FSRU-LNGC雙船并靠系統系泊響應分析

厲萍，程晗懌

（1.中交城市投資控股有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

浮式儲存及再氣化裝置FSRU（Floating Storage Regasification Unit）是近年來隨著船舶工業進步而逐漸興起的LNG接收及再氣化基礎設施[1]。相較于傳統的管道運輸加工廠再氣化模式處理液化天然氣，FSRU在空間布置上更加方便靈活，用地成本更加低廉，適宜于不具備基礎設施的環境下快速部署投產[2]。FSRU生產過程中需要近距離與液化氣船舶共同作業，因此在平面布置上往往需要形成FSRU-LNGC雙船并靠模式。

傳統的船舶靠泊通常采用單船靠泊的方式進行，即僅考慮系纜狀態下的單一船只在風浪環境作用下與固定岸壁間的相互作用。雙船并靠在此基礎上增加考慮了運動體之間的相互作用，以及外側船舶對風和浪的遮掩效應，因此問題變得更為復雜[3]，國內外學者以及工程技術人員通常借助先進的數值求解技術或者物理模型進行運動響應分析。例如：張龍等[4]通過數值計算的方法求解了雙船近距離系泊作業過程中的相互影響；羅偉等[5]通過模型試驗研究了碼頭前沿雙船系泊的動力響應情況。劉帥等[6]從施工的角度研究了雙船并靠條件下，聯合起吊安裝作業的技術可行性等。

本文基于國外某長周期波海域相關項目，應用Optimoor軟件對FSRU單船和FSRU-LNGC雙船并靠兩種情況，進行不同波浪條件下的系泊分析，通過計算各種可能工況下的船舶動力響應，優化最佳平面布置方案，并確定安全工作的允許作業有效波高，為其他類似工程提供技術參考。

1 工程背景

圖1 泊位平面布置Fig.1 Plan layout of ship berthing

本項目所依托的工程項目位于水深-15 m的離岸海域，當地自然風速一般不超過20 kn，極端情況下超過40 kn。針對FSRU單船靠泊工況，考慮到FSRU因作業需求長期停靠于碼頭，并且要求較高的可作業率，因此設計風速采用1%強風[7]（即海平面以上10 m位置處30 s平均風速44 kn）。對于雙船并靠的情況，考慮到裝卸臂在風速達30 kn時會自動停止作業[8]，因此雙船作業的設計風速取30 kn。

水流流速同樣對船舶作業穩定性具有一定影響，本文選取1 a一遇的流速[9]，即采用1.2 kn作為設計計算流速。

工程所在地的主浪向為SE—SSE，同時也有N、NW和E向浪。因此本文選取了0°、45°、90°、135°、150°、165°、180°和 315°共 8 個方向作為波浪計算方向，波浪周期選取8～18 s、周期間隔取1 s作為周期計算參數，基于上述條件計算允許作業波高。本文計算了2個不同軸線的泊位平面布置方案，如圖1所示。其中，由于泊位方案2實際情況與左側防波堤平行布置，故沒有采用315°入射波浪。

2 計算條件

2.1 設計船型

近年來，隨著造船行業的不斷發展，目前常規的FSRU倉容為12.5萬～17.3萬m3，LNG船常見倉容為12.5萬～26.6萬m3。本文所依托工程中采用的主要設計船型為17萬m3的FSRU和16萬m3的LNG船。

相關的船型參數見表1。

2.2 系纜布置方案

計算所參考的實際工程碼頭長度為390 m，共包括1個工作平臺，2個靠船墩和6個系纜墩。FSRU通過纜繩直接連接在系纜墩上，靠船墩設4個SCN2000 E1.8型號的護舷。LNG船系于FSRU上，為防止兩船相撞，FSRU和LNG相接觸部位掛有7個STS PNEUMATIC型號護舷。雙船系纜的纜繩布置示意圖如圖2所示。

