天津浮式LNG接收终端涉海关键技术研究

庞启秀，张义丰，张 娜，解鸣晓，姚姗姗

(交通运输部天津水运工程科学研究所 天津300456)

天津浮式LNG接收终端涉海关键技术研究

庞启秀，张义丰，张 娜，解鸣晓，姚姗姗

(交通运输部天津水运工程科学研究所 天津300456)

针对我国首个浮式LNG项目——天津浮式LNG接收终端项目，在广泛收集和分析现场实测资料的基础上，综合采用潮流数学模型、泥沙数学模型、冷排放数学模型和波浪数学模型、波浪整体物理模型、波浪断面模型等多种研究手段，系统研究潮流、泥沙、波浪、循环水冷排放等涉海关键问题，为浮式LNG接收终端项目的防波堤、码头、取排水口布置等工程的设计和建设提供了关键技术支撑，从而为节约工程建设费用、改善通航和停泊条件等做出了贡献。作为天津市重点工程，天津浮式LNG项目实施后有效改善了天津市能源结构，促进了经济发展和宜居城市建设，具有显著的社会效益。

浮式LNG 波浪模型 泥沙淤积 温度输移

天津浮式LNG项目是我国第1个浮式LNG项目，是国家试点清洁能源浮式技术重点项目，国家首批首都大气污染防治重点保障项目，天津市重点工程，也是中国海油的重点工程和天津港0号工程。工程海域的潮流运动特征以及工程对周边水动力环境的影响、港池航道以及取排水口的泥沙淤积情况、冷排放温度扩散情况、码头前沿的波稳情况等都是LNG项目需要解决的涉海关键问题，而北防波堤长度、挡浪墙高程、挡浪墙结构型式等则是涉海相关设计的关键参数，都直接影响工程方案设计的合理性和工程建设的安全性，以及运行期间的安全与成本，因而需要开展数模和物模试验等研究工作，为浮式LNG接收终端项目的设计和建设提供科学依据。

1 工程概况

天津浮式LNG项目考虑使用带气化设施的LNG浮式装置在天津南疆港区码头停靠(码头设计可以停靠1万m3～26.6万m3的LNG运输船)，如图1所示。将气化后的天然气通过管线输送至天津城市门站，同时考虑到安全稳定供气及储存、调峰等需求，待时机成熟时，建设大型LNG储罐及陆上LNG接收站，从而有效改善天津市能源结构，为建设宜居城市贡献力量。工程包括码头、引桥、工作船码头等，码头平面采用顺岸式布置，如图2所示，其中FSRU和LNG码头各1座，码头长度均为400,m，码头前沿设计底标高为-14.5,m，工作船兼大件码头1座，码头长度为140,m，码头前沿设计底标高为-7.0,m；港池和航道设计底标高为-15.0,m。护岸采用三级消浪型式，如图3所示，包括半圆体护岸、第1道挡浪墙和第2道挡浪墙。

本次研究的工程方案为两个，方案一为只建设北防波堤出水段(堤顶高程5.5,m)，方案二为防波堤全部建成(包括潜堤)。北防波堤呈折线形，从堤根向外海，前两段为出水堤，最后一段平行于航道，设计为潜堤，长度为2,350,m，堤顶高程为＋2.5,m(理论基面)；南防波堤在现有堤头位置平行于航道向外海设计长为1,500,m 的潜堤，堤顶高程与北侧潜堤相同。防波堤的走向和分段情况可参见图4。

天津浮式LNG项目取/排水工程，是为了LNG接收站汽化器供水而建，供水水源采用海水。取排水为循环用水，取、排水量相同。气化设施分期用水量如下：一期不考虑取海水，二期取海水量60,000,m3/h，远期取海水量达到100,000,m3/h。取、排水口位置见图2。

