超大型LNG船舶靠離泊所需拖船總功率研究

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(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

隨著LNG船舶的大型化趨勢，拖船已經(jīng)成為大型化船舶靠離泊操縱中必不可少的協(xié)助工具。對于超大型船舶通常需要多艘拖船作為輔助動力協(xié)助操縱，所需拖船數(shù)量和功率一般很難根據(jù)經(jīng)驗做出正確判斷。若對所需拖船的數(shù)量或總功率估計不足，船舶靠離泊安全可能得不到保障；若拖船數(shù)量或總功率估計過大，又造成一定的浪費。

我國沿海地區(qū)先后興建和正在興建多個大型LNG接收站，在廣東珠海、江蘇如東等地的LNG項目的通航安全評估中，碼頭設(shè)計單位、國內(nèi)外船東、國外供氣方、有關(guān)安全主管單位及各地引航部門等對超大型LNG船舶靠離泊時需要配置的總功率估算存在一定的爭議。為此，通過對國內(nèi)外現(xiàn)有船舶拖船功率配置的有關(guān)規(guī)范和計算公式的比較研究，結(jié)合目前我國LNG船舶實船資料和拖船的實際情況，說明按不同規(guī)范和方法計算出的拖船總功率配置的差別，為LNG接收站合理配置拖船提供參考。

1 我國LNG接收站的主要船型

我國沿海地區(qū)已經(jīng)興建的或正在興建的多個大型LNG接收站，各LNG接收站設(shè)計時考慮接納的設(shè)計船型主要分布在8萬m3～26.6萬m3之間,兼顧的小船型為8萬m3，兼顧的大船型為21萬m3～26.6萬m3。

2 我國對船舶拖船配置的有關(guān)規(guī)范

2.1 《海港總平面設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定

按《海港總平面設(shè)計規(guī)范》(JTJ211—99)[1]中4.9.3條規(guī)定，港作拖船的總功率ηBHP，應(yīng)根據(jù)進出港船舶的載重噸QDWT按下式估算

ηBHP=kQ

(1)

式中：k——系數(shù)，QDWT≤2萬t，取0.075；

2萬t

QDWT>5萬t，取0.05；

Q——進出港設(shè)計船型的載重噸，t。

《海港總平面設(shè)計規(guī)范》中提及的計算方法屬于拖船總功率的估算，由于公式中沒有對風(fēng)、流、浪等自然條件加以具體說明，風(fēng)流力大小及風(fēng)流舷角等因素對所需拖船推力和拉力影響很大，而規(guī)范沒有明確給出適用條件，所以本方法只能認為是在通常情況下拖船總功率計算的經(jīng)驗公式[2]。

2.2 《液化天然氣碼頭設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定

根據(jù)《液化天然氣碼頭設(shè)計規(guī)范》[3]第5.8條規(guī)定，液化天然氣船舶靠泊和離泊時宜配備全回轉(zhuǎn)型拖船(Z型拖船)協(xié)助作業(yè)。液化天然氣船舶靠泊時，可配置4艘拖船協(xié)助作業(yè)。液化天然氣船舶離泊時，可配置2艘拖船協(xié)助作業(yè)。拖船的總功率應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀粭l件和船型等因素綜合確定，且單船最小功率不應(yīng)小于3 000 kW。

本方法只能認為是在通常情況下拖船總功率計算的經(jīng)驗公式，沒有具體說明船舶不同噸位、尺度配置在拖船數(shù)量的具體要求，即規(guī)范沒有明確給出適用條件，對于拖船配置數(shù)量和總功率上會造成一定的影響。

2.3 《港口工程荷載規(guī)范》對船舶載荷的要求

2.3.1 作用于船舶上的風(fēng)荷載

根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》[4](JTS144-1-2010)附錄E作用于船舶上的風(fēng)荷載的規(guī)定：作用在船舶上的計算風(fēng)壓力的垂直于碼頭前沿線的橫向分力和平行于碼頭前沿線的縱向分力宜按下列公式計算。

(2)

(3)

式中：Fxw，F(xiàn)yw——作用在船舶上的計算風(fēng)壓力的橫向和縱向分力，kN；

Axw，Ayw——船體上面以上橫向和縱向受風(fēng)面積,m2；

Vx，Vy——設(shè)計風(fēng)速的橫向和縱向分量，m/s；

ξ1——風(fēng)壓不均勻折減系數(shù)；

ξ2——風(fēng)壓高度變化修正系數(shù)。

2.3.2 作用于船舶上的水流力

1)《港口工程荷載規(guī)范》附錄F作用于船舶上的水流力規(guī)定：對于開敞式海港透空式系船、靠船結(jié)構(gòu)，當(dāng)水流與船舶縱軸平行、或流向角θ<15°和θ>165°時，水流對船舶作用產(chǎn)生的水流力可按下式計算。

①水流對船舶作用產(chǎn)生的水流力船艏橫向分力Fxsc和船艉橫向分力Fxmc為

(4)

