龐啟秀，張義豐，張 娜，解鳴曉，姚姍姍

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 天津300456)

天津浮式LNG接收終端涉海關(guān)鍵技術(shù)研究

龐啟秀，張義豐，張 娜，解鳴曉，姚姍姍

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 天津300456)

針對我國首個浮式LNG項目——天津浮式LNG接收終端項目，在廣泛收集和分析現(xiàn)場實測資料的基礎(chǔ)上，綜合采用潮流數(shù)學(xué)模型、泥沙數(shù)學(xué)模型、冷排放數(shù)學(xué)模型和波浪數(shù)學(xué)模型、波浪整體物理模型、波浪斷面模型等多種研究手段，系統(tǒng)研究潮流、泥沙、波浪、循環(huán)水冷排放等涉海關(guān)鍵問題，為浮式LNG接收終端項目的防波堤、碼頭、取排水口布置等工程的設(shè)計和建設(shè)提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐，從而為節(jié)約工程建設(shè)費(fèi)用、改善通航和停泊條件等做出了貢獻(xiàn)。作為天津市重點(diǎn)工程，天津浮式LNG項目實施后有效改善了天津市能源結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展和宜居城市建設(shè)，具有顯著的社會效益。

浮式LNG 波浪模型 泥沙淤積 溫度輸移

天津浮式LNG項目是我國第1個浮式LNG項目，是國家試點(diǎn)清潔能源浮式技術(shù)重點(diǎn)項目，國家首批首都大氣污染防治重點(diǎn)保障項目，天津市重點(diǎn)工程，也是中國海油的重點(diǎn)工程和天津港0號工程。工程海域的潮流運(yùn)動特征以及工程對周邊水動力環(huán)境的影響、港池航道以及取排水口的泥沙淤積情況、冷排放溫度擴(kuò)散情況、碼頭前沿的波穩(wěn)情況等都是LNG項目需要解決的涉海關(guān)鍵問題，而北防波堤長度、擋浪墻高程、擋浪墻結(jié)構(gòu)型式等則是涉海相關(guān)設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，都直接影響工程方案設(shè)計的合理性和工程建設(shè)的安全性，以及運(yùn)行期間的安全與成本，因而需要開展數(shù)模和物模試驗等研究工作，為浮式LNG接收終端項目的設(shè)計和建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

天津浮式LNG項目考慮使用帶氣化設(shè)施的LNG浮式裝置在天津南疆港區(qū)碼頭停靠(碼頭設(shè)計可以?？?萬m3～26.6萬m3的LNG運(yùn)輸船)，如圖1所示。將氣化后的天然氣通過管線輸送至天津城市門站，同時考慮到安全穩(wěn)定供氣及儲存、調(diào)峰等需求，待時機(jī)成熟時，建設(shè)大型LNG儲罐及陸上LNG接收站，從而有效改善天津市能源結(jié)構(gòu)，為建設(shè)宜居城市貢獻(xiàn)力量。工程包括碼頭、引橋、工作船碼頭等，碼頭平面采用順岸式布置，如圖2所示，其中FSRU和LNG碼頭各1座，碼頭長度均為400,m，碼頭前沿設(shè)計底標(biāo)高為-14.5,m，工作船兼大件碼頭1座，碼頭長度為140,m，碼頭前沿設(shè)計底標(biāo)高為-7.0,m；港池和航道設(shè)計底標(biāo)高為-15.0,m。護(hù)岸采用三級消浪型式，如圖3所示，包括半圓體護(hù)岸、第1道擋浪墻和第2道擋浪墻。

本次研究的工程方案為兩個，方案一為只建設(shè)北防波堤出水段(堤頂高程5.5,m)，方案二為防波堤全部建成(包括潛堤)。北防波堤呈折線形，從堤根向外海，前兩段為出水堤，最后一段平行于航道，設(shè)計為潛堤，長度為2,350,m，堤頂高程為＋2.5,m(理論基面)；南防波堤在現(xiàn)有堤頭位置平行于航道向外海設(shè)計長為1,500,m 的潛堤，堤頂高程與北側(cè)潛堤相同。防波堤的走向和分段情況可參見圖4。

天津浮式LNG項目取/排水工程，是為了LNG接收站汽化器供水而建，供水水源采用海水。取排水為循環(huán)用水，取、排水量相同。氣化設(shè)施分期用水量如下：一期不考慮取海水，二期取海水量60,000,m3/h，遠(yuǎn)期取海水量達(dá)到100,000,m3/h。取、排水口位置見圖2。

