基于單點(diǎn)系泊的LNG船過駁新型作業(yè)模式

徐 磊，付博新，廖 勇，黃 威

(1.中交城鄉(xiāng)能源有限責(zé)任公司，北京 100070；2.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007；3.中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司，成都 610041)

LNG海上運(yùn)輸是LNG進(jìn)口的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，直接影響供應(yīng)的穩(wěn)定性與消費(fèi)的經(jīng)濟(jì)性，隨著LNG這種清潔能源在我國(guó)能源領(lǐng)域占有率的不斷提高，越來越多的LNG通過船舶運(yùn)輸進(jìn)口至我國(guó)。船對(duì)船過駁作業(yè)是一種在海上進(jìn)行貨物裝卸的作業(yè)方式，在新形勢(shì)下，采用LNG海上過駁的方式是解決逐年增加的LNG碼頭建設(shè)需求與港口岸線集約化開發(fā)利用矛盾的有效途徑，既能滿足日益增長(zhǎng)的LNG運(yùn)輸需求，又能在國(guó)家對(duì)于現(xiàn)有存量岸線的新要求下，優(yōu)化和減少對(duì)岸線資源的利用，一舉多得，可以預(yù)見船對(duì)船過駁這種作業(yè)方式將會(huì)越來越多的得到應(yīng)用。

國(guó)際上大宗液體散貨危險(xiǎn)品的船對(duì)船過駁作業(yè)操作復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)性大，是公認(rèn)的高難度作業(yè)，尤其是對(duì)于溫度為-162℃的LNG而言。當(dāng)前，采用傳統(tǒng)方式進(jìn)行船對(duì)船過駁作業(yè)，與原油相比，LNG對(duì)過駁船舶相對(duì)六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)有著更高的要求，所以在開展作業(yè)前必須對(duì)可能造成作業(yè)危險(xiǎn)的安全問題進(jìn)行系統(tǒng)分析，并且做好充分的作業(yè)準(zhǔn)備，以保證船對(duì)船過駁作業(yè)的安全，這對(duì)建設(shè)條件和作業(yè)條件有著近乎苛刻的要求。

為了適應(yīng)前述大型LNG船舶海上過駁要求，更好的保障過駁作業(yè)安全，本研究提出一種基于單點(diǎn)系泊的LNG船過駁新型作業(yè)模式。

1 相關(guān)技術(shù)背景介紹

1.1 LNG海上過駁

過駁作業(yè)是常見的散貨船舶倒運(yùn)方式，同時(shí)，海上油品過駁也是世界公認(rèn)的高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)。《船對(duì)船石油過駁安全作業(yè)要求》[1]中過駁作業(yè)的定義為：在船與船旁靠的情況下，將石油從一艘船舶輸送到另一艘船舶所進(jìn)行的一系列作業(yè)。傳統(tǒng)過駁作業(yè)模式一般是大船停靠碼頭、浮筒、裝卸平臺(tái)或錨地，用駁船或其他小船倒運(yùn)貨物。

傳統(tǒng)的LNG過駁作業(yè)通常有一艘卸載LNG的卸貨船，另有一艘接收LNG的受貨船，一般卸貨船為錨泊船，受貨船為機(jī)動(dòng)船。受貨船通常為新建或又由舊船改造的浮式LNG接收終端FSRU(Floating Storage and Re-gasification Unit)，其最大特點(diǎn)是在FSRU船上實(shí)現(xiàn)了再汽化功能，可替代陸上接收站，輸送天然氣至陸上管網(wǎng)并提供給用戶。受貨船與卸貨船通過不同方式聯(lián)通，LNG通過卸載臂或軟管在船間傳送。LNG海上過駁運(yùn)輸主要分四種類型，分別為單點(diǎn)艉靠、多點(diǎn)旁靠、碼頭單側(cè)旁靠、碼頭雙側(cè)(或臨近泊位)靠泊，見圖1。傳統(tǒng)的LNG海上過駁的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)對(duì)比見表1。

