中石化天津LNG码头方案优化研究

摘 要：从通航安全和船舶操纵的角度出发，基于船舶进出港及靠离泊仿真模拟试验，对LNG码头及配套的航道、防

波堤布置提出一些优化建议和方案，供工程设计和海事监管借鉴和参考。

关键词：LNG码头 航道 防波堤

近几年中国进口能源最快捷可行的方式就是通过海岸线由海运进口石油和液化天然气，中石化天津LNG项目的建设有利于形成京津地区多气源供应格局，提高该地区供气的经济性、安全性和平稳性；有利于满足环渤海地区对清洁能源需求，保护环境和促进经济发展。因此，中石化天津LNG码头的建设是十分必要和迫切的。

南港工业区概况

1、航道概况

规划LNG航道有效宽度300m，设计底标高-14.9m，航道方位为270°00′00″～90°00′00″，航道里程延伸至38+000。

2、防波堤概况

目前，港区南北防波堤堤顶间距为1800m，推荐的口门位置距东堤为3000m，目前施工至2000m，原推荐口门内南防波堤转折处间距1000m隔堤尚未建设。

3、港区水文气象

港区常风向为S向，次常风向为E向，出现频率分别为9.89%、9.21%。强风向为E向，次强风向为ENE向，≥7 级风出现的频率分别为0.32%、1.01%。

能见度＜1km的大雾平均每年为16.6个雾日，雾多发生在每年的秋冬季，每年12月份大雾日约为全年大雾日的30%左右，最长的延时可达24小时以上。按大雾实际出现时间统计，平均每年为8.7天。

LNG码头工程区域流场特点如下：① 南港工业区海域潮流表现为与岸线垂直的往复流，港区范围内口门处涨落潮流速最大，港池内流速相对较小。口门区落潮流速大于涨潮流速。② 从流速分布上看，航道等级提高后口门流速会有所减小，有利于船舶航行。③ 从涨落急时刻的横流大小分布上看，码头区横流小于0.10m/s。航道中横流最大处位于防波堤口门附近，但最大横流不超过0.25m/s。

优化前的LNG码头平面布置

LNG泊位码头平面布置采用离岸蝶型布置，主要由1座工作平台、2对靠船墩、4对系缆墩、联桥及引桥组成。泊位长度为420m，操作平台尺度为30×15m，高度为12m，采用钢结构，其上布置有控制室。引桥净宽为15m，长度为90m。码头所有系缆墩布置在同一直线上，并与码头前沿线平行。

图1 优化前LNG码头平面布置图

码头平面布置适应性分析

1、基于规范的适应性分析

主要研究LNG码头水域、航道和防波堤的适应性，优化LNG码头、航道及防波堤设计方案，在此主要选取26.6万m3LNG船舶作为研究对象。

表1 26.6万m3LNG船舶尺度

1.1防波堤适应性分析

防波堤作为防护建筑物的基本功能之一就是抵御外海波浪入侵，改善港内水域的泊稳条件。口门宽度是影响掩护效果的一个重要参数。根据布置特点，口门宽度通常包含三个指标值：口门宽度BS、口门有效宽度B0以及安全距离d0。三者之间的相互关系如图2所示。

图2 口门宽度值示意图

根据《海港平面设计规范》，口门的有效宽度是指口门垂直于航道轴线方向的宽度；安全距离是指口门有效宽度底边线至防波堤的距离，应根据堤的结构型式及其安全要求确定。针对防波堤口门区的设计宽度，规范要求防波堤口门有效宽度应为设计船型船舶船长的1-1.5倍。

表2 口门有效宽度与船长对比表

由表2可知，规划防波堤口门有效宽度可以满足26.6万m3LNG船安全进出口门的要求。考虑LNG船舶进出港时需要护航，选取两艘拖轮（6000HP Z型拖轮）在前后护航通过口门时，整体船队长度约433m，口门宽度/船长约4.2，可以满足LNG船舶在护航条件下安全通过口门需要。

