FSRU-LNGC双船并靠系统系泊响应分析

2020-09-10厉萍程晗怿

中国港湾建设 2020年9期

厉萍，程晗怿

（1.中交城市投资控股有限公司，广东广州 510230；2.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州 510230）

0 引言

浮式储存及再气化装置FSRU（Floating Storage Regasification Unit）是近年来随着船舶工业进步而逐渐兴起的LNG接收及再气化基础设施[1]。相较于传统的管道运输加工厂再气化模式处理液化天然气，FSRU在空间布置上更加方便灵活，用地成本更加低廉，适宜于不具备基础设施的环境下快速部署投产[2]。FSRU生产过程中需要近距离与液化气船舶共同作业，因此在平面布置上往往需要形成FSRU-LNGC双船并靠模式。

传统的船舶靠泊通常采用单船靠泊的方式进行，即仅考虑系缆状态下的单一船只在风浪环境作用下与固定岸壁间的相互作用。双船并靠在此基础上增加考虑了运动体之间的相互作用，以及外侧船舶对风和浪的遮掩效应，因此问题变得更为复杂[3]，国内外学者以及工程技术人员通常借助先进的数值求解技术或者物理模型进行运动响应分析。例如：张龙等[4]通过数值计算的方法求解了双船近距离系泊作业过程中的相互影响；罗伟等[5]通过模型试验研究了码头前沿双船系泊的动力响应情况。刘帅等[6]从施工的角度研究了双船并靠条件下，联合起吊安装作业的技术可行性等。

本文基于国外某长周期波海域相关项目，应用Optimoor软件对FSRU单船和FSRU-LNGC双船并靠两种情况，进行不同波浪条件下的系泊分析，通过计算各种可能工况下的船舶动力响应，优化最佳平面布置方案，并确定安全工作的允许作业有效波高，为其他类似工程提供技术参考。

1 工程背景

图1 泊位平面布置Fig.1 Plan layout of ship berthing

本项目所依托的工程项目位于水深-15 m的离岸海域，当地自然风速一般不超过20 kn，极端情况下超过40 kn。针对FSRU单船靠泊工况，考虑到FSRU因作业需求长期停靠于码头，并且要求较高的可作业率，因此设计风速采用1%强风[7]（即海平面以上10 m位置处30 s平均风速44 kn）。对于双船并靠的情况，考虑到装卸臂在风速达30 kn时会自动停止作业[8]，因此双船作业的设计风速取30 kn。

水流流速同样对船舶作业稳定性具有一定影响，本文选取1 a一遇的流速[9]，即采用1.2 kn作为设计计算流速。

工程所在地的主浪向为SE—SSE，同时也有N、NW和E向浪。因此本文选取了0°、45°、90°、135°、150°、165°、180°和 315°共 8 个方向作为波浪计算方向，波浪周期选取8～18 s、周期间隔取1 s作为周期计算参数，基于上述条件计算允许作业波高。本文计算了2个不同轴线的泊位平面布置方案，如图1所示。其中，由于泊位方案2实际情况与左侧防波堤平行布置，故没有采用315°入射波浪。

2 计算条件

2.1 设计船型

近年来，随着造船行业的不断发展，目前常规的FSRU仓容为12.5万～17.3万m3，LNG船常见仓容为12.5万～26.6万m3。本文所依托工程中采用的主要设计船型为17万m3的FSRU和16万m3的LNG船。

2.2 系缆布置方案

计算所参考的实际工程码头长度为390 m，共包括1个工作平台，2个靠船墩和6个系缆墩。FSRU通过缆绳直接连接在系缆墩上，靠船墩设4个SCN2000 E1.8型号的护舷。LNG船系于FSRU上，为防止两船相撞，FSRU和LNG相接触部位挂有7个STS PNEUMATIC型号护舷。双船系缆的缆绳布置示意图如图2所示。

表1 设计船型参数Table 1 Parameters of design ship type

图2 双船并靠系缆布置示意图Fig.2 Layout of mooring lines for double ship

缆绳作为影响船舶泊稳的主要受力构件，缆绳刚度和强度的选择较为关键。FSRU和LNG均采用18根钢缆或者复合缆进行系泊，缆绳相关力学参数如表2所示。

表2 设计缆绳参数Table 2 Parameters of mooring cable

2.3 船舶运动量标准

受到生产流程以及装卸工艺的限制，FSRU通常需要长期系泊于码头结构，LNG船与FSRU之间通常采用柔性软管式输送系统进行点对点作业。当LNG和FSRU之间发生较大相对运动时，FSRU上的应急释放系统可实现两船的快速脱离。因此，在设计过程中，FSRU的可允许运动量按普通LNG船考虑，LNG船的可允许运动量应为相对于FSRU的运动量。船舶作业允许运动量标准如表3所示。

表3 船舶允许运动量标准Table 3 Allowable movement of ship

2.4 计算工况组合

本文在基于上述风、浪、流组合作用的基础上对FSRU单独靠泊以及FSRU-LNGC双船靠泊进行模拟计算。FSRU满载时采用平均低水位，压载时采用平均高水位。在保证船舶运动量不超过允许值且缆绳均不破断的基础上，得出每种浪向和周期组合所对应的最大允许波高（其中根据规范限制，最大作业波高不应超过3 m[10]）。计算工况组合如表4所示。

表4 计算工况组合Table 4 Calculation condition combination

3 计算结果分析

针对表4中的6个作业工况，开展了不同平均周期波浪作用下的船舶响应计算，并根据计算结果推求出给定的平均波周期下允许作业的最大有效波高。

计算结果如图3所示。

图3 允许作业波高计算结果Fig.3 Allowable working wave height results

从以上6个工况的计算结果中可以看到：长周期波相比短周期波对船舶的系缆稳定性影响较大，波浪周期越大，船舶的允许作业波高越小。

同样的，从以上6组计算结果中不同角度波浪来向对系缆系统最大允许波高的影响可以看到：来自船头或船尾方向的波浪（船浪夹角0°～30°）相比其他方向波浪所产生的允许作业波高显著较大，证明泊位的最佳布置方向是使得系缆船舶与常浪向的方向相互一致。

对比单船系泊工况下（A1、A2工况）不同缆绳强度对FSRU运动量的影响结果可以发现：采取较小的缆绳破断力时，通常在FSRU还未到达运动量的允许值时，缆绳就已经破断，使得最大允许波高数值较低。而采用破断力较高的缆绳，可以使得船舶在允许运动量范围内产生更大幅度的运动，也即提高允许波高，从而增加船舶的可作业时间，有效提高系统的年运行效率。

由于FSRU长期停泊于码头，因此遭遇高速风作用的概率更大，所以模拟单船靠泊的设计风速取值较大，因此从设计过程中所采用的概率组合方法角度而言，当FSRU缆绳破断力较低时，双船并靠方案（D1、D3）比FSRU单船系泊方案（A1、A3）的允许作业波高更大。

从不同泊位布置方案（A1、A3）的单FSRU系泊结果来看，泊位布置形式2的允许作业波高显著大于泊位布置形式1；从不同泊位布置方案（D1、D3）的FSRU-LNGC双船并靠系泊结果来看，泊位布置形式2的允许作业波高同样也显著大于泊位布置形式1。因此对于该项目而言，泊位2的轴线走向更有利于FSRU-LNGC的泊稳和作业。即使FSRU使用破断力较小的缆绳（D3），允许作业的有效波高也整体较高。