1-a 單點(diǎn)艉靠1-b 多點(diǎn)旁靠

1-c 碼頭單側(cè)旁靠1-d 碼頭雙側(cè)(或臨近泊位)靠泊圖1 常見的LNG海上過駁類型Fig.1 Common types of LNG offshore transfers

表1 傳統(tǒng)的LNG海上過駁的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)Tab.1 Advantages and disadvantages of traditional LNG offshore transfer

1.2 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)

交通運(yùn)輸部《油輪單點(diǎn)系泊作業(yè)安全要求》[2]中對(duì)單點(diǎn)系泊的定義為：在海上凡允許系泊船舶隨著盛行風(fēng)和海況的變化而圍繞著單個(gè)系泊點(diǎn)作風(fēng)向標(biāo)自由回轉(zhuǎn)，從而不斷地處于風(fēng)、浪、流合阻力最小位置的系泊設(shè)施，可為固定式或浮式結(jié)構(gòu)，通過剛性或鉸接結(jié)構(gòu)或懸鏈系泊系統(tǒng)固定在海上。

單點(diǎn)系泊是液體散貨船舶的一種裝卸作業(yè)方式，是指船舶通過單點(diǎn)形式系泊在一個(gè)固定式或浮式結(jié)構(gòu)物上，船舶圍繞該結(jié)構(gòu)物可以隨風(fēng)浪流作360°回轉(zhuǎn)，由于風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，被系泊船舶將會(huì)停泊在環(huán)境力最小的方位上[3]，典型構(gòu)成見圖2。與固定式的碼頭相比，它最大的特點(diǎn)是系泊方式是“點(diǎn)”系泊，就是說超大型油船可以將其系泊于一個(gè)“點(diǎn)”上然后進(jìn)行卸貨操作，技術(shù)優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)對(duì)比見表2。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)從20世紀(jì)50年代后期開始發(fā)展，已經(jīng)成為廣泛使用的一種海上系泊油輪和輸送流體貨物的方式[4]。

表2 與固定式碼頭相比，單點(diǎn)系泊的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)Tab.2 Compared with fixed piers,the technical advantages and disadvantages of single-point mooring

液體散貨(包括LNG)單點(diǎn)系泊與系船浮筒錨地類似，根據(jù)對(duì)寧波-舟山港和廣州港的調(diào)研，系船浮筒錨地的設(shè)計(jì)環(huán)境條件與使用要求有關(guān)。例如：舟山港的浮筒錨地用于抗臺(tái)，使用風(fēng)速為不大于12級(jí)風(fēng)；廣州港系船浮筒錨地用于旁靠過駁，使用風(fēng)速為不大于5級(jí)；表3中單點(diǎn)系泊的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來源于廣東茂名30萬t級(jí)單點(diǎn)系泊工程操作指南[5]，對(duì)應(yīng)其系泊和裝卸要求風(fēng)速不大于6級(jí)，離泊要求風(fēng)速不大于8級(jí)。因此液體散貨單點(diǎn)系泊與系船浮筒錨地的使用環(huán)境條件應(yīng)根據(jù)系船浮筒系統(tǒng)的具體使用要求確定，并按照使用要求設(shè)計(jì)系船浮筒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，與船型大小也有著密切關(guān)系，必要時(shí)應(yīng)通過試驗(yàn)研究確定，系船浮筒系統(tǒng)的系泊試驗(yàn)手段包括數(shù)學(xué)模型模擬、物理模型試驗(yàn)和原型觀測(cè)等[6]。

圖2 懸鏈錨腿型單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的總體示意圖Fig.2 General layout of CALM single point mooring

表3 固定式碼頭與單點(diǎn)系泊方式作業(yè)限制條件標(biāo)準(zhǔn)比較Tab.3 Comparison of operating restriction standards between fixed wharf and single point mooring

