LNG運輸船的綠色路徑

劉積驊 秦 琦

近年來氣體運輸船總體保持快速發(fā)展態(tài)勢，特別是2008年世界金融危機爆發(fā)以來氣體運輸船市場快速反彈，在船舶建造市場上表現(xiàn)十分搶眼。這種快速的市場發(fā)展表現(xiàn)不僅源于需求的高速增長，同時在一定程度上也表現(xiàn)為技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展促進了市場的發(fā)展。

主要環(huán)保節(jié)能技術(shù)途徑

隨著IMO對于環(huán)保的要求越來越嚴格，通過環(huán)保節(jié)能技術(shù)提高船舶節(jié)能水平和效率勢在必行。從多個方面分析了LNG船的主要環(huán)保節(jié)能技術(shù)途徑：

1、船型

隨著船舶尺度的增加，許多船廠通過優(yōu)化船型以提高LNG船的效率。例如采用雙軸設(shè)計，目前已應(yīng)用至16萬m3左右的LNG船。對于16萬～17萬m3的LNG船，應(yīng)考慮雙軸帶來的低燃料消耗與投資增加和技術(shù)復(fù)雜性之間的平衡。

2、推進系統(tǒng)

目前多燃料發(fā)動機和推進節(jié)能技術(shù)正成為推動LNG船市場發(fā)展的重要動力。在選擇環(huán)保型推進系統(tǒng)時，效率是決定因素之一。目前雙燃料和三燃料中速柴油機電力推進方式已成為市場的標準配置，雙燃料電力推進雖然初始成本較高，但是總體效率可以達到43%～46%，并且可以減少燃料消耗和CO2排放。

一般而言，一艘14.5萬m3的蒸汽推進LNG船以18～19節(jié)速度航行時，每天約消耗160mt燃料當(dāng)量，排放出498t的CO2。而一艘16.5m3的柴電推進LNG船，以相同速度航行時每天約消耗126mt燃油當(dāng)量，排放出392t的CO2，一年可以減少約30000t的CO2排放量。

除了柴電推進方式之外，目前還有一些高效蒸汽輪機例如超蒸汽輪機或蒸汽加熱裝置，相比于常規(guī)蒸汽輪機可以減少15%的燃料消耗量。

低速柴油機的效率比雙燃料推進和高效蒸汽輪機更高，總的熱效率可以達到48%。利用新的汽缸潤滑技術(shù)，低速發(fā)動機的速度可選范圍更廣。為了將液貨艙的壓力保持在安全水平，應(yīng)安裝再液化裝置。

3、螺旋槳和伴流設(shè)計優(yōu)化

對于一艘13.8萬m3的LNG船，約需27000KW的動力達到19.5節(jié)的運營航速。雖然采用定距槳是一種普遍的推進方式，但現(xiàn)在越來越多的LNG船采用雙槳和雙燃料/三燃料主機方式。

隨著船舶尺度的增加，設(shè)計者采用多種方法改善螺旋槳設(shè)計、船尾振動和尾部區(qū)域伴流等，例如改變螺旋槳/葉片，在舵、螺旋槳槳轂和尾軸管鑄件安裝附加的伴流改進設(shè)備，以及在船尾安裝附加的渦流發(fā)生器/導(dǎo)流板。這些改進可以提高能效、可靠性和操縱性，最多減少三分之一的燃料消耗。

此外，吊艙推進、疊葉螺旋槳等推進方式目前也在研究中，以減少能耗，提高環(huán)保性。

4、涂層技術(shù)

目前許多LNG船采用無殺蟲劑硅涂層，相比于傳統(tǒng)涂層可以減少2%～9%的能耗。不過業(yè)界目前對于涂層的研究進展不大。

5、再液化裝置

隨著柴電推進技術(shù)的發(fā)展，存在三種方式處理蒸發(fā)氣：①使氣體燃燒在氣體燃燒裝置內(nèi)，這無益于船舶或船東；②使氣體在主機內(nèi)燃燒，這有益于船舶；③將氣體再液化為LNG，然后注入液貨艙，這有益于貨主。

卡塔爾天然氣運輸公司的LNG船（20萬m3級Q-FLEX和Q-MAX）采用的低速柴油機不能燃燒甲烷，而且由于氣體蒸發(fā)率較大（176t/d），因此需要安裝一套再液化裝置以保持貨艙壓力。對于雙燃料推進LNG船，雖然可以燃燒甲烷，但是經(jīng)濟性不好，而且會導(dǎo)致CO2增加。隨著LNG貿(mào)易從點到點的貿(mào)易轉(zhuǎn)向靈活的全球貿(mào)易，低效率的行

程安排會導(dǎo)致壓載或滿載時的速度降低，進而導(dǎo)致蒸發(fā)氣揮發(fā)過量，這就要求雙燃料推進大型LNG船采用再液化裝置。由此可見，通過再液化裝置有效管理蒸發(fā)氣，是一種可行的經(jīng)濟方法。

