天津浮式LNG接收終端涉海關鍵技術研究

龐啟秀，張義豐，張 娜，解鳴曉，姚姍姍

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 天津300456)

天津浮式LNG接收終端涉海關鍵技術研究

龐啟秀，張義豐，張 娜，解鳴曉，姚姍姍

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 天津300456)

針對我國首個浮式LNG項目——天津浮式LNG接收終端項目，在廣泛收集和分析現場實測資料的基礎上，綜合采用潮流數學模型、泥沙數學模型、冷排放數學模型和波浪數學模型、波浪整體物理模型、波浪斷面模型等多種研究手段，系統研究潮流、泥沙、波浪、循環水冷排放等涉海關鍵問題，為浮式LNG接收終端項目的防波堤、碼頭、取排水口布置等工程的設計和建設提供了關鍵技術支撐，從而為節約工程建設費用、改善通航和停泊條件等做出了貢獻。作為天津市重點工程，天津浮式LNG項目實施后有效改善了天津市能源結構，促進了經濟發展和宜居城市建設，具有顯著的社會效益。

浮式LNG 波浪模型 泥沙淤積 溫度輸移

天津浮式LNG項目是我國第1個浮式LNG項目，是國家試點清潔能源浮式技術重點項目，國家首批首都大氣污染防治重點保障項目，天津市重點工程，也是中國海油的重點工程和天津港0號工程。工程海域的潮流運動特征以及工程對周邊水動力環境的影響、港池航道以及取排水口的泥沙淤積情況、冷排放溫度擴散情況、碼頭前沿的波穩情況等都是LNG項目需要解決的涉海關鍵問題，而北防波堤長度、擋浪墻高程、擋浪墻結構型式等則是涉海相關設計的關鍵參數，都直接影響工程方案設計的合理性和工程建設的安全性，以及運行期間的安全與成本，因而需要開展數模和物模試驗等研究工作，為浮式LNG接收終端項目的設計和建設提供科學依據。

1 工程概況

天津浮式LNG項目考慮使用帶氣化設施的LNG浮式裝置在天津南疆港區碼頭停靠(碼頭設計可以停靠1萬m3～26.6萬m3的LNG運輸船)，如圖1所示。將氣化后的天然氣通過管線輸送至天津城市門站，同時考慮到安全穩定供氣及儲存、調峰等需求，待時機成熟時，建設大型LNG儲罐及陸上LNG接收站，從而有效改善天津市能源結構，為建設宜居城市貢獻力量。工程包括碼頭、引橋、工作船碼頭等，碼頭平面采用順岸式布置，如圖2所示，其中FSRU和LNG碼頭各1座，碼頭長度均為400,m，碼頭前沿設計底標高為-14.5,m，工作船兼大件碼頭1座，碼頭長度為140,m，碼頭前沿設計底標高為-7.0,m；港池和航道設計底標高為-15.0,m。護岸采用三級消浪型式，如圖3所示，包括半圓體護岸、第1道擋浪墻和第2道擋浪墻。

本次研究的工程方案為兩個，方案一為只建設北防波堤出水段(堤頂高程5.5,m)，方案二為防波堤全部建成(包括潛堤)。北防波堤呈折線形，從堤根向外海，前兩段為出水堤，最后一段平行于航道，設計為潛堤，長度為2,350,m，堤頂高程為＋2.5,m(理論基面)；南防波堤在現有堤頭位置平行于航道向外海設計長為1,500,m 的潛堤，堤頂高程與北側潛堤相同。防波堤的走向和分段情況可參見圖4。

天津浮式LNG項目取/排水工程，是為了LNG接收站汽化器供水而建，供水水源采用海水。取排水為循環用水，取、排水量相同。氣化設施分期用水量如下：一期不考慮取海水，二期取海水量60,000,m3/h，遠期取海水量達到100,000,m3/h。取、排水口位置見圖2。