當(dāng)前有關(guān)LNG船舶和碼頭的相關(guān)研究熱點(diǎn)多集中在通航[7-8]和系泊[9-11]方面，而鮮有LNG船舶過駁的相關(guān)研究。包括LNG船在內(nèi)的液體散貨船過駁作業(yè)基本是采用大小船緊靠系泊的方式，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[12-14]、作業(yè)指南[1,2,15-17]、相關(guān)著作和已有研究[18-21]都是基于上述方式。通過前述的深入分析，面對(duì)可能遇到的技術(shù)問題，本研究將傳統(tǒng)過駁方式與單點(diǎn)系泊相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短、創(chuàng)新性的提出基于單點(diǎn)系泊LNG海上過駁作業(yè)模式。

2 設(shè)計(jì)方案

采用傳統(tǒng)的單點(diǎn)系泊與過駁方式進(jìn)行結(jié)合的方式，該作業(yè)系統(tǒng)由多個(gè)單點(diǎn)系泊子系統(tǒng)構(gòu)成，通過海底管線使得各子系統(tǒng)連通，各個(gè)單點(diǎn)系泊子系統(tǒng)均按對(duì)應(yīng)的船舶噸級(jí)大小的錨地錨位進(jìn)行布置，布局方式可采用放射狀也可采用干支狀。可通過大船向小船泵入液體物料，也可反向輸送，可一艘大船對(duì)多個(gè)小船同時(shí)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)過駁作業(yè)要求。

2.1 水域選址原則

新模式下開展的過駁作業(yè)所需水域與錨地布置類似，在水域選址及船舶錨位布置時(shí)，所占水域規(guī)模和錨位數(shù)量應(yīng)根據(jù)到港船型及其密度、港口生產(chǎn)組織和水域自然環(huán)境等因素綜合確定。考慮到本研究所述LNG屬危險(xiǎn)品運(yùn)輸，參照危險(xiǎn)品錨地的相關(guān)要求，建議設(shè)置專用過駁作業(yè)水域，不宜與其他錨地共用水域，并應(yīng)與其他錨地及水陸域設(shè)施保持安全距離。

本研究所用的專用過駁作業(yè)水域位置應(yīng)選在靠近港口、天然水深適宜、海底平坦、錨抓力好、水域開闊、風(fēng)、浪和水流較小，便于過駁作業(yè)前后小船進(jìn)出航道，且在臨近海底管線的水域布設(shè)錨位時(shí)，應(yīng)與之保持一定安全距離。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)架

本研究將通過例子并參照附圖的方式說明，其中圖3是新模型下過駁作業(yè)大船倒小船的系統(tǒng)示意圖，基于單點(diǎn)系泊的液體散貨船舶過駁作業(yè)系統(tǒng)模式，包括：

大船1：承裝LNG的大型船舶。

小船2：承裝LNG的小型船舶。

旋轉(zhuǎn)頭3：連接浮筒固定部分與轉(zhuǎn)動(dòng)部分，為液流態(tài)貨物的裝卸提供單一或多管道通道的部件。

海底管匯5：由連接海底管線和水下軟管等多根管道交匯而成的并固定在海床上的組合體。

水下軟管6：連接單點(diǎn)系泊浮筒和海底管匯的軟管組。

漂浮軟管7：連接旋轉(zhuǎn)接頭輸LNG裝卸臂與系泊LNG船舶管匯的自由漂浮在海面上的軟管組。

值得注意的是，在不需要改變系統(tǒng)構(gòu)架的情況下，大船倒小船的逆向輸送即可實(shí)現(xiàn)小船倒大船；海底管匯非必需，通過水下軟管直連也可實(shí)現(xiàn)該模式的功能。

2.3 布局方式

本研究可采用如圖4的兩種布局方式，分為放射狀布局和干支狀布局兩種，其特點(diǎn)如下：

圖3 LNG過駁作業(yè)新模式下系統(tǒng)構(gòu)架示意圖Fig.3 Schematic diagram of the system architecture under the new mode of LNG transfer operation圖4 LNG過駁作業(yè)系統(tǒng)在新模式下的兩種布局方式Fig.4 Two layout methods of LNG transfer operation system under the new mode