圖1 天津浮式LNG項目位置示意圖Fig.1 Location of the floating LNG project in Tianjin

圖2 碼頭和取排水口布置Fig.2 Layout of wharfs，inlet and outfall

圖3 護(hù)岸斷面型式示意圖Fig.3 Schematic of cross section model of revetment

2 主要研究方法

2.1 潮流泥沙和溫度輸移

建立了潮流數(shù)學(xué)模型、泥沙數(shù)學(xué)模型和溫度輸移數(shù)學(xué)模型，分別研究工程區(qū)域的潮流運(yùn)動特征、泥沙運(yùn)動特征及港池航道泥沙回淤情況、冷排水隨潮流運(yùn)動的規(guī)律。模型采用無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格對計算域進(jìn)行剖分，并采用大尺度與局部模型嵌套方式進(jìn)行計算，以消除模型范圍過小帶來的邊界傳入誤差。其中大尺度模型包含整個渤海海域，開邊界位置北至大連，南至煙臺；局部模型為渤海灣區(qū)域，共22,000個網(wǎng)格，最小網(wǎng)格空間步長達(dá)10,m，可保證充足的網(wǎng)格分辨率，局部模型所需的潮位邊界數(shù)值可由大尺度模型提供。

2.2 波浪試驗

2.2.1 波浪數(shù)學(xué)模型試驗

港內(nèi)波浪計算采用Mike BW波浪數(shù)學(xué)模型，該模型可以考慮地形和水工建筑物對波浪的折射、反射和繞射以及底部摩阻損耗等的影響。

2.2.2 波浪整體物理模型試驗

圖4 防波堤全部建成后、排水流量為100,000,m3/h時底層最大溫降包絡(luò)線Fig.4Envelope curve of temperature drop of a completed jetty with a water drainage of 100,000,m3/h

波浪整體物理模型試驗在波浪水池中進(jìn)行，水池長51,m，寬度47.5,m，深1.0,m，水池一端配備可移動搖擺式不規(guī)則波造波機(jī)，可產(chǎn)生試驗要求的不規(guī)則波浪。由于港池具有長雙堤、環(huán)抱式的特點(diǎn)，受試驗條件限制，單一模型難以完整模擬整個工程區(qū)域，采用不同比尺模型銜接的波浪整體物理模型試驗技術(shù)，分別選用1∶65和1∶100兩種正態(tài)模型比尺進(jìn)行試驗。

2.2.3 斷面試驗

擋浪墻高程及擋浪墻型式優(yōu)化斷面試驗在波浪水槽中開展，水槽長、寬、高分別為90.0,m、2.0,m、1.8,m，造波系統(tǒng)為雙軸推板吸收式造波機(jī)。

3 涉海關(guān)鍵技術(shù)成果

3.1 水流運(yùn)動特征

通過數(shù)學(xué)模型研究了工程對周邊水流運(yùn)動的影響情況和港池、連接水域及碼頭前沿停泊水域等不同潮時的流場分布情況，如圖5所示。結(jié)果表明工程實施后對大范圍海域流場影響不大，流速變化區(qū)域主要集中在口門以內(nèi)的工程附近；碼頭前橫流和航道內(nèi)橫流較小，分別為0.10,m/s和0.21,m/s。[1]

圖5 北防波堤出水段建設(shè)后、排水流量為100,000,m3/h時的流場Fig.5 Flow fields of post constructed outfall section of the north jetty，with a water drainage of 100,000,m3/h

3.2 泥沙運(yùn)動特征

利用泥沙數(shù)學(xué)模型模擬，并結(jié)合現(xiàn)場實測資料分析和遙感分析等，研究了泥沙運(yùn)動特征，并預(yù)測了港池、取水口及航道淤積分布情況。結(jié)果表明，港池、航道泥沙淤積不大，平均淤強(qiáng)為0.35～0.4,m/a；取水口最大淤強(qiáng)為0.10,m/a；在類似2003年10月10日NE向大風(fēng)作用下，淤積不會對船舶航行造成明顯影響。[2]

3.3 冷排放擴(kuò)散范圍和取水溫降

通過取、排水海域循環(huán)水冷排放數(shù)值模擬計算，提出大、中、小3種典型潮型的溫度場和取水溫度值；分析冷排放在廠址附近水域隨潮流運(yùn)動的規(guī)律以及不同方案在不同組合工況條件下的溫度場的溫度分布特性及變化規(guī)律；優(yōu)化排、取水口布置，避免冷水短路回流，盡可能取高溫水，確保接收站取水工程的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。結(jié)果表明，各方案取排水流量相同時，排水量對取水口處最大溫降差異影響微弱，均在-0.5～-1.0,℃區(qū)間；冷水?dāng)U散面積呈現(xiàn)出表層小于底層、大流量工況大于小流量工況的特點(diǎn)，最大溫降≤-0.5,℃。方案二底層100,000,m3/h工況最大，可達(dá)約6,km2，如圖5所示。方案一表層60,000,m3/h工況最小，約1.17,km2。最大溫降出現(xiàn)在高潮位，最小溫降出現(xiàn)在低潮位。[3-4]

3.4 防波堤長度確定

利用波浪數(shù)學(xué)模型對不同長度防波堤的防浪效果進(jìn)行模擬研究，掌握不同長度防波堤的掩護(hù)效果。圖6為設(shè)計高水位、ESE向、50年一遇比波高分布(北防波堤長度2,972,m)。結(jié)果表明，影響港內(nèi)波浪的主要為E向和ESE向；在設(shè)計高水位50年一遇波浪作用下，北防波堤建設(shè)長度為2,972,m(規(guī)劃長度)時方可達(dá)到設(shè)計要求即碼頭前沿設(shè)計高水位H1%,波高不大于4.2,m，而在設(shè)計高水位10年一遇波浪作用下，北防波堤建設(shè)長度需要約2,565,m。[5]

