LNG 船舶进港靠泊操纵模拟仿真研究

严虎

（盐城引航站，江苏 盐城 224100）

江苏滨海液化天然气（LNG）项目码头工程，新建LNG 泊位1 个，码头结构设计船型为8 万-26.6 万m3LNG 船舶，主力船型为17.7 万m3考虑远期双泊位靠船卸料。本文以26.6 万m3LNG 船舶通过滨海港区航道进港航行及靠泊期间，通过本文构建基于风、流共同作用下LNG 船舶漂移量数值计算模型及大型船舶操纵模拟器模拟仿真LNG 船舶在不同工况情况下进港及靠泊方案，检验LNG 船舶能否安全进港航行及靠泊作业。

1 船舶漂移量数值计算模型

本文构建大型LNG 船舶进出港航行漂移量计算模型主要有四个部分组成，分别是无风、流情况下LNG船舶航迹带宽度、LNG 船舶进出港航行中风致漂移量、LNG 船舶进出港航行中流致漂移量和LNG 船舶进出港航行中由偏航角引起的航迹带宽度增加量四个部分组成本项目LNG 船舶在有风、流作用情况下所需航道宽度数值计算模型。（大型LNG 船舶进出港航行漂移量数值计算模型如图1 所示）。

图1 船舶漂移量数学模型

（1）无风、流情况下LNG 船舶航迹带宽度B1：

LNG 船舶在无风、流的情况下进出港航行时，其航迹带宽度可按下式进行计算：

（2）LNG 船舶进出港航行中风致漂移量BF：

考虑在极限的情况下（即LNG 船舶正横受风，其风舷角为90°），风对船舶的作用力最大，则船舶航行中风致漂移速度VF可由下面公式计算得出：

因此，LNG 船舶进出港航行中受风影响情况下的漂移量BF可用下式计算：

（3）LNG 船舶进出港航行中流致漂移量BL：

LNG 船舶进出港航行在各种水流共同作用下的流致漂移量BL可用下式计算：

其中：Vw—水流流速（m/s）；Vs—船速（m/s）；VWL-横向流速（m/s）；α—偏航角(°)；S—计算河长(m)。

（4）LNG 船舶进出港航行中由偏航角引起的航迹带宽度增加量BP：偏航角α 所引起的航迹带宽度的增加量Bp可用下式进行计算：

（5）LNG 船舶进出港航行中航迹带宽度B：

综上所述，LNG 船舶进出港航行过程中在最为不利的风流组合下，LNG 船舶进出港航行时所需的航迹带宽度应为：

3 LNG船舶及航路概况

江苏滨海LNG 项目利用滨海港区航道进港，航道设计范围为在规划建设中的10 万吨级航道基础上进行拓宽、浚深，航道设计底标高从规划10 万吨级航道-14.5m 至-15.0m。航道通航宽度拓宽至320m，全长约2740m。本项目共用滨海2#锚地，LNG 船舶待泊在2#锚地东南角。

本文选定Q-MAX 级别的26.6 万m3LNG 船舶作为模拟试验主要船型，用于模拟试验的船舶数学模型，其船型具体参数是：船长345m，型宽55m，型深27m，设计吃水12m。

4 基于船舶漂移量计算模型对LNG船舶进出港航行研究

根据大型船舶进出港航行时航速一般控制在10kn以下，本文260000m3LNG 船在不利风、流条件（船舶正横受风时）下，分别讨论在风力4 级、5 级、6级、7 级、8 级，船速10kn、8kn、6kn、4kn，偏航角3°情况下260000m3LNG 船舶航行所需航道宽度。则260000m3LNG 船舶根据漂移量数值计算模型分析如表1：

表1 260000m3LNG 船舶单向航行所需航道宽度（单位m）

5 模拟试验工况设置方案

根据项目水域通航自然环境要素分析，结合本项目要求，对Q-MAX 级别的LNG 船进港、靠泊码头模拟试验进行了以下工况设计。选取SE、NE 两个风向及对应的4、6 级风力强度作为试验风要素；波浪方向与风向一致。潮流为往复流，涨潮流向SE，落潮流向NW。选择对船舶影响较大的潮流资料落潮流0.4m/s（最大情况）和涨潮流0.43m/s（最大情况）进港靠泊情况，船舶乘潮进港靠泊。通过对以上不同环境要素进行组合，进行进港、靠泊试验。本文26.6 万m3LNG 船舶满载进港航行及靠泊模拟仿真试验如图2-图9 所示。

