大型LNG 码头长度优化研究

王强，郭源媛

（1.国家管网集团南山（山东）天然气有限公司，山东 烟台 264000；2.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200000）

0 引言

港口岸线是支撑区域经济社会发展的战略性、稀缺性资源。伴随岸线资源的日益紧张，岸线的高效、集约利用也成为当代港口发展的基本导向。优化LNG 码头泊位长度，不仅有利于提高港口岸线整体利用效率，而且直接关系到船舶系泊作业的稳定性和安全性，因而一直是LNG 码头设计中的研究重点和难点。根据调研，山东某工程码头泊位在目前国内所有已建、在建15 万总吨LNG码头中泊位长度最短。本文以此工程为研究背景，探讨在岸线资源紧张的建设条件下，如何对LNG码头泊位长度进行优化。通过物理模型试验测定系泊船舶在波浪、水流和风等联合作用时，不同泊位长度条件下，LNG 船舶运动响应及系缆力，为论证船舶安全系泊和作业提供科学依据，并对LNG 码头泊位长度的设计给出优化建议，为同类LNG 码头泊位长度设计提供借鉴和参考。

1 工程案例

1.1 项目概况

工程[1]位于烟台港龙口港区龙口作业区西凸堤液体散货泊位区最北侧LNG 泊位区的3 号泊位。龙口市位于胶东半岛西北部，东与蓬莱、烟台毗邻，南与栖霞、潍坊市接壤，西临渤海，隔渤海与天津、大连相望，其地理概位为：37°40′N，120°25′E。建设规模为新建15 万总吨级液化天然气（LNG）码头泊位1 个，最大可靠泊26.6 万m3LNG船舶，设计年接卸能力500 万t，泊位设计年通过能力644.6 万t。

设计船型：本工程设计主力船型为8 万～18万m3的LNG 船，最大兼顾26.6 万m3LNG 船，按舱容统计的船型主要尺度见表1。从船型长度来看，本项目需要兼容的船长范围为239~345 m，跨度较大。

表1 设计船型主要尺度Table 1 Main dimensions of the design ship type

1.2 泊位长度优化背景

工程位于已建4 号泊位西北侧，已建4 号泊位为1 座10 万吨级（水工结构15 万吨级）的散货泊位，泊位岸线长度360 m，与本工程岸线间距72 m。4 号泊位东南侧为5 号、6 号散货泊位，泊位岸线长度607 m，码头等级为10 万吨级。根据《烟台港龙口港区总体规划方案调整》，4 号泊位、5 号泊位与本工程所在的1 140 m 岸线规划为LNG泊位岸线。工程相邻泊位关系见图1。

图1 工程相邻泊位关系图Fig.1 Relationship diagram of adjacent berths in the project

根据规范要求，LNG 船舶与其他货类船舶相邻停靠时，船舶净距不小于200 m。当规划的3号（即工程案例）、4 号泊位均建成为LNG 泊位，LNG 船舶停靠作业时，与5 号泊位船舶净距需≥200 m，对5 号泊位运营有影响。为尽量减少对5号泊位的影响，需要对泊位长度的设计进行优化。

1.3 LNG 码头平面布置

案例工程码头前沿线位置、走向为已建4 号泊位的延长线，方位角为（N144—N324）°，码头平面布置形式为开敞式墩式码头，采用蝶形布置形式，由1 座工作平台、2 座靠船墩、6 座系缆墩、联系桥和补偿平台等组成，泊位长度368 m。工程总平面布置见图2。

图2 工程总平面布置图Fig.2 General layout of the project

工作平台布置2 组护舷，护舷中心距为42 m；每个靠船墩各布置2 组护舷，护舷中心距分别为72 m 和116 m，满足停靠8 万～26.6 万m3LNG船舶停靠要求。各墩（或工作平台）之间通过人行钢便桥联系，端部系缆墩与已建4 号泊位增设人行通道。工作平台通过长201.528 m、宽14 m 的引桥与陆域衔接。

2 泊位长度分析

2.1 LNG 泊位调研

通过对现有LNG 码头工程调研，近期完成的LNG 码头泊位长度均有不同程度的优化。研究统计了近年来国内已建成的大型LNG 接收站码头的泊位长度，见表2，发现近年来国内外大型LNG码头泊位长度总体有缩短的趋势。另外，目前国内已建成的可接卸26.6 万m3船舶的LNG 码头是福建漳州LNG 码头，码头采用蝶形布置形式，泊位长度370 m，其中系缆段356 m。