圖6 設(shè)計高水位、ESE向、50年一遇比波高分布(北防波堤長度2 972 m)Fig.6Distribution of wave heights with a design of high water level, ESE and a 50 years return period

3.5 擋浪墻高程確定

通過波浪整體物理模型試驗和斷面試驗，研究本工程建成后碼頭前沿、港池水域的波高分布情況，研究波浪對碼頭建設(shè)及船舶泊穩(wěn)的影響，為碼頭設(shè)計提供相關(guān)依據(jù)；通過接岸結(jié)構(gòu)及擋浪墻斷面物理模型試驗驗證擋浪墻結(jié)構(gòu)的安全性及高程合理性，為接岸結(jié)構(gòu)、擋浪墻和排水設(shè)施設(shè)計提供依據(jù)。結(jié)果表明，工作船碼頭處擋浪墻(見圖2)在高程為+7.2,m時，滿足設(shè)計要求即該段的第二道擋浪墻不上水和越浪；A～C段擋浪墻(見圖2)高程則需要為+8.0,m，C～F段及F～I(xiàn)段擋浪墻(見圖2)高程則需要達(dá)到+9.5,m。[6]3.6 塊體穩(wěn)定性和斷面型式優(yōu)化確定

斷面試驗成果表明，半圓體前護(hù)肩塊石、護(hù)底塊石和擋浪墻至半圓堤間護(hù)面在各種水位及100年一遇各向波浪作用下均穩(wěn)定。但防波堤以北原始設(shè)計斷面、陸側(cè)胸墻發(fā)生傾覆，兩胸墻上水厚度及越浪量均不滿足設(shè)計要求。進(jìn)而采用調(diào)整斜坡長度、胸墻距離、反浪弧型式、胸墻頂高程等方式進(jìn)行系統(tǒng)試驗，優(yōu)化確定了斷面形式來滿足陸側(cè)胸墻不越浪的要求。[6]

4 結(jié) 語

工程實施后對周圍海域流場影響有限，碼頭前橫流和航道內(nèi)橫流都不大，港池航道泥沙淤積不大，取水口泥沙淤積較小。各方案取排水流量相同時排水量對取水口處最大溫降差異影響微弱，最大溫降出現(xiàn)在高潮位，最小溫降出現(xiàn)在低潮位。依據(jù)本海區(qū)-7,m水深處設(shè)計波浪要素，研究了各工程方案不同條件、不同位置的波浪分布情況；通過整體物理試驗和斷面試驗研究了塊體穩(wěn)定性和護(hù)岸上水等情況。成果已在天津浮式LNG接收終端項目中得到應(yīng)用，較好地解決了項目涉海關(guān)鍵技術(shù)問題，為節(jié)約工程建設(shè)費(fèi)用、改善通航和停泊條件等做出了貢獻(xiàn)。作為天津市重點(diǎn)工程，項目實施后有效改善了天津市能源結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展和宜居城市建設(shè)，具有顯著的社會效益。■

［1］ 張娜. 天津浮式LNG接收終端項目潮流數(shù)值模擬研究報告[R]. 交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2012.

［2］ Yao S S，Xie M X，Li M G. Numerical study on cold water emission for CNOOC Tianjin floating LNG project[A]. Modeling and Computation in EngineeringⅢ[C]，2014：137-142.

［3］ 姚姍姍，解鳴曉. 天津浮式LNG接收終端項目循環(huán)水冷排放數(shù)值模擬研究報告[R]. 交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2012.

［4］ 張義豐，李孟國，施凌. 天津浮式LNG碼頭工程防波堤長度的防浪效果的數(shù)值模擬研究[J]. 廣西科學(xué)院學(xué)報，2014，30(3)：152-155.

［5］ 張義豐，郭傳勝. 中海油浮式LNG終端項目碼頭及航道工程波浪物理模型試驗報告[R]. 交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2012.

Key Marine Techniques of Floating LNG Receiving Terminals in Tianjin

PANG Qixiu，ZHANG Yifeng，ZHANG Na，XIE Mingxiao，YAO Shanshan
(Tianjin Research Institute of Water Transport Engineering，Ministry of Transport of P. R. China，Tianjin 300456，China)

Based on the analysis of field data，key marine problems of China’s first floating LNG project，Tianjin floating LNG terminal project，were studied systematically with methods of mathematical model and physical model，including tidal current，sediment，waves，sea water circulating cooling discharge，etc．Results have been applied in the design and construction of wharf，breakwater，water intakes and outlets of the floating LNG receiving terminal，which saves the cost of construction and improves navigation and parking conditions．As a key project of Tianjin，the Tianjin floating LNG project has effectively improved the energy structure of Tianjin City，which has significant social benefits.

floating LNG receiving terminal；wave model；sediment；temperature transport

U656

A

1006-8945(2016)08-0065-04

2016-08-05