基于通航环境干扰的武汉LNG船舶停泊安全区研究毕业论文
2020-02-15 10:02
摘 要
本文旨在研究LNG船舶在内河码头前沿水域停泊时停泊安全区的设置，并结合武汉白浒山LNG码头具体工程的平面布置，对内河LNG船舶停泊安全区的划定方法进行分析计算。首先,明确停泊安全区区别于移动安全区的定义与内涵，了解美国对停泊安全区的定义和建模方式；
其次，基于通航环境干扰分析了风和流两个主要因素对该水域过往船舶和LNGC停泊安全区域的影响，在满足LNGC能够正常装卸及加注作业的环境条件下确定本次试验分析的风况水流条件，其分别满足风速不大于6级和流速不大于1.5m/s，并据此选取具体数值对其作用结果进行了分析计算，根据最大风速和流速以及最小船速的相对极限条件影响下船舶所需通航宽度为133.39m，得出停泊安全区宽度为80m。结果表明，风、流压差的作用会使船舶产生漂移，改变船舶航迹带宽度，进而影响停泊安全区设置，且在同等条件下，通航宽度随风速、流速的增加而增加，随船舶航速的增加而减小；
最后，借助多功能航标系统技术方案建立了通航环境信息感知框架，通过遥测采集气象水文数据，监测船舶位置信息，对通航环境数据进行处理评估，并结合武汉白浒山LNG码头设计平面布置，对内河LNGC安全警示标志设置提供参考与建议。
关键字： LNG船舶 停泊安全区 通航环境 漂移量 多功能航标
Abstract
The purpose of this paper is to study the setting of the parking safety zone of LNG ship when moored in the frontier waters of the River Wharf, and to analyze and calculate the delimitation method of the safe area of the domestic river LNG ship by combining with the plane layout of the specific project of the LNG Wharf in Wuhan Bai Hushan. Firstly, it is clear that the parking security zone is different from the definition and connotation of the mobile security zone and understand the definition and modeling mode of the parking security zone in the United States;
Secondly, based on the interference of navigation environment, this paper analyzes the influence of two main factors of wind and flow on the safe area of passing ships and LNGC in this waters, and determines the wind flow conditions of this test and analysis under the environmental conditions that can meet the normal loading and unloading and filling operation of LNGC, which meet the wind speed of not more than 6 and the flow rate , And the results are analyzed and calculated by selecting the specific numerical values, and the navigation width of the ship is 133.39m according to the maximum wind speed and flow rate and the relative limit condition of the minimum ship speed, and it is concluded that the width of the berthing safety zone is 80m. The results show that the effect of wind and flow pressure difference will cause the ship to drift, change the degree of ship track bandwidth, and then affect the setting of berthing safety zone, and under the same conditions, the navigation width increases with the increase of wind speed and flow rate, and decreases with the increase of ship speed;
