薛天寒，楊 欣，沈 忱，張民輝，孫 平

(1.交通運(yùn)輸部規(guī)劃研究院，北京 100028；2.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007)

天然氣在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)體系中的地位和作用日益凸顯，伴隨著綠色發(fā)展理念的深入落實(shí)和大氣污染防治的持續(xù)推進(jìn)，特別是北方地區(qū)清潔取暖政策的實(shí)施，天然氣在國(guó)家能源體系中的地位迅速加強(qiáng)，天然氣需求量將在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定增長(zhǎng)。作為保障天然氣穩(wěn)定供應(yīng)的重要方式，海運(yùn)進(jìn)口LNG將在供氣體系中發(fā)揮更為突出的作用[1]。

為落實(shí)國(guó)家層面LNG碼頭布局、支撐遼寧省乃至東北地區(qū)不斷增長(zhǎng)的天然氣需求，利用營(yíng)口港仙人島港區(qū)優(yōu)良的港口資源條件建設(shè)LNG碼頭是十分必要的。

LNG碼頭具有一定的特殊性和排他性，面對(duì)我國(guó)沿海船舶流量密集等條件，其選址和規(guī)劃的技術(shù)較為復(fù)雜。商丹等[2]結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)LNG碼頭選址的關(guān)鍵因素進(jìn)行探討，趙倉(cāng)龍等[3]就深圳港LNG船采取單向通航方式進(jìn)出港時(shí)對(duì)航路通過(guò)能力的影響程度進(jìn)行分析，房卓等[4]通過(guò)建立涵蓋LNG船舶通航影響機(jī)制的港口運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)仿真模型對(duì)LNG船舶通航影響問(wèn)題進(jìn)行了研究，HU Jin-qiu等[5]基于相互依賴網(wǎng)絡(luò)理論對(duì)LNG碼頭系統(tǒng)的信息-物理-社會(huì)危害和風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析。

仙人島港區(qū)是雙堤環(huán)抱形成的大型綜合性港區(qū)，規(guī)劃泊位數(shù)量大，布置有多個(gè)大型原油泊位，通航船型多，陸域資源緊張，LNG碼頭的選址規(guī)劃面對(duì)技術(shù)難題需要破解。本文基于仙人島港區(qū)的建設(shè)條件，集成利用多項(xiàng)模型技術(shù)，量化分析不同碼頭選址的影響，論證碼頭通航和陸域安全，提出平面布置方案，對(duì)仙人島港區(qū)科學(xué)建設(shè)LNG碼頭起到了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

1 碼頭建設(shè)條件

1.1 港區(qū)概況

仙人島港區(qū)是營(yíng)口港兩大主體港區(qū)之一，是遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶和東北老工業(yè)基地振興的重要支撐，主要承擔(dān)油氣、液體化工品和干散貨、雜貨運(yùn)輸，規(guī)劃適時(shí)發(fā)展集裝箱運(yùn)輸，逐步發(fā)展成為多功能、現(xiàn)代化的大型綜合性港區(qū)。2019年完成吞吐量1 929萬(wàn)t，其中原油1 815萬(wàn)t。

港區(qū)平面布置上形成“三突堤、六港池”的總體格局，包括液體散貨作業(yè)區(qū)、通用和多用途作業(yè)區(qū)、集裝箱作業(yè)區(qū)和預(yù)留發(fā)展區(qū)。

1.2 自然條件

1)風(fēng)。仙人島港區(qū)常風(fēng)向?yàn)镾向，頻率為14.51%，次常風(fēng)向?yàn)镹E向，頻率為13.93%，強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镾SW向，該向≥6級(jí)風(fēng)出現(xiàn)頻率為0.57%、該向≥7級(jí)風(fēng)出現(xiàn)頻率為0.05%。全年≥6級(jí)風(fēng)出現(xiàn)頻率為2.03%，全年≥7級(jí)風(fēng)出現(xiàn)頻率為0.22%。要關(guān)注≥6級(jí)風(fēng)對(duì)LNG船舶的影響。

2)冰。仙人島港區(qū)冰情從每年11月中旬至翌年3月中下旬，平均冰期120 d。港區(qū)近海海域以流冰為主，近岸的淺水海岸地帶則為固定冰。港區(qū)固定冰以西海域有一呈東北—西南走向的流冰帶，在風(fēng)、流等綜合作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。流冰往往由薄冰、厚冰組成，并有可能在整體港池口門處產(chǎn)生堆積冰現(xiàn)象，平均冰厚1月份為7～15 cm、2月份為15～30 cm。要減少冰對(duì)LNG船舶的影響，LNG碼頭應(yīng)盡量靠近寬闊水域。