圖1 天津浮式LNG項目位置示意圖Fig.1 Location of the floating LNG project in Tianjin

圖2 碼頭和取排水口布置Fig.2 Layout of wharfs，inlet and outfall

圖3 護岸斷面型式示意圖Fig.3 Schematic of cross section model of revetment

2 主要研究方法

2.1 潮流泥沙和溫度輸移

建立了潮流數學模型、泥沙數學模型和溫度輸移數學模型，分別研究工程區域的潮流運動特征、泥沙運動特征及港池航道泥沙回淤情況、冷排水隨潮流運動的規律。模型采用無結構三角形網格對計算域進行剖分，并采用大尺度與局部模型嵌套方式進行計算，以消除模型范圍過小帶來的邊界傳入誤差。其中大尺度模型包含整個渤海海域，開邊界位置北至大連，南至煙臺；局部模型為渤海灣區域，共22,000個網格，最小網格空間步長達10,m，可保證充足的網格分辨率，局部模型所需的潮位邊界數值可由大尺度模型提供。

2.2 波浪試驗

2.2.1 波浪數學模型試驗

港內波浪計算采用Mike BW波浪數學模型，該模型可以考慮地形和水工建筑物對波浪的折射、反射和繞射以及底部摩阻損耗等的影響。

2.2.2 波浪整體物理模型試驗

圖4 防波堤全部建成后、排水流量為100,000,m3/h時底層最大溫降包絡線Fig.4Envelope curve of temperature drop of a completed jetty with a water drainage of 100,000,m3/h

波浪整體物理模型試驗在波浪水池中進行，水池長51,m，寬度47.5,m，深1.0,m，水池一端配備可移動搖擺式不規則波造波機，可產生試驗要求的不規則波浪。由于港池具有長雙堤、環抱式的特點，受試驗條件限制，單一模型難以完整模擬整個工程區域，采用不同比尺模型銜接的波浪整體物理模型試驗技術，分別選用1∶65和1∶100兩種正態模型比尺進行試驗。

2.2.3 斷面試驗

擋浪墻高程及擋浪墻型式優化斷面試驗在波浪水槽中開展，水槽長、寬、高分別為90.0,m、2.0,m、1.8,m，造波系統為雙軸推板吸收式造波機。

3 涉海關鍵技術成果

3.1 水流運動特征

通過數學模型研究了工程對周邊水流運動的影響情況和港池、連接水域及碼頭前沿停泊水域等不同潮時的流場分布情況，如圖5所示。結果表明工程實施后對大范圍海域流場影響不大，流速變化區域主要集中在口門以內的工程附近；碼頭前橫流和航道內橫流較小，分別為0.10,m/s和0.21,m/s。[1]

圖5 北防波堤出水段建設后、排水流量為100,000,m3/h時的流場Fig.5 Flow fields of post constructed outfall section of the north jetty，with a water drainage of 100,000,m3/h

3.2 泥沙運動特征

利用泥沙數學模型模擬，并結合現場實測資料分析和遙感分析等，研究了泥沙運動特征，并預測了港池、取水口及航道淤積分布情況。結果表明，港池、航道泥沙淤積不大，平均淤強為0.35～0.4,m/a；取水口最大淤強為0.10,m/a；在類似2003年10月10日NE向大風作用下，淤積不會對船舶航行造成明顯影響。[2]

3.3 冷排放擴散范圍和取水溫降

通過取、排水海域循環水冷排放數值模擬計算，提出大、中、小3種典型潮型的溫度場和取水溫度值；分析冷排放在廠址附近水域隨潮流運動的規律以及不同方案在不同組合工況條件下的溫度場的溫度分布特性及變化規律；優化排、取水口布置，避免冷水短路回流，盡可能取高溫水，確保接收站取水工程的經濟運行。結果表明，各方案取排水流量相同時，排水量對取水口處最大溫降差異影響微弱，均在-0.5～-1.0,℃區間；冷水擴散面積呈現出表層小于底層、大流量工況大于小流量工況的特點，最大溫降≤-0.5,℃。方案二底層100,000,m3/h工況最大，可達約6,km2，如圖5所示。方案一表層60,000,m3/h工況最小，約1.17,km2。最大溫降出現在高潮位，最小溫降出現在低潮位。[3-4]

3.4 防波堤長度確定

利用波浪數學模型對不同長度防波堤的防浪效果進行模擬研究，掌握不同長度防波堤的掩護效果。圖6為設計高水位、ESE向、50年一遇比波高分布(北防波堤長度2,972,m)。結果表明，影響港內波浪的主要為E向和ESE向；在設計高水位50年一遇波浪作用下，北防波堤建設長度為2,972,m(規劃長度)時方可達到設計要求即碼頭前沿設計高水位H1%,波高不大于4.2,m，而在設計高水位10年一遇波浪作用下，北防波堤建設長度需要約2,565,m。[5]

