劉軼華，楊小軍，肖英杰

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

0 引言

液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)作為一種清潔能源，越來越受到世界各國(guó)的青睞.中國(guó)作為能源消耗大國(guó)，正在對(duì)國(guó)內(nèi)以煤炭為主的能源消耗結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，LNG有逐漸取代傳統(tǒng)能源的趨勢(shì).近十年來，隨著環(huán)境污染加劇、煤炭和石油價(jià)格居高不下和天然氣開采成本的下降，LNG在能源消耗中的比重在國(guó)內(nèi)有很大的提高.目前中國(guó)沿海很多大中型城市乃至內(nèi)陸城市都在廣泛使用LNG［1]，國(guó)內(nèi)沿海已建立很多大型LNG接收站.江蘇洋口港LNG接收站作為“西氣東輸”配套工程和第二氣源，主要用來滿足長(zhǎng)三角地區(qū)對(duì)清潔、高效能源的需求.考慮到船舶運(yùn)營(yíng)成本、能耗、污染物排放和運(yùn)費(fèi)等因素，選擇目前世界上最大的Q-Max型LNG船舶運(yùn)輸LNG，該船型可承載26.6萬m3LNG，但該船型滿載時(shí)盲區(qū)大、吃水深、干舷高，比其他船型更易受風(fēng)和流影響，在靠離泊作業(yè)中存在較大風(fēng)險(xiǎn).［2]

LNG船舶與其他危險(xiǎn)貨物船舶類似，都具有發(fā)生碰撞、擱淺、火災(zāi)、爆炸等事故的危險(xiǎn)性.LNG船舶與其他危險(xiǎn)貨物船舶不同的是，它載運(yùn)的是-162℃左右的無臭、無味、無毒、透明的LNG，主要成分是甲烷，體積僅為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣態(tài)體積的1/600.LNG具有以下危害性:可燃性、對(duì)健康的危害性、凍裂、翻滾、快速相變、沸騰液體蒸氣爆炸等.因此，為滿足儲(chǔ)運(yùn)和裝卸作業(yè)要求，LNG船舶設(shè)計(jì)比較獨(dú)特，其航行和靠離泊安全標(biāo)準(zhǔn)也比較高.LNG船舶事故統(tǒng)計(jì)資料表明，LNG船舶80%的風(fēng)險(xiǎn)存在于港內(nèi)作業(yè)期間.［3]目前建造的 Q-Max型LNG船舶，其正橫方向上受風(fēng)面積超過7 500 m2，滿載水線以下的吃水12 m左右，屬于吃水淺、受風(fēng)面積大、尺度大、傳統(tǒng)動(dòng)力推進(jìn)的船舶.洋口港LNG碼頭前沿水域漲、落潮流速矢量主要集中在偏西、偏東方向，明顯呈往復(fù)流態(tài)勢(shì).漲潮流速矢量集中在以270°為中心的240～300°方位內(nèi)，落潮流速矢量集中在70～100°范圍內(nèi).因此，與碼頭走向有較大夾角的水流環(huán)境和LNG船舶自身操縱的要求使Q-Max型LNG船舶在洋口港碼頭靠離泊有一定難度，存在安全隱患.因此，在LNG項(xiàng)目可行性研究過程中，有必要對(duì)LNG船舶的港內(nèi)作業(yè)進(jìn)行模擬論證，確定風(fēng)險(xiǎn)源及其相關(guān)因素，以采取相應(yīng)措施規(guī)避和控制風(fēng)險(xiǎn).［4-7]本文基于大型模擬器對(duì)Q-Max型LNG船舶靠離洋口港LNG碼頭進(jìn)行模擬論證，通過對(duì)Q-Max型LNG船舶進(jìn)行的靠離泊和應(yīng)急撤離模擬演練，確定該船型船舶在港內(nèi)的靠離泊作業(yè)操作方案和作業(yè)限制條件［8]，保障其靠離泊安全.

1 模擬論證系統(tǒng)的構(gòu)建

為模擬Q-Max型LNG船舶在洋口港碼頭的靠離泊，確定靠離泊的限制條件，基于大型船舶操縱模擬器構(gòu)建3個(gè)子系統(tǒng):本船子系統(tǒng)、環(huán)境子系統(tǒng)和拖船子系統(tǒng).［9-10]整個(gè)系統(tǒng)的核心部分為本船子系統(tǒng)，即在滿足試驗(yàn)精度的前提下盡量使模擬船型的操縱性能更接近實(shí)船的操縱性能.實(shí)船的基本資料見表1.

