長(zhǎng)江中游LNG加注碼頭平面布置及工程應(yīng)用

尚明芳，戰(zhàn)輝，南歡

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071）

0 引言

LNG作為一種清潔能源，可有效推動(dòng)水運(yùn)行業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。隨著國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的提出，加快推進(jìn)水運(yùn)綠色低碳發(fā)展，大力開(kāi)展水運(yùn)行業(yè)LNG應(yīng)用研究，配套建設(shè)LNG加注站等綜合服務(wù)體系具有重要意義。

目前，LNG加注方式主要有：槽車(chē)對(duì)船加注（TTS）、躉船加注（PTS）、岸站對(duì)船加注（TPS）、船對(duì)船加注（STS）、水上浮式設(shè)施對(duì)船加注（FTS）[1-2]。其中，躉船加注和岸站對(duì)船加注應(yīng)用較為廣泛，在長(zhǎng)江干線(xiàn)和西江航運(yùn)干線(xiàn)等區(qū)域已開(kāi)展相關(guān)研究和工程應(yīng)用，但總體來(lái)看，內(nèi)河水運(yùn)LNG加注的推廣應(yīng)用尚處在起步階段。

現(xiàn)有研究中，杜安民等[2]系統(tǒng)闡述了水上LNG加注方式，分析了國(guó)內(nèi)外LNG加注站建設(shè)基本情況，建議制定指導(dǎo)性文件及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，推進(jìn)LNG加注站規(guī)劃建設(shè)的研究工作。劉濤等[3]梳理了長(zhǎng)江水運(yùn)行業(yè)LNG動(dòng)力船舶、LNG加注碼頭、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的發(fā)展現(xiàn)狀，從經(jīng)濟(jì)性、安全監(jiān)管、加注站建設(shè)、內(nèi)河LNG運(yùn)輸、船舶技術(shù)等角度，分析了LNG推廣應(yīng)用存在的問(wèn)題。劉國(guó)良等[4]提出內(nèi)河液化天然氣加注站布局規(guī)劃的思路及方法，為內(nèi)河LNG加注站建設(shè)起到指導(dǎo)作用。劉世海等[5]認(rèn)為內(nèi)河LNG水上加注站建設(shè)受技術(shù)、管理和經(jīng)濟(jì)等多方面因素制約，建議通過(guò)市場(chǎng)手段，推動(dòng)LNG水上加注站建設(shè)。曹維鑫[6]介紹了常規(guī)的LNG加注模式，并結(jié)合長(zhǎng)江中上游水域條件，對(duì)適用于長(zhǎng)江中上游水域LNG船舶加注方式進(jìn)行論證。胡勇等[7]對(duì)LNG加注站的規(guī)模數(shù)量及選址進(jìn)行了相應(yīng)研究，并以?xún)?nèi)河常規(guī)的躉船加注為代表，對(duì)岸線(xiàn)長(zhǎng)度進(jìn)行了分析計(jì)算。上述研究主要從規(guī)劃及管理的角度，對(duì)LNG加注站布局、建設(shè)規(guī)模及必要性等方面進(jìn)行論證。近年來(lái)，繆吉倫等[8]基于架空斜坡道碼頭，對(duì)三峽庫(kù)區(qū)大水位差條件下的LNG碼頭平面布置及裝卸工藝進(jìn)行研究。高黎敏等[9-10]對(duì)國(guó)內(nèi)躉船式LNG加注站發(fā)展現(xiàn)狀、設(shè)計(jì)方案及工藝流程進(jìn)行了應(yīng)用介紹。這些研究對(duì)斜坡式及浮式LNG加注碼頭平面布置進(jìn)行了有益探討。

根據(jù)相關(guān)研究及調(diào)研，已建成的LNG加注碼頭大都以躉船式為主，對(duì)于直立式布置研究相對(duì)較少。本文結(jié)合當(dāng)前研究成果，對(duì)直立式LNG加注碼頭進(jìn)行研究及工程應(yīng)用分析。

