XXVI Konferencja awarie budowlane 2013 Naukowo-Techniczna STANISŁAW GUCMA, s.gucma@am.szczecin.pl Akademia Morska w Szczecinie OKREŚLENIE PARAMETRÓW PORTU ZEWNĘTRZNEGO W ŚWINOUJŚCIU W ASPEKCIE BEZPIECZEŃSTWA EKSPLOATACJI GAZOWCÓW LNG THE DETERMINATION OF ŚWINOUJŚCIE OUTER PORT PARAMETERS IN VIEW OF LNG TANKER OPERATIONS SAFETY Streszczenie W referacie została przedstawiona symulacyjna metoda optymalizacji dróg wodnych. W metodzie tej podstawowym warunkiem jest bezpieczeństwo eksploatowanych tam statków, szacowane przy wykorzystaniu ryzyka nawigacyjnego. Metodę tą zastosowano do określenia parametrów portu zewnętrznego w Świnoujściu oraz stanowiska rozładunkowego gazowców LNG typu Q-flex o długości rzędu 315 m. Abstract The paper presents a simulation method of waterway optimization. The principal condition in the method is the safety of ships predicted to operate within waterway area. The safety level is estimated by using the navigational risk criterion. The method can be used for determining parameters of the outer port in Świnoujście and a discharge berth for Q-flex type LNG tankers having a length of up to 315 meters. 1. Wprowadzenie Zapewnienie bezpieczeństwa nawigacji gazowca LNG na akwenach ograniczonych stwarza szereg problemów technicznych i organizacyjnych na etapie projektowania terminali LNG oraz ich eksploatacji. Problemy te związane są z zagrożeniami, jakie stwarza przewożony ładunek oraz sam statek o specyficznych parametrach. Z jednej strony jakikolwiek wyciek ładunku (LNG) generuje zagrożenie pożaru, wybuchu lub uduszenia ludzi, z drugiej strony manewrowanie gazowca LNG o długości rzędu 300 350 m i dużej powierzchni nawiewu na akwenach ograniczonych to skomplikowane przedsięwzięcie wymagające określonych rozwiązań z zakresu inżynierii ruchu morskiego. Projektowanie terminali LNG można sprowadzić do następujących zadań: 1. Wyboru lokalizacji terminalu LNG w rozpatrywanym rejonie. 2. Określenie parametrów torów podejściowych i akwenów portowych terminalu LNG. 3. Określenie parametrów stanowisk przeładunkowych terminalu LNG. Przy realizacji każdego z zadań projektowych stosowane są metody symulacji komputerowej. Każdy z planowanych wariantów lokalizacji terminalu, parametrów jego dróg wodnych oraz stanowisk przeładunkowych muszą zapewnić: bezpieczeństwo wejścia gazowca LNG maksymalnej wielkości przewidzianej do eksploatacji w projektowanym terminalu, bezpieczeństwo postoju i rozładunku gazowca LNG maksymalnej wielkości, bezpieczeństwo mieszkańców rozpatrywanych rejonów, bezpieczeństwo przeładunków w przyległych rejonach portu.