表1 26 .6萬m3LNG船“MOZAH”卡塔爾王妃船基本資料

1.1 本船子系統(tǒng)

本船子系統(tǒng)最核心的是船舶操縱數(shù)學(xué)模型.建立船舶操縱數(shù)學(xué)模型的基本原理是作用在船舶上的所有力(包括慣性力)平衡，實(shí)際上也就是牛頓第二定律在船舶運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用.船舶的實(shí)際運(yùn)動(dòng)有6個(gè)自由度，目前大部分?jǐn)?shù)學(xué)模型只描述3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，即船舶在水平面內(nèi)的縱向運(yùn)動(dòng)、橫向運(yùn)動(dòng)和艏搖運(yùn)動(dòng).考慮到精度和實(shí)踐等因素，船舶操縱數(shù)學(xué)模型采用MMG(Mathematical Modeling Group)模型.［11-12]為描述船舶的運(yùn)動(dòng)，采用2個(gè)右手坐標(biāo)系(見圖1):一個(gè)為固定坐標(biāo)系O0-x0y0z0，固定于地球;另一個(gè)為運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系O-xyz，固定于船舶并隨船一起運(yùn)動(dòng).運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的原點(diǎn)O取在船舶垂心或船中剖面處，x軸為船縱軸并指向船首，y軸與縱剖面垂直并指向右舷，z軸垂直于水線面并指向龍骨.

圖1 船舶運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系

設(shè)u和v分別為運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)O的線速度矢量在x軸和y軸上的投影，r為船舶轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，u·，v·和r·為對(duì)應(yīng)的加速度.在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中船舶操縱運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型為

式中:m為船舶質(zhì)量;Iz為船舶繞z軸的慣性矩;xG為船舶中心與坐標(biāo)原點(diǎn)O的距離;X，Y，N分別表示船舶水流動(dòng)力，慣性力，螺旋槳和舵所受的力，以及風(fēng)、浪、流等的作用力在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系3個(gè)方向上的分量.

忽略上述方程中影響不大的項(xiàng)，合并慣性力項(xiàng)，并把各種力寫成分量形式，近似有

式中:mx和my為船體附連質(zhì)量;Jz為船體慣性矩;下標(biāo)WD，WV，C分別表示風(fēng)、浪、流;下標(biāo)P和R分別表示螺旋槳和舵;XH，YH，NH為不包括慣性力項(xiàng)的船體水動(dòng)力.

船舶所受到的水動(dòng)力不僅依賴于船體形狀、舵角和推進(jìn)裝置，也與水深、船舶吃水、縱傾及限制性水域有關(guān).計(jì)算船舶水動(dòng)力時(shí)所用的水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)根據(jù)已總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算.

船舶受到的風(fēng)動(dòng)力計(jì)算公式為

風(fēng)動(dòng)力在正橫方向上的投影為

風(fēng)動(dòng)壓力角為

式(7) ～(9)中:ρa(bǔ)為空氣密度，取 1.226 kg/m3;Ca為風(fēng)動(dòng)力因數(shù)，由風(fēng)舷角確定，見表2;Aa為水線上船體受風(fēng)正面積，m2;Ba為水線上船體受風(fēng)側(cè)面積，m2;va為相對(duì)風(fēng)速，m/s.風(fēng)速很小時(shí)，va取平均風(fēng)速;強(qiáng)風(fēng)(大于6級(jí))時(shí)，va取平均風(fēng)速的1.25倍;暴風(fēng)(大于8級(jí))時(shí)，va取平均風(fēng)速的1.5倍.

表2 Q-Max型LNG船舶風(fēng)動(dòng)力因數(shù)

船舶橫流阻力計(jì)算公式為

式中:ρw為水的密度，取1 025 kg/m3;Cw為水動(dòng)力因數(shù)，由漂角和水深吃水比確定，見表3;Bw為水線下船體側(cè)面積，m2;vw為水的流速，m/s.

表3 橫流水動(dòng)力因數(shù)

許多環(huán)境因素對(duì)船舶的操縱運(yùn)動(dòng)有明顯的影響，其中最重要的因素有風(fēng)、浪、流、水深、航道巖壁、船與船的相互作用等.螺旋槳和舵是控制船舶的主要因素，拖船的協(xié)助作用也很重要.為驗(yàn)證船舶數(shù)學(xué)模型的精度，分別進(jìn)行船舶性能模擬測(cè)試和拖船模擬測(cè)試，結(jié)合Q-Max型LNG船舶海試資料和拖船拖拉試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定相關(guān)船舶響應(yīng)參數(shù)，保證系統(tǒng)滿足模擬論證精度要求.

1.2 環(huán)境子系統(tǒng)

環(huán)境子系統(tǒng)主要由風(fēng)、浪、流等水文氣象要素組成，根據(jù)試驗(yàn)的工況進(jìn)行設(shè)置.

