帶FSU+FRU接收終端的浮式LNG碼頭平面設計

盧生軍，丁建軍，陳良志，覃 杰

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510290)

與傳統陸式LNG接收碼頭相比，海上浮式LNG接收碼頭具有建造成本低、周期短、選址方便、靈活度高及可重復利用等諸多優點，隨著清潔能源需求的增加而具有廣闊的發展應用前景[1]。目前，已建成的浮式LNG碼頭多采用儲氣再氣化平臺FSRU作為其接收終端，采用FSU+FRU接收終端的浮式LNG碼頭在國外并不常見，在國內更無先例。該類型LNG碼頭將儲氣和再氣化功能分開在FSU和FRU兩個獨立的浮體上實現，相比FSRU，其建造和維護的技術難度更低，且FSU可直接由舊的LNG船簡單改裝而成，特別適合在技術和經濟不發達地區使用。

采用FSU+FRU接收終端的浮式LNG接收碼頭的平面設計與傳統陸式及采用FSRU的浮式LNG碼頭均存在差異。本文結合西非采用FSU+FRU接收終端的某浮式LNG碼頭工程為例，對其碼頭平面設計要點進行探討。

1 工程概況

該在建浮式LNG碼頭位于西非的加納特碼市，采用的是FSU+FRU的接收終端形式。為滿足當地天然氣進口需求，計劃每10～14 d由17.4萬m3的LNG船向儲氣船FSU加注液化天然氣，其一次加注時間約為36 h。FSU中的液化天然氣經由再氣化浮平臺FRU氣化后，經1根直徑為406 mm的柔性海底管線輸送上岸。

項目主要建設內容包含碼頭水域疏浚、防波堤、FSU、FRU、海底管線、靠船墩、系纜墩、人行橋以及碼頭附屬設施等。總平面布置如圖1所示。

圖1 總平面布置

1.1 自然條件

1.1.1潮位及設計水位

項目位于西非的幾內亞灣海域，潮位參數如表 1所示。

該LNG碼頭的設計使用年限為25 a，但防波堤設計需考慮50 a一遇水位和設計波浪。考慮近岸波浪增水、海平面上升等的影響后，確定用于碼頭設計的高水位和低水位分別為2.1和-0.2 m。

表1 潮位參數 m

1.1.2波浪條件

受源自大西洋高緯度地帶的溫帶氣旋長距離傳播而來的波浪影響，工程區域波浪以長周期涌浪為主，其風浪和涌浪具有如下顯著特征：

1)工程海域既有風浪又有涌浪，波浪以涌浪為主，波浪譜峰周期Tp分布范圍較大，為6～20 s；

2)涌浪波高Hs一般小于2.5 m，但在波高Hs為1.5 m時，其周期Tp可達20 s，周期較長；

3)風浪波高Hs一般小于2.0 m，周期Tp小于8 s；

4)波浪方向集中于南偏東或偏西10°范圍，即波向為170°～190°。

防波堤堤腳處的近岸設計波浪要素如表2所示。

表2 設計波高

1.1.3風

全年盛行西南風。根據對工程附近機場測站數據分析，工程位置營運狀況下風速為12 m/s，極端狀況下風速為20 m/s。

1.1.4流

潮流方向多為東北向，流速較小，大部分時候垂線平均流速小于0.1 m/s，最大不超過0.5 m/s。

1.1.5地質

項目周邊海域地質分布均勻，海床面以下2～3 m為松散砂層，該層以下即是風化的片麻巖地層。片麻巖強度較高，疏浚開挖難度大。

1.2 設計船型

項目設計船型單一，LNG運輸船倉容為17.4萬m3，FSU儲氣船考慮由一艘舊的12.7萬m3的LNG船改裝而成以節約建設成本。LNG船和FSU船的設計參數見表 3。

