中國石油唐山LNG項目站址技術(shù)評估與比選

王 勇

（中國石油昆侖能源有限公司海南中油深南石油技術(shù)開發(fā)有限公司，海南 海口 570206）

0 引言

由北京、河北兩地政府和中國石油天然氣集團公司合作，擬于渤海灣西北的曹妃甸新港工業(yè)區(qū)建設(shè)1個泊艙容量為（8～26）×104m3的LNG船專用卸船泊位，年接卸LNG能力為600×104t。經(jīng)過前期的大量研究，確定了4處LNG碼頭站址供選，分別為原擬定的站址（第一方案）、原站址讓位給中石油原油碼頭后向東北移動的站址（第二方案）、兩港池之間陸域順岸側(cè)站址（第三方案）以及港區(qū)西南側(cè)站址（第四方案）。站址評估分兩階段實施，第一階段為定性評估及比選，第二階段就優(yōu)選站址作技術(shù)可行性的定量分析，從而最終確定最優(yōu)的站址選擇方案。

1 站址定性評估及比選

JTJ 304-2003液化天然氣碼頭設(shè)計規(guī)程（試行）中第三章對站址選擇作了規(guī)定，但其條款僅作了概念性的規(guī)定，不能滿足站址選擇的具體要求，為此采用了關(guān)于LNG建設(shè)國際上權(quán)威的油氣公司國際水運論壇（OCIMF）及國際氣體船運及碼頭協(xié)會（SIGT?TO）標準。SIGTTO標準將LNG項目運營風(fēng)險分為3個區(qū)域，包括LNG船在航道中航行的風(fēng)險、進港靠泊作業(yè)（船、岸）風(fēng)險和接收站罐區(qū)運營風(fēng)險，前兩項風(fēng)險很大程度上可以通過站址評選來減輕和規(guī)避，與LNG接收站在港區(qū)的布置密切關(guān)聯(lián)。項目專家組在分析整理收集到的各種資料后，結(jié)合已有的工程經(jīng)驗，反復(fù)研究討論，對4個站址方案進行總體評價。從評價排名來看，方案一最優(yōu)，其次是方案二，再后是方案三和方案四。該定性分析說明原站址方案比較理想，但考慮到站址的搬遷，方案一不可用，方案二、三則成為優(yōu)選出來的結(jié)果，進一步比較兩者發(fā)現(xiàn)方案三靠近內(nèi)港池，雖遮護條件比方案二好，但附近的交通航行密度遠大于方案一。SIGTTO標準中有明確的規(guī)定：裝卸危險品如LNG的碼頭應(yīng)該建立在偏遠的地區(qū)，使任何可能的LNG泄漏不會影響到附近居民，裝卸時過往船舶的速度需嚴格控制，不能有引起碰撞的風(fēng)險。隨著曹妃甸港區(qū)的建設(shè)，通往內(nèi)港池的船舶密度會遠大于方案二所在的位置，同時方案三LNG船進港靠泊碼頭不可能有如方案二設(shè)置1條進港靠泊專用航道，所以無論是進港航行還是安全靠泊選擇方案三的潛在風(fēng)險遠大于方案二。

此外通過分析多個國內(nèi)外LNG接收站案例，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的LNG碼頭布置均為遠離內(nèi)港池布置，當LNG船駛向港區(qū)，它離開主航道的第一時間段內(nèi)靠泊的是LNG碼頭，此設(shè)置完全與SIGTTO標準吻合。對應(yīng)曹妃甸港區(qū)，LNG接收站選擇方案二比較合適，同時表明僅以等深岸線的深度來劃定LNG接收站位置的觀點缺乏科學(xué)依據(jù)。

因此，方案二及方案三雖具備可行性，但如從LNG船航行安全風(fēng)險及總體LNG接收站在港區(qū)布置的角度來考慮，方案二具備最終選址的條件，但此處可能要重點考慮LNG船在強風(fēng)浪的侵襲下靠泊作業(yè)的安全，以及從技術(shù)上采取措施將不安全風(fēng)險降到最低的問題。

2 優(yōu)選站址定量技術(shù)分析

項目第二階段對優(yōu)選站址多次采用模擬技術(shù)做進一步定量分析，包括對擬選站址地震安全評估、擬選站址碼頭作業(yè)時間分析、冰凌期對接收站碼頭影響和LNG船舶交通航行模擬4個方面。

