国内外LNG-FSRU系泊布置的比较研究

2021-03-27吴永强张玉萍曹煜

中国港湾建设 2021年3期

吴永强，张玉萍，曹煜

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

0 引言

自2005年美国墨西哥湾第一座FSRU终端投产运营成功以来，至今全球共有30个FSRU运营项目，另有8个在建项目。根据相关预测，未来全球计划将建造FSRU终端多达60多项，FSRU终端发展迅速。LNG-FSRU（LNG-Floating Storage and Regasification Unit）即浮式LNG储存和再气化装置。国内外LNG-FSRU系泊布置主要分为3种：旁靠型（side by side）、串靠型（tandem）、两侧型（back toback）。旁靠型为双船并靠系泊布置（图1（a））；两侧型为泊位分别布置在平台两侧的系泊布置（图1（b））；串靠型为2个泊位顺岸布置（图1（c））。

图1 船舶系泊布置图Fig.1 Mooring arrangement of vessels

由于国内对水上液体散货过驳的限制要求，国内LNG-FSRU系泊布置主要采用串靠型布置形式，如天津中海油LNG泊位。而两侧型和串靠型泊位的水工结构造价及码头装卸工艺设备较旁靠型泊位的造价高（近2倍），国外多采用旁靠型泊位，如巴基斯坦卡西姆LNG码头[1]。

因两侧型中的单个泊位的系泊布置与串靠型单个泊位系缆布置基本相同，现结合柬埔寨某LNG项目，重点针对旁靠型、串靠型的系泊布置进行对比研究。

1 设计方案

本项目在柬埔寨建设1个LNG泊位，设计年接卸能力一期150万t/a，二期300万t/a，2种系泊布置形式的码头泊位长度均为345 m。

1.1 设计船型

设计船型主尺度见表1。

表1 设计船型主尺度表Table 1 Main dimensions of design vessel

1.2 设计参数

1）风

当地最大风速24 m/s，风向为W—NW。根据JTS 165-5—2016《液化天然气码头设计规范》[2]码头系泊作业条件规定，LNG船系泊期间设计最大风速不应超过20 m/s（39 kn），故取20 m/s（39 kn）风速作为设计风速。

2）波浪

设计波浪要素取值见表2。

表2 码头设计波浪要素（2 a一遇）取值表Table 2 Value table of wharf design wave parameters(2 a return period)

3）海流

海流流向为N—S的沿岸流，设计流速1 kn。

4）护舷参数

码头处选用两鼓一板SC2250标准反力型橡胶护舷，根据HG/T 2866—2016《橡胶护舷》[3]查表可知，护舷设计最大变形为52.5%，设计反力为2 502 kN，护舷性能曲线如图2所示。

图2 SC2250护舷性能曲线Fig.2 Performance curve of SC2250 fender

FSRU船护舷一般选用充气护舷，选取φ3.3 m×6.5 m充气护舷，护舷设计反力为3 961 kN，设计吸能量为2 532 kJ，护舷性能曲线如图3所示。

图3 φ3.3 m×6.5 m充气护舷性能曲线Fig.3 Performance curve ofφ3.3 m×6.5 m floating fender

5）缆绳参数

系泊缆绳采用40 mm直径HMPE缆绳，破断力为128 t，琵琶结选用11 m长尼龙缆，直径92 mm，破断力为160 t，缆绳初张力按破断力的15%计算，取19 t。

2 模型建立

2.1 软件介绍

本工程系泊数值分析采用OPTIMOOR软件，由英国Tension Technology International开发，专门用于船舶系缆系统分析计算，该软件主要是基于石油公司国际海事论坛OCIMF（Oil Companies International Marine Forum）所推荐的公式和计算方法而开发。

OPTIMOOR软件主要功能是计算分析船舶在风、浪、流综合作用下系缆系统（包括船舶缆绳、护舷和系缆柱）的受力情况，可用于系缆系统的设计、事故分析及码头生产管理方面。OPTIMOOR在国际上拥有非常多的用户，是一款通用可靠的系泊分析软件。

2.2 基本原理

软件基于OCIMF规范计算各环境变量（如风、浪和流等）产生的作用在船舶上的荷载。OPTIMOOR软件通过计算寻找满足系统力和力矩方程的船体位置。力和力矩方程如下所示：

式中：Fx为外力沿x方向的分量，如风、流或其他荷载；Px为系缆力的沿x方向的分量（护舷沿x方向不施加任何作用力）；Fy为外力沿y方向的分量，如风、流或其他荷载；Py为系缆力或护舷撞击力沿y方向的分量；Mxy为由外力产生的x-y平面上的力矩，如风、流或其他荷载；Nxy是由系缆力或护舷撞击力产生的x-y平面上力矩。