Finally, with the help of the multifunctional navigation system technology scheme, the information Perception framework of navigation environment is established, the meteorological hydrological data are collected by telemetry, the ship location information is monitored, the navigation environment data is processed and evaluated, and combined with the design layout of Wuhan Bai Hushan LNG Wharf, To provide reference and suggestions for the setting of safety warning signs of inland River LNGC.
Key words: LNG ships；Parking Safety Zone；Navigable environment；Drift Amount；Multifunctional navigation.
目 录
第1章 绪论 1
1.1 LNG船舶内河航运业发展现状及问题 1
1.2 LNG船舶停泊安全区国内外研究现状 2
1.3 主要研究内容与技术路线 3
第2章 LNG船舶特性 5
2.1 LNG的理化特性 5
2.2 LNG的危险性 5
2.3 LNGC操纵和结构特性 7
2.4 LNGC作业条件 7
第3章 内河LNGC停泊安全区定义与内涵 8
3.1 停泊安全区的定义与分类 8
3.2 美国对停泊安全区的定义 9
3.3 美国液化天然气危害模型 9
第4章 通航环境影响下停泊安全区尺度计算 10
4.1 武汉白浒山LNG码头工程概况 10
4.2 风、流作用下的尺度计算 13
4.3 内河LNGC安全警示标志设置 16
第5章 结论与展望 19
5.1 结论 19
5.2 展望 20
参考文献 21
致谢 23
第1章 绪论
20世纪90年代以来，我国一直大力倡导改善能源消费结构，开发利用新能源。在“生态优先、绿色发展”理念的引领下，国家对黄金水道的绿色航行要求不断提升，内河水运行业对液化天然气（LNG）应用的需求也日渐增加。
液化天然气是广受认可的优质、清洁能源，主要用于发电、城市燃气和工业燃料，近年发展迅速，已成为现今远洋运输天然气的主要方式。
目前，长江内河船舶仍以柴油为主要能源动力，燃料消耗高，污染排放大。液化天然气作为一种优质、高效的清洁能源，以其突出的低碳环保性和经济优势作为船用燃料，可有效降低二氧化碳、二氧化硫、二氧化氮以及颗粒物的排放。目前国家正在加快绿色航运建设步伐，“气化长江”、“长江绿色物流创新工程”等内河船舶“油改气”项目也正在逐步推进，LNGC进入内河将呈现常态化，因此，研究内河LNG船舶航运安全也显得尤为必要。
随着我国沿海和内河LNG码头及加注站的建立，LNG船舶在码头前沿停泊及锚泊期间的安全引起人们更多的关注。LNG船舶在停泊期间，为保障LNG船舶及周边航行船舶安全，通常在其周围设置一定范围的受控水域作为LNG船舶的安全区域。目前该领域的研究重点集中在LNG船舶移动安全区，对于停泊安全区的相关规定及标准尚未完善，其相关设置与定量计算的研究也不多见，且部分较为成熟的适用于海港的解决方案并不适用于内河。
本文通过分析LNG的固有特性及LNGC的结构特点，结合相应通航水域环境干扰因素，对武汉白浒山LNG码头代表船型停泊安全区的设定进行研究，借以保障水上交通运输的安全及效率，对巩固和稳定我国内河LNG航运业的发展具有重要意义。
1.1 LNG船舶内河航运业发展现状及问题
目前我国已在沿海多个城市建立了LNG接收站，其建设与运营已经较为成熟，而内河船舶应用LNG尚处在起步阶段，LNG动力船舶规模较小，且因技术不完善、油气差价缩小、LNG补给困难等原因，近年来，LNG动力船舶发展相对缓慢，与行业预期存在差距。截至2017年3月[1]，全国已建成135艘内河LNG动力船舶，且多为干散货船，其中LNG单燃料动力船约占45%，主要航行于长江干线、京杭运河及黄浦江等水域。此外，已申报国家资金补贴的拟建LNG动力船舶1097艘。
目前，LNG加注码头包括岸基式（LNG储罐位于码头陆域）和趸船式（LNG 储罐位于趸船）两种形式。截至2017年3月[1]，全国基本建成9个岸基式和7个趸船式内河LNG加注码头，主要分布于长江干线及京杭运河沿线。长江干线的南京、武汉、重庆已建成LNG加注码头3个，而长江干线已开展LNG加注作业的仅有3个，2016年实际加注LNG约1000t。重庆和武汉均未开展加注业务。
当前，国家和沿江省市各部门都已开展了较多LNG加注站规划方面的工作。长江航务管理局于2013年组织完成了《长江干线水上LNG加注站布局规划研究》，提出到2020年加注站总数达到55座，2030年达到90座，并于2014年1月出台了《长航局关于长江干线LNG水上加注站布局的指导意见》。
由于各地各部门对LNG加注站在政策和认识方面的不一致，使得LNG加注站的选址和建设更为艰难，进入实施加注作业的则更少，内河LNG加注站的建设还处于探索和起步阶段。而且长江航道通航环境复杂，船舶种类繁多且船型尺度各异，加之长江航道水文地质条件复杂，船舶交通密度大，使得LNG船舶进入长江存在诸多阻碍与挑战，这也较大程度地制约了内河LNG航运业的发展。目前，内河LNG运输船在码头停泊作业的相关配套安全设施建设和安全保障措施制定尚无明确规定与标准，相关政策规范和标准也亟待完善，LNG船舶改造方案设计、LNG码头改造施工等仍不够全面，船舶“油改气”技术还欠成熟。此外，LNG船舶操作规程较传统燃油船舶步骤更多，LNG 加注工序复杂，作为船用燃料在内河使用的技术还不够成熟。
