基于單點系泊的LNG船過駁新型作業模式

徐 磊，付博新，廖 勇，黃 威

(1.中交城鄉能源有限責任公司，北京 100070；2.中交水運規劃設計院有限公司，北京 100007；3.中國石油工程建設有限公司西南分公司，成都 610041)

LNG海上運輸是LNG進口的一個重要環節，直接影響供應的穩定性與消費的經濟性，隨著LNG這種清潔能源在我國能源領域占有率的不斷提高，越來越多的LNG通過船舶運輸進口至我國。船對船過駁作業是一種在海上進行貨物裝卸的作業方式，在新形勢下，采用LNG海上過駁的方式是解決逐年增加的LNG碼頭建設需求與港口岸線集約化開發利用矛盾的有效途徑，既能滿足日益增長的LNG運輸需求，又能在國家對于現有存量岸線的新要求下，優化和減少對岸線資源的利用，一舉多得，可以預見船對船過駁這種作業方式將會越來越多的得到應用。

國際上大宗液體散貨危險品的船對船過駁作業操作復雜，風險性大，是公認的高難度作業，尤其是對于溫度為-162℃的LNG而言。當前，采用傳統方式進行船對船過駁作業，與原油相比，LNG對過駁船舶相對六個自由度的運動有著更高的要求，所以在開展作業前必須對可能造成作業危險的安全問題進行系統分析，并且做好充分的作業準備，以保證船對船過駁作業的安全，這對建設條件和作業條件有著近乎苛刻的要求。

為了適應前述大型LNG船舶海上過駁要求，更好的保障過駁作業安全，本研究提出一種基于單點系泊的LNG船過駁新型作業模式。

1 相關技術背景介紹

1.1 LNG海上過駁

過駁作業是常見的散貨船舶倒運方式，同時，海上油品過駁也是世界公認的高風險作業。《船對船石油過駁安全作業要求》[1]中過駁作業的定義為：在船與船旁靠的情況下，將石油從一艘船舶輸送到另一艘船舶所進行的一系列作業。傳統過駁作業模式一般是大船停靠碼頭、浮筒、裝卸平臺或錨地，用駁船或其他小船倒運貨物。

傳統的LNG過駁作業通常有一艘卸載LNG的卸貨船，另有一艘接收LNG的受貨船，一般卸貨船為錨泊船，受貨船為機動船。受貨船通常為新建或又由舊船改造的浮式LNG接收終端FSRU(Floating Storage and Re-gasification Unit)，其最大特點是在FSRU船上實現了再汽化功能，可替代陸上接收站，輸送天然氣至陸上管網并提供給用戶。受貨船與卸貨船通過不同方式聯通，LNG通過卸載臂或軟管在船間傳送。LNG海上過駁運輸主要分四種類型，分別為單點艉靠、多點旁靠、碼頭單側旁靠、碼頭雙側(或臨近泊位)靠泊，見圖1。傳統的LNG海上過駁的優勢與劣勢對比見表1。

1-a 單點艉靠1-b 多點旁靠

1-c 碼頭單側旁靠1-d 碼頭雙側(或臨近泊位)靠泊圖1 常見的LNG海上過駁類型Fig.1 Common types of LNG offshore transfers

表1 傳統的LNG海上過駁的優勢與劣勢Tab.1 Advantages and disadvantages of traditional LNG offshore transfer

1.2 單點系泊系統

交通運輸部《油輪單點系泊作業安全要求》[2]中對單點系泊的定義為：在海上凡允許系泊船舶隨著盛行風和海況的變化而圍繞著單個系泊點作風向標自由回轉，從而不斷地處于風、浪、流合阻力最小位置的系泊設施，可為固定式或浮式結構，通過剛性或鉸接結構或懸鏈系泊系統固定在海上。

單點系泊是液體散貨船舶的一種裝卸作業方式，是指船舶通過單點形式系泊在一個固定式或浮式結構物上，船舶圍繞該結構物可以隨風浪流作360°回轉，由于風標效應，被系泊船舶將會停泊在環境力最小的方位上[3]，典型構成見圖2。與固定式的碼頭相比，它最大的特點是系泊方式是“點”系泊，就是說超大型油船可以將其系泊于一個“點”上然后進行卸貨操作，技術優勢與劣勢對比見表2。單點系泊系統從20世紀50年代后期開始發展，已經成為廣泛使用的一種海上系泊油輪和輸送流體貨物的方式[4]。

