朱利翔1，邸战震2，谷文强1
（1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州510230；2.河钢集团国际物流有限公司，河北石家庄050000）
摘要：详细分析巴基斯坦卡西姆LNG码头工程的总平面设计要点。确定FSRU码头设计船型的选择方法。针对FSRU码头的特殊性，给出了区别于常规LNG码头选址的特殊要求；针对FSRU码头常见的各种系泊模式进行比选，最终确定了LNG-FSRU双船并靠系泊模式为最优方案；综合安全要求和经济合理等因素确定码头布置位置；针对FSRU特殊的系泊、靠泊和装卸作业要求，给出了FSRU码头的详细平面布置方法；使用国际通用规范和标准进行高程设计；通过系泊试验分析航道中通航船舶产生的船行波对系泊船舶的影响，确定本项目码头的港池宽度。通过对各设计要点的分析，总结出海外工程中FSRU码头总平面的系统设计方法。
关键词：FSRU；LNG-FSRU双船并靠系泊模式；码头布置；高程设计；船行波
巴基斯坦卡西姆LNG码头是中国企业在海外设计和承建的第一个FSRU码头，也是巴基斯坦第一个LNG码头项目，采用FSRU，即浮式储存再气化装置，这种离岸式浮式终端接收站，远离工业区、人口密集区，不需要建岸上罐区、建设周期短，且为移动式接收站方便撤离，能够在短时间内以低成本完成接收站建设并投入使用。本项目中总平面的各设计要素均采用国际化的精细化设计方法，可供海外工程中类似项目总平面设计作为参考。
1.1 FSRU设计船型
海上浮式LNG有多种方式，FSRU属于其中之一。目前，全球已经建成了数个FSRU项目，开始商业运营。至今为止，世界上已经投入使用的FSRU的舱容主要是125 000~173 400 m3。
根据调查，更大舱容量的FSRU正在建造或改造中，即将投入使用，届时将会出现舱容量为21.6万m3或27万m3的FSRU进入市场，但是根据已有订单统计，主力FSRU船型仍然是125 000~ 173 400 m3FSRU。因此巴基斯坦卡西姆LNG码头，采用的FSRU设计船型为125 000~173 400 m3FSRU。
1.2 LNG运输船设计船型
小型的LNG船舶主要用于近海和内河的运输，而为FSRU船舶输运LNG的LNG船舶，一般都是舱容量集中在12.5万~26.7万m3之间，巴基斯坦卡西姆LNG码头采用的LNG运输船舱容量为125 000~267 000 m3。
常规LNG码头的选址原则同样适用于FSRU码头，但是FSRU码头因为特殊的系靠泊要求对选址还有额外的特殊要求。为了保持供气的稳定性，一般FSRU船舶需要长期系泊在码头上，只有在维修情况下（3~5 a 1次）和遭遇不可抗力气候条件（台风、地震等）才允许离开，理论上需要码头的年不可作业天数为零，因此码头需要布置在自然条件非常良好的港湾，必要的情况下需要建设防波堤提供良好的掩护条件。巴基斯坦卡西姆LNG码头布置在具有天然掩护的港湾内，码头距离出海口40多km，具有良好的泊稳条件。同时FSRU船舶如果采用开式气化装置，则码头应选择在热交换水允许排放的地区。
FSRU码头的泊位布置方案，通常有背靠背布置模式、串联布置模式、双船并靠模式3种，如图1~图3所示。
图1 FSRU码头泊位背靠背布置模式
Fig.1Back to back arrangement of FSRU terminal
图2 FSRU码头泊位串联布置模式
Fig.2Tandem arrangement of FSRU terminal
图3 FSRU码头泊位双船并靠布置模式
Fig.3Double bank arrangement of FSRU terminal
由图1~图3可以看出，背靠背布置模式和串联布置模式相对于双船并靠布置模式码头结构和工艺设备造价均有较大增加，FSRU码头双船并靠布置模式更佳，因此巴基斯坦卡西姆LNG码头即采用了双船并靠模式。
根据业主要求，卡西姆LNG码头需要与现有EVTL化工品码头（远期考虑停靠LNG船）共用栈桥，因此码头需要布置在EVTL码头的西北侧，码头走向与现有卡西姆主航道平行。本项目码头定位的影响因素包括本项目系泊船舶与EVTL码头系泊船舶之间的安全净距、系泊船舶和附近通航船舶的安全距离、LNG码头装卸安全区域范围、港池疏浚和栈桥建设成本等。
4.1 各国规范中的安全距离要求
1）根据国际航运协会（PIANC）规范《Safety Aspects Affecting the Berthing Operations of Tankers to Oil and Gas Terminals》[1]，LNG码头装卸点周围200 m范围为安全区域，在LNG码头进行装卸作业时其他船舶不能进入该安全区域；通航船舶与系泊船舶的最小距离为50 m。
2）根据《Port Designer’s Handbook》[2]，对于液化天然气码头，LNG船之间的间距推荐取250~ 300 m。
3）根据中国规范JTS 165-5—2016《液化天然气码头设计规范》[3]，当液化天然气泊位与油品或液体化学品泊位相邻布置时，其船舶间净距不应小于0.3倍最大设计船长，且不小于60 m。
4.2 系泊船舶与现有航道边界的净距
在系泊试验中分析航道中通航船舶产生的船行波对系泊船舶的影响，可以得出系泊船舶与现有航道边界的安全净距要求，进而确定了码头前沿线位置。