3)浪。據(jù)仙人島測(cè)站觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，常波向?yàn)镾W向，頻率為12.28%；次常波向?yàn)镹向，頻率為11.48%；強(qiáng)浪向?yàn)镹NW向，該向H4%>1.0 m出現(xiàn)頻率為2.08%，H4%>1.5 m出現(xiàn)頻率為0.40%，全年H4%>1.0 m出現(xiàn)頻率為9.36%，H4%>1.5 m出現(xiàn)頻率為1.60%。

1.3 運(yùn)輸需求

仙人島LNG碼頭可以通過(guò)管道連接干線管道，供應(yīng)東北地區(qū)，也可兼顧供應(yīng)京津冀地區(qū)。未來(lái)，東北地區(qū)天然氣需求增長(zhǎng)潛力巨大，供需矛盾依然存在。黑龍江省和吉林省自產(chǎn)天然氣不能滿足消費(fèi)需要時(shí)，產(chǎn)生的消費(fèi)缺口將依靠中俄東線管道供應(yīng)；遼寧省天然氣供應(yīng)的缺口主要依靠沿海LNG補(bǔ)充。因此，營(yíng)口港仙人島LNG接收站的供應(yīng)腹地應(yīng)立足遼寧、輻射東北。

預(yù)測(cè)2035年遼寧省天然氣消費(fèi)量將達(dá)到200億m3。除去自產(chǎn)氣和陸上管道來(lái)氣，預(yù)計(jì)2035年遼寧省沿海港口需要接收147億m3，約合1 065萬(wàn)t LNG。基于營(yíng)口市及周邊地區(qū)需求，預(yù)測(cè)營(yíng)口LNG接收站2025年LNG接卸量約300萬(wàn)t?；谙扇藣u港區(qū)LNG碼頭的定位和運(yùn)量需求，結(jié)合減少船舶艘次、控制通航影響的考慮，將仙人島港區(qū)LNG碼頭規(guī)模確定為1個(gè)15萬(wàn)總噸的泊位。

2 碼頭選址論證

仙人島港區(qū)是環(huán)抱式港池，港池內(nèi)LNG碼頭選址的關(guān)鍵因素是通航安全、通航影響和陸域罐區(qū)布置問(wèn)題，港池內(nèi)掩護(hù)條件較好，波浪潮流一般不造成制約。通航安全方面，通過(guò)操船模擬試驗(yàn)，分析船舶在航道通航和靠離泊的安全問(wèn)題；通航影響方面，建立LNG船舶進(jìn)出港仿真模型，量化LNG船舶對(duì)港區(qū)其他船舶通航效率的影響；陸域罐區(qū)布置方面，選址規(guī)劃層面關(guān)注的是安全問(wèn)題，論證陸域選址安全可行性。

2.1 選址方案

考慮到圍填海政策，在仙人島南側(cè)已形成陸域區(qū)域開(kāi)展LNG碼頭選址，根據(jù)LNG碼頭選址和設(shè)計(jì)要求，基于碼頭和陸域建設(shè)現(xiàn)狀，將一港池和二港池間棧橋端部?jī)蓚?cè)作為選址方案。仙人島港區(qū)陸域形成現(xiàn)狀見(jiàn)圖1，LNG碼頭選址方案見(jiàn)圖2。

圖1 仙人島港區(qū)陸域形成現(xiàn)狀

圖2 LNG碼頭選址方案(單位：m)

2.1.1選址方案1

LNG碼頭位于現(xiàn)狀棧橋東側(cè)端部、二港池西側(cè)，布置一個(gè)15萬(wàn)總噸LNG泊位，采用蝶形布置，接收站位于二港池順岸泊位后方陸域。鑒于二港池內(nèi)水域相對(duì)狹窄，回旋水域布置在港池北側(cè)。此方案中，LNG碼頭棧橋背側(cè)布置有30萬(wàn)噸級(jí)原油泊位。

2.1.2選址方案2

LNG碼頭位于現(xiàn)狀棧橋西側(cè)端部、一港池東側(cè)，布置1個(gè)15萬(wàn)總噸LNG泊位。采用蝶形布置，接收站位置與方案1相同，位于二港池順岸泊位后方陸域，回旋水域布置在一港池內(nèi)。此方案中，LNG碼頭占用了原規(guī)劃30萬(wàn)噸級(jí)原油泊位的位置，原油泊位將調(diào)整至棧橋東側(cè)。

2.2 通航安全分析

依托船舶操縱模型，對(duì)兩個(gè)選址開(kāi)展船舶航道、靠離泊操縱模擬試驗(yàn)，考慮風(fēng)流對(duì)船舶操縱的影響，試驗(yàn)中采用了極限風(fēng)速和最不利的大潮漲急、落急流速。