2.1 地震安全評估分析

曹妃甸LNG接收站近場區(qū)位于渤海灣邊緣，屬于濱海平原和濱海淺灘。近場區(qū)內(nèi)發(fā)育了4條規(guī)模較大的斷裂，斷裂走向為西北走向和東北走向，均為海水淹沒。同時曹妃甸LNG接收站近場區(qū)在構(gòu)造上位于差異升降運動比較明顯的黃驊坳陷和埕寧隆起交界地段，也是一條重要的活動斷裂帶（張家口—蓬萊斷裂帶）延伸的地區(qū)。

根據(jù)原有資料，采用以美國標準為主要依據(jù)，并參考EN1473、EUROCODE、CSA及中國國家及部委頒布的相應(yīng)標準規(guī)范對適合LNG儲罐設(shè)計要求的操作基準地震工況（OBE）及安全停運地震工況（SSE）進行了分析［1］。根據(jù)規(guī)定，對于抗震Ⅰ類LNG結(jié)構(gòu)物或設(shè)施，OBE為平均重現(xiàn)期475年水準地震，SSE為平均重現(xiàn)期2 475年水準地震，對平均重現(xiàn)期10 000年水準地震的反應(yīng)譜進行了獨立研究。對于抗震Ⅱ類或Ⅲ類LNG結(jié)構(gòu)物或設(shè)施，建議基本地震加速度可按50年高于10%的概率考慮，抗震設(shè)防標準根據(jù)地震安全評估報告確定為7度。工程實施可綜合經(jīng)濟因素、地點、場地、圍閉系統(tǒng)的類型、危險控制，以及當?shù)氐臍夂驐l件和物理特性作出選定。

2.2 碼頭作業(yè)時間分析

JTJ304-2003液化天然氣碼頭設(shè)計規(guī)程中對LNG船舶作業(yè)的允許風(fēng)速、波高、能見度和流速作了規(guī)定，但根據(jù)SIGTTO、OCIMF、國際航運協(xié)會（PI?ANC）標準和合樂集團的工程經(jīng)驗，認為對于唐山LNG項目波高標準偏高。另外規(guī)范沒有從本質(zhì)上說明不可作業(yè)標準確定的原因。根據(jù)定義，碼頭不可作業(yè)指設(shè)計船型在指定碼頭區(qū)由于外界環(huán)境（風(fēng)、浪、流）引起的船舶移動、系纜力、橡膠護舷受力等因素超過設(shè)計允許標準而不能正常工作，因此研究碼頭不可作業(yè)期（反之為可作業(yè)期）需事先研究工程區(qū)域的自然環(huán)境，然后在計算此自然環(huán)境下設(shè)計船型的船舶移動、系纜力、橡膠護舷受力情況。

1）碼頭區(qū)自然環(huán)境分析。因無工程區(qū)長期實測連續(xù)波浪數(shù)據(jù)［2］，研究過程中購買OWI（美國海洋氣象公司）位于渤海灣中央（北緯38.75°，東經(jīng)120.0°）36年（1970-2005年）的風(fēng)浪時間序列數(shù)據(jù)［3］，繪制了風(fēng)速、波浪玫瑰圖。為獲得工程區(qū)的波浪情況，利用Mike 21 SW軟件建立了渤海灣二維三角網(wǎng)格風(fēng)浪模型。根據(jù)風(fēng)速數(shù)據(jù)選定了23個風(fēng)工況覆蓋的不同風(fēng)速范圍，計算出了方案二及方案三所處的波浪情況，并利用OWI的波浪數(shù)據(jù)進行驗證。這樣就可以通過知風(fēng)數(shù)據(jù)去評估工程區(qū)的波浪狀態(tài)。計算結(jié)果表明方案三站址由于上方構(gòu)造物的掩護效果，東北向風(fēng)所產(chǎn)生的風(fēng)浪波高比方案二站址要小。

2）不可作業(yè)標準確定。迄今為止國際上沒有關(guān)于LNG船碼頭不可作業(yè)標準的出版。根據(jù)國際航運協(xié)會所推薦的參數(shù)，結(jié)合國際工程經(jīng)驗，設(shè)定最大縱蕩為2.0 m，最大橫蕩為1.5 m，最大垂蕩為1.0 m。同時根據(jù) OCIMF《系泊處設(shè)備指南（1997版）》，確定纜繩可承受載荷為最大斷裂強度的55%，靠船墩橡膠護舷允許抗壓強度為極限抗壓強度的55%。