1.3 拖船子系統(tǒng)

根據(jù)Q-Max型LNG船舶靠離泊所需拖船的基本配置［13]，在拖船子系統(tǒng)中挑選2種全回轉(zhuǎn)拖船，即5 000 HP拖船和6 000 HP拖船(1 HP≈735.499 W)，拖船的資料見表4.

表4 拖船資料

2 船舶靠離洋口港模擬試驗(yàn)

2.1 江蘇洋口港LNG接收站碼頭簡(jiǎn)介

江蘇洋口港LNG接收站位于如東縣海濱輻射沙洲中的爛沙洋水道西部西太陽沙，碼頭為蝶形，長(zhǎng)度為430 m，平面布置見圖2.碼頭前沿天然泥面標(biāo)高約-17.0 m，港池水域天然泥面標(biāo)高 -18～-15.0 m，碼頭前沿走向?yàn)?279°/099°.碼頭為對(duì)稱布置，中部為45 m×23 m的工作平臺(tái)，平臺(tái)上布置有操作平臺(tái)支持系統(tǒng)、登船梯、控制室、靠泊輔助系統(tǒng)等設(shè)施.工作平臺(tái)兩側(cè)共布置4個(gè)靠船墩和6個(gè)系纜墩，各部分之間通過人行鋼橋連接，橋?qū)挒? m.

2.2 試驗(yàn)流程

為篩選出風(fēng)險(xiǎn)較高的靠離泊條件，通過圖3所示的試驗(yàn)流程進(jìn)行模擬.考慮到一般情況下LNG船舶進(jìn)港靠泊碼頭的難度大于離泊出港的難度，以Q-Max型LNG船舶進(jìn)港靠泊為例進(jìn)行模擬試驗(yàn)，離泊和應(yīng)急撤離的模擬操縱過程類似.

圖3 模擬試驗(yàn)流程

為使模擬試驗(yàn)操縱方式和方法盡量符合操縱實(shí)際和習(xí)慣，去深圳大鵬灣LNG基地進(jìn)行調(diào)研考察，并對(duì)LNG船舶實(shí)際靠離泊操作進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和數(shù)據(jù)采集.［14-15]大型LNG船舶實(shí)際靠泊作業(yè)一般采用“3+1”的模式:1艘拖船配置在船尾用來降速，同時(shí)也可控制船首的偏轉(zhuǎn)，以應(yīng)對(duì)主機(jī)失控帶來的風(fēng)險(xiǎn);3艘拖船用于船舶的左右舷進(jìn)行助操.拖船的配置位置見圖4.

圖4 拖船助操配置示意

2.3 試驗(yàn)實(shí)施及數(shù)據(jù)分析

根據(jù)洋口港的自然條件，結(jié)合碼頭前沿和航道的實(shí)測(cè)流資料，按照LNG船舶靠離泊作業(yè)條件標(biāo)準(zhǔn)［16](見表5)，確定靠離泊試驗(yàn)工況:靠泊工況216個(gè)、離泊工況108個(gè)、應(yīng)急撤離工況108個(gè)，共計(jì)工況432個(gè).部分試驗(yàn)工況見表6.

表5 LNG船舶靠離泊作業(yè)條件標(biāo)準(zhǔn)

表6 在不同拖船配置助操情況下LNG船舶靠泊試驗(yàn)工況和結(jié)果(波浪)

首先使用4艘5 000 HP拖船助操進(jìn)行模擬試驗(yàn)，在初次模擬的基礎(chǔ)上確定船舶靠泊較為困難的工況再進(jìn)行多次模擬.對(duì)被確認(rèn)為靠泊困難的工況，將2艘5 000 HP拖船替換為2艘6 000 HP的拖船，再進(jìn)行模擬試驗(yàn)，如此循環(huán)逐漸縮小模擬試驗(yàn)范圍，篩選風(fēng)險(xiǎn)較大的靠離泊工況，并在此基礎(chǔ)上確定靠離泊的限制條件，規(guī)避惡劣工況下LNG船舶靠離泊作業(yè)風(fēng)險(xiǎn).［17]

上述模擬試驗(yàn)表明，4艘5 000 HP拖船配置可滿足常規(guī)工況下Q-Max型LNG船舶安全靠離泊的要求，但拖船的剩余功率很小(見圖5).在東北風(fēng)和東南風(fēng)、漲潮流和落急流時(shí)，模擬靠泊作業(yè)有可能失敗，特別是在受到極限風(fēng)、浪、流影響時(shí)，船舶靠泊作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較大，在模擬靠泊過程中曾出現(xiàn)船舶碰撞碼頭的情況.4艘5 000 HP拖船配置不能滿足稍惡劣工況下的安全靠泊要求.