由于东侧航道边的现有EVTL化工品码头使用情况良好，因此初步考虑将FSRU外侧的护舷前沿线与EVTL的码头前沿线保持一致，LNG运输船系泊在FSRU船外侧。卡西姆LNG码头港池宽度计算方法为：港池宽度=码头护舷厚度（含面板厚度）+FSRU船舶宽度+两船之间的护舷宽度+LNG运输船宽度+LNG运输船与现有航道边线的净距=2.8+46.4+4.3+50+60=163.5m。
本项目通过DIODORE软件进行缆绳受力数值模拟，数值模拟分为FSRU单独系泊、FSRU和LNG不同船型并列停靠工况，并分析不同风向对各缆绳的拉力，包括系到靠船墩上的缆绳和LNG船系到FSRU船身缆绳的拉力，相关试验结果如表1和表2所示。
表1 LNG船系泊状态（不进行装卸作业）下通航船舶航速限制
Table 1Limit of ship navigating speed under LNG carrier mooring condition(no loading and unloading operations)
系泊船舶通航船舶航速限制/kn 17.3万m3FSRU 8~10 17.3万m3FSRU/12.5万m3LNG船双船系泊6 17.3万m3FSRU/21.7万m3LNG船双船系泊6 17.3万m3FSRU/26.6万m3LNG船双船系泊4
表2 LNG船装卸作业时通航船舶航速限制
Table 2Limit of ship navigating speed under LNG carrier loading and unloading operations
系泊船舶通航船舶航速限制/kn 17.3万m3FSRU 8~10 17.3万m3FSRU/12.5万m3LNG船双船系泊4~5 17.3万m3FSRU/21.7万m3LNG船双船系泊4~5 17.3万m3FSRU/26.6万m3LNG船双船系泊4
巴基斯坦卡西姆港要求船舶航速不能超过6~ 7 kn。因此根据试验结果，当航道中有较大船舶通航时，可以得出以下结果：
1）FSRU可安全系泊并进行安全装卸作业。
2）舱容量小于21.7万m3的LNG船可安全系泊在FSRU上，但需停止装卸作业直到通航船舶离开。
3）当26.6万m3LNG船系泊在FSRU上，需要停止作业，并且航道中的大型通航船舶应在拖轮协助下低速通过LNG码头区域。由于26.6万m3LNG船来船频率非常低，因此基本不影响LNG码头和现有航道的正常作业。
4.3 码头定位
结合各国规范的规定、相关科研试验结果和定量风险评估等，各方沟通协调后，确定了码头位置布置如下：
1）LNG码头布置在现有EVTL化工品码头西侧，码头走向与现有卡西姆主航道平行，便于LNG船舶靠离泊操作；
2）FSRU外侧的护舷前沿线与EVTL的码头前沿线保持一致；
3）采用双船并靠模式，最外侧的LNG运输船与航道边线的最小距离为60 m，FSRU船舶与航道边线的最小距离为110 m；
4）LNG码头的最大设计船型在泊位停靠时，与EVTL化工品码头远期最大设计船型的最小净距为200 m。
5.1 工作平台
在卡西姆LNG码头工程中，工作平台布置如图4所示，将气态天然气装卸臂布置在平台左侧，并预留1台备用气态装卸臂位置，在平台右侧预留2台液态天然气装卸臂位置（考虑远期改造成常规LNG码头）。根据平台的工艺布置要求，工作平台的尺度最终确定为40 m×18 m。
图4 FSRU码头工作平台布置图
Fig.4Working platform layout of FSRU terminal
FSRU船舶中心区域仍作为LNG的管汇区域，作为LNG运输船输送LNG的接口，因此FSRU船上气化后的天然气输送管道接口一般布置在偏离中心的位置，具体位置根据FSRU上设备总体布置确定，根据美国EXCELERATE公司提供的资料，一般布置在偏向船头方向，距离船舶中心大约30 m位置。FSRU码头工作平台的布置位置，应保证平台上的气态天然气装卸臂与FSRU船上的气态天然气管道接口相接，所以FSRU码头工作平台的位置比常规的LNG码头更靠近船头。
5.2 靠船墩
本项目靠泊船型的船长差别较小，因此采用2个靠船墩。FSRU船全年停靠在码头上，根据业主和咨工要求，本工程LNG泊位需要保证在任何一个橡胶护舷维修或报废的情况下，码头均能正常运营，即LNG船能正常靠泊且FSRU船能正常作业，因此每个靠船墩上布置2个SCK2500H E1.4护舷，并且应保证在最低天文潮LAT到最高天文潮HAT之间任意水位和船舶空载到满载任意配载状态，护舷的布置位置都在船舶平直段范围内，以此可以确定靠船墩的平面位置，此方法也是确定护舷竖向位置和靠船墩高程的设计标准之一。而靠船墩的间距也应满足OCIMF规范《Mooring Equipment Guideline》[5]的要求，即护舷间距应为0.25~0.4倍设计船长。最终2个靠船墩的间距确定为93 m，根据桩基布置设计，每个靠船墩尺度为16 m×18 m。
每个靠船墩上布置2套3钩快速脱缆钩用作倒缆系泊，根据系泊数模试验，为增加倒缆的长度，快速脱缆钩布置在偏向工作平台的位置。
5.3 系缆墩
5.3.1 初步系泊布置方法
OCIMF规范《Mooring Equipment Guidelines》[4]中给出了蝶式码头系泊布置的建议，在项目初期可以按照该建议进行初步的系泊布置，在详细设计阶段根据具体的系泊试验来验证和优化系泊布置方案。