表3 FSU及LNG船設計參數

FRU再氣化浮平臺為長95.0 m、寬38.4 m、型深19.8 m的方形結構，其倉容量為2.80萬m3。平臺自質量1.29萬t，設計吃水6.7 m，滿載時干舷13.1 m，故受風面積較大。

2 碼頭選址要求

采用FSU+FRU接收終端的浮式LNG碼頭選址不僅要滿足常規陸式LNG碼頭的選址要求，而且FSU和FRU須永久系泊在碼頭上，即使在最極端的環境條件下也不能緊急離泊。另外，浮體單元對波浪的動態響應也遠比固定式碼頭結構敏感。因此，碼頭需要選址在自然條件良好的港灣，必要時需要建設足夠長的防波堤進行掩護。

項目位于加納特碼市，附近無掩護條件良好的天然港灣，而已建成的特碼老港水域空間狹窄，布置LNG碼頭受到安全距離的限制。為此，通過多方案比選，最終將碼頭選址于特碼老港防波堤口門處(圖1)，利用特碼老港已有防波堤及新建的約780 m長防波堤為碼頭提供足夠的掩護。該碼頭選址方案具有如下顯著優點：

1)在無占用老港水域的情況下，充分利用老港已有防波堤結構和配套設施，節約投資；

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2)老港防波堤口門處天然水深接近碼頭設計水深，可大幅減少碼頭水域疏浚工程量，尤其是炸礁量；

3)新建防波堤不僅能為新碼頭提供掩護，同時改善了老港進港航道的船舶航行條件。

但是，因碼頭位于防波堤口門處，北側緊鄰特碼老港主航道，需要評估其他航行船舶對碼頭營運條件及安全的影響，增加了碼頭平面設計的技術難度。

3 作業條件

與陸式LNG碼頭不同，FSU與FRU在極端環境條件下不能緊急離泊，因此除了需要滿足在正常營運條件下LNG船的安全操作要求外，還需要考慮在極端環境條件下的浮體結構運動量及受力也能滿足浮體運動量、纜繩安全工作荷載、護舷變形以及FRU錨碇結構承載力等的相關要求。

3.1 浮體運動量標準

FRU浮平臺采用大直徑鋼管樁錨碇，考慮FRU營運及其設備安全需要，要求在極端風、浪、流作用下的FRU浮體縱、橫向水平位移均不超過0.5 m。

LNG船和FSU船的運動量標準采用PIANC規范[2]中的建議值，如表4所示。

表4 LNG船及FSU船運動量標準

3.2 纜繩安全工作荷載

LNG船和FSU船系泊時，系纜力不應超過纜繩的安全工作荷載(SWL)，其標準采用OCIMF規范[3]的建議值(表5)。

表5 系纜力限值

3.3 護舷變形限值

3.4 FRU錨碇結構承載力

極端環境條件下的FRU浮平臺所受風、浪、流等水平荷載較大，其傳遞到錨樁的水平力不應超過錨樁的水平承載力。

上述4點是確定碼頭作業標準的關鍵性因素，目前尚無經驗公式可供計算，須進行專門動態系泊分析。通過對不同波高、波周期、不同系泊情況下共32個控制工況的模擬，最終確定港內波浪標準如下：當譜峰周期Tp為20 s時的有效波高Hs不應超過0.5 m，遠比一般陸式LNG碼頭港內作業標準嚴格。

4 平面設計要點

4.1 碼頭水域

碼頭選址于特碼老港防波堤口門位置的深水區，回旋水域往外海處天然水深超過16.0 m，滿足設計船舶安全航行吃水要求，不需要專門設置外航道。

為優化回旋水域尺度，對各種可能的風、浪、流條件下的船舶操縱情況進行模擬(圖2)，最終采用1.5倍設計船長(LNG船)，即直徑為450 m的小回旋圓直徑方案。

圖2 操船試驗軌跡

碼頭前沿停泊水域按LNG船與FSU雙船并靠設計，寬度取125 m，停泊水域長度為設計船長加上艏、艉各50 m的安全距離。

碼頭水域底高程按船舶系泊或進出港航行時龍骨下富余深度UKC≥1.0 m為控制標準。考慮規范經驗公式計算確定的水深與船舶實際航行時的水深偏差較大且往往偏保守，項目采用UKC仿真試驗對不同風、浪、流情況下的船舶系泊和進出港航行情況進行模擬，得到所有工況均滿足UKC≥1.0 m標準時，有、無防波堤掩護的碼頭水域底高程應至少分別為-15和-16 m。