圖5 4艘5 000 HP拖船助操時(shí)拖船用車序列

對(duì)上述試驗(yàn)中存在風(fēng)險(xiǎn)的工況用2×5 000 HP+2×6 000 HP拖船配置再次進(jìn)行模擬試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明，除在東南風(fēng)漲潮流速3.0 kn的情況下，船舶模擬靠泊作業(yè)仍存在較大的風(fēng)險(xiǎn)外，以上拖船配置可滿足正常情況下Q-Max型LNG船舶安全靠泊的要求，拖船功率有一定的富余(見圖6).

圖6 2艘5 000 HP和2艘6 000 HP拖船助操時(shí)拖船用車序列

按照以上的模擬試驗(yàn)程序，分別進(jìn)行離泊和應(yīng)急撤離的模擬試驗(yàn)，在所有離泊和應(yīng)急撤離的試驗(yàn)中，也存在東南風(fēng)漲潮流速3.0 kn時(shí)，船舶在掉頭區(qū)的航跡過分靠近回旋水域的邊界的情況，但基本可滿足安全作業(yè)的需要.

3 靠離泊限制條件的確定

根據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果:在4艘5 000 HP拖船的協(xié)助下，Q-Max型LNG船舶在東南風(fēng)6級(jí)且漲潮流速3.0 kn的條件下靠離洋口港LNG接收站碼頭存在很高的風(fēng)險(xiǎn)，在南風(fēng)6級(jí)且落潮流速3.7 kn時(shí)風(fēng)險(xiǎn)次之、在東南風(fēng)6級(jí)且漲潮流速2.0 kn時(shí)風(fēng)險(xiǎn)再次之;在2艘5 000 HP和2艘6 000 HP拖船的協(xié)助下，Q-Max型LNG船舶在東南風(fēng)6級(jí)且漲潮流速3.0 kn的條件下存在很高的風(fēng)險(xiǎn)，在其他情況下的有限次試驗(yàn)中鮮有失敗的例子，但是靠離碼頭的時(shí)間仍然比較長(zhǎng)，不利于LNG船舶靠離泊作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)控制(見表7).

表7 Q-Max型LNG船舶靠泊模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

Q-Max型LNG船舶靠離洋口港的風(fēng)險(xiǎn)主要存在于當(dāng)風(fēng)、流作用力同向時(shí)，由于碼頭前沿水域的漲落潮基本是往復(fù)流，且均為吹開流，LNG船舶一般橫向受風(fēng)面積較大，因此在靠離泊過程中要充分認(rèn)識(shí)到風(fēng)，特別是風(fēng)向，對(duì)靠離泊的影響.

在風(fēng)速一定的前提下，風(fēng)的作用力與吹開流疊加增強(qiáng)后對(duì)船舶靠離泊作業(yè)主要存在以下影響:增加LNG船舶靠離泊難度和靠離泊作業(yè)時(shí)間.由于LNG船舶靠離泊作業(yè)還涉及其他岸上部門的協(xié)作，過長(zhǎng)的靠離泊過程本身就會(huì)增加系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn).［18]因此，船舶靠離泊作業(yè)限制條件應(yīng)規(guī)避模擬失敗或耗時(shí)過長(zhǎng)的工況，以策安全.

4 結(jié)論

Q-Max型LNG船舶靠離江蘇洋口港在特定的條件下是存在風(fēng)險(xiǎn)的，4艘5 000 HP拖船對(duì)于該船型來說略顯不足，2×5 000 HP+2×6 000 HP拖船配置可以勝任絕大部分的工況.若經(jīng)濟(jì)上可行，適當(dāng)增加拖船配置的總功率是減小風(fēng)險(xiǎn)的有效方法.另一方面，在不增加拖船配置總功率的情況下，也可借助試驗(yàn)確定的極限工況作為靠離泊限制條件以規(guī)避風(fēng)險(xiǎn).當(dāng)然模擬試驗(yàn)也存在局限性，比如不能真實(shí)反映駕引人員的心理負(fù)擔(dān)等，故在實(shí)際的船舶操作中應(yīng)留有適當(dāng)?shù)挠嗟?

本文只是試圖從航海的角度基于船舶操縱模擬器評(píng)價(jià)Q-Max型LNG船舶的靠離泊風(fēng)險(xiǎn)，為洋口港LNG碼頭靠離泊作業(yè)的限制條件和拖船配置提供參考.下一步的研究方向是與船舶液貨操作模擬相結(jié)合，整體評(píng)價(jià)LNG船舶在港內(nèi)的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn).

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