超大型LNG船舶靠离泊所需拖船总功率研究

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(上海海事大学 商船学院，上海 201306)

随着LNG船舶的大型化趋势，拖船已经成为大型化船舶靠离泊操纵中必不可少的协助工具。对于超大型船舶通常需要多艘拖船作为辅助动力协助操纵，所需拖船数量和功率一般很难根据经验做出正确判断。若对所需拖船的数量或总功率估计不足，船舶靠离泊安全可能得不到保障；若拖船数量或总功率估计过大，又造成一定的浪费。

我国沿海地区先后兴建和正在兴建多个大型LNG接收站，在广东珠海、江苏如东等地的LNG项目的通航安全评估中，码头设计单位、国内外船东、国外供气方、有关安全主管单位及各地引航部门等对超大型LNG船舶靠离泊时需要配置的总功率估算存在一定的争议。为此，通过对国内外现有船舶拖船功率配置的有关规范和计算公式的比较研究，结合目前我国LNG船舶实船资料和拖船的实际情况，说明按不同规范和方法计算出的拖船总功率配置的差别，为LNG接收站合理配置拖船提供参考。

1 我国LNG接收站的主要船型

我国沿海地区已经兴建的或正在兴建的多个大型LNG接收站，各LNG接收站设计时考虑接纳的设计船型主要分布在8万m3～26.6万m3之间,兼顾的小船型为8万m3，兼顾的大船型为21万m3～26.6万m3。

2 我国对船舶拖船配置的有关规范

2.1 《海港总平面设计规范》的有关规定

按《海港总平面设计规范》(JTJ211—99)[1]中4.9.3条规定，港作拖船的总功率ηBHP，应根据进出港船舶的载重吨QDWT按下式估算

ηBHP=kQ

(1)

式中：k——系数，QDWT≤2万t，取0.075；

2万t

QDWT>5万t，取0.05；

Q——进出港设计船型的载重吨，t。

《海港总平面设计规范》中提及的计算方法属于拖船总功率的估算，由于公式中没有对风、流、浪等自然条件加以具体说明，风流力大小及风流舷角等因素对所需拖船推力和拉力影响很大，而规范没有明确给出适用条件，所以本方法只能认为是在通常情况下拖船总功率计算的经验公式[2]。

2.2 《液化天然气码头设计规范》的有关规定

根据《液化天然气码头设计规范》[3]第5.8条规定，液化天然气船舶靠泊和离泊时宜配备全回转型拖船(Z型拖船)协助作业。液化天然气船舶靠泊时，可配置4艘拖船协助作业。液化天然气船舶离泊时，可配置2艘拖船协助作业。拖船的总功率应根据当地自然条件和船型等因素综合确定，且单船最小功率不应小于3 000 kW。

本方法只能认为是在通常情况下拖船总功率计算的经验公式，没有具体说明船舶不同吨位、尺度配置在拖船数量的具体要求，即规范没有明确给出适用条件，对于拖船配置数量和总功率上会造成一定的影响。

2.3 《港口工程荷载规范》对船舶载荷的要求

2.3.1 作用于船舶上的风荷载

根据《港口工程荷载规范》[4](JTS144-1-2010)附录E作用于船舶上的风荷载的规定：作用在船舶上的计算风压力的垂直于码头前沿线的横向分力和平行于码头前沿线的纵向分力宜按下列公式计算。

(2)

(3)

式中：Fxw，Fyw——作用在船舶上的计算风压力的横向和纵向分力，kN；

Axw，Ayw——船体上面以上横向和纵向受风面积,m2；

Vx，Vy——设计风速的横向和纵向分量，m/s；

ξ1——风压不均匀折减系数；

ξ2——风压高度变化修正系数。

2.3.2 作用于船舶上的水流力

1)《港口工程荷载规范》附录F作用于船舶上的水流力规定：对于开敞式海港透空式系船、靠船结构，当水流与船舶纵轴平行、或流向角θ<15°和θ>165°时，水流对船舶作用产生的水流力可按下式计算。

①水流对船舶作用产生的水流力船艏横向分力Fxsc和船艉横向分力Fxmc为

(4)

(5)