40 Gucma S.: Określenie parametrów portu zewnętrznego w Świnoujściu w aspekcie Obecnie budowany jest port zewnętrzny w Świnoujściu, w którym zostanie zlokalizowany terminal gazowy LNG. Terminal ten będzie obsługiwał gazowce LNG typu Q-flex o parametrach: pojemność ładunkowa: V L = 215 000 217 000 m 3 ; długość całkowita: L c = 315 m; szerokość: B = 50 m; zanurzenie: T = 12,5 m. Należy przy tym zaznaczyć, że obecnie do portu w Świnoujściu może wejść statek o maksymalnej długości L c = 270 m. Kształt i parametry portu zewnętrznego w Świnoujściu oraz stanowiska rozładunkowego gazowców LNG zostały opracowane w oparciu o badania przeprowadzone w Instytucie Inżynierii Ruchu Morskiego Akademii Morskiej w Szczecinie [1]. Badania te prowadzono przy zastosowaniu specjalnie opracowanej symulacyjnej metody optymalizacji parametrów dróg wodnych oraz analizy ryzyka nawigacyjnego i ekonomicznego [5]. Plan budowanego portu zewnętrznego w Świnoujściu przedstawia rys. 1. Rys. 1. Plan obecnie budowanego portu zewnętrznego w Świnoujściu 2. Bezpieczeństwo nawigacji Bezpieczeństwo nawigacji jest pojęciem, które obejmuje całokształt zagadnień związanych z bezwypadkowym wykonaniem określonych manewrów. Przez pojęcie wypadek należy rozumieć wypadek nawigacyjny lub manewrowy, taki jak: wejście na mieliznę (rozumiane w szerokim znaczeniu tego słowa jako niezamierzone zetknięcia kadłuba, steru czy śruby z dnem akwenu);
Referaty plenarne 41 uszkodzenie kadłuba podczas kontaktu statku z brzegiem (powstałe podczas uderzenia statku w element brzegowy, przy którym głębokość akwenu jest większa od zanurzenia statku); uszkodzenie konstrukcji hydrotechnicznych lub portowych przez kontakt bezpośredni statku; uszkodzenie holownika współuczestniczącego w manewrowaniu; uszkodzenie pływającego znaku nawigacyjnego; kolizja z innym statkiem znajdującym się na danym akwenie (statkiem przycumowanym do nabrzeża, na kotwicy lub w ruchu). Bezpieczeństwo nawigacji na akwenach ograniczonych można przedstawić w postaci funkcji [3]: P ( A ) b,sb,nb,hb,mb,ib, R b = b P b wskaźnik oceny bezpieczeństwa nawigacji, A b parametry akwenu, S b parametry statku, N b parametry systemów określania pozycji, H b parametry hydrometeorologiczne, M b parametry wykonywanego manewru, I b parametry intensywności ruchu, R b parametry systemu regulacji ruchu. (1) Funkcja bezpieczeństwa nawigacji jest zmienną zależną, uwarunkowaną zmiennymi niezależnymi A i, S i, N i, H i, M i, I i, R i, na które składa się szereg czynników opisujących układ: statek akwen system określania pozycji panujące warunki hydrometeorologiczne intensywność ruchu system regulacji ruchu taktyka manewrowania. W celu określenia wpływu zmiennych A i, S i, N i, H i, M i, I i, R i na bezpieczeństwo nawigacji należy przyjąć wskaźnik liczbowy P i. Wskaźnik ten określa ilościowo bezpieczeństwo nawigacji na akwenach ograniczonych. Umiejętność szacowania takiego wskaźnika umożliwia jednoznaczną ilościową ocenę bezpieczeństwa nawigacji na akwenach ograniczonych. Prowadzone badania zmierzają do uniwersalizacji tego wskaźnika dla wszystkich typów akwenów ograniczonych i wykonywanych tam manewrów. Takim wskaźnikiem coraz częściej stosowanym na świecie do oceny bezpieczeństwa nawigacji jest ryzyko nawigacyjne [2]. Ryzyko jest obecnie powszechnie stosowanym kryterium (wskaźnikiem) do oceny bezpieczeństwa. Ryzyko nawigacyjne jest złożonym kryterium oceny bezpieczeństwa nawigacji utożsamianym z ryzykiem wykonania określonych manewrów na zadanym akwenie. Najczęściej ryzyko nawigacyjne R jest definiowane jako: R = P A S (2) P A prawdopodobieństwo wystąpienia określonego wypadku nawigacyjnego w czasie wykonywania danego manewru; S skutki, jakie spowoduje ten wypadek.