(5)

式中：Cxsc、Cxmc——水流對船艏橫向分力系數(shù)和船艉橫向分力系數(shù)；

ρ——水的密度，t/m3；

V——水流速度，m/s；

B′——船舶吃水線以下的橫向投影面積，m2。

②水流對船舶作用產(chǎn)生的水流力縱向分力Fyc為

(6)

式中：Cyc——水流縱向分力系數(shù)；

S——船舶吃水線以下的表面積,m2；

2)對于開敞式海港透空式系船、靠船結(jié)構(gòu)，當(dāng)水流與船舶縱軸斜交，即夾角為15°～165°時，水流對船舶作用產(chǎn)生的橫向分力Fxc與縱向分力Fyc按下式計算。

(7)

(8)

式中：Cxc、Cyc——水流力橫向分力系數(shù)和縱向分力系數(shù)；

Axc，Ayc——相應(yīng)裝載情況下船舶水下部分垂直和平行水流方向投影面積,m2。

3 國際上有關(guān)拖船配置的規(guī)定

3.1 國際航海學(xué)會《港口拖船應(yīng)用指南》的規(guī)定

《港口拖船應(yīng)用指南》[5]中主要分析了風(fēng)、流、浪等因素對船舶操縱的影響。

3.1.1 風(fēng)作用力的計算

側(cè)向風(fēng)力為Fyw=0.5CywρV2AL

(9)

縱向風(fēng)力為Fxw=0.5CxwρV2AT

(10)

式中：Cyw——側(cè)向風(fēng)力系數(shù)；

Cxw——縱向風(fēng)力系數(shù)；

AL——船側(cè)受風(fēng)面積，m2；

AT—船艏來風(fēng)阻風(fēng)面積，m2。

Cyw和Cxw與多個因素有關(guān)，可采用風(fēng)洞模型試驗來確定，通過一些試驗研究，橫向力可簡化為

FYw=0.065V2AL×9.8

(11)

船舶正橫受風(fēng)時，考慮20%～25%安全儲備，計算系柱拖船總拖力時，公式調(diào)整為

Fw= 0.08V2AL×9.8

(12)

對于LNG船舶來說再增加5%～20%，則

Fw=0.096V2AL×9.8

(13)

3.1.2 水流作用力的計算

側(cè)向水流力

Fyc=0.5CycρV2LBPT

(14)

縱向水流力

Fxc=0.5CxcρV2LBPT

(15)

式中：Cyc——側(cè)向水流力系數(shù)；

Cxc——縱向水流力系數(shù)；

LBP——兩柱間長，m；

T——吃水，m。

Cyc和Cxc與船體水中形狀、吃水、吃水差、水流作用方向以及龍骨下富裕深度等因素有關(guān)，這些參數(shù)應(yīng)通過水池船模試驗研究來定。當(dāng)船舶受到橫流的作用時，取Cyc=0.6 ,ρ=1 025 kg/m3,考慮拖船效力折減而采用25%放大量時,對于不同水深可以按照以下公式計算簡化計算。

對于深水區(qū)(大于6倍船舶吃水)的拖船系柱拖力計算式可簡化為

Fc=40V2LBPT×9.8

(16)

當(dāng)龍骨下富裕水深為船舶吃水20%時,則

Fc=150V2LBPT×9.8

(17)

當(dāng)龍骨下富裕水深為船舶吃水10%時,則

Fc=185V2LBPT×9.8

(18)

3.1.3 波浪力的作用

與海洋中的波浪比較，港口附近水域的波浪有周期短，波長小的特點。對于短周期波，作用在船側(cè)的波浪力可按以下式計算。

(19)

式中：L——水線長，假定為船舶兩柱間長，m；

Hs——有效波高，m。

3.2 日本商船大學(xué)《超大型船舶操縱要點》規(guī)定

《超大型船舶操縱要點》[6]中主要分析了風(fēng)、流等因素對船舶操縱的影響。

3.2.1 風(fēng)動力計算方法

采用郝斯的船舶受風(fēng)風(fēng)動力基本計算式為

(20)

式中：Fa——風(fēng)壓力,N；

ρa——空氣密度，取1.226 kg/m3；

Ca——風(fēng)動力系數(shù)，根據(jù)風(fēng)舷角確定；

Aa——水線上船體受風(fēng)正面積，m2；

Ba——水線上船體受風(fēng)側(cè)面積，m2；

va——相對風(fēng)速，m/s；

θ——相對風(fēng)向，(°)。

3.2.2 流壓力計算方法

船舶橫流阻力基本計算公式為

(21)