图2 涨潮流、东北风4 级

图3 落潮流、东北风4 级

图4 涨潮流、东北风6 级

图5 落潮流、东北风6 级

图6 涨潮流、东南风4 级

图7 落潮流、东南风4 级

图8 涨潮流、东南风6 级

图9 落潮流、东南风6 级

6 模拟仿真试验数据分析

根据试验方案，本课题组通过多次设计船型船舶进港及靠泊模拟试验，基本都能顺利完成设计工况的模拟试验。对进港靠泊所需航迹带宽度进行了统计，如表2所示。

表2 本项目26.6 万m3LNG 船航迹带宽度统计表

综合分析：设计代表船型进港航道模拟试验选取自然条件为涨潮流和落潮流；风向为常风、强风向的条件组合，分别选取了4 级、6 级风进行进港及靠泊试验。从设计工况的试验结果来看：

设计代表船舶进出选择滨海港区航道，试验区域为航道入口到泊位共3.5 海里（约6.4km）范围。本文对LNG 船舶进港水道进行了模拟船舶通航试验，考虑模拟试验与实际操船之间的差异性，试验结果显示：代表船型26.6 万m3LNG 船舶以6-7 节左右航速满载进港时，船舶航行至口门附近时的船速宜控制在5kn 左右，后逐渐左转进入港池水域，继续降速、调整船舶位置和航向，在回旋水域内将速度控制在1kn 左右，并摆正船位，借助大功率拖轮协助靠泊。进港船舶应根据风流情况，正确摆正船位，选择合理的风流压差，并根据不同船位的潮流流场的变化予以修正。26.6 万m3LNG 船舶压载出港时，船舶出港时，船舶上行至较开阔水域或落水流，驶入滨海港区航道，加速出港。

工程试验船舶受风面积大，在航道航行时，外航道受风、浪、流影响较大，同时，风浪条件对拖轮影响也较大，工程设计船型进港时宜选择在风、浪、流影响较小的时段进港。结合模拟试验及工程水域实测潮流信息，工程船舶进港时机应尽可能选择在平潮至高平潮后1 小时进行靠泊作业。船速也是重要的控制因素。

根据港口规定，船舶在航道航行时要保持一定速度减小风、流对船舶的影响，船舶在航道内航行时航速应控制在10 节以内，在接近防波堤口门转弯时降至6 节左右，带妥拖轮，接近航道末端时降至4 节左右，转向后在拖轮协助下船舶转向、降速，摆好靠泊姿势，拖轮顶推入泊，控制好靠泊速度及拖轮与其它泊位停靠船舶的安全距离。

试验船型在港内航道航行时，由于航速降低，船舶航向稳定性降低，轨迹带宽度增大，且在低航速时，船舶应舵性能差，试验船舶在进入防波堤口门前，必须配备并带妥拖轮，以防止船舶偏离航道导致失控，且应正确地估计风压力和流压力，防止船舶偏航或失控，保证航行安全。

目前，滨海港区航道进港，实际水深15m，可航宽度设计为320m。因此，工程设计进港航道宽度320m能满足所有试验设计代表船型进港单向通航的要求。

根据船舶进港模拟试验结果，船舶进港对附近航道通航条件影响不大，正常操纵船舶、选择合适的靠泊时机，在拖轮协助下，船舶进港安全是可以控制的。

7 LNG 船舶进港及靠泊操作方案

船舶满载进港时应根据潮流情况做好引航方案，进港前应确认船舶资料、引航卡，特别是确认吃水及潮位，核查是否有足够富裕水深，核算到达泊位的时间，根据操作要求，配置好全回旋拖轮。

船舶进港时，应根据当时风、流条件及时调整船位，尽可能保持推荐航路中心线上航行，航行中应实时检查富余水深变化情况，确保航行安全。船舶到达口门附近应适当减速，控制船速为5kn 左右。当本船进入本项目港池水域时控制船速4kn 以下，船艏抵达回旋水域时，控制船速1 节左右。采用逆时针掉头右舷靠泊时，应控制入泊角度及速度，到达泊位外档1～2 倍船宽时将船摆正，应特别注意与流的交角不宜过大。船舶在泊位前沿摆正船位及姿态后，使用外舷拖轮顶推入泊，同时不断调整首尾各拖轮顶推力量，入泊方式采用平行入泊，利用本船拖轮调整船位及姿态，摆正船位，控制船舶平行入泊，控制好横移的速度，逐渐减小顶推力量以 确保贴靠泊位速度不大于0.2m/s 为宜，适当用车控制避免船舶前冲后缩，靠拢后应使用拖轮防止船舶反弹离开泊位。