表2 国内部分大型LNG 码头泊位表Table 2 Table of berths for some large LNG terminals in China

2.2 泊位长度计算

码头采用蝶形布置形式，按照JTS 165-5—2021《液化天然气码头设计规范》[2]，码头泊位长度应满足船舶安全靠泊、离泊和系泊作业要求，可取1.0~1.3 倍设计船长。必要时，应通过模型试验优化确定，但不应小于1 倍设计船长。近年来大量的工程实例验证表明，LNG 码头长度为设计船长的1.0～1.2 倍在使用过程中较为理想。根据JTS 165—2013《海港总体设计规范》[3]，LNG 泊位之间的船舶净距不应小于0.3 倍最大设计船型船长，且不应小于35 m。

式中：L为设计代表船型长度，m，26.6 万m3LNG船L=345 m；Lb为泊位长度，m。

本项目LNG 码头卸船主力船型为8 万～18 万m3的LNG 船，最大兼顾26.6 万m3LNG 船，所需泊位长度：

针对主力卸船船型18 万m3的LNG 船，Lb=（1.0~1.2）L=300~360 m；

考虑最大卸船船型26.6 万m3的LNG 船，Lb=（1.0~1.2）L=345~414 m；

考虑到岸线资源紧缺，在有限的建设条件下，优先确保17.5 万m3LNG 主力船型有最优的靠泊条件。根据JTS 165—2013《海港总体设计规范》，泊位端部要考虑系缆安全需求，同时考虑艏艉缆系船设施外侧的结构长度，首尾系缆墩结构长度共14 m。案例工程泊位长度取368 m，实际系缆长度为354 m，满足主力船型和兼顾最大船型规范要求的系泊长度。

2.3 靠船墩间距计算

案例工程码头采用蝶形布置形式，根据《液化天然气码头设计规范》规定：墩式液化天然气码头宜布置2 个靠船墩，两墩中心间距可为设计船长的25%～45%。当停靠船型差别较大时，可设置辅助靠船墩。根据OCIMF[4]规定：墩式液化天然气码头宜布置2 个靠船墩，两墩中心间距可为设计船长的25%~40%。各设计代表船型所需靠船墩中心间距见表3。

表3 靠船墩中心间距表Table 3 Center-to-center distance between berth piers

根据表3 可看出，由于船型尺度跨度较大，靠船墩中心间距范围也较大。通过计算确定8 万~26.6 万m3LNG 船靠泊点位于工作平台两侧的靠船墩，每个靠船墩布置2 组护舷，内侧护舷中心距为72 m，满足8 万m3船型靠泊；外侧护舷中心距为116 m，满足14.7 万~26.6 万m3船型靠泊。综合考虑靠泊船型特点和工艺对工作平台的尺度要求，本工程码头工作平台尺度确定为46 m×32 m，平台两侧各布置1 个靠船墩，靠船墩尺度为28 m×16 m，每个靠船墩各布置2 组护舷，护舷中心距分别为72 m 和116 m。

为保证系泊船舶的稳定及安全性，通过物理模型试验，对泊位长度和缆绳的布置形式展开研究，论证泊位长度及码头平面布置方案的合理性。

3 物理模型试验分析

3.1 开展系泊物理模型试验

目前关于船舶系泊条件的问题，主要采用物模试验或数值分析2 种方法对实际情况进行模拟[5]。近年来随着外海开敞式码头的大量建设，物理模型试验研究可以针对工程区域的风、浪、流等动力因素随机性较强的特点，成为优化码头系缆布置和泊位长度的重要方法[6]。本研究通过系泊物理模型，选取368 m 和380 m 两种都满足船舶停泊要求的泊位长度进行对比试验，比选更优方案。

案例项目的主力设计船型为舱容17.5 万m3LNG 船舶，最大接卸船型为舱容26.6 万m3LNG船舶。从船型长度来看，本项目需要兼容的船长范围包括239~345 m。为确保17.5 万m3LNG 主力船型有最优的系泊条件，码头长度优化主要基于17.5 万m3和26.6 万m3LNG 船型进行分析。