1.2 LNG船舶停泊安全区国内外研究现状
由于2018年10月，我国允许LNG船舶进入长江，使得在不久的将来，LNG船舶进入内河将呈现常态化，所以研究内河码头LNG船舶停泊安全区显得尤为必要。
移动安全区作为目前该领域的研究重点，已经取得了较大发展。对于停泊安全区，目前已有面向海港LNGC的研究，但由于研究数据偏大，不太适用于内河狭窄环境。目前关于内河LNGC停泊安全区的设置尚无统一标准，也无较为成熟的解决方案，对于相关定量计算的研究也不多见。
国外方面，在LNG码头的选址考虑上，美国国家消防协会在NFPA 59A和49 CFR的基础上结合经验风险评估和计算建模的应用，塑造了独特的LNG码头选址技术、安全和风险标准[2]；O.N.Aneziris[3]等提出了LNG码头的综合风险评估框架。通过危险识别，对事故序列建模，其中开发了事件树和故障树等逻辑模型；经过数据采集和参数估计，对事故序列进行量化，在综合结果中评估风险指数，对陆上和海上LNG码头进行定量风险评估。
国内方面，对于LNG在长江内河的发展应用现状，刘涛[1]等分析了长江航线的通航要素，系统梳理了内河LNG行业的发展现状，并提出了相关措施建议；鲁亮[4]等通过运用危险源辨识理论，对LNG加注船的作业风险进行评估，并提出了风险控制措施；在研究通航环境因素对LNGC停泊影响方面，孟贝贝[5]等通过建立受限水域船舶航行通航宽度计算模型，探讨了风、流等单一因素对LNGC通航宽度的影响；陈树松[6]在其硕士论文中分析了液货船港口水域通航环境因素的影响，并使用贝叶斯网络分析软件进行建模，这对LNGC同样具有借鉴意义。
为保障LNGC在海港码头停泊和锚泊期间的安全，文元桥[7]等开发了一种基于船舶碰撞事故概率和风险的LNGC停泊安全区宽度界定方法，通过建立LNGC停泊风险量化计算模型，确定LNG船舶风险可接受标准，再根据LNGC停泊水域的通航环境计算其停泊期间被过往船舶碰撞的概率和风险，最后计算出满足碰撞可接受概率和风险可接受标准的LNGC停泊安全区的宽度。同时文元桥[8]还提出了一种基于船舶漂移运动和船舶碰撞风险的锚泊安全距离计算方法，结合船舶运动数学模型，通过蒙特卡洛模拟LNGC走锚漂移运动，得出走锚漂移方向概率密度函数，从而确定船舶走锚漂移横向、纵向距离；同时，结合LNGC碰撞风险模型，确定满足碰撞概率和风险可接受标准的安全距离。
与之类似，武汉理工大学的赵素平[9]在论文中通过建立走锚概率模型、走锚后碰撞概率模型和LNG火灾概率模型，借此进行计算分析得到的锚泊风险在可接受风险范围内，以此来定量界定某一种船型的锚泊安全区域；为保障LNGC在进出港航道中的安全通航，王超敏[10]在其硕士论文中通过分析风、浪、流和临近船舶航路等通航环境干扰，建立基于聚合法的模糊综合评价模型，并以深圳港西部公用航道为例，量化研究了LNG船舶的航道适应性；为保障LNG运输船通航停泊安全，杨雪[11]提出了一种基于船舶碰撞事故概率和风险的LNG运输船安全区宽度界定模型和基于船舶制动性能的LNG运输船安全区长度界定模型，研究表明，LNG运输船安全区范围与LNG运输船大小和附近水域航道内船舶大小类型及航行速度等相关。
1.3 主要研究内容与技术路线
1.3.1 主要研究内容
本文主要研究内河LNGC在码头前沿停泊期间停泊安全区的大小，基于通航环境的干扰，分别计算通航环境因素对停泊LNGC的影响，划定安全区范围，并对内河LNGC停泊安全区安全警示标志设置及安全监管措施提出参考建议。
本文主要研究内容如下：
第1章：查阅了解国内外LNGC发展现状及内河LNGC停泊安全区研究现状，确定本文的研究目的、研究内容和研究的价值与意义；
第2章：分析LNG的固有理化性质和LNGC的操纵结构特性，阐述了LNGC安全作业的气象水文条件，为后文研究通航环境因素的影响提供依据；
第3章：诠释内河LNGC停泊安全区与移动安全区的异同，分析美国的定义及建模方式，为模型建立提供思路；
第4章：系统介绍了武汉LNG码头工程的建设位置及平面布置，确定了该工程水域LNGC设计代表船型；同时主要分析了风和流两个通航环境因素的影响，根据风压漂移和流压漂移量，计算临近水域船舶通航宽度，并最终划定安全区范围；最后通过多功能航标系统建立通航环境感知，对安全区设置安全警示标志提供思路；
第5章：结论与展望。
1.3.2 技术路线
本文技术路线图见图1.3-1：
图1.3-1 技术路线图
第2章 LNG船舶特性
2.1 LNG的理化特性
液化天然气是天然气在经净化及超低温状态下冷却液化的产物，1m³LNG气化后可得约600m³天然气，是一种非常清洁的能源。LNG的主要成分是甲烷，甲烷的主要理化性质见表2.1-1：
表2.1-1 LNG主要理化性质[12][13][14]
性质 | 数值 | 备注 |
沸点℃ | -161.5 | 标准大气压下。既能在临界温度以下加压液化，也能在常压下降温液化。 |
闪点℃ | -175 | -- |
自燃点℃ | 595 | -- |
液态密度kg/m³ | 430~470 | 密度取决于组分，甲烷含量越高，密度越小。 |
气态密度kg/m³
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