42 Gucma S.: Określenie parametrów portu zewnętrznego w Świnoujściu w aspekcie Szacowanie ryzyka nawigacyjnego polega na: identyfikacji zagrożeń przy wykonywaniu określonego manewru na danym akwenie przez określony statek w k-tych warunkach nawigacyjnych; obliczenia prawdopodobieństwa wystąpienia wypadku określonego typu przy wykonaniu j-tego rodzaju manewru na danym akwenie ograniczonym przez i-ty rodzaj statku w k-tych warunkach nawigacyjnych; szacowaniu skutków wypadku określonego typu powstałego w wyniku wykonywania j-tego rodzaju manewru na danym akwenie ograniczonym przez i-ty rodzaj statku w k-tych warunkach nawigacyjnych. Na podstawie definicji ryzyka nawigacyjnego określono warunek bezpiecznej nawigacji: R akc ryzyko akceptowalne. R akc R (3) Ryzyko akceptowalne dla omawianych wypadków (zagrożeń) na torach wodnych określane jest przy założeniu, że na skutek wypadku nie ma ofiar śmiertelnych. Na sformułowanie tego założenia pozwala nam analiza zagrożeń. 3. Optymalizacja parametrów torów podejściowych i akwenów portowych terminalu LNG w Świnoujściu Optymalne parametry torów podejściowych, wejść do portu i basenów portowych terminali LNG określane są przy wykorzystaniu symulacyjnych metod optymalizacji. W tych metodach kryterium optymalizacji jest koszt budowy i eksploatacji terminalu LNG (torów podejściowych i akwenów portowych terminalu) natomiast podstawowym warunkiem jest bezpieczeństwo nawigacji. Wybór metody symulacji przy optymalizacji parametrów dróg wodnych zależy od wykonywanego manewru i związanego z nim rodzaju drogi wodnej. W terminalach LNG rozróżnia się następujące rodzaje dróg wodnych i związanych z nimi manewrów: Rodzaj drogi wodnej: Typ manewru: podejściowy tor wodny: przejście torem; odcinek prostoliniowy, zakole; wejście do portu; manewr wejścia do portu; obrotnica; manewr obracania; basen portowy z nabrzeżami. cumowanie, odcumowanie. Do określenia parametrów wymienionych rodzajów dróg wodnych stosowane są metody symulacyjne. Należy przy tym zaznaczyć, że badania prowadzone przy wykorzystaniu symulacyjnych modeli autonomicznych, pracujących w czasie przyspieszonym, są mniej czasochłonne i kosztochłonne od badań przeprowadzonych przy wykorzystaniu modeli nie autonomicznych pracujących w czasie rzeczywistym. Dokładność modeli autonomicznych pozwala jednak na zastosowanie ich tylko do badań prostych manewrów np. manewru przejścia torem wodnym. Do optymalizacji parametrów dróg wodnych terminalu LNG, stosowane są różne modele symulacyjne: model autonomiczny (pracujące w czasie przyspieszonym) dla podejściowych torów wodnych; model nieautonomiczny (pracujące w czasie rzeczywistym) dla wejścia do portu, obrotnicy i basenu portowego.
Referaty plenarne 43 Do optymalizacji parametrów wejścia do portu i akwenów portowych stosowane są modele optymalizacji dróg wodnych z jednym ograniczeniem bezpieczeństwa nawigacji. W modelach tych bezpieczeństwo manewrowania determinuje ryzyko nawigacyjne, natomiast bezpieczeństwo postoju statku przy nabrzeżu określa wysokość fali wchodzącej do portu. Przyjmując powyższe założenia i warunki funkcję celu zapisuje się następująco [6]: Z = przy ograniczeniach: ( aw + bt + cr + ey) min ijkxy akc 1. R i I, j J,k K,x X, y Y R (4) (5) (6) h Fxy Fdxy 2. h Z koszt związany z budową (przebudową) wejścia do portu i jego oznakowania oraz ich eksploatacją; a jednostkowy koszt wydobycia 1 m 3 urobku (zależy również od rodzaju dna); w ilość wydobytego urobku podczas prac pogłębiarskich (budowa akwenów portowych); b roczny koszt prac pogłębiarskich oraz koszt konserwacji urządzeń hydrotechnicznych i oznakowania nawigacyjnego (eksploatacja akwenów portowych); t przewidywany czas eksploatacji wejścia do portu; c jednostkowy koszt budowy znaku nawigacyjnego; r ilość znaków nawigacyjnych w systemie oznakowania wejścia do portu; e jednostkowy koszt metra bieżącego falochronu określonego typu; y długość falochronu osłaniającego akwen portowy; I zbiór typów badanych statków; J zbiór rodzajów manewrów badanych na danym akwenie; K zbiór charakterystycznych warunków nawigacyjnych; R ijkxy ryzyko wykonania j-tego typu manewru przez i-ty typ statku w k-tym wariancie warunków nawigacyjnych w punkcie x, y akwenu; R akc akceptowalne ryzyko nawigacyjne; h Fxy maksymalna wysokość przenikającej do portu fali w k-tych warunkach nawigacyjnych w punkcie x, y akwenu; h Fdxy dopuszczalna wysokość fali w porcie w punkcie x, y akwenu (bezpieczna dla cumujących statków). Ryzyko nawigacyjne definiowane jest jako iloczyn prawdopodobieństwa wystąpienia awarii i skutków jakie ona spowoduje przy wykonywaniu danego manewru, gdzie pod pojęciem tego manewru należy rozumieć proces ruchu danego typu statku na określonym typie drogi wodnej w określonych warunkach nawigacyjnych. Dodatkowo definicję tą uzupełnia częstość roczna wykonania danego manewru i można ją zapisać w postaci [3]: (7) R = ijk P Aijk S ijk P Aijk prawdopodobieństwo wystąpienia wypadku przy wykonaniu j-tego typu manewru przez i-ty typ statku w k-tych warunkach nawigacyjnych; I Rijk (8)
44 Gucma S.: Określenie parametrów portu zewnętrznego w Świnoujściu w aspekcie S ijk skutki, jakie spowoduje awaria i-tego typu statku wykonującego j-ty typ manewru w k-tych warunkach nawigacyjnych; I Rijk średnia roczna intensywność wykonania j-tego typu manewru na określonym akwenie przez i-ty typ statku w k-tych warunkach nawigacyjnych. Wymiary akwenów manewrowych określa się za pomocą badań symulacyjnych, stosując metodę czasu rzeczywistego (nieautonomiczna) dla maksymalnych statków przewidzianych do eksploatacji w różnych warunkach nawigacyjnych. Badania te, przeprowadzane w seriach przejazdów o wiarygodnej liczebności, wykonywane są zazwyczaj przez pilotów danego portu. Po zastosowaniu statystycznej obróbki wyników określone zostają odległości od punktu odniesienia do granicy pasów ruchu na określonym poziomie ufności. 5978000 [m] 5977900 5977800 5977700 5977600 5977500 5977400 5977300 5977200 5977100 5977000 5976900 5976800 5976700 5976600 5976500 5976400 5976300 5976200 5976100 5976000 5975900 5975800 5975700 5975600 5975500 5975400 5975300 5975200 5975100 5975000 5974900 5974800 5974700 5974600 5974500 Izobata 13 m Izobata 14.5 m 95% Max Śre [m] 452000 452100 452200 452300 452400 452500 452600 452700 452800 452900 453000 453100 453200 453300 453400 453500 453600 453700 453800 453900 454000 454100 454200 454300 454400 454500 Rys. 2. Pasy ruchu gazowca LNG podczas wejścia do Portu Zewnętrznego w Świnoujściu. Wiatr N 12,5 m/s Planowanie eksperymentu symulacyjnego polega na określeniu: badanych wariantów wejścia do portu i akwenów portowych. Badania można prowadzić dla kilku wariantów rozwiązań; badanego statku. Należy wybrać maksymalny, planowany do eksploatacji gazowiec LNG. Badania można prowadzić dla dwóch gazowców różniących się charakterystykami manewrowymi;