表1 設計船型參數Table 1 Parameters of design ship type

圖2 雙船并靠系纜布置示意圖Fig.2 Layout of mooring lines for double ship

纜繩作為影響船舶泊穩的主要受力構件，纜繩剛度和強度的選擇較為關鍵。FSRU和LNG均采用18根鋼纜或者復合纜進行系泊，纜繩相關力學參數如表2所示。

表2 設計纜繩參數Table 2 Parameters of mooring cable

2.3 船舶運動量標準

受到生產流程以及裝卸工藝的限制，FSRU通常需要長期系泊于碼頭結構，LNG船與FSRU之間通常采用柔性軟管式輸送系統進行點對點作業。當LNG和FSRU之間發生較大相對運動時，FSRU上的應急釋放系統可實現兩船的快速脫離。因此，在設計過程中，FSRU的可允許運動量按普通LNG船考慮，LNG船的可允許運動量應為相對于FSRU的運動量。船舶作業允許運動量標準如表3所示。

表3 船舶允許運動量標準Table 3 Allowable movement of ship

2.4 計算工況組合

本文在基于上述風、浪、流組合作用的基礎上對FSRU單獨靠泊以及FSRU-LNGC雙船靠泊進行模擬計算。FSRU滿載時采用平均低水位，壓載時采用平均高水位。在保證船舶運動量不超過允許值且纜繩均不破斷的基礎上，得出每種浪向和周期組合所對應的最大允許波高（其中根據規范限制，最大作業波高不應超過3 m[10]）。計算工況組合如表4所示。

表4 計算工況組合Table 4 Calculation condition combination

3 計算結果分析

針對表4中的6個作業工況，開展了不同平均周期波浪作用下的船舶響應計算，并根據計算結果推求出給定的平均波周期下允許作業的最大有效波高。

計算結果如圖3所示。

圖3 允許作業波高計算結果Fig.3 Allowable working wave height results

從以上6個工況的計算結果中可以看到：長周期波相比短周期波對船舶的系纜穩定性影響較大，波浪周期越大，船舶的允許作業波高越小。

同樣的，從以上6組計算結果中不同角度波浪來向對系纜系統最大允許波高的影響可以看到：來自船頭或船尾方向的波浪（船浪夾角0°～30°）相比其他方向波浪所產生的允許作業波高顯著較大，證明泊位的最佳布置方向是使得系纜船舶與常浪向的方向相互一致。

對比單船系泊工況下（A1、A2工況）不同纜繩強度對FSRU運動量的影響結果可以發現：采取較小的纜繩破斷力時，通常在FSRU還未到達運動量的允許值時，纜繩就已經破斷，使得最大允許波高數值較低。而采用破斷力較高的纜繩，可以使得船舶在允許運動量范圍內產生更大幅度的運動，也即提高允許波高，從而增加船舶的可作業時間，有效提高系統的年運行效率。

由于FSRU長期停泊于碼頭，因此遭遇高速風作用的概率更大，所以模擬單船靠泊的設計風速取值較大，因此從設計過程中所采用的概率組合方法角度而言，當FSRU纜繩破斷力較低時，雙船并靠方案（D1、D3）比FSRU單船系泊方案（A1、A3）的允許作業波高更大。

從不同泊位布置方案（A1、A3）的單FSRU系泊結果來看，泊位布置形式2的允許作業波高顯著大于泊位布置形式1；從不同泊位布置方案（D1、D3）的FSRU-LNGC雙船并靠系泊結果來看，泊位布置形式2的允許作業波高同樣也顯著大于泊位布置形式1。因此對于該項目而言，泊位2的軸線走向更有利于FSRU-LNGC的泊穩和作業。即使FSRU使用破斷力較小的纜繩（D3），允許作業的有效波高也整體較高。

4 結語

通過建立雙船并靠計算模型，對不同風浪組合工況下的船舶允許作業有效波高進行研究，得出以下主要結論：

1）計算分析結果表明：船舶順浪方向系纜靠泊狀態下的允許作業波高相比其他方向靠泊時的允許作業波高較大；隨著波浪平均周期的增加，系泊系統的允許作業波高有所減小。

2）受到長期極值風速影響，在FSRU系泊纜繩破斷力有限的情況下，雙船并靠狀態下所允許的作業波高大于FSRU單獨長期靠泊狀態下的允許作業波高。

3）采用適宜的碼頭軸線走向，可以大大降低對纜繩破斷力的要求。如受其他因素限制無法嚴格順浪布置，可通過為FSRU選用較高破斷力的纜繩來提高泊位可作業率。

4）經過綜合對比分析，港內作業的船舶運動量一般不會達到允許運動量的極限值，因此船舶的可作業波高主要受到系泊纜繩破斷力的制約。