5.3.2 系泊数值模型试验分析
本项目通过DIODORE软件进行系泊数值模型试验分析，确定最优的码头平面布置形式，应满足环境作业标准下的各种限制要求，并满足受力均匀、节省造价等要求。
1）缆绳受力限制要求
OCIMF规范《Mooring Equipment Guidelines》[4]对于系缆力规定如下：
①对于钢缆，系缆力不应超过缆绳破断力的55%；
②对于尼龙缆外的合成纤维缆，系缆力不应超过缆绳破断力的50%；
③对于尼龙缆，系缆力不应超过缆绳破断力的45%。
以上限制仅是表明缆绳的安全工作荷载，超过限值并不表示会断缆，但是会造成缆绳永久性的变形，使缆绳性能大大降低。
2）系泊船舶运动量限制标准
本项目采用PIANC规范《Criteria for Movements of Moored Ships in Harbours》[5]给出的LNG船舶装卸作业时允许的运动量标准，如表3所示。
表3 LNG船装卸作业时运动量限制标准
Table 3Criteria of ship movement under LNG carrier
loading and unloading operations
横摇/（°）气体运输船装卸臂2.0 2.0—2 2 2船型装卸设备允许运动量纵移/m横移/m升沉/m回转/（°）纵摇/（°）注：允许运动量为两个方向的幅度值之和(除了横移为单方向幅度最大值)。
3）护舷限制标准
护舷的变形（或受力）不应超过选定护舷的额定限值，本项目选用SCK2500护舷的变形限值为52.5%。
最终确定的系缆墩布置位置如图3所示。由于本项目靠泊船型的船长差别较小，因此布置4个系缆墩即可满足系泊要求。其中内侧2个系缆墩分别布置1套4钩快速脱缆钩用于FSRU的横缆系泊，系缆墩尺度为9 m×9 m；外侧2个系缆墩分别各布置2套3钩快速脱缆钩，用于FSRU的艏艉缆系泊和LNG运输船的艏艉缆系泊，外侧系缆墩的尺度设计为12 m×12 m。
6.1 码头顶标高设计
卡西姆LNG码头采用桩基结构，根据本项目工程咨询公司TECHNICA公司要求，工作平台采用气隙方法（'Air Gap'Approach）确定顶高程，即将桩基码头上部结构布置在水面以上（包含极端情况下的波浪和风暴等因素），仅允许桩承受波浪力，计算公式如下：码头顶高程=HAT+风暴增水+波峰面高度+
Air Gap+平台厚度=8.3 m
其中设计波浪的波峰面高度可以通过设计风暴时期的最大波高Hmax及设计水位确定。根据德国港口工程协会规范EAU2012《Recommendations of the Committee for Waterfront Structures Harbours and Waterways》[6]，依据Rienecker/Fenton（1981）的傅里叶波浪理论，波浪波峰面高度可以按照Muttray（2000）公式来进行估算：
式中：Hcr为水面以上波峰的高度，m；hDWL为设计水位，m；Hmax为最大波高，m；Π为非线性参数；L为波长，m；d为水深，m。
系缆墩考虑上部结构可以承受部分波浪力，因此顶高程设计为6.6 m。而靠船墩的高程设计还需要保证在LAT到HAT之间任意水位和船舶空载到满载任意配载状态，护舷的布置位置都在FSRU船平直段范围内，通过分析，靠船墩顶高程确定为8.3 m。
6.2 码头前沿底标高设计
根据英标6349-2:2010《Maritime works-Part 2: Code of Practice for the Design of Quay Walls，Jetties and Dolphins》[7]码头前沿设计底高程，需要考虑设计水位、设计船型最大吃水（包括盐度和侧倾对吃水的影响）、风浪流导致的船舶竖向运动、龙骨下富裕深度、测量误差和备淤深度等因素。本项目的码头前沿底标高计算如表4所示，码头前沿设计底标高取为-14.5 m（海图基准面）。
表4 码头前沿设计底标高计算表
Table 4Calculation of designed bottom level of wharf apron
影响因素码头前沿设计底标高/m备注船舶满载吃水12最大设计船型26.7万m3LNG运输船满载设计吃水为船舶静态吃水的不确定性而考虑的富裕深度0.2风、浪和流影响下船舶的最大竖向运动0.5通过系泊数模试验得出净龙骨下富裕深度0.5测量误差0.1备淤深度0.6码头位于浅滩区，年回淤约0.6 m/a设计水深13.9设计水位-0.6设计水位采用最低天文潮LAT设计底标高-14.5
卡西姆LNG码头临近已有的危险品码头（EVTL化工品码头，远期停靠LNG船）和卡西姆主航道，并且采用属于永久性系泊的FSRU码头类型和双船并靠系泊模式，因此在总平面设计中需要考虑安全、船行波影响、风浪流环境条件等诸多因素，通过参考国际通用规范和标准要求、进行系泊数模试验分析、定量风险评估等措施对总平面进行精细化设计，总结出海外工程中FSRU码头总平面的系统设计方法，对其他类似工程项目具有非常重要的参考价值。本项目已正式运营超过1 a，使用情况良好，成为中国企业在海外工程建设中的品牌工程。
参考文献：