表2 與固定式碼頭相比，單點系泊的技術優勢與劣勢Tab.2 Compared with fixed piers,the technical advantages and disadvantages of single-point mooring

液體散貨(包括LNG)單點系泊與系船浮筒錨地類似，根據對寧波-舟山港和廣州港的調研，系船浮筒錨地的設計環境條件與使用要求有關。例如：舟山港的浮筒錨地用于抗臺，使用風速為不大于12級風；廣州港系船浮筒錨地用于旁靠過駁，使用風速為不大于5級；表3中單點系泊的作業標準來源于廣東茂名30萬t級單點系泊工程操作指南[5]，對應其系泊和裝卸要求風速不大于6級，離泊要求風速不大于8級。因此液體散貨單點系泊與系船浮筒錨地的使用環境條件應根據系船浮筒系統的具體使用要求確定，并按照使用要求設計系船浮筒系統結構，與船型大小也有著密切關系，必要時應通過試驗研究確定，系船浮筒系統的系泊試驗手段包括數學模型模擬、物理模型試驗和原型觀測等[6]。

圖2 懸鏈錨腿型單點系泊系統的總體示意圖Fig.2 General layout of CALM single point mooring

表3 固定式碼頭與單點系泊方式作業限制條件標準比較Tab.3 Comparison of operating restriction standards between fixed wharf and single point mooring

當前有關LNG船舶和碼頭的相關研究熱點多集中在通航[7-8]和系泊[9-11]方面，而鮮有LNG船舶過駁的相關研究。包括LNG船在內的液體散貨船過駁作業基本是采用大小船緊靠系泊的方式，國內外現行的行業標準[12-14]、作業指南[1,2,15-17]、相關著作和已有研究[18-21]都是基于上述方式。通過前述的深入分析，面對可能遇到的技術問題，本研究將傳統過駁方式與單點系泊相結合，取長補短、創新性的提出基于單點系泊LNG海上過駁作業模式。

2 設計方案

采用傳統的單點系泊與過駁方式進行結合的方式，該作業系統由多個單點系泊子系統構成，通過海底管線使得各子系統連通，各個單點系泊子系統均按對應的船舶噸級大小的錨地錨位進行布置，布局方式可采用放射狀也可采用干支狀。可通過大船向小船泵入液體物料，也可反向輸送，可一艘大船對多個小船同時作業，實現過駁作業要求。

2.1 水域選址原則

新模式下開展的過駁作業所需水域與錨地布置類似，在水域選址及船舶錨位布置時，所占水域規模和錨位數量應根據到港船型及其密度、港口生產組織和水域自然環境等因素綜合確定。考慮到本研究所述LNG屬危險品運輸，參照危險品錨地的相關要求，建議設置專用過駁作業水域，不宜與其他錨地共用水域，并應與其他錨地及水陸域設施保持安全距離。

本研究所用的專用過駁作業水域位置應選在靠近港口、天然水深適宜、海底平坦、錨抓力好、水域開闊、風、浪和水流較小，便于過駁作業前后小船進出航道，且在臨近海底管線的水域布設錨位時，應與之保持一定安全距離。

2.2 系統構架

本研究將通過例子并參照附圖的方式說明，其中圖3是新模型下過駁作業大船倒小船的系統示意圖，基于單點系泊的液體散貨船舶過駁作業系統模式，包括：

大船1：承裝LNG的大型船舶。

小船2：承裝LNG的小型船舶。

旋轉頭3：連接浮筒固定部分與轉動部分，為液流態貨物的裝卸提供單一或多管道通道的部件。

海底管匯5：由連接海底管線和水下軟管等多根管道交匯而成的并固定在海床上的組合體。

水下軟管6：連接單點系泊浮筒和海底管匯的軟管組。

漂浮軟管7：連接旋轉接頭輸LNG裝卸臂與系泊LNG船舶管匯的自由漂浮在海面上的軟管組。

值得注意的是，在不需要改變系統構架的情況下，大船倒小船的逆向輸送即可實現小船倒大船；海底管匯非必需，通過水下軟管直連也可實現該模式的功能。

2.3 布局方式

本研究可采用如圖4的兩種布局方式，分為放射狀布局和干支狀布局兩種，其特點如下：

圖3 LNG過駁作業新模式下系統構架示意圖Fig.3 Schematic diagram of the system architecture under the new mode of LNG transfer operation圖4 LNG過駁作業系統在新模式下的兩種布局方式Fig.4 Two layout methods of LNG transfer operation system under the new mode