4.2 防波堤布置

因FSU船及FRU不能緊急離泊，港內作業標準需考慮極端波浪，且因浮體受力對港內波浪十分敏感，故港內允許作業波高較小。因此，在評估防波堤對港內的掩護效果時，堤身透浪和堤頂越浪不可忽略。考慮一般波浪數模無法模擬堤身透浪和堤頂越浪，針對該類型碼頭建議通過三維波浪物模對港內波浪做進一步驗證。

為了給碼頭提供足夠掩護，在已有防波堤堤頭位置處新建約780 m長防波堤延長段。因外海波浪方向為正南向(170°～190°)，防波堤軸線采用東西向U形布置。堤頂高程設置在高水位以上約1.4倍波高位置6.3 m處，極端波浪條件下存在越浪。堤身采用拋石斜坡堤結構，堤心透浪。最終通過波浪數模及三維波浪物模試驗對防波堤掩護效果進行評估。

4.3 碼頭平面布置

4.3.1安全距離評估

PIANC規范[4]中規定：1)LNG碼頭裝卸點周圍200 m范圍為安全區域，在LNG 碼頭進行裝卸作業時其他任何船舶不能進入該區域；2)通航船舶與系泊船舶的最小安全距離為50 m。

為節省投資，將碼頭選址在特碼老港防波堤口門處，碼頭距離陸地超1 km，LNG船及安全區距離北側主航道邊界的最小安全距離分別為100和50 m。針對該安全距離進行分析論證：

1)航行安全評估。通過統計分析當地船舶類型、大小、航速、航線等，評估系泊船舶與主航道上過往船舶發生碰撞的風險，當過往船舶距離主航道安全距離為100 m時，發生船舶碰撞的可能性較低。

2)船行波影響分析。采用動態系泊數值模擬手段，對特碼老港主航道航行船舶產生的船行波對系纜船舶的影響進行分析，結果表明安全距離100 m時船行波對系泊船舶的影響很小。

3)定量安全風險分析。采用定量安全風險分析法評估項目對周邊公眾安全的風險。浮式LNG碼頭距離陸地超1 km，遠離居民區及工業區，每年可能發生公眾安全風險的頻率遠小于10-6，屬于可被廣泛接受的風險。

4.3.2泊位布置

碼頭采用LNG船與FSU雙船并靠模式以節約泊位數量，泊位平面采用墩式布置形式，共設置2個靠船墩和5個系纜墩，見圖3。

4.3.3FRU浮平臺

圖3 碼頭平面布置(單位：m)

本項目與一般采用FSRU的浮式LNG碼頭最大的不同是將再氣化裝置單獨設置在一個浮平臺FRU上，相比FSRU的操作空間更大，可將氣態天然氣裝卸臂直接集成在FRU上，省去單獨建設一座固定式工作平臺的費用。

再氣化浮平臺FRU長95.0 m，寬38.4 m，型深19.8 m，設計吃水6.7 m，采用6根直徑2.5 m的鋼管樁進行固定，鋼管樁壁厚50 mm。因FRU浮平臺為永久系泊，錨樁設計時應考慮波浪、水流等循環往復荷載下的疲勞破壞。

4.3.4靠船墩

與一般陸式LNG碼頭相比，采用FSU+FRU接收終端的浮式LNG碼頭的靠船墩布置時應考慮如下特點：

1)與靠船墩直接作用的僅有FSU船，設計船型單一且固定；

2)采用的是LNG船與FSU雙船并靠的系泊方式，且極端條件下FSU無法緊急離泊，船舶系泊時的擠靠力而非靠泊時的撞擊力是決定靠船墩上護舷性能、數量及靠船墩結構設計的控制性因素；