1.2航道适应性分析

1.2.1航道水深

根据《液化天然气码头设计规范》的要求，液化天然气码头进出港航道设计水深的计算基准面宜采用当地理论最低潮面。设计水深计算中的各项富裕深度应按《海港总平面设计规范》的规定确定。根据《海港总平面设计规范》对航道尺度的要求。

D0=T+Z0+Z1+Z3+Z4

D0－航道通航水深（m）；D－航道设计水深(m)；T－设计船型满载吃水(m)；Z0－船舶航行时船体下沉值（航速取8节）；Z1－航行时龙骨下最小富裕深度(m)；Z2－波浪富裕深度(m)，取0.9；Z3－船舶装载纵倾富裕深度，取0.15m；Z4－备淤深度(m)，取0.4m。

表3 航道水深计算表 （单位：m）

1.2.2航道宽度

根据《液化天然气码头设计规范》要求，液化天然气码头人工进出港航道可按单向航道设计，航道有效宽度应按《海港总平面设计规范》的规定确定，且不应小于5倍设计船宽。航道有效宽度由航迹带宽度船舶间富裕宽度和船舶与航道底边间的富裕宽度组成。单向通航宽度按下式确定：

A=n(Lsin?酌+B)

n—船舶漂移倍数；?酌—风、流压偏角；L—船长（m）；B—船宽（m）。

表4 单向通航所需航宽（m）

该工程配套航道设计水深为14.9m，设计宽度为300m，可以满足26.6万m3船满载航行要求。

通过以上分析可知，LNG码头配套的航道及防波堤理论上均可满足26.6万m3LNG船安全航行及靠离泊要求。下面将采用船舶操纵模拟的手段，从船舶实际操纵的角度进一步分析LNG码头及航道、防波堤设施的适应性。

2、船舶仿真模拟试验

根据工程水域水文、气象、航道尺度、船舶特征等环境参数，利用全任务大型船舶操纵模拟器对通航环境进行建模，模拟船舶进出港及靠离泊情况。在此选取其中一组模拟试验结果，具体工况如表3所示。

表5 设计船型模拟试验工况设置表

模拟试验表明，LNG船进港时，在主航道的船速为6～10节，主航道外段船速一般8～10节，风流压差约3°～5°，进入防波堤口门前降至5～6节，防波堤航段风流压差约6°～9°，至防波堤隔堤前降至3节，风流压差约10°～15°，鉴于进港航道防波堤隔堤的口门区航段为LNG船舶进港的制动段，也是LNG船离泊出港时转向上线的关键航段，LNG船低速状态下受风影响显著，建议对进港航道防波堤隔堤的口门区航段进一步拓宽。

根据模拟试验轨迹分析，除进港航道防波堤隔堤的口门区航段外，航道设计有效宽度300m满足规范对设计船型单向通航的要求，LNG船舶在进港航道防波堤隔堤的口门区航段的船位横向偏移范围距离航道轴线约左、右各增加了1倍船宽，纵向偏移范围在防波堤隔堤前、后各为1.5倍船长。

工程优化方案

1、防波堤处航道优化方案

根据前面模拟试验可知，在LNG船舶进出港尤其是离泊通过口门过程中，船舶由于受风面积较大，且离泊时速度低舵效差，容易导致很大的风致漂移量尤其是受到西北风的情况下，LNG船舶在口门附近右转进入航道操作难度很大，进入航道过程中极易受风的影响驶入港池和航道的外侧导致搁浅事故。建议将LNG泊位港池的东北端口门附近水域适当加宽疏浚，将疏浚点D延伸到E点，共350m。

2、LNG码头优化方案

基于模拟试验结论，在现有平面布置下，LNG船舶掉头靠泊时转角过大，船舶操纵难度较大，建议将码头位置前移190m，同时调整了预留泊位及工作船泊位位置。

另外，鉴于码头布置在非港池水域，同时考虑将码头进一步前移的难度。该工程还可不前移码头位置，将码头两侧水域进行浚深，增加船舶进港掉头可利用水域，可达到减小船舶进出港操纵难度效果。同时，为便于LNG船舶在紧急情况下能及时撤离码头，建议将码头方向朝南北向调整。

（第一作者单位：中国石油化工股份有限公司天然气分公司）