Q-Max型LNG船舶靠離江蘇洋口港模擬

劉軼華，楊小軍，肖英杰

(上海海事大學 商船學院，上海 201306)

0 引言

液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)作為一種清潔能源，越來越受到世界各國的青睞.中國作為能源消耗大國，正在對國內(nèi)以煤炭為主的能源消耗結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，LNG有逐漸取代傳統(tǒng)能源的趨勢.近十年來，隨著環(huán)境污染加劇、煤炭和石油價格居高不下和天然氣開采成本的下降，LNG在能源消耗中的比重在國內(nèi)有很大的提高.目前中國沿海很多大中型城市乃至內(nèi)陸城市都在廣泛使用LNG［1]，國內(nèi)沿海已建立很多大型LNG接收站.江蘇洋口港LNG接收站作為“西氣東輸”配套工程和第二氣源，主要用來滿足長三角地區(qū)對清潔、高效能源的需求.考慮到船舶運營成本、能耗、污染物排放和運費等因素，選擇目前世界上最大的Q-Max型LNG船舶運輸LNG，該船型可承載26.6萬m3LNG，但該船型滿載時盲區(qū)大、吃水深、干舷高，比其他船型更易受風和流影響，在靠離泊作業(yè)中存在較大風險.［2]

LNG船舶與其他危險貨物船舶類似，都具有發(fā)生碰撞、擱淺、火災、爆炸等事故的危險性.LNG船舶與其他危險貨物船舶不同的是，它載運的是-162℃左右的無臭、無味、無毒、透明的LNG，主要成分是甲烷，體積僅為標準狀態(tài)下氣態(tài)體積的1/600.LNG具有以下危害性:可燃性、對健康的危害性、凍裂、翻滾、快速相變、沸騰液體蒸氣爆炸等.因此，為滿足儲運和裝卸作業(yè)要求，LNG船舶設(shè)計比較獨特，其航行和靠離泊安全標準也比較高.LNG船舶事故統(tǒng)計資料表明，LNG船舶80%的風險存在于港內(nèi)作業(yè)期間.［3]目前建造的 Q-Max型LNG船舶，其正橫方向上受風面積超過7 500 m2，滿載水線以下的吃水12 m左右，屬于吃水淺、受風面積大、尺度大、傳統(tǒng)動力推進的船舶.洋口港LNG碼頭前沿水域漲、落潮流速矢量主要集中在偏西、偏東方向，明顯呈往復流態(tài)勢.漲潮流速矢量集中在以270°為中心的240～300°方位內(nèi)，落潮流速矢量集中在70～100°范圍內(nèi).因此，與碼頭走向有較大夾角的水流環(huán)境和LNG船舶自身操縱的要求使Q-Max型LNG船舶在洋口港碼頭靠離泊有一定難度，存在安全隱患.因此，在LNG項目可行性研究過程中，有必要對LNG船舶的港內(nèi)作業(yè)進行模擬論證，確定風險源及其相關(guān)因素，以采取相應措施規(guī)避和控制風險.［4-7]本文基于大型模擬器對Q-Max型LNG船舶靠離洋口港LNG碼頭進行模擬論證，通過對Q-Max型LNG船舶進行的靠離泊和應急撤離模擬演練，確定該船型船舶在港內(nèi)的靠離泊作業(yè)操作方案和作業(yè)限制條件［8]，保障其靠離泊安全.

1 模擬論證系統(tǒng)的構(gòu)建

為模擬Q-Max型LNG船舶在洋口港碼頭的靠離泊，確定靠離泊的限制條件，基于大型船舶操縱模擬器構(gòu)建3個子系統(tǒng):本船子系統(tǒng)、環(huán)境子系統(tǒng)和拖船子系統(tǒng).［9-10]整個系統(tǒng)的核心部分為本船子系統(tǒng)，即在滿足試驗精度的前提下盡量使模擬船型的操縱性能更接近實船的操縱性能.實船的基本資料見表1.

表1 26 .6萬m3LNG船“MOZAH”卡塔爾王妃船基本資料

1.1 本船子系統(tǒng)

本船子系統(tǒng)最核心的是船舶操縱數(shù)學模型.建立船舶操縱數(shù)學模型的基本原理是作用在船舶上的所有力(包括慣性力)平衡，實際上也就是牛頓第二定律在船舶運動中的應用.船舶的實際運動有6個自由度，目前大部分數(shù)學模型只描述3個自由度的運動，即船舶在水平面內(nèi)的縱向運動、橫向運動和艏搖運動.考慮到精度和實踐等因素，船舶操縱數(shù)學模型采用MMG(Mathematical Modeling Group)模型.［11-12]為描述船舶的運動，采用2個右手坐標系(見圖1):一個為固定坐標系O0-x0y0z0，固定于地球;另一個為運動坐標系O-xyz，固定于船舶并隨船一起運動.運動坐標系的原點O取在船舶垂心或船中剖面處，x軸為船縱軸并指向船首，y軸與縱剖面垂直并指向右舷，z軸垂直于水線面并指向龍骨.