不過該技術(shù)并不是適用于所有LNG船，只有船舶尺度達到一定程度、再液化量能夠滿足保持服務(wù)航速的需求時，安裝再液化裝置才是一種直接有效的方法。而且再液化裝置的主要受益者是貨主而非船東，因此船東沒有動力去投資這種大投資設(shè)備。因此再液化裝置的安裝多用于長期租借的或者由國際石油公司或國家石油公司擁有和操作的大型LNG船。

6、其他途徑

除了上述技術(shù)方法，還可以從船舶尺度、減少臭氧消耗物質(zhì)、減少可揮發(fā)有機化合物、減少硫燃料、能效設(shè)計、減少進入液貨艙的熱量、壓載水處理等方法進行節(jié)能減排。

經(jīng)典的環(huán)保節(jié)能型船舶

環(huán)保節(jié)能型LNG船“Soyo”號

三星重工在全球LNG船建造市場上具有領(lǐng)導(dǎo)地位，據(jù)統(tǒng)計，截至2013年4月份，全球1萬m3以上的LNG船手持訂單中，三星重工所占市場份額以艘數(shù)計達到37%。從LNG船技術(shù)的開發(fā)來看，該船廠不斷進行技術(shù)的創(chuàng)新，2001年開發(fā)了世界上首艘電力推進LNG船，2008年建造了世界首艘最大的26.6萬m3級LNG船，2009年建造了采用先進環(huán)保技術(shù)的世界首艘LNGSRV船，2011年開發(fā)了韓國首套LNG液貨艙系統(tǒng)。這些技術(shù)的開發(fā)促進了三星重工在LNG船市場上的領(lǐng)先地位，例如土耳其MINT公司在該船廠建造了4艘同型環(huán)保LNG船，其首艘船“Soyo”號于2011年交付。

圖2∶“Soyo”號的總布置圖

該船總長285.357米，型寬43.4 m，型深（至主甲板）26.4米，結(jié)構(gòu)吃水為12.75米，結(jié)構(gòu)載重量為82857t，方形系數(shù)（設(shè)計吃水）為0.795，服務(wù)航速為21節(jié)，貨物容量為160518m3。“Soyo”號具有較好的港口終端適應(yīng)性，幾乎能夠適用于全球所有的LNG終端。該船具有較高的振動和噪聲標準，滿足IMO A.468& ISO 6954標準，疲勞壽命滿足航行于北大西洋40年的要求，并且還擁有美國船級社“環(huán)境保護（ES）”符號。該船的一個特點是安裝有節(jié)能鰭板SAVER，可以提高螺旋槳的伴流效率，主要通過節(jié)能鰭板對船尾流體的控制以改善船尾的壓力回升效應(yīng)。此外，該節(jié)能鰭板對船體振動性能也有良好的效果。該船的環(huán)保性還表現(xiàn)為采用了3臺瓦錫蘭現(xiàn)代12V50DF型和1臺6L50DF型發(fā)動機，可以減少NOX和SOX的排放，符合IMO Tier II指南要求。

三燃料推進LNG船“GDF Suez Neptune”號

“GDF Suez Neptune”號是三星重工為Hong LNG公司和三井航運公司建造的一艘LNG再氣化船。船上配備有3個再氣化撬裝裝置，天然氣的輸出量約為2100萬m3/d，該船也可以作為一艘常規(guī)LNG船使用，將氣體直接輸送給岸基再氣化設(shè)施。

該LNG船總長283.06米，型寬43.4米，總噸96153t，結(jié)構(gòu)吃水12.4米，服務(wù)航速19.5節(jié)，主機為3臺114000KW的瓦錫蘭12V50DF型發(fā)動機和1臺5700KW的6L50DF型發(fā)動機。船首推進器為2個1200KW的推進器，船尾推進器為2個1200KW推進器。船上配備有一套三燃料柴電（TFDE）推進系統(tǒng)，它可以將蒸發(fā)氣用作燃料，三星重工稱該系統(tǒng)相比普通的蒸汽輪機系統(tǒng)可以提高30%的效率。Sriram Balasubramanian認為TFDE相比于柴油機具有20個優(yōu)點，其中包括：①采用2臺電動機，減少所需空間，可以用于儲存貨物；②相比于柴油機，電動機的維護極少；③機器的布置更具靈活性。

圖4∶“GDF Suez Neptune”號的總布置圖

并且該船擁有挪威船級社“綠色護照”，其他環(huán)保節(jié)能特點還包括：①在再氣化過程中不使用海水；②主機室和海水冷卻循環(huán)系統(tǒng)中的冷卻海水無需排出；③較低的NOX排放量；④防止油污染的雨水排出；⑤無毒防腐涂層。

據(jù)了解，除以上船東外，還有多家航運公司向三星重工訂購了多艘采用TFDE的LNG船，例如摩洛哥GasLog公司向三星重工訂購了10艘11.5萬m3和2艘17.4萬m3的三燃料推進LNG船。

