长江中游LNG 接卸码头结构形式研究

2024-03-30黄高新徐甜

中国港湾建设 2024年3期

黄高新，徐甜

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北武汉430060）

0 引言

长江中游地跨湖北、湖南、江西三省，是推动长江经济带发展、促进中部地区崛起的重点区域。依托长江黄金水道，采用小型LNG 运输船，通过LNG 江海联运的方式供气，对长江中游省市用气安全、推进长江大保护、践行绿色低碳高质量发展具有重要意义。由于长江水道环境复杂、两岸人员密集、LNG 本身的危险特性，LNG 进江存在一定难度，海事部门已开展了LNG 船舶海进江的相关通航研究工作。对于LNG 接卸码头，目前长江尚无营运案例。考虑长江中游水文环境的复杂性，针对LNG 接卸码头的作业及安全要求，开展长江中游LNG 接卸码头结构形式研究是十分必要的。

长江中游省市传统油气化工码头主要为沿江炼厂、油库、化工园区等服务，货种主要为成品油，少量液化石油气、原油、其他液体化学品等。考虑适应长江中游航道洪枯季大水位差（14～18 m）特点，现状油气化工码头基本为浮码头形式。近年，随着内河LNG 航运应用的加快发展，长江中游干线建成了一些LNG 加注码头，它们也基本采用浮码头形式。相比LNG 接卸码头，LNG 加注码头年吞吐量规模较小，以5 000 t LNG 加注码头为例，单泊位年设计通过能力约2.6 万t。由于技术手段的更新以及建港条件的限制，近期也出现了一些其他类型油气化工码头形式。尚明芳等[1]结合长江中游环境提出了一种直立墩式LNG 加注码头；尚明芳等[2]结合三峡库区条件构造出一种组合式浮码头用于油品运输；郭新杰等[3]提出了一种由固定码头平台与浮箱结合的浮式组合固定液体散货码头。这些新的码头形式丰富了技术思路，但都尚未得到大面积推广应用。对于LNG 接卸码头，国内已运营LNG 接卸码头均位于沿海港口或河口，码头形式基本采用直立式高桩墩式或重力墩式结构。国内外尚未有类似长江中游大水位差环境LNG 接卸码头运营案例。

综上分析，在长江中游地区，浮码头一直是油气化工码头的主流形式，装卸货种以油品为主，实际未有长期运行的大吞吐量类LNG 深冷液体装卸实例。已运营的LNG 接卸码头均位于沿海区域，采用直立式码头形式，对沿海自然环境（潮差变化2～6 m）具有成熟的工程方案。对于长江中游LNG 接卸码头结构形式，浮码头和直立式码头各有优缺点，本文结合实际的工程案例开展了详细研究。

1 工程概况

拟建工程[4]位于岳阳港陆城港区、长江中游螺山水道衔接段右岸。拟拆除原5 号泊位新建2 个10 000 m3LNG 接卸泊位，设计代表船型5 500～10 000 m3LNG 船，其主尺度见表1。工程区设计低水位16.85 m、设计高水位30.79 m、设计防洪水位32.2 m。工程处水流平顺，无不良流态。

表1 设计代表船型尺度表Table1 Dimension of the design typical ship

2 结构形式研究

2.1 方案研究

结合具体工程情况，对LNG 接卸码头采用浮码头及直立式码头结构形式对比研究。

1）常规浮码头方案

拟建工程从上游至下游布置2 个10 000 m3LNG 泊位。LNG 码头泊位长度338.2 m，新建2座钢质趸船（尺寸90 m×16 m）、2 座活动钢引桥（尺寸60 m×6 m）、2 个阀室平台，阀室平台通过混凝土固定引桥与后方陆域接收站衔接。每个趸船配备3 台DN200 LNG 装卸臂，通过活动钢引桥、固定引桥管线与后方陆域接收站衔接。考虑适应水位变化引起的活动钢引桥俯仰以及靠泊装卸过程趸船位移，活动钢引桥管线与趸船、固定引桥管线之间采用真空绝热低温软管过渡连接。浮码头平面布置见图1，断面图见图2。

图1 浮码头平面布置图（m）Fig.1 General layout of the floating wharf（m）

图2 浮码头断面图（m）Fig.2 Cross section of the floating wharf（m）

2）直立式码头方案

拟建工程从上游至下游布置2 个10 000 m3LNG 泊位。LNG 码头泊位长度318.2 m，设置2个工作平台兼靠船平台（尺寸48 m×25 m）、3 个系缆墩（端部系缆墩尺寸12 m×12 m、中间系缆墩2个泊位共用尺寸24 m×15 m），系缆墩与工作平台之间通过钢联桥和混凝土联桥连接，工作平台通过固定引桥与后方陆域衔接。结合工程区域地质情况及使用要求，码头工作平台（兼顾靠船）采用高桩梁板结构，系缆墩采用高桩墩台。考虑适应不同水位系靠泊要求，工作平台、系缆墩设置多层系缆平台。每个泊位配备3 台DN200 LNG 装卸臂，通过码头平台及引桥固定管线与后方罐区连接。直立式LNG 接卸码头平面布置见图3，直立式码头结构断面见图4。