图1 天津浮式LNG项目位置示意图Fig.1 Location of the floating LNG project in Tianjin

图2 码头和取排水口布置Fig.2 Layout of wharfs，inlet and outfall

图3 护岸断面型式示意图Fig.3 Schematic of cross section model of revetment

2 主要研究方法

2.1 潮流泥沙和温度输移

建立了潮流数学模型、泥沙数学模型和温度输移数学模型，分别研究工程区域的潮流运动特征、泥沙运动特征及港池航道泥沙回淤情况、冷排水随潮流运动的规律。模型采用无结构三角形网格对计算域进行剖分，并采用大尺度与局部模型嵌套方式进行计算，以消除模型范围过小带来的边界传入误差。其中大尺度模型包含整个渤海海域，开边界位置北至大连，南至烟台；局部模型为渤海湾区域，共22,000个网格，最小网格空间步长达10,m，可保证充足的网格分辨率，局部模型所需的潮位边界数值可由大尺度模型提供。

2.2 波浪试验

2.2.1 波浪数学模型试验

港内波浪计算采用Mike BW波浪数学模型，该模型可以考虑地形和水工建筑物对波浪的折射、反射和绕射以及底部摩阻损耗等的影响。

2.2.2 波浪整体物理模型试验

图4 防波堤全部建成后、排水流量为100,000,m3/h时底层最大温降包络线Fig.4Envelope curve of temperature drop of a completed jetty with a water drainage of 100,000,m3/h

波浪整体物理模型试验在波浪水池中进行，水池长51,m，宽度47.5,m，深1.0,m，水池一端配备可移动摇摆式不规则波造波机，可产生试验要求的不规则波浪。由于港池具有长双堤、环抱式的特点，受试验条件限制，单一模型难以完整模拟整个工程区域，采用不同比尺模型衔接的波浪整体物理模型试验技术，分别选用1∶65和1∶100两种正态模型比尺进行试验。

2.2.3 断面试验

挡浪墙高程及挡浪墙型式优化断面试验在波浪水槽中开展，水槽长、宽、高分别为90.0,m、2.0,m、1.8,m，造波系统为双轴推板吸收式造波机。

3 涉海关键技术成果

3.1 水流运动特征

通过数学模型研究了工程对周边水流运动的影响情况和港池、连接水域及码头前沿停泊水域等不同潮时的流场分布情况，如图5所示。结果表明工程实施后对大范围海域流场影响不大，流速变化区域主要集中在口门以内的工程附近；码头前横流和航道内横流较小，分别为0.10,m/s和0.21,m/s。[1]

图5 北防波堤出水段建设后、排水流量为100,000,m3/h时的流场Fig.5 Flow fields of post constructed outfall section of the north jetty，with a water drainage of 100,000,m3/h

3.2 泥沙运动特征

利用泥沙数学模型模拟，并结合现场实测资料分析和遥感分析等，研究了泥沙运动特征，并预测了港池、取水口及航道淤积分布情况。结果表明，港池、航道泥沙淤积不大，平均淤强为0.35～0.4,m/a；取水口最大淤强为0.10,m/a；在类似2003年10月10日NE向大风作用下，淤积不会对船舶航行造成明显影响。[2]

3.3 冷排放扩散范围和取水温降

通过取、排水海域循环水冷排放数值模拟计算，提出大、中、小3种典型潮型的温度场和取水温度值；分析冷排放在厂址附近水域随潮流运动的规律以及不同方案在不同组合工况条件下的温度场的温度分布特性及变化规律；优化排、取水口布置，避免冷水短路回流，尽可能取高温水，确保接收站取水工程的经济运行。结果表明，各方案取排水流量相同时，排水量对取水口处最大温降差异影响微弱，均在-0.5～-1.0,℃区间；冷水扩散面积呈现出表层小于底层、大流量工况大于小流量工况的特点，最大温降≤-0.5,℃。方案二底层100,000,m3/h工况最大，可达约6,km2，如图5所示。方案一表层60,000,m3/h工况最小，约1.17,km2。最大温降出现在高潮位，最小温降出现在低潮位。[3-4]

3.4 防波堤长度确定

利用波浪数学模型对不同长度防波堤的防浪效果进行模拟研究，掌握不同长度防波堤的掩护效果。图6为设计高水位、ESE向、50年一遇比波高分布(北防波堤长度2,972,m)。结果表明，影响港内波浪的主要为E向和ESE向；在设计高水位50年一遇波浪作用下，北防波堤建设长度为2,972,m(规划长度)时方可达到设计要求即码头前沿设计高水位H1%,波高不大于4.2,m，而在设计高水位10年一遇波浪作用下，北防波堤建设长度需要约2,565,m。[5]