3.2 泊位长度对缆绳系泊角度的影响

17.5 万m3船舶系缆方式为3 ∶2 ∶2 ∶2 方式，即艏艉缆分别系在1 号和6 号系缆墩上，艏、艉横1 组缆分别系在2 号和5 号系缆墩上，艏、艉横2组缆分别系在3 号和4 号系缆墩上，艏、艉倒缆分别系在外侧1 号和2 号靠船墩上。26.6 万m3船舶系缆方式为3∶2∶3∶2 方式，即艏艉缆分别系在1号和6 号系缆墩上，艏、艉横1 组缆分别系在2号和5 号系缆墩上，艏、艉横2 组缆分别系在3号和4 号系缆墩上，艏、艉倒缆分别系在外侧1号和2 号靠船墩上。

图3 和图4 分别给出了在368 m 和380 m 两种泊位长度下17.5 万m3和26.6 万m3LNG 船舶的系泊状态。

图3 2 种泊位长度下17.5 万m3LNG 船舶系泊状态Fig.3 Moored condition of 175 000 m3 LNG ship with two berth lengths

图4 2 种泊位长度下26.6 万m3LNG 船舶系泊状态Fig.4 Moored condition of 266 000 m3 LNG ship with two berth lengths

泊位长度不同时，系泊船舶的艏艉缆及艏艉横缆系缆点位置发生变化，主要改变的是各缆绳的长度和系泊角度，但图中可以看出2 个方案下，缆绳的长度和角度未有明显改变。

3.3 泊位长度对船舶运动量和系缆力影响

试验对比了368 m 和380 m 两种泊位长度下船舶运动响应和缆绳张力，分析不同长度的码头泊位对船舶运动量和系缆力大小的影响。由于船舶在压载时的运动响应整体大于满载状态，本节对比2 种泊位长度在波浪、水流和风联合作用下，压载工况下主力船型17.5 万m3LNG 船舶运动响应和系缆力的部分试验结果，试验结果见表4—表7。

表4 90°横浪作用时系缆力试验结果Table 4 Test result of mooring force under 90°transverse-sea action

表5 90°横浪+顺流+吹开风作用时系缆力试验结果Table 5 Test result of mooring force under combined action of 90°transverse-sea,downstream,offshore-wind

表6 0°顺浪+顺流+45°吹开风作用系缆力试验结果Table 6 Test result of mooring force under combined action of 0°transverse-sea,downstream,45°offshore-wind

试验结果表明：

1） 整体而言，368 m 泊位长度下，90°横浪及90°横浪+顺流+吹开风作用时，船舶横移运动略小于380 m 泊位长度下的结果，艏艉缆缆力略微增大。

2） 368 m 泊位长度下，0°顺浪+顺流+45°吹开风作用时，船舶纵移运动略大于380 m 泊位长度下的结果，且倒缆缆力略大，但增大程度不大，两者具备几乎相同的抵抗纵向运动的能力。

3） 2 种泊位长度下，尽管船舶横移、纵移和缆绳张力等动力响应有一定的差别，但试验结果量级上是一致的。

综合2 个泊位长度船舶运动量和缆绳张力数据分析，总体上2 个泊位长度方案均能满足船舶使用要求，短泊位在限制船舶横移运动方面略占优。

3.4 试验结论

泊位长度对比试验结果显示，90°横浪作用时，368 m 泊位长度下，船舶横移运动小于380 m泊位长度下的结果，艏艉缆缆力略微增大。0°顺浪运动作用时，2 个方案下纵移运动相当。泊位长度采用368 m 时，对船舶的横向约束效果更好。可见，在满足系缆力规范要求的情况下，适当缩短泊位长度，可以更好地限制船舶的横移运动，更有利于提高船舶系泊的安全性。

4 结语

1） 通过物理模型试验验证，码头采用368 m方案时，可以满足主力船型和最大船型的靠泊。并且采用短泊位方案，对船舶的横向约束效果更好。

2） 在满足系缆力规范要求的情况下，适当缩短泊位长度，可以更好地限制船舶的横移运动，更有利于提高船舶系泊的安全性。

3） 短泊位为后续泊位建设提供了更加富裕的岸线尺度。在LNG 码头的建设中，为节约岸线资源，有效利用深水岸线，可以根据实际运量，在满足最大船型靠泊的情况下，针对主力船型对码头泊位进行设计，以提高项目效益。

4） 为保证泊位长度优化的合理性，在项目设计中应进一步利用数学模型对优化方案进行验证，从而获得更准确的结论。