1 LNG加注碼頭現(xiàn)狀

已建或在建的內(nèi)河LNG加注碼頭，大都以斜坡式或浮式為主。在補(bǔ)液方式上，由于內(nèi)河尚未開(kāi)放LNG運(yùn)輸服務(wù)，水上補(bǔ)液尚無(wú)法得到國(guó)家政策許可，現(xiàn)有的LNG碼頭補(bǔ)液均為岸上補(bǔ)給。

1.1 斜坡式LNG加注碼頭

斜坡式LNG加注碼頭由坡道、躉船、移動(dòng)引橋及相關(guān)接岸設(shè)施等組成。

平面布置上，受水位變幅影響，躉船及活動(dòng)引橋隨著水位變化而移動(dòng)，躉船系留復(fù)雜，使用不便。當(dāng)水位差較大時(shí)，斜坡道較長(zhǎng)，這將會(huì)占用較大的過(guò)流斷面，對(duì)防洪、通航等產(chǎn)生一定的影響。

工藝流程上，當(dāng)采用管道連接躉船儲(chǔ)罐及后方設(shè)備時(shí)，部分管道長(zhǎng)期淹沒(méi)在水下，管道易腐蝕，檢修不便，存在安全隱患；另外，隨著水位變化和躉船移動(dòng)影響，需相應(yīng)調(diào)整管道接口位置，增加了操作難度和作業(yè)工序。當(dāng)采用槽車(chē)直接通行至躉船甲板面進(jìn)行加注或補(bǔ)液時(shí)，雖無(wú)需在斜坡道上鋪設(shè)管道，但斜坡道坡度、長(zhǎng)度及車(chē)輛通行安全等均成為工藝方案的制約因素。

1.2 浮式LNG加注碼頭

浮式LNG加注碼頭由躉船及系留設(shè)施、活動(dòng)鋼引橋、升降架和固定引橋等組成。

平面布置上，碼頭前沿線(xiàn)位置受地形、水深、水流及水位差等多因素影響。在水位差較大的山區(qū)河流中，為滿(mǎn)足工藝作業(yè)需求，需通過(guò)多段鋼引橋與躉船及后方陸域進(jìn)行連接，使用中通過(guò)躉船的上下浮動(dòng)及活動(dòng)鋼引橋的仰俯來(lái)適應(yīng)水位差的變化。

工藝流程上，當(dāng)采用管道連接躉船儲(chǔ)罐及后方設(shè)備時(shí)，因躉船隨水位變化而漲落，引橋兩端的管道一般采用軟管，其使用壽命較短，且具有一定的危險(xiǎn)性。當(dāng)采用槽車(chē)直接通行至躉船甲板面時(shí)，為滿(mǎn)足車(chē)輛通行需求，坡度不得大于10%，這將顯著增加鋼引橋長(zhǎng)度，增加投資。因此，浮式LNG加注布置形式在大水位差河流中具有諸多的局限性。

綜上分析，對(duì)于斜坡式及浮式的LNG加注碼頭而言，在水位差較小、水面較寬的內(nèi)河水域適應(yīng)性較好；在水位差較大，河流較窄時(shí)，其平面布置及工藝方案存在局限性。另外，在躉船上設(shè)置儲(chǔ)罐，對(duì)躉船的結(jié)構(gòu)、設(shè)備及其工藝流程等要求較高；加注作業(yè)中，需能較好控制躉船位移，這對(duì)躉船系留設(shè)施也提出更高要求。

2 直立式LNG加注碼頭

直立式布置中，在適當(dāng)水深處布置碼頭平臺(tái)，平臺(tái)通過(guò)固定式引橋與后方陸域連接。受注船舶靠泊于直立式碼頭前沿，加注燃料可通過(guò)管線(xiàn)供給，或通過(guò)槽車(chē)直接輸送至碼頭前沿平臺(tái)上進(jìn)行加注。采用直立式布置，使用方便，能適應(yīng)不同水位差；碼頭結(jié)構(gòu)耐久性好，安全可靠性高。

