中国石油唐山LNG项目站址技术评估与比选

王 勇

（中国石油昆仑能源有限公司海南中油深南石油技术开发有限公司，海南 海口 570206）

0 引言

由北京、河北两地政府和中国石油天然气集团公司合作，拟于渤海湾西北的曹妃甸新港工业区建设1个泊舱容量为（8～26）×104m3的LNG船专用卸船泊位，年接卸LNG能力为600×104t。经过前期的大量研究，确定了4处LNG码头站址供选，分别为原拟定的站址（第一方案）、原站址让位给中石油原油码头后向东北移动的站址（第二方案）、两港池之间陆域顺岸侧站址（第三方案）以及港区西南侧站址（第四方案）。站址评估分两阶段实施，第一阶段为定性评估及比选，第二阶段就优选站址作技术可行性的定量分析，从而最终确定最优的站址选择方案。

1 站址定性评估及比选

JTJ 304-2003液化天然气码头设计规程（试行）中第三章对站址选择作了规定，但其条款仅作了概念性的规定，不能满足站址选择的具体要求，为此采用了关于LNG建设国际上权威的油气公司国际水运论坛（OCIMF）及国际气体船运及码头协会（SIGT⁃TO）标准。SIGTTO标准将LNG项目运营风险分为3个区域，包括LNG船在航道中航行的风险、进港靠泊作业（船、岸）风险和接收站罐区运营风险，前两项风险很大程度上可以通过站址评选来减轻和规避，与LNG接收站在港区的布置密切关联。项目专家组在分析整理收集到的各种资料后，结合已有的工程经验，反复研究讨论，对4个站址方案进行总体评价。从评价排名来看，方案一最优，其次是方案二，再后是方案三和方案四。该定性分析说明原站址方案比较理想，但考虑到站址的搬迁，方案一不可用，方案二、三则成为优选出来的结果，进一步比较两者发现方案三靠近内港池，虽遮护条件比方案二好，但附近的交通航行密度远大于方案一。SIGTTO标准中有明确的规定：装卸危险品如LNG的码头应该建立在偏远的地区，使任何可能的LNG泄漏不会影响到附近居民，装卸时过往船舶的速度需严格控制，不能有引起碰撞的风险。随着曹妃甸港区的建设，通往内港池的船舶密度会远大于方案二所在的位置，同时方案三LNG船进港靠泊码头不可能有如方案二设置1条进港靠泊专用航道，所以无论是进港航行还是安全靠泊选择方案三的潜在风险远大于方案二。

此外通过分析多个国内外LNG接收站案例，发现现有的LNG码头布置均为远离内港池布置，当LNG船驶向港区，它离开主航道的第一时间段内靠泊的是LNG码头，此设置完全与SIGTTO标准吻合。对应曹妃甸港区，LNG接收站选择方案二比较合适，同时表明仅以等深岸线的深度来划定LNG接收站位置的观点缺乏科学依据。

因此，方案二及方案三虽具备可行性，但如从LNG船航行安全风险及总体LNG接收站在港区布置的角度来考虑，方案二具备最终选址的条件，但此处可能要重点考虑LNG船在强风浪的侵袭下靠泊作业的安全，以及从技术上采取措施将不安全风险降到最低的问题。

2 优选站址定量技术分析

项目第二阶段对优选站址多次采用模拟技术做进一步定量分析，包括对拟选站址地震安全评估、拟选站址码头作业时间分析、冰凌期对接收站码头影响和LNG船舶交通航行模拟4个方面。

2.1 地震安全评估分析

曹妃甸LNG接收站近场区位于渤海湾边缘，属于滨海平原和滨海浅滩。近场区内发育了4条规模较大的断裂，断裂走向为西北走向和东北走向，均为海水淹没。同时曹妃甸LNG接收站近场区在构造上位于差异升降运动比较明显的黄骅坳陷和埕宁隆起交界地段，也是一条重要的活动断裂带（张家口—蓬莱断裂带）延伸的地区。

根据原有资料，采用以美国标准为主要依据，并参考EN1473、EUROCODE、CSA及中国国家及部委颁布的相应标准规范对适合LNG储罐设计要求的操作基准地震工况（OBE）及安全停运地震工况（SSE）进行了分析［1］。根据规定，对于抗震Ⅰ类LNG结构物或设施，OBE为平均重现期475年水准地震，SSE为平均重现期2 475年水准地震，对平均重现期10 000年水准地震的反应谱进行了独立研究。对于抗震Ⅱ类或Ⅲ类LNG结构物或设施，建议基本地震加速度可按50年高于10%的概率考虑，抗震设防标准根据地震安全评估报告确定为7度。工程实施可综合经济因素、地点、场地、围闭系统的类型、危险控制，以及当地的气候条件和物理特性作出选定。