3）不可作業(yè)期分析。利用荷蘭Marin研究所開發(fā)的TermsimⅡ軟件對碼頭進行了動態(tài)系泊分析。設(shè)計船型采用14.5×104m3的LNG船，根據(jù)計算波浪結(jié)果，計算選用了幾乎覆蓋所有可能使船產(chǎn)生最大受力和位移的16種風(fēng)、浪、流組合工況。對于每種工況，用Jonswap譜產(chǎn)生在定風(fēng)場和流場情況下的不規(guī)則動態(tài)波浪場，進行系泊分析。模擬時間為3 h，分析時間從1 800 s后開始。根據(jù)分析的結(jié)果，對比不可作業(yè)標準，得出不可作業(yè)波高臨界值，利用波浪模型的計算結(jié)果，反推出波高臨界值對應(yīng)的風(fēng)速臨界值。分析36年OWI的風(fēng)浪數(shù)據(jù)，結(jié)果表明第二方案因風(fēng)引起的不可作業(yè)時間約為0.2%，因風(fēng)和波浪引起的不可作業(yè)時間約為1.2%。而根據(jù)JTJ304-2003標準，計算結(jié)果結(jié)果表明方案二站址處LNG碼頭因風(fēng)浪作用不可作業(yè)時間約為5.6%。將各種因素進行統(tǒng)計，通過系泊分析得到每年平均不可作業(yè)時間總計為14 d（3.8%），小于國內(nèi)JTJ304-2003標準的29 d（8.0%），見表1。因此，站址選擇第二方案適合標準。

表1 方案二站址處LNG碼頭不可作業(yè)總計時間表 ／d

2.3 冰凌期對接收站碼頭結(jié)構(gòu)的影響分析

曹妃甸海域每年冬季均有結(jié)冰現(xiàn)象。1969年出現(xiàn)特大冰封，整個渤海被50～70 cm厚的冰覆蓋，最大厚度為100 cm，冰面上堆積高度為1～2 m，最高4 m，個別海上建筑物被冰推倒，給港口作業(yè)帶來很大影響。研究過程中假定站址是被浮冰100%地包圍，冰的壓碎需達100%，冰層覆蓋厚度為1m。冰載荷強度采用日本海地區(qū)的取值為1.4 MPa。因為沒有海冰堆積數(shù)據(jù)，這里參考SNiP2.06.04-82俄羅斯海冰規(guī)范，日本海采用冰積系數(shù)為1.3，作為此處的設(shè)計標準。抵抗冰載荷作用常用的方法一般有加裝防冰錐體和增加樁壁厚度兩種。這里對不采用破冰錐而采用不同直徑的鋼管樁在冰載荷限制條件下所需壁厚進行了計算。結(jié)果表明，隨著樁徑的增加，所需壁厚隨之減小。根據(jù)美國石油協(xié)會（API）的要求，每一種直徑的樁存在一個最小樁壁厚度。單樁抵抗冰載荷所需壁厚扣除最小樁壁厚度，即為鋼管樁為抵抗冰載荷需要額外增加的壁厚。對于1 700 mm的鋼管樁，API規(guī)定壁厚為25 mm，計算的冰載荷下單樁所需壁厚為28 mm，僅需將鋼管樁的壁厚增加3 mm，即可抵御冰載荷作用。

從造價看，在1 700 mm的鋼管樁上部增加3 mm所需的鋼材之量小于破冰錐的質(zhì)量，造價也低于破冰錐。從施工成本來看，由于破冰錐的施工工藝復(fù)雜，成本大大增加。因此對于大管徑的LNG碼頭，使用增加鋼管樁壁厚抵抗冰載荷是非常經(jīng)濟實用的方法。

2.4 航行模擬分析

為確定LNG船舶對出入曹妃甸和天津港船舶交通的影響，評估LNG船等候進入曹妃甸航道的可能等候時間及在港池錨地的等候時間，需建立受影響航線的船舶航行模型，對未來航線情況（含航線密度）進行模擬。為了避免新開辟航線的投入，該過程研究建立在LNG船入港利用“天津—老鐵山” 深水航線的基礎(chǔ)上。