2.1 連片式布置

連片式布置主要特點(diǎn)為碼頭作業(yè)平臺(tái)連成整體，平臺(tái)通過(guò)引橋與后方陸域連接。典型布置見(jiàn)圖1。連片式布置能適應(yīng)不同船型靠泊及加注作業(yè)需求。碼頭結(jié)構(gòu)耐久性好，適應(yīng)性強(qiáng)，但工程投資較大。

圖1 連片式碼頭平面布置形式Fig.1 Plan layout of contiguous wharf

2.2 墩式布置

墩式布置為一種非連續(xù)布置形式。該布置在連片式布置基礎(chǔ)上，系統(tǒng)考慮船舶靠泊點(diǎn)和加注點(diǎn)位置，合理設(shè)置加注平臺(tái)、靠船平臺(tái)、系纜墩及連接引橋等，形成一套完整的靠泊作業(yè)體系，其典型平面布置見(jiàn)圖2。工程中，可通過(guò)調(diào)整靠船平臺(tái)尺度、位置以及增加靠船墩的數(shù)量等方式，設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足不同船型靠泊的布置形式。該類(lèi)布置適應(yīng)性強(qiáng)，碼頭結(jié)構(gòu)耐久、安全，同時(shí)還能節(jié)省工程投資。

圖2 直立墩式碼頭平面布置形式Fig.2 Plan layout of vertical pier wharf

3 工程應(yīng)用

根據(jù)上述分析，直立墩式LNG加注碼頭在內(nèi)河中有一定優(yōu)勢(shì)。在墩式布置的LNG加注碼頭中，可以通過(guò)設(shè)置不同數(shù)量的靠船墩，實(shí)現(xiàn)不同船型靠泊。文章以長(zhǎng)江中游某LNG加注碼頭平面布置為例，對(duì)直立墩式布置方案進(jìn)行應(yīng)用分析。

3.1 工程概況

擬建工程位于岳陽(yáng)市君山區(qū)廣興洲作業(yè)區(qū)，擬新建2座5 000噸級(jí)LNG加注泊位。工程區(qū)設(shè)計(jì)高水位34.40 m，設(shè)計(jì)低水位20.40 m，水域無(wú)不良流態(tài)，水流平順。

3.2 布置方案

本工程從上游至下游分別布置2個(gè)5 000噸級(jí)LNG加注泊位，平面布置需兼顧1 000～3 000噸級(jí)船舶靠泊。碼頭前沿線(xiàn)布置于12～17 m等高線(xiàn)之間，與岸線(xiàn)方向基本平行。為對(duì)比分析，碼頭平面提出2個(gè)布置方案，即直立墩式碼頭結(jié)構(gòu)形式和浮式碼頭結(jié)構(gòu)形式。

3.2.1直立墩式碼頭平面布置

1）總體方案

根據(jù)JTS 166—2020《河港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》，靠船墩中心間距應(yīng)滿(mǎn)足船舶靠泊及裝卸作業(yè)要求，可取0.30～0.45倍設(shè)計(jì)船長(zhǎng)。考慮加注碼頭的通用性，長(zhǎng)江中游地區(qū)船型以1 000～5 000噸級(jí)為主，本工程按5 000噸級(jí)泊位考慮，同時(shí)兼顧1 000～3 000噸級(jí)較小型船舶的靠泊要求。各船型尺度及靠船墩間距見(jiàn)表1。

表1 船型尺度及靠船墩間距計(jì)算表Table 1 Calculation of ship size and pier spacing

根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果，靠船墩間距范圍介于19.5～58.5 m之間，范圍較廣；若采用墩臺(tái)組合布置形式，需設(shè)置平面尺度較大的平臺(tái)，才能滿(mǎn)足各種船型的靠泊需求。由于受注船舶LNG加注點(diǎn)通常位于尾部，需在船尾靠泊段附近設(shè)置加注平臺(tái)，平面布置見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 墩式布置1Fig.3 Plan layout of pier wharf 1