3)靠船墩上護舷的布置和性能對系泊船舶運動量和纜繩纜力影響相比傳統陸式LNG碼頭更大。

靠船墩布置的核心目標是保證船舶靠泊時靠船墩上的護舷防沖板能盡量對稱地作用在船體平直段上，且盡量使靠泊船體受力均衡穩定。

碼頭設2個靠船墩，其中心距90 m，滿足英標BS6349-2的0.25～0.40倍設計船長要求。通過動態系泊試驗，確定在FSU船側安裝5個氣動護舷，氣動護舷尺寸為4.5 m×9.0 m，內壓80 kPa，在每個靠船墩上布置2個SCN2000型護舷。

4.3.5系纜墩

LNG船+FSU雙船并靠的浮式LNG碼頭的系纜墩布置、纜繩受力等均與常規碼頭有較大差異，雙船并靠系泊的穩定性及纜繩受力是設計時須重點考慮的關鍵因素。

為滿足LNG船和FSU船共同系纜的要求，碼頭平面采用墩式布置，在船首和船尾分別設置3個和2個共5個系纜墩。艏墩MD1距離FSU船靠泊線25 m，其他系纜墩MD2～MD5距離FSU船靠泊線50 m，艏艉系纜墩中心距離387 m。

雙船并靠系纜方式如下：

1)首墩MD1設4鉤(150t)快速脫纜鉤，用于系LNG船艏纜；

2)LNG船除艏纜外的其他纜繩系于FSU船上；

3)系纜墩MD2和MD5分別設3鉤和4鉤(150 t)快速脫纜鉤，用于系FSU船艏艉纜；

4)系纜墩MD3和MD4分別設4鉤和3鉤(150 t)快速脫纜鉤，用于系FSU船艏橫纜；

5)在FSU船上設系纜點用于LNG船除艏纜外的其他纜繩系纜；

6)在兩個靠船墩BD1和BD2上設2鉤(150 t)快速脫纜鉤，用于系FSU船倒纜。

系纜墩布置及系泊方案通過動態系泊試驗進行驗證，保證船舶運動量、纜繩纜力及護舷變形滿足規定的限值要求。

4.3.6海底管線

LNG管線需穿過特碼老港主航道，不具備建設管線棧橋的條件，相比棧橋方案，海底管線成本更低。因此，考慮將由FRU氣化后的天然氣經由一根406 mm直徑的柔性海底管線輸送上岸。

海底管線采用開挖埋管方案，埋深考慮遠期航道浚深要求，且在穿過主航道的區域設置保護結構防止落錨，在海底管線海、陸兩端設置安全警示牌和警示燈。

4.4 船岸聯系

該浮式LNG碼頭沒有連接碼頭和陸地的引橋，為滿足船岸聯系做如下設計：

1)人員通過交通船由陸地至防波堤，經堤頂通道及人行橋至靠船墩，再由安裝在靠船墩上的大型登船梯分別至FSU船或FRU平臺；

2)不設海底電纜及通訊光纜，在FRU平臺上設置專門發電設備用于供電，船岸采用無線電通信。

5 結論

1)FSU+FRU接收終端的LNG碼頭的港內作業標準主要受極端環境條件下的浮體結構運動量及受力控制，遠比一般陸式LNG碼頭要求嚴格，碼頭應選址于掩護條件良好的海域，防波堤透浪和越浪不能忽略，宜通過三維波浪物模進行模擬。

2)碼頭安全距離應通過航行安全評估、船行波影響分析、定量安全風險分析等一系列研究論證確定。

3)相比FSRU，FRU操作空間更大，可將氣態天然氣裝卸臂直接集成在FRU上，從而取消固定式工作平臺。