Referaty plenarne 45 warunków hydrometeorologicznych, przy których planowana jest eksploatacja gazowca LNG. Należy wybrać minimum dwa układy warunków hydrometeorologicznych najmniej korzystne z punktu widzenia wejścia do portu czy też obracania i cumowania gazowca LNG. Na podstawie powyższych danych ustalane są szczegółowe warunki badań: liczba serii symulowanych manewrów (przejść torem, wejść do portu, cumowań itp.); warunki w jakich poszczególne serie manewrów zostaną przeprowadzone; liczebności próby w badaniach symulacyjnych (w poszczególnych seriach). Wyniki badań symulacyjnych otrzymane przy projektowaniu portu zewnętrznego w Świnoujściu przedstawia rys. 2. Są to parametry pasów ruchu podczas wejścia do portu obracania i cumowania gazowca LNG o pojemności ładunkowej rzędu 200.000 m 3. Proces kształtowania wejścia do portu zewnętrznego wykonano w dwóch etapach badań symulacyjnych: I etap określenie parametrów wejścia do portu bez uwzględnienia analizy falowania w porcie; II etap określenie parametrów wejścia do portu po korekcie falochronu wynikającej z analizy falowania w porcie. Etapy projektowania wejścia do portu Świnoujście przedstawia rys. 3 [1]. [ m ] 5976800 5976790 5976780 5976770 5976760 5976750 5976740 5976730 5976720 5976710 5976700 5976690 5976680 5976670 5976660 5976650 5976640 5976630 5976620 5976610 5976600 5976590 5976580 5976570 5976560 5976550 5976540 5976530 5976520 5976510 5976500 5976490 5976480 5976470 5976460 5976450 5976440 5976430 5976420 5976410 5976400 5976390 5976380 5976370 5976360 5976350 5976340 5976330 5976320 5976310 5976300 5976290 5976280 5976270 5976260 5976250 5976240 5976230 5976220 5976210 5976200 5976190 5976180 5976170 5976160 5976150 5976140 5976130 5976120 5976110 5976100 5976090 5976080 5976070 5976060 5976050 5976040 5976030 5976020 5976010 5976000 Śre Max Izobata 14.5 m Izobata 13 m 95% Etap II Etap I 452500 452510 452520 452530 452540 452550 452560 452570 452580 452590 452600 452610 452620 452630 452640 452650 452660 452670 452680 452690 452700 452710 452720 452730 452740 452750 452760 452770 452780 452790 452800 452810 452820 452830 452840 452850 452860 452870 452880 452890 452900 452910 452920 452930 452940 452950 452960 452970 452980 452990 453000 Rys. 3. Etapy projektowania wejścia do portu zewnętrznego w Świnoujściu [ m ]
46 Gucma S.: Określenie parametrów portu zewnętrznego w Świnoujściu w aspekcie 4. Podsumowanie W artykule przedstawiono nową, opracowaną przez autora, metodę projektowania portowej części terminali LNG umożliwiającą optymalizację parametrów wybranego wariantu lokalizacji portu. Opracowana metoda została zastosowana przy projektowaniu portu zewnętrznego w Świnoujściu, w którym zlokalizowany będzie terminal LNG. Wynikiem zastosowania tej metody było określenie parametrów portu zewnętrznego w Świnoujściu oraz parametrów stanowiska rozładunkowego LNG obsługującego gazowce LNG typu Q-flex. Zastosowanie tej metody umożliwiło również określenie parametrów podejściowych dróg wodnych oraz warunków bezpiecznej eksploatacji gazowców. Literatura 1. Analiza nawigacyjna portu zewnętrznego w Świnoujściu, praca naukowo-badawcza, Akademia Morska w Szczecinie, Szczecin 2008. 2. Gucma L.: Wytyczne do zarządzania ryzykiem morskim. Wydawnictwo Naukowe Akademii Morskiej w Szczecinie, ISBN 978-83-89901-42-2, Szczecin 2009. 3. Gucma S.: Inżynieria ruchu morskiego, Wydawnictwo Okrętownictwo i Żegluga, ISBN 83-908796-6-2, Gdańsk 2001. 4. Gucma S.: Nawigacja pilotażowa, Wydawnictwo Fundacja Promocji Przemysłu Okrętowego i Gospodarki Morskiej, ISBN 83-919488-5-4, Gdańsk 2004. 5. Gucma S., Artyszuk J., Gucma L., Gucma M., Ślączka W., Zalewski P.: Projektowanie i eksploatacja terminali LNG w aspekcie bezpieczeństwa nawigacji, Wydawnictwo Naukowe Akademii Morskiej w Szczecinie, ISBN 978-83-89901-40-8, Szczecin 2009. 6. Gucma S., Gucma L., Zalewski P.: Symulacyjne metody badań w inżynierii ruchu morskiego, Wydawnictwo Naukowe Akademii Morskiej w Szczecinie, ISBN 978-83- 89901-29-3, Szczecin 2008.