1）深水航線交通流量。由于該水域現(xiàn)有連續(xù)觀測數(shù)據(jù)稀缺，通過航線內(nèi)的船舶種類、噸位和相關(guān)港口的吞吐量進行分析，根據(jù)曹妃甸建設(shè)情況，選定代表時間為2006、2011及2020年。根據(jù)2006年天津港的到貨物種類比例及之后泊位的建設(shè)情況，結(jié)合總吞吐量，估計出2020年的船型及到船數(shù)量。同樣的方法計算出曹妃甸港區(qū)的船型及到船數(shù)量。

2）LNG船舶航行模型建立。模擬過程選用了Arena軟件，其主要優(yōu)勢為：利用它所構(gòu)建的仿真模型，能復(fù)制出與曹妃甸港航道內(nèi)船舶活動相關(guān)的各種獨特問題。模型范圍包括LNG船舶在老鐵山深水航道、曹妃甸港的LNG錨區(qū)和泊位之間的活動和營運，并確定導(dǎo)航點，如圖1所示。

圖1 航行模擬簡化航線圖

根據(jù)OCIMF、SIGTTO標準及合樂集團的工程經(jīng)驗，設(shè)定LNG船的航行優(yōu)先權(quán)；以LNG船舶為中心1海里半徑的范圍為其隔離帶；在LNG船舶未使用航道時，曹妃甸港主航道為雙向交通，反之，航道對與LNG船舶逆向行駛的船舶關(guān)閉。在LNG船距離曹妃甸港主航道入口三小時航程時，即為之預(yù)留LNG泊位或錨地，并且關(guān)閉曹妃甸港的出港交通；當LNG泊位被船舶使用時，LNG錨地或許被使用；如果泊位和錨地均被占據(jù)，LNG船舶則于主航道中等候；LNG船離泊時，對入港船只關(guān)閉曹妃甸港區(qū)主航道，并在入港船只清空后開始離泊航行；當離泊的LNG船舶駛離主航道（對應(yīng)錨地點）時，在錨地中等候的LNG船舶可以駛向裝卸泊位。根據(jù)以上規(guī)則，利用統(tǒng)計出的船舶交通流量數(shù)據(jù)，即可建立LNG船航行邏輯模型。為調(diào)查LNG船對其他到達曹妃甸和天津港船只造成的影響和可能發(fā)生的LNG船舶運營的延誤，設(shè)定2011年和2020年存在LNG船和不存在LNG船的4種工況進行計算。為充分衡量LNG運行帶來的影響，對每個工況重復(fù)運行100次。

3）模擬結(jié)果分析。結(jié)果表明，曹妃甸建設(shè)LNG接收站對其他往來曹妃甸港區(qū)的船只影響不大。對于每個計算工況，進港船對航道影響不明顯。LNG船舶航行占優(yōu)先權(quán)，因此任何進港航行不會受到延誤。預(yù)測在2020年LNG錨地的利用率仍然較低。使用錨地時，LNG船需在錨地等待可用泊位，以及等待進港航道的清空。LNG船出港時需要等待曹妃甸航道清空，2011年平均延遲時間是1.9 h，最多延遲3 h。預(yù)計到2020年平均延遲2.3 h，最多3.1 h?？紤]老鐵山水道起點的交通流量對LNG船舶航行模擬分析結(jié)果的影響非常小，可以不予考慮。

3 結(jié)論

研究從定性到定量的角度上支持站址讓位給原油碼頭后向東北移動的站址（方案二）為最終推薦站址。該站址不僅符合國際LNG站址選址的規(guī)程要求，而且定量分析顯示該地區(qū)地震災(zāi)害活動較弱，強震可能性較??；非作業(yè)天數(shù)少，靠泊條件良好，沒有建設(shè)港口遮護的必要；冬季的浮冰對碼頭結(jié)構(gòu)影響不大；現(xiàn)有的航道適合LNG船舶的航行，即使到2020年LNG船舶的航行對海上交通的影響也不嚴重。

［1］中華人民共和國國家標準委員會.GB 50011-2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國標準出版社，2001.

［2］中交水運規(guī)劃設(shè)計院.唐山液化天然氣項目可行性研究：碼頭工程部分［R］.北京：中交水運規(guī)劃設(shè)計院，2005.

［3］海洋氣象公司（OWI）.全球海洋波浪再分析報告工程簡述［R］.美國：OWI，2003.