圖4 墩式布置2Fig.4 Plan layout of pier wharf 2

圖3中，加注靠船平臺(tái)尺寸為45 m×10 m，可滿(mǎn)足1 000～3 000噸級(jí)貨船靠泊，為滿(mǎn)足5 000噸級(jí)船舶靠泊要求，需在加注靠船平臺(tái)上游側(cè)增加1座靠船墩，首尾側(cè)各布置1座系纜墩。圖4中，加注靠船平臺(tái)尺寸為15 m×10 m，為滿(mǎn)足不同船型靠泊需求，需在加注平臺(tái)上游側(cè)增加1座靠船平臺(tái)，尺寸為45 m×10 m。

為進(jìn)一步減少工程投資，上述墩式布置可進(jìn)一步優(yōu)化采用多墩臺(tái)平面布置，同時(shí)將加注平臺(tái)兼做靠船墩，墩臺(tái)布置見(jiàn)圖5。

圖5 墩式布置3Fig.5 Plan layout of pier wharf 3

2）總平面布置

根據(jù)上述分析，該工程平面布置見(jiàn)圖6。前方水域布置2座18 m×12 m加注平臺(tái)，加注平臺(tái)布置于每個(gè)泊位的下游側(cè)、靠近船尾處。

圖6 直立墩式碼頭平面布置形式Fig.6 Plan layout of vertical pier wharf

為滿(mǎn)足1 000～5 000噸級(jí)船舶靠泊需求，加注平臺(tái)上游依次布置3座10 m×10 m靠船墩，泊位上下游端部及中部各設(shè)1座8 m×8 m系纜墩。加注平臺(tái)后沿各設(shè)1座18 m×25 m卸車(chē)平臺(tái)和1座異形倒車(chē)平臺(tái)，2座倒車(chē)平臺(tái)通過(guò)1座6 m寬固定聯(lián)橋連接后，再通過(guò)1座6 m寬固定引橋與后方防汛大堤相接，其平面布置見(jiàn)圖6。

該方案采用罐箱加注。罐箱通過(guò)汽車(chē)載運(yùn)，經(jīng)引橋通行至倒車(chē)平臺(tái)，掉頭后倒車(chē)至加注平臺(tái)上的卸車(chē)加注撬附近，再通過(guò)加注撬對(duì)受注船舶進(jìn)行加注。為滿(mǎn)足船舶加注量需求，在加注平臺(tái)上布置3個(gè)停車(chē)位。經(jīng)測(cè)算，該方案工程總投資13 514萬(wàn)元。

3.2.2浮式碼頭平面布置

前方水域布置2艘加注躉船，躉船尺度為90 m×18 m×3.2 m，躉船采用撐桿墩作為消能設(shè)施。2艘躉船分別通過(guò)60 m×4.5 m活動(dòng)鋼引橋與閥室平臺(tái)相接，其中，1號(hào)閥室平臺(tái)上設(shè)置卸車(chē)撬，2座閥室平臺(tái)通過(guò)1座145 m×4.5 m固定聯(lián)橋相接。1號(hào)閥室平臺(tái)后方通過(guò)1座6 m寬固定引橋與防汛大堤相接，引橋下游側(cè)布置1座變電所平臺(tái)和1座倒車(chē)平臺(tái)。其平面布置見(jiàn)圖7。

圖7 浮式碼頭平面布置形式Fig.7 Plan layout of floating wharf

該方案采用躉船加注，LNG槽車(chē)經(jīng)后方大堤通行至倒車(chē)平臺(tái)，掉頭后倒車(chē)至1號(hào)閥室平臺(tái)，通過(guò)卸車(chē)撬經(jīng)引橋布置管道向躉船儲(chǔ)罐輸送LNG。經(jīng)測(cè)算，該方案工程總投資14 913萬(wàn)元。