[1]PIANC（International NavigationAssociation）.Safetyaspects affecting the berthing operations of tankers to oil and gas terminals [S].2012.
[2]THORESENCarlA.Portdesigner'shandbook[K].3rded.London:ICE Publishing,2014.
[3]JTS 165-5—2016，液化天然气码头设计规范[S]. JTS 165-5—2016,Code for design of liquefied natural gas port and jetty[S].
[4]OCIMF(Oil Companies International Marine Forum).Mooring equipment guidelines[S].3rd ed.London:Witherbys,2008.
[5]PIANC(International Navigation Association):Report of working group 24,criteria for movements of moored ships in harbours[S]. 1995.
[6]EAU.Recommendations of the committee for waterfront structures, harbours and waterways[S].11th German edition.2012.
[7]British Standards Institution BS 6349:2010.Maritime works-part 2,code of practice for the design of quaywalls,jetties and dolphins [S].2010.
The key design issues of general layout of LNG terminal at Qasim,Pakistan
ZHU Li-xiang1,DI Zhan-zhen2,GU Wen-qiang1
（1.CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China; 2.HBIS International Logistics Co.,Ltd.,Shijiazhuang,Hebei 050000,China）
Abstract：The key issues of general layout of LNG terminal at Qasim,Pakistan are detailed analyzed.The design vessels of FSRU terminal are determined.Special requirements of site selection of FSRU are introduced due to the specialty of FSRU,in contrast to normal LNG terminal.The LNG-FSRU double bank mooring is taken as optimum option by the comparison of several mooring arrangement models.The wharf layout location is determined in consideration of the safe and economy.Detailed terminal layout is determined considering of the special mooring,berthing,loading and unloading requirements.Elevation is designed using the international standards and codes.The width of the basin is determined by analyzing the effect of ship waves on the moored vessels.The systematic design method is summarized by the analysis of key issues of general layout of FSRU terminal.
Key words：floating storage regasification unit;LNG-FSRU double bank mooring;terminal layout;elevation design;ship waves
中图分类号：U656.1
文献标志码：A
文章编号：2095-7874（2017）05-0036-05
doi：10.7640/zggwjs201705009
收稿日期：2017-03-10
修回日期：2017-04-12
作者简介：朱利翔（1964—），男，福建寿宁人，硕士，高级工程师，董事长，港口与航道工程专业。E-mail:zhulx@fhdigz.com
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