式中：Cxsc、Cxmc——水流对船艏横向分力系数和船艉横向分力系数；

ρ——水的密度，t/m3；

V——水流速度，m/s；

B′——船舶吃水线以下的横向投影面积，m2。

②水流对船舶作用产生的水流力纵向分力Fyc为

(6)

式中：Cyc——水流纵向分力系数；

S——船舶吃水线以下的表面积,m2；

2)对于开敞式海港透空式系船、靠船结构，当水流与船舶纵轴斜交，即夹角为15°～165°时，水流对船舶作用产生的横向分力Fxc与纵向分力Fyc按下式计算。

(7)

(8)

式中：Cxc、Cyc——水流力横向分力系数和纵向分力系数；

Axc，Ayc——相应装载情况下船舶水下部分垂直和平行水流方向投影面积,m2。

3 国际上有关拖船配置的规定

3.1 国际航海学会《港口拖船应用指南》的规定

《港口拖船应用指南》[5]中主要分析了风、流、浪等因素对船舶操纵的影响。

3.1.1 风作用力的计算

侧向风力为Fyw=0.5CywρV2AL

(9)

纵向风力为Fxw=0.5CxwρV2AT

(10)

式中：Cyw——侧向风力系数；

Cxw——纵向风力系数；

AL——船侧受风面积，m2；

AT—船艏来风阻风面积，m2。

Cyw和Cxw与多个因素有关，可采用风洞模型试验来确定，通过一些试验研究，横向力可简化为

FYw=0.065V2AL×9.8

(11)

船舶正横受风时，考虑20%～25%安全储备，计算系柱拖船总拖力时，公式调整为

Fw= 0.08V2AL×9.8

(12)

对于LNG船舶来说再增加5%～20%，则

Fw=0.096V2AL×9.8

(13)

3.1.2 水流作用力的计算

侧向水流力

Fyc=0.5CycρV2LBPT

(14)

纵向水流力

Fxc=0.5CxcρV2LBPT

(15)

式中：Cyc——侧向水流力系数；

Cxc——纵向水流力系数；

LBP——两柱间长，m；

T——吃水，m。

Cyc和Cxc与船体水中形状、吃水、吃水差、水流作用方向以及龙骨下富裕深度等因素有关，这些参数应通过水池船模试验研究来定。当船舶受到横流的作用时，取Cyc=0.6 ,ρ=1 025 kg/m3,考虑拖船效力折减而采用25%放大量时,对于不同水深可以按照以下公式计算简化计算。

对于深水区(大于6倍船舶吃水)的拖船系柱拖力计算式可简化为

Fc=40V2LBPT×9.8

(16)

当龙骨下富裕水深为船舶吃水20%时,则

Fc=150V2LBPT×9.8

(17)

当龙骨下富裕水深为船舶吃水10%时,则

Fc=185V2LBPT×9.8

(18)

3.1.3 波浪力的作用

与海洋中的波浪比较，港口附近水域的波浪有周期短，波长小的特点。对于短周期波，作用在船侧的波浪力可按以下式计算。

(19)

式中：L——水线长，假定为船舶两柱间长，m；

Hs——有效波高，m。

3.2 日本商船大学《超大型船舶操纵要点》规定

《超大型船舶操纵要点》[6]中主要分析了风、流等因素对船舶操纵的影响。

3.2.1 风动力计算方法

采用郝斯的船舶受风风动力基本计算式为

(20)

式中：Fa——风压力,N；

ρa——空气密度，取1.226 kg/m3；

Ca——风动力系数，根据风舷角确定；

Aa——水线上船体受风正面积，m2；

Ba——水线上船体受风侧面积，m2；

va——相对风速，m/s；

θ——相对风向，(°)。

3.2.2 流压力计算方法

船舶横流阻力基本计算公式为

(21)