2.2 码头作业时间分析

JTJ304-2003液化天然气码头设计规程中对LNG船舶作业的允许风速、波高、能见度和流速作了规定，但根据SIGTTO、OCIMF、国际航运协会（PI⁃ANC）标准和合乐集团的工程经验，认为对于唐山LNG项目波高标准偏高。另外规范没有从本质上说明不可作业标准确定的原因。根据定义，码头不可作业指设计船型在指定码头区由于外界环境（风、浪、流）引起的船舶移动、系缆力、橡胶护舷受力等因素超过设计允许标准而不能正常工作，因此研究码头不可作业期（反之为可作业期）需事先研究工程区域的自然环境，然后在计算此自然环境下设计船型的船舶移动、系缆力、橡胶护舷受力情况。

1）码头区自然环境分析。因无工程区长期实测连续波浪数据［2］，研究过程中购买OWI（美国海洋气象公司）位于渤海湾中央（北纬38.75°，东经120.0°）36年（1970-2005年）的风浪时间序列数据［3］，绘制了风速、波浪玫瑰图。为获得工程区的波浪情况，利用Mike 21 SW软件建立了渤海湾二维三角网格风浪模型。根据风速数据选定了23个风工况覆盖的不同风速范围，计算出了方案二及方案三所处的波浪情况，并利用OWI的波浪数据进行验证。这样就可以通过知风数据去评估工程区的波浪状态。计算结果表明方案三站址由于上方构造物的掩护效果，东北向风所产生的风浪波高比方案二站址要小。

2）不可作业标准确定。迄今为止国际上没有关于LNG船码头不可作业标准的出版。根据国际航运协会所推荐的参数，结合国际工程经验，设定最大纵荡为2.0 m，最大横荡为1.5 m，最大垂荡为1.0 m。同时根据 OCIMF《系泊处设备指南（1997版）》，确定缆绳可承受载荷为最大断裂强度的55%，靠船墩橡胶护舷允许抗压强度为极限抗压强度的55%。

3）不可作业期分析。利用荷兰Marin研究所开发的TermsimⅡ软件对码头进行了动态系泊分析。设计船型采用14.5×104m3的LNG船，根据计算波浪结果，计算选用了几乎覆盖所有可能使船产生最大受力和位移的16种风、浪、流组合工况。对于每种工况，用Jonswap谱产生在定风场和流场情况下的不规则动态波浪场，进行系泊分析。模拟时间为3 h，分析时间从1 800 s后开始。根据分析的结果，对比不可作业标准，得出不可作业波高临界值，利用波浪模型的计算结果，反推出波高临界值对应的风速临界值。分析36年OWI的风浪数据，结果表明第二方案因风引起的不可作业时间约为0.2%，因风和波浪引起的不可作业时间约为1.2%。而根据JTJ304-2003标准，计算结果结果表明方案二站址处LNG码头因风浪作用不可作业时间约为5.6%。将各种因素进行统计，通过系泊分析得到每年平均不可作业时间总计为14 d（3.8%），小于国内JTJ304-2003标准的29 d（8.0%），见表1。因此，站址选择第二方案适合标准。

表1 方案二站址处LNG码头不可作业总计时间表 ／d

2.3 冰凌期对接收站码头结构的影响分析

曹妃甸海域每年冬季均有结冰现象。1969年出现特大冰封，整个渤海被50～70 cm厚的冰覆盖，最大厚度为100 cm，冰面上堆积高度为1～2 m，最高4 m，个别海上建筑物被冰推倒，给港口作业带来很大影响。研究过程中假定站址是被浮冰100%地包围，冰的压碎需达100%，冰层覆盖厚度为1m。冰载荷强度采用日本海地区的取值为1.4 MPa。因为没有海冰堆积数据，这里参考SNiP2.06.04-82俄罗斯海冰规范，日本海采用冰积系数为1.3，作为此处的设计标准。抵抗冰载荷作用常用的方法一般有加装防冰锥体和增加桩壁厚度两种。这里对不采用破冰锥而采用不同直径的钢管桩在冰载荷限制条件下所需壁厚进行了计算。结果表明，随着桩径的增加，所需壁厚随之减小。根据美国石油协会（API）的要求，每一种直径的桩存在一个最小桩壁厚度。单桩抵抗冰载荷所需壁厚扣除最小桩壁厚度，即为钢管桩为抵抗冰载荷需要额外增加的壁厚。对于1 700 mm的钢管桩，API规定壁厚为25 mm，计算的冰载荷下单桩所需壁厚为28 mm，仅需将钢管桩的壁厚增加3 mm，即可抵御冰载荷作用。