放射狀：采用中心向四周發(fā)散的方式，大船單點(diǎn)系泊(圖中方塊)與小船單點(diǎn)系泊(圖中圓圈)通過海底管匯或水下軟管(圖中雙向箭頭)直連，其顯著特點(diǎn)是有效節(jié)省海底管匯和水下軟管的長(zhǎng)度，相比干支狀布局由于管線較短，傳輸效率較高，尤其適用于傳輸過程中對(duì)保冷要求較高的LNG，有利于節(jié)約管線造價(jià)。

干支狀：一般情況下，近岸水淺、遠(yuǎn)岸水深，因此大船布置在遠(yuǎn)岸一側(cè)，小船視噸級(jí)大小布置在近岸一側(cè)，采用主干與分支的布局方式，大船單點(diǎn)系泊與小船單點(diǎn)系泊通過海底管匯或水下軟管干管和支管連通，其顯著特點(diǎn)是充分利用水下地勢(shì)，相比放射狀布局離岸更近，可節(jié)省小船的航程，但水下管匯和軟管相對(duì)較長(zhǎng)，傳輸效率較低。

2.4 平面布置

每個(gè)單點(diǎn)系泊錨泊點(diǎn)的布置可參照《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS165—2013)[12]錨地計(jì)算進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于油船和危險(xiǎn)品船舶應(yīng)設(shè)置專用錨地或?qū)Ｓ貌次弧ｅ^地規(guī)模可根據(jù)反映船舶到港規(guī)律的排隊(duì)論模型或其他數(shù)學(xué)模擬的方法推算。根據(jù)該規(guī)范要求，油船等液體化工品錨地，除考慮單船的回旋半徑外，尚應(yīng)考慮其他船進(jìn)出錨地時(shí)的航行安全需求。采用本研究的海上油品過駁方式時(shí)，錨地布置型式可按照?qǐng)D5所示方式進(jìn)行布置。

過駁平面方案采用放射狀布局，大船單點(diǎn)系泊錨位布置于錨地中間，小船單點(diǎn)系泊錨位布置在外側(cè)周邊，并根據(jù)規(guī)范要求預(yù)留2～3倍大船設(shè)計(jì)船寬的船舶航行通道，作為大船進(jìn)出以及浮筒等設(shè)備的維修通道。大小船系泊浮筒間通過海底管匯或水下軟管直連，能有效節(jié)省海底管匯和水下軟管的長(zhǎng)度。

5-a 放射狀 5-b 干支狀圖5 單點(diǎn)系泊過駁作業(yè)錨泊水域布置平面圖Fig.5 Layout plan of mooring water area for single-point mooring transfer operation

過駁平面方案采用干支狀布局，大船單點(diǎn)系泊錨位布置在錨地一端，小船單點(diǎn)系泊錨位布置在上下兩側(cè)，上下兩排錨位間根據(jù)規(guī)范要求布置2～3倍設(shè)計(jì)船寬的船舶航行通道，作為船舶進(jìn)出以及浮筒等設(shè)備的維修通道，浮筒間通過海底管線進(jìn)行連接，能夠最大限度的利用錨地空間。

2.5 技術(shù)特點(diǎn)分析

對(duì)應(yīng)前述過駁作業(yè)和單點(diǎn)系泊的特點(diǎn)，本研究很好地繼承了兩種方式的優(yōu)點(diǎn)，前述存在的缺陷也得到很好的解決，論述如下：

(1)港口的可持續(xù)發(fā)展與海岸線保護(hù)相適應(yīng)的問題。

在新模式下，大船與小船在外海進(jìn)行過駁作業(yè)前或作業(yè)后，小型船舶仍需在近岸固定碼頭進(jìn)行常規(guī)裝卸作業(yè)，適用于水淺灘長(zhǎng)或中小型規(guī)模的港區(qū)，一方面無需大規(guī)模建設(shè)防波堤形成掩護(hù)水域和開挖深水航道，另一方面也滿足了港區(qū)擴(kuò)大LNG水運(yùn)業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，很好地化解了港區(qū)發(fā)展與海岸線保護(hù)的矛盾。