放射狀：采用中心向四周發散的方式，大船單點系泊(圖中方塊)與小船單點系泊(圖中圓圈)通過海底管匯或水下軟管(圖中雙向箭頭)直連，其顯著特點是有效節省海底管匯和水下軟管的長度，相比干支狀布局由于管線較短，傳輸效率較高，尤其適用于傳輸過程中對保冷要求較高的LNG，有利于節約管線造價。

干支狀：一般情況下，近岸水淺、遠岸水深，因此大船布置在遠岸一側，小船視噸級大小布置在近岸一側，采用主干與分支的布局方式，大船單點系泊與小船單點系泊通過海底管匯或水下軟管干管和支管連通，其顯著特點是充分利用水下地勢，相比放射狀布局離岸更近，可節省小船的航程，但水下管匯和軟管相對較長，傳輸效率較低。

2.4 平面布置

每個單點系泊錨泊點的布置可參照《海港總體設計規范》(JTS165—2013)[12]錨地計算進行設計，對于油船和危險品船舶應設置專用錨地或專用泊位。錨地規模可根據反映船舶到港規律的排隊論模型或其他數學模擬的方法推算。根據該規范要求，油船等液體化工品錨地，除考慮單船的回旋半徑外，尚應考慮其他船進出錨地時的航行安全需求。采用本研究的海上油品過駁方式時，錨地布置型式可按照圖5所示方式進行布置。

過駁平面方案采用放射狀布局，大船單點系泊錨位布置于錨地中間，小船單點系泊錨位布置在外側周邊，并根據規范要求預留2～3倍大船設計船寬的船舶航行通道，作為大船進出以及浮筒等設備的維修通道。大小船系泊浮筒間通過海底管匯或水下軟管直連，能有效節省海底管匯和水下軟管的長度。

5-a 放射狀 5-b 干支狀圖5 單點系泊過駁作業錨泊水域布置平面圖Fig.5 Layout plan of mooring water area for single-point mooring transfer operation

過駁平面方案采用干支狀布局，大船單點系泊錨位布置在錨地一端，小船單點系泊錨位布置在上下兩側，上下兩排錨位間根據規范要求布置2～3倍設計船寬的船舶航行通道，作為船舶進出以及浮筒等設備的維修通道，浮筒間通過海底管線進行連接，能夠最大限度的利用錨地空間。

2.5 技術特點分析

對應前述過駁作業和單點系泊的特點，本研究很好地繼承了兩種方式的優點，前述存在的缺陷也得到很好的解決，論述如下：

(1)港口的可持續發展與海岸線保護相適應的問題。

在新模式下，大船與小船在外海進行過駁作業前或作業后，小型船舶仍需在近岸固定碼頭進行常規裝卸作業，適用于水淺灘長或中小型規模的港區，一方面無需大規模建設防波堤形成掩護水域和開挖深水航道，另一方面也滿足了港區擴大LNG水運業務發展的需要，很好地化解了港區發展與海岸線保護的矛盾。

本研究提出的新模式，首先，既可以很好地滿足LNG能源需求的增長，保障能源轉型和能源安全，保證港口行業的發展建設需要，同時緩和了傳統港口開發建設方式與海岸線保護之間的矛盾，更有利于可持續發展；其次，可引導現有存量岸線通過功能調整、升級改造、優化布局、重新開發等方式來提高岸線利用率；第三，是新的岸線資源開發利用模式的創新之舉，與國家日趨嚴格的岸線準入管理政策相適應，充分響應國家對有限的岸線資源朝著更加集約、高效、現代化方向開發的指導思想。