式中：Fw——流壓力，N；

ρw——水的密度；

Cw——水動力系數(shù)，根據(jù)漂角與水深吃水確定；

Bw——水線下船體側(cè)面積，m2；

Vw——流速，m/s。

4 實例分析

根據(jù)有關(guān)拖船配置的經(jīng)驗，在只有一名引航員在船引航的情況下，超大型船舶靠離泊所需拖船最多不超過6條，否則對指揮拖船是個考驗。如果所需拖船的總功率較大，建議使用大功率的Z型拖船。此外，實踐中對于超大型船舶來說，在碼頭前沿以及碼頭前沿回旋水域操縱時，通常大船都是依賴于拖船的助操，完成靠離泊作業(yè)，因此合理的配置拖船至關(guān)重要。對于Z型拖船來說，系柱拖力與拖船主機功率近似關(guān)系為100 kW≈15 kN。

參照我國LNG接收站情況，計算Q-MAX LNG 船舶靠離泊時需要配置的拖船總功率。LNG接受站碼頭走向為279°/079°，Q-MAX LNG船舶船長345 m，兩柱間長為332 m，船寬53.8 m，型深27 m，滿載吃水12.2 m，額定載重量125 600 t，壓載吃水約為9.6 m。

1)Q-MAX LNG船舶靠泊時所需拖船功率。

對于Q-MAX LNG船舶來說，靠泊我國LNG接收站的船舶通常是滿載，船舶選擇在高平潮前后潮流較小的時段內(nèi)完成靠泊作業(yè)，靠泊時要求風(fēng)速≤15 m/s,流速<1.0 m/s,橫浪波高H4%≤1.2 m/s，順浪波高H4%≤1.5 m/s。浪高與風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)時、水深等直接有關(guān)，見表1。

2)Q-MAX LNG船舶離泊時拖船功率。

對于Q-MAX LNG船舶來說，離開我國港口時通常都是壓載狀態(tài)，船舶離泊時規(guī)范中沒有具體的要求，主要根據(jù)完貨時間和自然條件來確定，見表2。

表1 不同自然條件下船舶靠泊所需拖船功率 kW

表2 不同自然條件下船舶離泊所需拖船功率 kW

5 結(jié)論

《海港總平面設(shè)計規(guī)范》和《液化天然氣碼頭設(shè)計規(guī)范》計算出來的總拖船功率缺點在于其不隨外界條件的變化而變化，不適用于復(fù)雜水域條件，尤其不適于受橫風(fēng)、橫流作用的情況，容易出現(xiàn)配置拖船總功率過大或過小的情況。其優(yōu)點在于使用方便，不需要考慮較多的船舶有關(guān)技術(shù)參數(shù)。

《港口工程荷載規(guī)范》、《超大型船舶操縱要點》和《港口拖輪應(yīng)用指南》計算拖船的總功率的優(yōu)點在于計算準(zhǔn)確，不會出現(xiàn)拖船功率配置的浪費問題，缺點在于計算中使用船舶技術(shù)參數(shù)較多，而這些參數(shù)又需要經(jīng)過專門的試驗才能得到，計算過程比較繁瑣。

對于拖船功率配置，有如下建議。

1)在較小風(fēng)、流、浪天氣條件下，可以按照《海港總平面設(shè)計規(guī)范》配置拖船功率。通常LNG船舶靠泊過程中的風(fēng)險較大，為了安全起見，建議增加一艘3 000 kW功率以上拖船協(xié)助靠離泊作業(yè)。

2)在通常風(fēng)、流、浪天氣條件下，可以按照《液化天然氣碼頭設(shè)計規(guī)范》配置拖船功率，以確保LNG船舶靠離泊作業(yè)的安全。

3)在復(fù)雜風(fēng)、流、浪天氣條件下，《港口拖輪應(yīng)用指南》提出的計算公式考慮因素比較全面，其計算結(jié)果可信度較好，建議按照該指南配置拖船功率。

綜上所述，與相同載重噸的其它船舶相比，液化天然氣船舶具有更大的船型尺度。因此在確定LNG船舶應(yīng)配置的拖船功率時應(yīng)結(jié)合液化天然氣碼頭風(fēng)、浪、流等作業(yè)條件的具體情況加以考慮。在超大型LNG船舶正?？侩x泊時，按照《液化天然氣碼頭設(shè)計規(guī)范》配置拖船有助于靠離泊的安全；在LNG 碼頭設(shè)計時，需要考慮港口的極限自然條件，按照《港口拖輪應(yīng)用指南》確定港口配置拖船的總功率更加科學(xué)合理。

[1] 交通部.海港總平面設(shè)計規(guī)范(JTJ-211—99)[S].北京：人民交通出版社，1999.

[2] 陳 起.拖輪總功率計算[J].港工技術(shù)，2007(5)：37-38.

[3] 交通部.液化天然氣碼頭設(shè)計規(guī)范(JTS 165-5—2009)[S].北京：人民交通出版社，2010.

[4] 交通部.港口工程荷載規(guī)范(JTS 144-1—2010)[S].北京：人民交通出版社，2011.

[5] Captain Henk Hensen.Tug Use In Port (A practical guide)[M],2nd ed.FNI,Published by The Nautical Institute,1997.

[6] 日本VLCC研究會.超大型船舶操縱要點[M].北京：人民交通出版社，1982.