本研究提出的新模式，首先，既可以很好地滿足LNG能源需求的增長(zhǎng)，保障能源轉(zhuǎn)型和能源安全，保證港口行業(yè)的發(fā)展建設(shè)需要，同時(shí)緩和了傳統(tǒng)港口開發(fā)建設(shè)方式與海岸線保護(hù)之間的矛盾，更有利于可持續(xù)發(fā)展；其次，可引導(dǎo)現(xiàn)有存量岸線通過功能調(diào)整、升級(jí)改造、優(yōu)化布局、重新開發(fā)等方式來提高岸線利用率；第三，是新的岸線資源開發(fā)利用模式的創(chuàng)新之舉，與國(guó)家日趨嚴(yán)格的岸線準(zhǔn)入管理政策相適應(yīng)，充分響應(yīng)國(guó)家對(duì)有限的岸線資源朝著更加集約、高效、現(xiàn)代化方向開發(fā)的指導(dǎo)思想。

(2)過駁作業(yè)方面。

①新模式繼承了前述單點(diǎn)系泊對(duì)作業(yè)條件要求較寬泛的優(yōu)點(diǎn)，在外海相對(duì)惡劣的自然條件下可開展作業(yè)。

②新模式按外海錨地錨位布置，過駁船舶之間有足夠的安全間隔，大大降低了傳統(tǒng)LNG船靠船過駁作業(yè)中的危險(xiǎn)性。

③新模式按錨地錨位布置，過駁船舶之間有足夠的安全距離，便于應(yīng)急處置，大大降低了交通事故的風(fēng)險(xiǎn)。

(3)單點(diǎn)系泊方面。

①新模式下，取消了水陸域連通的海底管線，即便增加了若干子系統(tǒng)錨位之間的管線，也遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)單點(diǎn)系泊水陸域連通海底管線的長(zhǎng)度，將影響范圍縮小到遠(yuǎn)離陸域的局部海域，有利于降低對(duì)陸域的安全風(fēng)險(xiǎn)，并能做到集中控制。

②LNG是一種無臭、無味、無毒、透明的燃料，一般以低溫(零下162℃)常壓條件下儲(chǔ)存和運(yùn)輸。在新模式下，一旦船舶發(fā)生海上泄漏，常溫下極易蒸發(fā)，汽化氣體比空氣輕，極易產(chǎn)生燃燒爆炸性蒸氣，雖危險(xiǎn)性高，但LNG及汽化氣體基本不會(huì)造成環(huán)保危害和環(huán)境負(fù)擔(dān)。

③新模式取消了長(zhǎng)距離海底管線后，大船與小船之間的傳輸效率雖不及傳統(tǒng)過駁作業(yè)旁靠方式，但傳輸距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)單點(diǎn)系泊水陸域之間方式，壓力損失小，無需加裝接力泵，船與船之間物料輸送的效率依然可以處于較高水平。

④新模式下，單點(diǎn)系泊具有可以移動(dòng)、可以重復(fù)使用等特性，一旦遭遇大規(guī)模極端天氣，可增加防護(hù)措施或?qū)⒀b置移走避險(xiǎn)。此外，因其可移動(dòng)的特性，可用于季節(jié)性調(diào)峰使用，比如冬季布設(shè)在中國(guó)北方海域用于寒冷季節(jié)的取暖燃料供應(yīng)，夏季布設(shè)在中國(guó)南方海域用于解決炎熱季節(jié)的用電高峰問題。