从造价看，在1 700 mm的钢管桩上部增加3 mm所需的钢材之量小于破冰锥的质量，造价也低于破冰锥。从施工成本来看，由于破冰锥的施工工艺复杂，成本大大增加。因此对于大管径的LNG码头，使用增加钢管桩壁厚抵抗冰载荷是非常经济实用的方法。

2.4 航行模拟分析

为确定LNG船舶对出入曹妃甸和天津港船舶交通的影响，评估LNG船等候进入曹妃甸航道的可能等候时间及在港池锚地的等候时间，需建立受影响航线的船舶航行模型，对未来航线情况（含航线密度）进行模拟。为了避免新开辟航线的投入，该过程研究建立在LNG船入港利用“天津—老铁山” 深水航线的基础上。

1）深水航线交通流量。由于该水域现有连续观测数据稀缺，通过航线内的船舶种类、吨位和相关港口的吞吐量进行分析，根据曹妃甸建设情况，选定代表时间为2006、2011及2020年。根据2006年天津港的到货物种类比例及之后泊位的建设情况，结合总吞吐量，估计出2020年的船型及到船数量。同样的方法计算出曹妃甸港区的船型及到船数量。

2）LNG船舶航行模型建立。模拟过程选用了Arena软件，其主要优势为：利用它所构建的仿真模型，能复制出与曹妃甸港航道内船舶活动相关的各种独特问题。模型范围包括LNG船舶在老铁山深水航道、曹妃甸港的LNG锚区和泊位之间的活动和营运，并确定导航点，如图1所示。

图1 航行模拟简化航线图

根据OCIMF、SIGTTO标准及合乐集团的工程经验，设定LNG船的航行优先权；以LNG船舶为中心1海里半径的范围为其隔离带；在LNG船舶未使用航道时，曹妃甸港主航道为双向交通，反之，航道对与LNG船舶逆向行驶的船舶关闭。在LNG船距离曹妃甸港主航道入口三小时航程时，即为之预留LNG泊位或锚地，并且关闭曹妃甸港的出港交通；当LNG泊位被船舶使用时，LNG锚地或许被使用；如果泊位和锚地均被占据，LNG船舶则于主航道中等候；LNG船离泊时，对入港船只关闭曹妃甸港区主航道，并在入港船只清空后开始离泊航行；当离泊的LNG船舶驶离主航道（对应锚地点）时，在锚地中等候的LNG船舶可以驶向装卸泊位。根据以上规则，利用统计出的船舶交通流量数据，即可建立LNG船航行逻辑模型。为调查LNG船对其他到达曹妃甸和天津港船只造成的影响和可能发生的LNG船舶运营的延误，设定2011年和2020年存在LNG船和不存在LNG船的4种工况进行计算。为充分衡量LNG运行带来的影响，对每个工况重复运行100次。

3）模拟结果分析。结果表明，曹妃甸建设LNG接收站对其他往来曹妃甸港区的船只影响不大。对于每个计算工况，进港船对航道影响不明显。LNG船舶航行占优先权，因此任何进港航行不会受到延误。预测在2020年LNG锚地的利用率仍然较低。使用锚地时，LNG船需在锚地等待可用泊位，以及等待进港航道的清空。LNG船出港时需要等待曹妃甸航道清空，2011年平均延迟时间是1.9 h，最多延迟3 h。预计到2020年平均延迟2.3 h，最多3.1 h。考虑老铁山水道起点的交通流量对LNG船舶航行模拟分析结果的影响非常小，可以不予考虑。

3 结论

研究从定性到定量的角度上支持站址让位给原油码头后向东北移动的站址（方案二）为最终推荐站址。该站址不仅符合国际LNG站址选址的规程要求，而且定量分析显示该地区地震灾害活动较弱，强震可能性较小；非作业天数少，靠泊条件良好，没有建设港口遮护的必要；冬季的浮冰对码头结构影响不大；现有的航道适合LNG船舶的航行，即使到2020年LNG船舶的航行对海上交通的影响也不严重。

［1］中华人民共和国国家标准委员会.GB 50011-2001建筑抗震设计规范［S］.北京：中国标准出版社，2001.

［2］中交水运规划设计院.唐山液化天然气项目可行性研究：码头工程部分［R］.北京：中交水运规划设计院，2005.

［3］海洋气象公司（OWI）.全球海洋波浪再分析报告工程简述［R］.美国：OWI，2003.