通航安全影響十分關(guān)鍵的兩個(gè)階段是口門通航和靠離泊階段。橫風(fēng)、橫流疊加時(shí)口門段船舶通航操縱較為困難，部分試驗(yàn)記錄見(jiàn)圖3，LNG船舶靠船模擬試驗(yàn)記錄見(jiàn)圖4。

圖3 口門段LNG船舶航道航行模擬試驗(yàn)記錄(單位：m)

圖4 LNG船舶靠泊模擬試驗(yàn)記錄(單位：m)

試驗(yàn)結(jié)果表明：1)在限定條件下，兩個(gè)LNG碼頭選址，設(shè)計(jì)船型能夠安全進(jìn)出港、靠離泊。2)碼頭前沿掉頭水域，能夠滿足最大船型掉頭操縱的要求。3)限制條件為航道航行、靠離泊時(shí)風(fēng)力≤6級(jí)。口門附近漲急流流速較強(qiáng)時(shí)達(dá)4.07 km/h左右，流向與航道接近垂直，盡管試驗(yàn)中在急流時(shí)段能夠完成進(jìn)出港操縱，但急流時(shí)段對(duì)船舶操縱十分不利，實(shí)際工作中應(yīng)盡可能在緩流時(shí)段進(jìn)行進(jìn)出港靠離泊操縱。4)優(yōu)選的操作方式左右舷靠泊均可。根據(jù)規(guī)范，船首宜朝向有利于船舶緊急離開(kāi)碼頭的方向。優(yōu)選的靠泊方式是方案1左舷靠泊、方案2右舷靠泊。

2.3 通航效率影響

LNG船舶通航的嚴(yán)格管制會(huì)對(duì)港區(qū)其他船舶產(chǎn)生影響，通過(guò)建立LNG船舶進(jìn)出港全過(guò)程仿真模型，對(duì)仙人島現(xiàn)狀陸域全投產(chǎn)和規(guī)劃陸域全投產(chǎn)兩種工況下的LNG船舶通航影響進(jìn)行分析。LNG船舶通航管制規(guī)則是：待前一艘LNG船舶進(jìn)港靠泊完成后或離港駛出港區(qū)航道后，船舶方允許進(jìn)出港。分析LNG船舶進(jìn)出港航路影響范圍，由于仙人島和鲅魚(yú)圈兩個(gè)港區(qū)地理位置較近，大型船舶從外海進(jìn)入港區(qū)經(jīng)過(guò)同一段航路，因此通航效率影響研究范圍覆蓋兩個(gè)港區(qū)。通航效率研究范圍見(jiàn)圖5。

圖5 通航效率研究范圍

2.3.1工況設(shè)置

基于營(yíng)口港相關(guān)岸線及水域條件，綜合考慮現(xiàn)階段環(huán)渤海區(qū)域嚴(yán)格的圍填海政策等因素，共設(shè)計(jì)2組工況，即是否考慮仙人島預(yù)留發(fā)展區(qū)的船舶流量，用以分析LNG船舶進(jìn)出對(duì)其他船舶進(jìn)出港的影響，見(jiàn)表1。

表1 通航效率影響基礎(chǔ)工況設(shè)置

2.3.2仿真結(jié)果

仿真結(jié)果顯示，選址1比選址2影響略大，但差異較?。喝赀M(jìn)出港船舶延誤艘次占比相差在0%～0.14%，單艘LNG船舶導(dǎo)致的船舶進(jìn)出港延誤艘次相差在0.1～0.7艘，單船進(jìn)出港平均延誤時(shí)間相差在0.03～0.26 h。

2.3.3通航優(yōu)化

通過(guò)對(duì)LNG船舶的通航組織進(jìn)行優(yōu)化，可進(jìn)一步減緩LNG船舶通航的影響。以現(xiàn)狀陸域全投產(chǎn)(工況F2)作為基礎(chǔ)工況，采取的優(yōu)化措施包括允許船舶尾隨(優(yōu)化工況1)、縮短管制距離(優(yōu)化工況2，從20 m以上吃水船舶登輪點(diǎn)縮短至13～16 m吃水船舶登輪點(diǎn))以及兩種措施共同實(shí)施(優(yōu)化工況3)。從結(jié)果來(lái)看，允許船舶尾隨的優(yōu)化效果更佳，且兩種優(yōu)化措施共同實(shí)施時(shí)，LNG船舶通航影響會(huì)顯著降低，縮短管制距離的方式對(duì)鲅魚(yú)圈港區(qū)的影響將極大降低。LNG船舶通航效率影響優(yōu)化效果見(jiàn)圖6。