式中：Fw——流压力，N；

ρw——水的密度；

Cw——水动力系数，根据漂角与水深吃水确定；

Bw——水线下船体侧面积，m2；

Vw——流速，m/s。

4 实例分析

根据有关拖船配置的经验，在只有一名引航员在船引航的情况下，超大型船舶靠离泊所需拖船最多不超过6条，否则对指挥拖船是个考验。如果所需拖船的总功率较大，建议使用大功率的Z型拖船。此外，实践中对于超大型船舶来说，在码头前沿以及码头前沿回旋水域操纵时，通常大船都是依赖于拖船的助操，完成靠离泊作业，因此合理的配置拖船至关重要。对于Z型拖船来说，系柱拖力与拖船主机功率近似关系为100 kW≈15 kN。

参照我国LNG接收站情况，计算Q-MAX LNG 船舶靠离泊时需要配置的拖船总功率。LNG接受站码头走向为279°/079°，Q-MAX LNG船舶船长345 m，两柱间长为332 m，船宽53.8 m，型深27 m，满载吃水12.2 m，额定载重量125 600 t，压载吃水约为9.6 m。

1)Q-MAX LNG船舶靠泊时所需拖船功率。

对于Q-MAX LNG船舶来说，靠泊我国LNG接收站的船舶通常是满载，船舶选择在高平潮前后潮流较小的时段内完成靠泊作业，靠泊时要求风速≤15 m/s,流速<1.0 m/s,横浪波高H4%≤1.2 m/s，顺浪波高H4%≤1.5 m/s。浪高与风速、风向、风时、水深等直接有关，见表1。

2)Q-MAX LNG船舶离泊时拖船功率。

对于Q-MAX LNG船舶来说，离开我国港口时通常都是压载状态，船舶离泊时规范中没有具体的要求，主要根据完货时间和自然条件来确定，见表2。

表1 不同自然条件下船舶靠泊所需拖船功率 kW

表2 不同自然条件下船舶离泊所需拖船功率 kW

5 结论

《海港总平面设计规范》和《液化天然气码头设计规范》计算出来的总拖船功率缺点在于其不随外界条件的变化而变化，不适用于复杂水域条件，尤其不适于受横风、横流作用的情况，容易出现配置拖船总功率过大或过小的情况。其优点在于使用方便，不需要考虑较多的船舶有关技术参数。

《港口工程荷载规范》、《超大型船舶操纵要点》和《港口拖轮应用指南》计算拖船的总功率的优点在于计算准确，不会出现拖船功率配置的浪费问题，缺点在于计算中使用船舶技术参数较多，而这些参数又需要经过专门的试验才能得到，计算过程比较繁琐。

对于拖船功率配置，有如下建议。

1)在较小风、流、浪天气条件下，可以按照《海港总平面设计规范》配置拖船功率。通常LNG船舶靠泊过程中的风险较大，为了安全起见，建议增加一艘3 000 kW功率以上拖船协助靠离泊作业。

2)在通常风、流、浪天气条件下，可以按照《液化天然气码头设计规范》配置拖船功率，以确保LNG船舶靠离泊作业的安全。

3)在复杂风、流、浪天气条件下，《港口拖轮应用指南》提出的计算公式考虑因素比较全面，其计算结果可信度较好，建议按照该指南配置拖船功率。

综上所述，与相同载重吨的其它船舶相比，液化天然气船舶具有更大的船型尺度。因此在确定LNG船舶应配置的拖船功率时应结合液化天然气码头风、浪、流等作业条件的具体情况加以考虑。在超大型LNG船舶正常靠离泊时，按照《液化天然气码头设计规范》配置拖船有助于靠离泊的安全；在LNG 码头设计时，需要考虑港口的极限自然条件，按照《港口拖轮应用指南》确定港口配置拖船的总功率更加科学合理。

[1] 交通部.海港总平面设计规范(JTJ-211—99)[S].北京：人民交通出版社，1999.

[2] 陈 起.拖轮总功率计算[J].港工技术，2007(5)：37-38.

[3] 交通部.液化天然气码头设计规范(JTS 165-5—2009)[S].北京：人民交通出版社，2010.

[4] 交通部.港口工程荷载规范(JTS 144-1—2010)[S].北京：人民交通出版社，2011.

[5] Captain Henk Hensen.Tug Use In Port (A practical guide)[M],2nd ed.FNI,Published by The Nautical Institute,1997.

[6] 日本VLCC研究会.超大型船舶操纵要点[M].北京：人民交通出版社，1982.