圖1 船舶運動坐標系

設(shè)u和v分別為運動坐標系原點O的線速度矢量在x軸和y軸上的投影，r為船舶轉(zhuǎn)動的角速度，u·，v·和r·為對應的加速度.在運動坐標系中船舶操縱運動的數(shù)學模型為

式中:m為船舶質(zhì)量;Iz為船舶繞z軸的慣性矩;xG為船舶中心與坐標原點O的距離;X，Y，N分別表示船舶水流動力，慣性力，螺旋槳和舵所受的力，以及風、浪、流等的作用力在運動坐標系3個方向上的分量.

忽略上述方程中影響不大的項，合并慣性力項，并把各種力寫成分量形式，近似有

式中:mx和my為船體附連質(zhì)量;Jz為船體慣性矩;下標WD，WV，C分別表示風、浪、流;下標P和R分別表示螺旋槳和舵;XH，YH，NH為不包括慣性力項的船體水動力.

船舶所受到的水動力不僅依賴于船體形狀、舵角和推進裝置，也與水深、船舶吃水、縱傾及限制性水域有關(guān).計算船舶水動力時所用的水動力導數(shù)根據(jù)已總結(jié)出的經(jīng)驗公式計算.

船舶受到的風動力計算公式為

風動力在正橫方向上的投影為

風動壓力角為

式(7) ～(9)中:ρa為空氣密度，取 1.226 kg/m3;Ca為風動力因數(shù)，由風舷角確定，見表2;Aa為水線上船體受風正面積，m2;Ba為水線上船體受風側(cè)面積，m2;va為相對風速，m/s.風速很小時，va取平均風速;強風(大于6級)時，va取平均風速的1.25倍;暴風(大于8級)時，va取平均風速的1.5倍.

表2 Q-Max型LNG船舶風動力因數(shù)

船舶橫流阻力計算公式為

式中:ρw為水的密度，取1 025 kg/m3;Cw為水動力因數(shù)，由漂角和水深吃水比確定，見表3;Bw為水線下船體側(cè)面積，m2;vw為水的流速，m/s.

表3 橫流水動力因數(shù)

許多環(huán)境因素對船舶的操縱運動有明顯的影響，其中最重要的因素有風、浪、流、水深、航道巖壁、船與船的相互作用等.螺旋槳和舵是控制船舶的主要因素，拖船的協(xié)助作用也很重要.為驗證船舶數(shù)學模型的精度，分別進行船舶性能模擬測試和拖船模擬測試，結(jié)合Q-Max型LNG船舶海試資料和拖船拖拉試驗數(shù)據(jù)，確定相關(guān)船舶響應參數(shù)，保證系統(tǒng)滿足模擬論證精度要求.

1.2 環(huán)境子系統(tǒng)

環(huán)境子系統(tǒng)主要由風、浪、流等水文氣象要素組成，根據(jù)試驗的工況進行設(shè)置.

1.3 拖船子系統(tǒng)

根據(jù)Q-Max型LNG船舶靠離泊所需拖船的基本配置［13]，在拖船子系統(tǒng)中挑選2種全回轉(zhuǎn)拖船，即5 000 HP拖船和6 000 HP拖船(1 HP≈735.499 W)，拖船的資料見表4.

表4 拖船資料

2 船舶靠離洋口港模擬試驗

2.1 江蘇洋口港LNG接收站碼頭簡介

江蘇洋口港LNG接收站位于如東縣海濱輻射沙洲中的爛沙洋水道西部西太陽沙，碼頭為蝶形，長度為430 m，平面布置見圖2.碼頭前沿天然泥面標高約-17.0 m，港池水域天然泥面標高 -18～-15.0 m，碼頭前沿走向為 279°/099°.碼頭為對稱布置，中部為45 m×23 m的工作平臺，平臺上布置有操作平臺支持系統(tǒng)、登船梯、控制室、靠泊輔助系統(tǒng)等設(shè)施.工作平臺兩側(cè)共布置4個靠船墩和6個系纜墩，各部分之間通過人行鋼橋連接，橋?qū)挒? m.

2.2 試驗流程

為篩選出風險較高的靠離泊條件，通過圖3所示的試驗流程進行模擬.考慮到一般情況下LNG船舶進港靠泊碼頭的難度大于離泊出港的難度，以Q-Max型LNG船舶進港靠泊為例進行模擬試驗，離泊和應急撤離的模擬操縱過程類似.

圖3 模擬試驗流程

為使模擬試驗操縱方式和方法盡量符合操縱實際和習慣，去深圳大鵬灣LNG基地進行調(diào)研考察，并對LNG船舶實際靠離泊操作進行實時跟蹤和數(shù)據(jù)采集.［14-15]大型LNG船舶實際靠泊作業(yè)一般采用“3+1”的模式:1艘拖船配置在船尾用來降速，同時也可控制船首的偏轉(zhuǎn)，以應對主機失控帶來的風險;3艘拖船用于船舶的左右舷進行助操.拖船的配置位置見圖4.

圖4 拖船助操配置示意

2.3 試驗實施及數(shù)據(jù)分析

根據(jù)洋口港的自然條件，結(jié)合碼頭前沿和航道的實測流資料，按照LNG船舶靠離泊作業(yè)條件標準［16](見表5)，確定靠離泊試驗工況:靠泊工況216個、離泊工況108個、應急撤離工況108個，共計工況432個.部分試驗工況見表6.