图3 直立式码头平面布置图（m）Fig.3 General layout of the vertical wharf（m）

图4 直立式码头断面图（m）Fig.4 Cross section of the vertical wharf（m）

浮码头方案、直立式码头方案对比见表2。

表2 方案对比表Table 2 Scheme comparison table

LNG 接收站是生命线工程，一旦断供将产生极大的社会影响。考虑LNG 接收站高可靠性及安全要求，长江中游地区LNG 接卸码头采用直立式码头结构形式具有显著优势，但同时需针对性解决大水位差环境LNG 装卸臂适应性、快速脱缆钩和靠泊辅助系统等关键技术问题。

2.2 关键技术解决方案

2.2.1 LNG 装卸臂适应性

长江中游水位差约14～18 m，LNG 装卸臂对大水位差环境的适应性直接关系到直立式LNG 接卸码头结构形式的可行性，其中LNG 装卸臂上下工作范围为最关键参数。LNG 装卸臂工作范围与码头设计参数、港口水位、船舶舱容、管汇参数等[5]息息相关，应能满足设计低水位最小靠泊船型满载工况、设计高水位最大靠泊船型压载工况正常工作需要。目前，尚无5 500～10 000 m3江海直达小型LNG 运输船实船，本工程设计代表船型仅为概念设计船型，因此无实船管汇参数。参考OCIMF 规定[6]，假定5 500～10 000 m3江海直达小型LNG 运输船管汇中心至主甲板高度1.5 m，计算本工程LNG 装卸臂需至少适应-12.55～3.49 m（以码头面为基准面计）上下工作范围才能满足正常卸料要求。

为论证装卸臂制造可行性，调研长江已建最大水位差直立式液体化工码头输油臂建造情况。以安徽无为华谊液体化工码头[7]为例，工程处水位差10.3 m，码头靠泊500 DWT—5 000 DWT 液体化学品船，码头平台设置DN200 装卸臂，装卸物料为常温甲醇/乙醇，其装卸臂工作范围为-9.8～7.5 m（以码头面为基准面计）。本工程LNG 装卸臂工作范围与实例输油臂工作范围基本相当，但工作范围下限略低。经询专业制造厂家，总体比较而言，LNG 装卸臂设计制造难度略有增加，可在工程实施阶段进一步联合厂家深化细化解决。

LNG 船舶基本为固定航线运营。由于目前尚无5 500～10 000 m3江海直达小型LNG 运输船实船，实际运营时，本工程需定制江海直达小型LNG 运输船船队。为解决大水位差LNG 装卸臂适应性难题，除专门针对性设计LNG 卸料臂外，同时可将LNG 运输船舶管汇适当抬高或设置高低管汇平台。国内已建14 000 m3LNG 船“华祥8 号”即采用了高低管汇建造方案。“华祥8 号”设计船型尺度125.8 m×22.7 m×13.1 m×6.8 m（总长×型宽×型深×满载吃水），其下层管汇中心距离主甲板面高度2.4 m，上层管汇中心距离主甲板面高10.4 m。定制船型采用类似高低管汇设计，设计低水位时LNG 装卸臂与上层管汇连接，设计高水位时LNG 装卸臂与下层管汇连接。该方案可极大地简化LNG 装卸臂设计，完美解决大水位差LNG 接卸码头装卸难题。

2.2.2 快速脱缆钩

长期以来，长江中上游地区油气化工码头均未设置快速脱缆钩。根据JTS 165-5—2021《液化天然气码头设计规范》[8]9.4.3 条：靠泊舱容10 000 m3及以上船舶或装置的液化天然气码头应设置快速脱缆钩。通常快速脱缆钩包含大量电气设备，不能水下长期浸泡。为适应长江水位季节性涨落环境快速脱缆钩使用要求，提出一种适应全淹没环境的可拆卸快速脱缆钩方案。在水位较高时，船舶系泊于上层平台，拆卸下层平台快速脱缆钩竖向连接轴，使钩架组合与基座分离。在水位较低时，将锚钩、钩架组件运输至下层系缆平台，高压水枪冲洗基座表面及空洞处泥沙，安装竖向连接轴，使钩架组件与基座连接。本方案可良好地解决季节性水位变化下快速脱缆钩使用问题。

2.2.3 靠泊辅助系统

海港液化天然气码头通常标配靠泊辅助系统，对于河港液化天然气码头JTS 165-5—2021《液化天然气码头设计规范》[8]并未明确要求。考虑内河LNG 接卸码头尚属起步阶段，本工程按较高标准予以配备靠泊辅助系统。通常靠泊辅助系统中激光测距仪布置于码头平台两端用于船舶靠泊速度监测。本工程位于长江中游，设计低水位时LNG船舶甲板面远低于码头面，常规激光测距仪布置不能满足要求。为解决大水差靠泊辅助监测，提出一种全自动升降导轨式激光测距仪，将激光测距仪放置于自动升降平台固定于垂直导轨上。自动升降平台根据系统预设的离水高度进行位置调整，根据水位变化保持激光传感器距离水面在预设的高度，另在现场控制箱或软件系统中可控制传感器进行一键回仓，实现在极端天气将激光传感器升到最高位置的保护仓中。在监控期间，传感器根据水位的变化调整激光传感器的位置，使其一直保持在预设的离水高度位置，每次离泊结束后，系统会将传感器返回到保护仓中。