图6 设计高水位、ESE向、50年一遇比波高分布(北防波堤长度2 972 m)Fig.6Distribution of wave heights with a design of high water level, ESE and a 50 years return period

3.5 挡浪墙高程确定

通过波浪整体物理模型试验和断面试验，研究本工程建成后码头前沿、港池水域的波高分布情况，研究波浪对码头建设及船舶泊稳的影响，为码头设计提供相关依据；通过接岸结构及挡浪墙断面物理模型试验验证挡浪墙结构的安全性及高程合理性，为接岸结构、挡浪墙和排水设施设计提供依据。结果表明，工作船码头处挡浪墙(见图2)在高程为+7.2,m时，满足设计要求即该段的第二道挡浪墙不上水和越浪；A～C段挡浪墙(见图2)高程则需要为+8.0,m，C～F段及F～I段挡浪墙(见图2)高程则需要达到+9.5,m。[6]3.6 块体稳定性和断面型式优化确定

断面试验成果表明，半圆体前护肩块石、护底块石和挡浪墙至半圆堤间护面在各种水位及100年一遇各向波浪作用下均稳定。但防波堤以北原始设计断面、陆侧胸墙发生倾覆，两胸墙上水厚度及越浪量均不满足设计要求。进而采用调整斜坡长度、胸墙距离、反浪弧型式、胸墙顶高程等方式进行系统试验，优化确定了断面形式来满足陆侧胸墙不越浪的要求。[6]

4 结 语

工程实施后对周围海域流场影响有限，码头前横流和航道内横流都不大，港池航道泥沙淤积不大，取水口泥沙淤积较小。各方案取排水流量相同时排水量对取水口处最大温降差异影响微弱，最大温降出现在高潮位，最小温降出现在低潮位。依据本海区-7,m水深处设计波浪要素，研究了各工程方案不同条件、不同位置的波浪分布情况；通过整体物理试验和断面试验研究了块体稳定性和护岸上水等情况。成果已在天津浮式LNG接收终端项目中得到应用，较好地解决了项目涉海关键技术问题，为节约工程建设费用、改善通航和停泊条件等做出了贡献。作为天津市重点工程，项目实施后有效改善了天津市能源结构，促进了经济发展和宜居城市建设，具有显著的社会效益。■

［1］ 张娜. 天津浮式LNG接收终端项目潮流数值模拟研究报告[R]. 交通运输部天津水运工程科学研究所，2012.

［2］ Yao S S，Xie M X，Li M G. Numerical study on cold water emission for CNOOC Tianjin floating LNG project[A]. Modeling and Computation in EngineeringⅢ[C]，2014：137-142.

［3］ 姚姗姗，解鸣晓. 天津浮式LNG接收终端项目循环水冷排放数值模拟研究报告[R]. 交通运输部天津水运工程科学研究所，2012.

［4］ 张义丰，李孟国，施凌. 天津浮式LNG码头工程防波堤长度的防浪效果的数值模拟研究[J]. 广西科学院学报，2014，30(3)：152-155.

［5］ 张义丰，郭传胜. 中海油浮式LNG终端项目码头及航道工程波浪物理模型试验报告[R]. 交通运输部天津水运工程科学研究所，2012.

Key Marine Techniques of Floating LNG Receiving Terminals in Tianjin

PANG Qixiu，ZHANG Yifeng，ZHANG Na，XIE Mingxiao，YAO Shanshan
(Tianjin Research Institute of Water Transport Engineering，Ministry of Transport of P. R. China，Tianjin 300456，China)

Based on the analysis of field data，key marine problems of China’s first floating LNG project，Tianjin floating LNG terminal project，were studied systematically with methods of mathematical model and physical model，including tidal current，sediment，waves，sea water circulating cooling discharge，etc．Results have been applied in the design and construction of wharf，breakwater，water intakes and outlets of the floating LNG receiving terminal，which saves the cost of construction and improves navigation and parking conditions．As a key project of Tianjin，the Tianjin floating LNG project has effectively improved the energy structure of Tianjin City，which has significant social benefits.

floating LNG receiving terminal；wave model；sediment；temperature transport

U656

A

1006-8945(2016)08-0065-04

2016-08-05