)程中出現(xiàn)船舶偏出航道擱淺的事故，失敗的工況條件為西北風(fēng)及落潮流的組合條件，如圖5所示。

圖4 工程后流場(chǎng)圖Fig.4 Sketch of flow field

圖5 航行失敗軌跡圖Fig.5 Sketch of failure test

設(shè)計(jì)方案存在的問(wèn)題是轉(zhuǎn)向較多，在約1 000 m（不到3倍設(shè)計(jì)船長(zhǎng)）的范圍內(nèi)需要拐彎兩次，一個(gè)彎約40°，一個(gè)彎約20°，船舶航跡呈“S”形，船舶操縱困難，容易出現(xiàn)危險(xiǎn)局面。

4.2 優(yōu)化方案通航條件研究

根據(jù)設(shè)計(jì)方案存在的問(wèn)題，提出了2個(gè)優(yōu)化方案，優(yōu)化方案主要對(duì)港池的疏浚北邊線進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化方案一平面布置形式見(jiàn)圖5，優(yōu)化方案1是從航道拐彎處至碼頭東邊緣的疏浚水域進(jìn)行了取直；優(yōu)化方案2平面布置形式見(jiàn)圖6，優(yōu)化方案2是對(duì)航道進(jìn)行了切角，航道與港池連接處呈喇叭口形狀，喇叭口上口寬度為635 m，下口寬度為375 m，喇叭口下口與外航道夾角為8°，優(yōu)化方案主要對(duì)港池的疏浚北邊線進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化方案增加了港池水域的面積，增大了船舶的活動(dòng)范圍。模擬實(shí)驗(yàn)研究表明：代表船舶在各設(shè)計(jì)條件下均能夠順利碼頭，兩個(gè)方案都能滿足通航安全的要求。方案1工程量較大，方案2工程量較小，設(shè)計(jì)單位最終選取了方案2作為最終的方案。

圖6 優(yōu)化方案1平面布置圖Fig.6 Sketch of optimized layout 1

圖7 優(yōu)化方案2平面布置圖Fig.7 Sketch of optimized layout 2

5 結(jié)論

本文用水流數(shù)學(xué)模型與船舶操縱模擬器研究了天津港LNG碼頭工程水域平面布置方案，結(jié)論如下。

（1）船舶操縱模擬器結(jié)合通航水流模型試驗(yàn)進(jìn)行通航建筑物平面優(yōu)化研究是一種比較科學(xué)的方法。

（2）設(shè)計(jì)方案存在的問(wèn)題是轉(zhuǎn)向較多，在約1 000 m（不到3倍設(shè)計(jì)船長(zhǎng)）的范圍內(nèi)需要拐彎兩次，一個(gè)彎約40°，一個(gè)彎約20°，船舶航跡呈“S”形，船舶操縱困難，代表船舶在設(shè)定條件下模擬過(guò)程中出現(xiàn)了擱淺事故，設(shè)計(jì)方案下設(shè)計(jì)方案的通航條件不滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）根據(jù)設(shè)計(jì)方案存在的問(wèn)題，提出了兩個(gè)優(yōu)化方案，優(yōu)化方案主要對(duì)港池的疏浚北邊線進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化方案增加了港池水域的面積，增大了船舶的活動(dòng)范圍，代表船舶在各設(shè)計(jì)條件下均能夠順利碼頭，優(yōu)化方案滿足了設(shè)計(jì)要求。最終設(shè)計(jì)單位采用了優(yōu)化方案2。

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Application of ship handling simulator in layout of LNG dock in Tianjin

KONG Xian?wei1,LI Hua?guo1,LI Xiao?song1,WANG Guan?ming2
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin300456,China;2.COSCO Bulk Carrier Co.Ltd.,Tianjin300010,China）

Using ship handling simulator and tidal current numerical model,the layout of LNG terminal project in Tianjin was studied.The design ship grounded under the designed conditions in the layout scheme.So the design layout could not satisfy the design requirements.The basin area was enlarged in the optimized layout and ships had enough room to adjust their motion.The design ships can berth and depart safely under all conditions in the opti?mized layout.

navigation simulator;layout optimizing;LNG terminal project in Tianjin

U 661.33

A

1005-8443（2014）03-0234-05

2013-04-12；

2013-05-22

孔憲衛(wèi)（1981-），男，山東省人，助理研究員，主要從事通航安全研究。