软件的输入条件包括缆绳特性、护舷特性、系泊布置、泊位形状、风、浪、流等环境参数等。当输入条件给定后，程序通过迭代运算寻找一个满足上述平衡方程的系泊船位置，首先是x（纵向）方向的迭代运算，然后是y（横向）方向，最后是x-y（旋转）方向。在对3个特定方向的每次迭代运算之后，程序将检查运算结果是否满足适用的平衡方程。若满足方程，程序将在同一个方向上应用相同大小的迭代。如果结果超过了等式上限，那么程序将在该方向的相反方向上应用一个较小的迭代。

在每个迭代步骤中，程序对船体重叠部分处的每根系泊缆绳及每个护舷的受力进行重新计算。各系缆力方向由相应的导缆孔和系船柱的相对位置决定。各护舷撞击力方向垂直于船体侧面相应的护舷。程序的结果包括缆绳力、系船柱合力、护舷反力以及船舶相对于初始位置的运动量。

对于波浪作用，程序采用反应振幅算子方法（response amplitude operator）计算波浪产生的一阶和二阶波浪力，以及相应的船舶运动量。

2.3 限制条件

1）缆绳力约束

根据OCMIF规范《Mooring equipment guidelines》[4]，对于合成纤维缆，缆绳力不应超过缆绳破断力的50%；对于钢缆，缆绳力不应超过缆绳破断力的55%。本工程船舶缆绳主缆为HMPE合成缆，因此按缆绳受力不超过破断力50%作为控制标准。

2）船舶运动量约束

目前国内外无系泊条件下允许运动量标准值，现采用《液化天然气码头设计规范》装卸作业允许运动量标准值，作为LNG-FSRU系泊状态下运动量的标准值，纵移、横移取2 m，横摇、纵倾、回转均取2°。

3）快速脱缆钩与护舷限制条件

缆绳作用在快速脱缆钩上的合力不应超过快速脱缆钩承载能力上限，护舷反力和最大压缩变形不应超过护舷的设计最大反力和容许最大压缩变形。

4）组合工况

组合工况见表3。

表3 组合工况Table 3 Load combinations

3 计算结果

3.1 缆绳力、运动量、护舷反力

计算结果表明，上述各工况组合中，对缆绳力的控制工况为工况1和工况2，对最大护舷反力的控制工况为工况5和工况6，具体计算结果见表4、图4和表5。

表4 船舶运动量Table 4 Vessel movement

图4 缆绳受力情况对比图Fig.4 Comparison of mooring forces

表5 护舷反力Table 5 Fender reactions

1）上述最不利工况计算结果表明，旁靠型外档LNG船舶缆绳受力最大，为50.7 t，占缆绳破断力40%；串靠型LNG船舶靠泊时，缆绳最大受力为46.7 t，占缆绳破断力的36%；各船型缆绳受力均小于破断力50%，上述缆绳受力均能满足要求。

2）旁靠型船舶系泊时FSRU船最大横移为0.4 m、纵移为0.6 m，外档LNG船最大横移为1.4 m、纵移为0.8 m；串靠型船舶系泊时最大横移为0.4 m，纵移为0.5 m；满足规范中对船舶运动量的限制要求，其他维度的运动量也满足要求。

3）护舷最大反力为245 t，为旁靠型FSRU船与码头接触的最外侧护舷aa，护舷反力小于设计反力2 502 kN；旁靠型FSRU船充气护舷的最大反力为155 t，小于护舷设计反力3 961 kN。护舷压缩变形在合理范围内，满足使用要求。

3.2 系泊最大允许风速分析

本工程计算采用《液化天然气码头设计规范》[2]中允许作业风速值为蒲福风级，为平均10 min风速值。OCMIF[4]建议静态系缆分析中采用30 s阵风风速，计算各种船型在给定波浪、海流时，360°全回转风作用下的最大允许瞬时风速。根据船舶允许运动量及缆绳允许最大缆绳力、护舷最大受力标准，计算得到不同方向上最大允许风速的风玫瑰图。

将30 s阵风风速与平均风速进行转换，根据《Port designer’s handbook》[5]（Third edition）给出了不同时距与10 min时距的换算值，其中30 s阵风与10 min时距的换算系数为1.21。

1）当风速增大时，旁靠型外档LNG船最先达到50%，对应瞬时风速为50 kn，转化成平均风速为21.3 m/s。串靠型缆绳受力达到破断力50%时，对应瞬时风速为55 kn，转化成平均风速为23.4 m/s；结果表明，采用瞬时风速标准计算LNG船系泊作业的最不利工况，缆绳力也能满足小于破断力50%要求[6-8]，见表6。