圖6 設計高水位、ESE向、50年一遇比波高分布(北防波堤長度2 972 m)Fig.6Distribution of wave heights with a design of high water level, ESE and a 50 years return period

3.5 擋浪墻高程確定

通過波浪整體物理模型試驗和斷面試驗，研究本工程建成后碼頭前沿、港池水域的波高分布情況，研究波浪對碼頭建設及船舶泊穩的影響，為碼頭設計提供相關依據；通過接岸結構及擋浪墻斷面物理模型試驗驗證擋浪墻結構的安全性及高程合理性，為接岸結構、擋浪墻和排水設施設計提供依據。結果表明，工作船碼頭處擋浪墻(見圖2)在高程為+7.2,m時，滿足設計要求即該段的第二道擋浪墻不上水和越浪；A～C段擋浪墻(見圖2)高程則需要為+8.0,m，C～F段及F～I段擋浪墻(見圖2)高程則需要達到+9.5,m。[6]3.6 塊體穩定性和斷面型式優化確定

斷面試驗成果表明，半圓體前護肩塊石、護底塊石和擋浪墻至半圓堤間護面在各種水位及100年一遇各向波浪作用下均穩定。但防波堤以北原始設計斷面、陸側胸墻發生傾覆，兩胸墻上水厚度及越浪量均不滿足設計要求。進而采用調整斜坡長度、胸墻距離、反浪弧型式、胸墻頂高程等方式進行系統試驗，優化確定了斷面形式來滿足陸側胸墻不越浪的要求。[6]

4 結 語

工程實施后對周圍海域流場影響有限，碼頭前橫流和航道內橫流都不大，港池航道泥沙淤積不大，取水口泥沙淤積較小。各方案取排水流量相同時排水量對取水口處最大溫降差異影響微弱，最大溫降出現在高潮位，最小溫降出現在低潮位。依據本海區-7,m水深處設計波浪要素，研究了各工程方案不同條件、不同位置的波浪分布情況；通過整體物理試驗和斷面試驗研究了塊體穩定性和護岸上水等情況。成果已在天津浮式LNG接收終端項目中得到應用，較好地解決了項目涉海關鍵技術問題，為節約工程建設費用、改善通航和停泊條件等做出了貢獻。作為天津市重點工程，項目實施后有效改善了天津市能源結構，促進了經濟發展和宜居城市建設，具有顯著的社會效益。■

［1］ 張娜. 天津浮式LNG接收終端項目潮流數值模擬研究報告[R]. 交通運輸部天津水運工程科學研究所，2012.

［2］ Yao S S，Xie M X，Li M G. Numerical study on cold water emission for CNOOC Tianjin floating LNG project[A]. Modeling and Computation in EngineeringⅢ[C]，2014：137-142.

［3］ 姚姍姍，解鳴曉. 天津浮式LNG接收終端項目循環水冷排放數值模擬研究報告[R]. 交通運輸部天津水運工程科學研究所，2012.

［4］ 張義豐，李孟國，施凌. 天津浮式LNG碼頭工程防波堤長度的防浪效果的數值模擬研究[J]. 廣西科學院學報，2014，30(3)：152-155.

［5］ 張義豐，郭傳勝. 中海油浮式LNG終端項目碼頭及航道工程波浪物理模型試驗報告[R]. 交通運輸部天津水運工程科學研究所，2012.

Key Marine Techniques of Floating LNG Receiving Terminals in Tianjin

PANG Qixiu，ZHANG Yifeng，ZHANG Na，XIE Mingxiao，YAO Shanshan
(Tianjin Research Institute of Water Transport Engineering，Ministry of Transport of P. R. China，Tianjin 300456，China)

Based on the analysis of field data，key marine problems of China’s first floating LNG project，Tianjin floating LNG terminal project，were studied systematically with methods of mathematical model and physical model，including tidal current，sediment，waves，sea water circulating cooling discharge，etc．Results have been applied in the design and construction of wharf，breakwater，water intakes and outlets of the floating LNG receiving terminal，which saves the cost of construction and improves navigation and parking conditions．As a key project of Tianjin，the Tianjin floating LNG project has effectively improved the energy structure of Tianjin City，which has significant social benefits.

floating LNG receiving terminal；wave model；sediment；temperature transport

U656

A

1006-8945(2016)08-0065-04

2016-08-05