2.6 技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性分析

從經(jīng)濟(jì)性角度分析此技術(shù)的適用條件，此技術(shù)的應(yīng)用有別于傳統(tǒng)LNG接收站管道運(yùn)輸或公路倒運(yùn)的方式，將會(huì)增加LNG船舶二次轉(zhuǎn)水的運(yùn)輸成本。因此，此技術(shù)應(yīng)用主要適用于LNG水水中轉(zhuǎn)碼頭以及航道、碼頭、罐區(qū)、陸域等基礎(chǔ)設(shè)施條件不能滿足LNG裝卸作業(yè)需要的港口。應(yīng)用此技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性主要來自以下四個(gè)方面：

(1)提高作業(yè)效率。該模式可實(shí)現(xiàn)船-船轉(zhuǎn)卸時(shí)多條LNG船舶同時(shí)作業(yè)，大大提高港口中轉(zhuǎn)作業(yè)效率，減少船舶在港時(shí)間；作業(yè)效率的提高，將有效降低船舶待泊時(shí)間，緩解港口擁擠。

(2)節(jié)約土地及岸線資源。該模式主要在港口水域完成作業(yè)，對(duì)岸線和陸域需求較小，有效節(jié)約了國(guó)家土地和岸線資源，提高了資源的使用效率。

(3)減少建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本。該模式實(shí)現(xiàn)船舶作業(yè)主要在水域完成，采用直取模式轉(zhuǎn)運(yùn)，對(duì)罐區(qū)等倉儲(chǔ)需求、碼頭及后方配套設(shè)施的需求降低，可降低港口建設(shè)成本；同時(shí)，作業(yè)空間和管理環(huán)節(jié)減少，或?qū)⒔档凸芾砗妥鳂I(yè)對(duì)用工的需求，降低運(yùn)營(yíng)期成本費(fèi)用。

(4)受自然條件影響較小。該模式將利用廣泛的自然水域空間作業(yè)，受航道、錨地、岸線、陸域、泊位水深等碼頭自然條件影響較小，泊位建設(shè)時(shí)可根據(jù)需要海向發(fā)展，泊位對(duì)船舶噸級(jí)、到港艘數(shù)等靠泊作業(yè)需求的適應(yīng)性將會(huì)有較大提升。

因此，對(duì)于港口作業(yè)繁忙、船舶等待時(shí)間較長(zhǎng)、岸線及陸域資源有限、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本較高、受自然及港口基礎(chǔ)設(shè)施條件影響較大，但LNG運(yùn)輸和二程轉(zhuǎn)運(yùn)需求較大的港口，應(yīng)用此技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性較為明顯。

3 可參考的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

系統(tǒng)梳理了該新型過駁作業(yè)模式可參考的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、法規(guī)及操作指南，如表4所示。

從表4看出，上述規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)基本覆蓋了本研究提出的LNG海上過駁新型作業(yè)模式所涉及的技術(shù)細(xì)節(jié)，因此，本研究所應(yīng)用到的技術(shù)手段和設(shè)備設(shè)施較為成熟，在實(shí)踐層面是可行的、擁有好的應(yīng)用前景。

表4 可參考的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、法規(guī)及操作指南Tab.4 Relevant standards,specifications,regulations and operating guidelines

4 結(jié)論

(1)對(duì)傳統(tǒng)的LNG海上過駁和單點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行分析，并對(duì)各自的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)、劣勢(shì)及可借鑒之處進(jìn)行梳理。

(2)提出一種基于單點(diǎn)系泊的LNG船過駁新型作業(yè)模式，將傳統(tǒng)的單點(diǎn)系泊與過駁方式進(jìn)行結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，該模式具有作業(yè)高效、安全可控、環(huán)境友好、資源節(jié)省等特點(diǎn)。

(3)系統(tǒng)梳理了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、法規(guī)及操作指南，基本覆蓋了本研究所涉及的技術(shù)細(xì)節(jié)，所應(yīng)用到的技術(shù)手段和設(shè)備設(shè)施較成熟，在實(shí)踐層面是可行的，有較好的應(yīng)用前景。