表5 LNG船舶靠離泊作業(yè)條件標準

表6 在不同拖船配置助操情況下LNG船舶靠泊試驗工況和結(jié)果(波浪)

首先使用4艘5 000 HP拖船助操進行模擬試驗，在初次模擬的基礎(chǔ)上確定船舶靠泊較為困難的工況再進行多次模擬.對被確認為靠泊困難的工況，將2艘5 000 HP拖船替換為2艘6 000 HP的拖船，再進行模擬試驗，如此循環(huán)逐漸縮小模擬試驗范圍，篩選風險較大的靠離泊工況，并在此基礎(chǔ)上確定靠離泊的限制條件，規(guī)避惡劣工況下LNG船舶靠離泊作業(yè)風險.［17]

上述模擬試驗表明，4艘5 000 HP拖船配置可滿足常規(guī)工況下Q-Max型LNG船舶安全靠離泊的要求，但拖船的剩余功率很小(見圖5).在東北風和東南風、漲潮流和落急流時，模擬靠泊作業(yè)有可能失敗，特別是在受到極限風、浪、流影響時，船舶靠泊作業(yè)風險較大，在模擬靠泊過程中曾出現(xiàn)船舶碰撞碼頭的情況.4艘5 000 HP拖船配置不能滿足稍惡劣工況下的安全靠泊要求.

圖5 4艘5 000 HP拖船助操時拖船用車序列

對上述試驗中存在風險的工況用2×5 000 HP+2×6 000 HP拖船配置再次進行模擬試驗.試驗結(jié)果表明，除在東南風漲潮流速3.0 kn的情況下，船舶模擬靠泊作業(yè)仍存在較大的風險外，以上拖船配置可滿足正常情況下Q-Max型LNG船舶安全靠泊的要求，拖船功率有一定的富余(見圖6).

圖6 2艘5 000 HP和2艘6 000 HP拖船助操時拖船用車序列

按照以上的模擬試驗程序，分別進行離泊和應急撤離的模擬試驗，在所有離泊和應急撤離的試驗中，也存在東南風漲潮流速3.0 kn時，船舶在掉頭區(qū)的航跡過分靠近回旋水域的邊界的情況，但基本可滿足安全作業(yè)的需要.

3 靠離泊限制條件的確定

根據(jù)模擬試驗結(jié)果:在4艘5 000 HP拖船的協(xié)助下，Q-Max型LNG船舶在東南風6級且漲潮流速3.0 kn的條件下靠離洋口港LNG接收站碼頭存在很高的風險，在南風6級且落潮流速3.7 kn時風險次之、在東南風6級且漲潮流速2.0 kn時風險再次之;在2艘5 000 HP和2艘6 000 HP拖船的協(xié)助下，Q-Max型LNG船舶在東南風6級且漲潮流速3.0 kn的條件下存在很高的風險，在其他情況下的有限次試驗中鮮有失敗的例子，但是靠離碼頭的時間仍然比較長，不利于LNG船舶靠離泊作業(yè)的風險控制(見表7).

表7 Q-Max型LNG船舶靠泊模擬試驗數(shù)據(jù)對比分析

Q-Max型LNG船舶靠離洋口港的風險主要存在于當風、流作用力同向時，由于碼頭前沿水域的漲落潮基本是往復流，且均為吹開流，LNG船舶一般橫向受風面積較大，因此在靠離泊過程中要充分認識到風，特別是風向，對靠離泊的影響.

在風速一定的前提下，風的作用力與吹開流疊加增強后對船舶靠離泊作業(yè)主要存在以下影響:增加LNG船舶靠離泊難度和靠離泊作業(yè)時間.由于LNG船舶靠離泊作業(yè)還涉及其他岸上部門的協(xié)作，過長的靠離泊過程本身就會增加系統(tǒng)的風險.［18]因此，船舶靠離泊作業(yè)限制條件應規(guī)避模擬失敗或耗時過長的工況，以策安全.

4 結(jié)論

Q-Max型LNG船舶靠離江蘇洋口港在特定的條件下是存在風險的，4艘5 000 HP拖船對于該船型來說略顯不足，2×5 000 HP+2×6 000 HP拖船配置可以勝任絕大部分的工況.若經(jīng)濟上可行，適當增加拖船配置的總功率是減小風險的有效方法.另一方面，在不增加拖船配置總功率的情況下，也可借助試驗確定的極限工況作為靠離泊限制條件以規(guī)避風險.當然模擬試驗也存在局限性，比如不能真實反映駕引人員的心理負擔等，故在實際的船舶操作中應留有適當?shù)挠嗟?

本文只是試圖從航海的角度基于船舶操縱模擬器評價Q-Max型LNG船舶的靠離泊風險，為洋口港LNG碼頭靠離泊作業(yè)的限制條件和拖船配置提供參考.下一步的研究方向是與船舶液貨操作模擬相結(jié)合，整體評價LNG船舶在港內(nèi)的作業(yè)風險.

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