3.3 對(duì)比分析

結(jié)合平面布置及工藝流程特點(diǎn)，對(duì)直立墩式碼頭LNG加注和浮式碼頭LNG加注進(jìn)行比較。

3.3.1直立墩式碼頭LNG加注

優(yōu)點(diǎn)為：

1）采用加注平臺(tái)及多個(gè)靠船墩、系纜墩相組合的直立式布置形式，既滿(mǎn)足不同船型靠泊及加注作業(yè)，又能節(jié)省工程投資；

2）合理設(shè)置倒車(chē)平臺(tái)，既能滿(mǎn)足使用需求，又能減少碼頭結(jié)構(gòu)工程量；

3）碼頭采用鋼筋混凝土直立墩式結(jié)構(gòu)，相較于浮碼頭而言，其耐久性好，維護(hù)量小，船舶靠泊穩(wěn)定性好；

4）采用槽車(chē)輸送，通過(guò)卸車(chē)撬進(jìn)行加注，形式靈活機(jī)動(dòng)；

5）近期方案大量采用集成式撬裝設(shè)備，能較好適應(yīng)市場(chǎng)需求，工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)潔靈活，管道輸送距離短，操作更靈活，安全性高；

6）無(wú)需設(shè)置躉船，能較好抵御臺(tái)風(fēng)，受注船舶靠泊穩(wěn)定，作業(yè)順暢，適合在長(zhǎng)江及其他內(nèi)河河口港推廣使用。

缺點(diǎn)為：

1）碼頭結(jié)構(gòu)需設(shè)置多層系纜靠泊平臺(tái)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；

2）樁基墩臺(tái)結(jié)構(gòu)的施工較為復(fù)雜，施工周期較長(zhǎng)。

3.3.2浮式碼頭LNG加注優(yōu)點(diǎn)為：

1）采用常見(jiàn)的浮碼頭形式，布置簡(jiǎn)單；

2）如遠(yuǎn)期內(nèi)河開(kāi)放內(nèi)河LNG運(yùn)輸業(yè)務(wù)，該方案可采用加注船補(bǔ)液。

缺點(diǎn)為：

1）連接軟管易損壞，整體安全性差，檢修更換頻繁，影響使用；

2）躉船使用耐久性差，靠泊穩(wěn)定性差；

3）躉船上設(shè)置儲(chǔ)罐，對(duì)其制造、設(shè)備安裝等具有較高要求，且運(yùn)營(yíng)使用手續(xù)復(fù)雜；

4）工程投資相對(duì)較高。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)斜坡式及浮式布置的LNG加注碼頭，對(duì)其使用條件及不足進(jìn)行分析，提出了直立墩式布置方案，并通過(guò)工程應(yīng)用進(jìn)行對(duì)比分析。

1）在直立墩式LNG加注碼頭平面布置中，通過(guò)合理布置加注平臺(tái)、靠船墩、系纜墩及倒車(chē)平臺(tái)等，既能較好滿(mǎn)足不同噸級(jí)船舶靠泊需求，又能滿(mǎn)足槽車(chē)通行及加注需求。

2）直立式LNG加注碼頭采用鋼筋混凝土墩臺(tái)式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、耐久性好、維護(hù)量小，船舶靠泊穩(wěn)定性好。

3）在直立墩式碼頭中，采用槽車(chē)加注形式，靈活機(jī)動(dòng)，適應(yīng)市場(chǎng)需求，具有較好的推廣價(jià)值及應(yīng)用前景。

4）直立墩式布置的LNG碼頭相較于浮碼頭而言，對(duì)臺(tái)風(fēng)、洪水等惡劣條件適應(yīng)性更強(qiáng)，投資更省。其不僅可在長(zhǎng)江中游地區(qū)進(jìn)行工程應(yīng)用，也可在西江等內(nèi)河中下游水域進(jìn)行推廣，其安全性、適用性及成本優(yōu)勢(shì)更明顯。

5）本文提出的布置方式能為其它類(lèi)似工程的LNG加注、燃油加注等碼頭設(shè)計(jì)提供參考。