圖6 LNG船舶通航效率影響優(yōu)化效果

2.4 陸域安全分析

選址1與選址2的陸域方案一致。為判斷LNG規(guī)劃陸域選址安全可行性，分析評(píng)估國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策、國(guó)家及地方的相關(guān)規(guī)劃、外部安全間距及其與周邊場(chǎng)所相互影響。分析認(rèn)為，接收站具備項(xiàng)目建設(shè)的良好自然條件，與周邊敏感場(chǎng)所、設(shè)施的防火間距滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

2.5 選址結(jié)論

從陸域安全角度，兩個(gè)LNG選址的罐區(qū)布置方案一致。

從通航安全和通航影響角度，兩個(gè)LNG選址差距不大。根據(jù)通航安全影響分析結(jié)論，兩個(gè)選址設(shè)計(jì)船型都符合安全進(jìn)出港、靠離泊要求，并存在各自優(yōu)劣點(diǎn)，技術(shù)上總體方案2略優(yōu)；根據(jù)通航影響仿真結(jié)論，方案2的通航影響略大于方案1，但差異較小。

從泊位布置角度，方案2選址需占用原規(guī)劃30萬(wàn)噸級(jí)原油泊位岸線，若取消30萬(wàn)噸級(jí)原油泊位，則仙人島原油接卸能力將大幅下降，若調(diào)整位置至二港池，30萬(wàn)噸級(jí)原油船的操縱空間和安全需要專題研究。

從空間利用角度，LNG罐區(qū)位于二港池南側(cè)，方案1位于一港池，管道布置需要穿越棧橋，與二港池油品及液體化學(xué)品管道存在交叉可能性。方案1位于二港池，空間利用相對(duì)更易統(tǒng)籌。

LNG碼頭選址論證情況見(jiàn)表2。綜合考慮，將方案1作為L(zhǎng)NG推薦選址，在二港池西側(cè)、現(xiàn)狀棧橋東側(cè)端部規(guī)劃LNG泊位。

表2 LNG碼頭選址論證情況

3 碼頭規(guī)劃方案

3.1 碼頭布置

將二港池西側(cè)、棧橋端部區(qū)域規(guī)劃為L(zhǎng)NG泊位，布置1個(gè)15萬(wàn)總噸LNG泊位(設(shè)計(jì)船型：26.6萬(wàn)m3LNG船舶)，采用蝶形布置。棧橋內(nèi)側(cè)維持原有成品油和液體化工品泊位規(guī)劃方案。二港池南側(cè)考慮到岸線后方布置有LNG罐區(qū)，在通過(guò)安全論證前，作為預(yù)留泊位。規(guī)劃實(shí)施階段，嚴(yán)格落實(shí)規(guī)范和安全要求，保障船舶靠離泊和碼頭運(yùn)營(yíng)安全。碼頭布置方案見(jiàn)圖7。

圖7 LNG碼頭泊位布置方案(單位：m)

3.2 航道布置

仙人島港區(qū)進(jìn)港主航道是30萬(wàn)噸級(jí)原油碼頭的配套工程，目前該航道已建成。按照規(guī)范15萬(wàn)總噸LNG船計(jì)算，航道設(shè)計(jì)底高程為-16.0 m、通航寬度為342.2 m。經(jīng)核算，現(xiàn)有仙人島港區(qū)進(jìn)港主航道滿足規(guī)范15萬(wàn)總噸LNG船和26.6萬(wàn)m3LNG實(shí)際最大船型安全進(jìn)出港要求，可以作為L(zhǎng)NG船舶進(jìn)出港航道。

4 結(jié)語(yǔ)

1)環(huán)抱式港池內(nèi)部，特別是周邊布置有大型泊位的情況，LNG碼頭選址規(guī)劃應(yīng)充分論證通航和靠離泊安全影響，減少相互干擾。大型原油船舶的通航安全一定程度上比LNG船舶更為復(fù)雜，要統(tǒng)籌好大型泊位之間的空間關(guān)系。

2)仙人島港區(qū)LNG泊位布置在罐區(qū)西側(cè)棧橋，罐區(qū)前方岸線不是LNG泊位。對(duì)于此類情況，LNG罐區(qū)前方岸線應(yīng)盡量布置與LNG功能有關(guān)的設(shè)施，布置其他類型泊位時(shí)要開(kāi)展安全論證。

3)LNG船舶通航會(huì)對(duì)港區(qū)其他船舶通航效率產(chǎn)生影響，在運(yùn)營(yíng)初期應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行通航管制，隨著經(jīng)驗(yàn)累積，可以研究允許船舶尾隨和縮短管制距離等優(yōu)化通航組織措施，減少影響。