(2)過駁作業方面。

①新模式繼承了前述單點系泊對作業條件要求較寬泛的優點，在外海相對惡劣的自然條件下可開展作業。

②新模式按外海錨地錨位布置，過駁船舶之間有足夠的安全間隔，大大降低了傳統LNG船靠船過駁作業中的危險性。

③新模式按錨地錨位布置，過駁船舶之間有足夠的安全距離，便于應急處置，大大降低了交通事故的風險。

(3)單點系泊方面。

①新模式下，取消了水陸域連通的海底管線，即便增加了若干子系統錨位之間的管線，也遠小于傳統單點系泊水陸域連通海底管線的長度，將影響范圍縮小到遠離陸域的局部海域，有利于降低對陸域的安全風險，并能做到集中控制。

②LNG是一種無臭、無味、無毒、透明的燃料，一般以低溫(零下162℃)常壓條件下儲存和運輸。在新模式下，一旦船舶發生海上泄漏，常溫下極易蒸發，汽化氣體比空氣輕，極易產生燃燒爆炸性蒸氣，雖危險性高，但LNG及汽化氣體基本不會造成環保危害和環境負擔。

③新模式取消了長距離海底管線后，大船與小船之間的傳輸效率雖不及傳統過駁作業旁靠方式，但傳輸距離遠遠小于傳統單點系泊水陸域之間方式，壓力損失小，無需加裝接力泵，船與船之間物料輸送的效率依然可以處于較高水平。

④新模式下，單點系泊具有可以移動、可以重復使用等特性，一旦遭遇大規模極端天氣，可增加防護措施或將裝置移走避險。此外，因其可移動的特性，可用于季節性調峰使用，比如冬季布設在中國北方海域用于寒冷季節的取暖燃料供應，夏季布設在中國南方海域用于解決炎熱季節的用電高峰問題。

2.6 技術應用的經濟性分析

從經濟性角度分析此技術的適用條件，此技術的應用有別于傳統LNG接收站管道運輸或公路倒運的方式，將會增加LNG船舶二次轉水的運輸成本。因此，此技術應用主要適用于LNG水水中轉碼頭以及航道、碼頭、罐區、陸域等基礎設施條件不能滿足LNG裝卸作業需要的港口。應用此技術的經濟性主要來自以下四個方面：

(1)提高作業效率。該模式可實現船-船轉卸時多條LNG船舶同時作業，大大提高港口中轉作業效率，減少船舶在港時間；作業效率的提高，將有效降低船舶待泊時間，緩解港口擁擠。

(2)節約土地及岸線資源。該模式主要在港口水域完成作業，對岸線和陸域需求較小，有效節約了國家土地和岸線資源，提高了資源的使用效率。

(3)減少建設和運營成本。該模式實現船舶作業主要在水域完成，采用直取模式轉運，對罐區等倉儲需求、碼頭及后方配套設施的需求降低，可降低港口建設成本；同時，作業空間和管理環節減少，或將降低管理和作業對用工的需求，降低運營期成本費用。

(4)受自然條件影響較小。該模式將利用廣泛的自然水域空間作業，受航道、錨地、岸線、陸域、泊位水深等碼頭自然條件影響較小，泊位建設時可根據需要海向發展，泊位對船舶噸級、到港艘數等靠泊作業需求的適應性將會有較大提升。

因此，對于港口作業繁忙、船舶等待時間較長、岸線及陸域資源有限、基礎設施建設成本較高、受自然及港口基礎設施條件影響較大，但LNG運輸和二程轉運需求較大的港口，應用此技術的經濟性較為明顯。

3 可參考的技術標準

系統梳理了該新型過駁作業模式可參考的相關標準、規范、法規及操作指南，如表4所示。

從表4看出，上述規范標準基本覆蓋了本研究提出的LNG海上過駁新型作業模式所涉及的技術細節，因此，本研究所應用到的技術手段和設備設施較為成熟，在實踐層面是可行的、擁有好的應用前景。

表4 可參考的相關標準、規范、法規及操作指南Tab.4 Relevant standards,specifications,regulations and operating guidelines

4 結論

(1)對傳統的LNG海上過駁和單點系泊系統進行分析，并對各自的特點、優勢、劣勢及可借鑒之處進行梳理。

(2)提出一種基于單點系泊的LNG船過駁新型作業模式，將傳統的單點系泊與過駁方式進行結合，優勢互補，該模式具有作業高效、安全可控、環境友好、資源節省等特點。

(3)系統梳理了相關標準、規范、法規及操作指南，基本覆蓋了本研究所涉及的技術細節，所應用到的技術手段和設備設施較成熟，在實踐層面是可行的，有較好的應用前景。