除了三星重工建造三燃料柴電推進LNG船，韓國現(xiàn)代重工也建造該類型LNG船，例如2010年現(xiàn)代重工交付給日本三井航運的LNG船“Abdelkader”號也是三燃料柴電推進LNG船。該船采用4臺瓦錫蘭三燃料發(fā)電機和2臺50%可逆轉(zhuǎn)同步電動機，推進系統(tǒng)可以使用強制蒸發(fā)氣、柴油和重油，主機還配有廢氣節(jié)能器作為廢熱回收系統(tǒng)使用。該柴電推進系統(tǒng)完全符合MARPOL附則VI第13條的規(guī)定和NOX技術(shù)規(guī)則。主機室和貨物控制室能夠進行裝置設(shè)備的集中控制，并且允許各種操作模式下的機器無人化操作。

“Energy Horizon”號節(jié)能LNG船

日本川崎重工為日本東京LNG油船公司和日本郵船公司建造了2艘LNG船，首艘“Energy Horizon”號已于2011年交付。

“Energy Horizon”號總長300米，型寬52米，至主甲板深28米，結(jié)構(gòu)吃水為12.5米，結(jié)構(gòu)載重量為97931t，服務(wù)航速約為19.5節(jié)，主機采用1臺川崎重工29890KW的發(fā)動機。

圖7∶“Energy Horizon”號的總布置圖

該船是目前艙容最大的MOSS型LNG船，能夠最大程度地提高運輸效率。船上配備有4個獨立式球型艙，總艙容達到177440m3。貨艙采用川崎面板系統(tǒng)，能夠?qū)⑷照舭l(fā)率降低到0.1%。該船能夠進入世界主要的LNG終端，船體具有良好的推進效率，并且采用雙殼和雙底結(jié)構(gòu)以保護液貨艙?！癊nergy Horizon”號的一個特點是安裝有一套再加熱蒸汽渦輪推進裝置“川崎URA裝置”，相比于普通的蒸汽輪機船每天最多可以節(jié)省15%的油耗，加熱循環(huán)將來自蒸汽渦輪的蒸汽輸送至鍋爐進行加熱，產(chǎn)生的高溫蒸汽進而返回至渦輪。此外，該船還配備有一套綜合導(dǎo)航系統(tǒng)，在駕駛室具有360°的視角。由于船上安裝有Nabtesco系統(tǒng)，駕駛室可以實現(xiàn)一人駕駛。貨物監(jiān)控室安裝有1套綜合自動化系統(tǒng)，可以監(jiān)控貨物轉(zhuǎn)運操作和機械系統(tǒng)狀態(tài)。

創(chuàng)新型環(huán)保LNG船“Sayaendo”號

三菱重工新開發(fā)了新一代LNG船15.5萬m3的“Sayaendo”號，該船集經(jīng)濟性、操作靈活性和環(huán)保性于一體。總長288米，型寬48.94米，型深26米，設(shè)計吃水11.55米，載重量約為75000t，航速約為19.5節(jié)。

圖9∶“Sayaendo”號減少單位貨物CO2排放的途徑

該船的主要設(shè)計特點包括：①通過加長貨艙增加貨艙容量；②減少船體重量；③低蒸發(fā)率，每天僅為0.08%；④低維護成本；⑤貨物儲存多樣化；⑥緊湊型設(shè)計；⑦低燃料消耗。該船通過減少船體重量、改善推進效率、利用連續(xù)貨艙蓋減少風(fēng)阻、安裝三菱重工超蒸汽輪機裝置（MHI-UST）以及靈活選擇燃料等途徑顯著減少燃料消耗，相比于常規(guī)LNG船該船可以減少20%的燃料消耗；⑧環(huán)保性能。通過改進推進性能、降低風(fēng)阻、安裝先進動力裝置等方法，與14.7萬m3的常規(guī)LNG船相比，每單位貨物可以減少約25%的CO2排放量。

據(jù)了解，2011年三菱重工接獲日本郵船一艘采用MHI-UST裝置的LNG船，該推進技術(shù)采用一臺中壓渦輪機以及高壓、低壓渦輪機。來自鍋爐的蒸汽驅(qū)動高壓渦輪機，之后廢氣返回至渦輪機進行再加熱以驅(qū)動中壓渦輪機以及低壓渦輪機。

專家觀點

首先需要說明的是，文中提到的環(huán)保節(jié)能技術(shù)對于氣體運輸船船而言是一種性能的優(yōu)化，它與安全性、港口兼容性、操縱性、經(jīng)濟性和高效率等多種性能共同組成了氣體運輸船設(shè)計、建造和運營的要求。需要在保證安全性的基礎(chǔ)上提高環(huán)保節(jié)能性。

氣體運輸船的環(huán)保節(jié)能要求將會越來越細化和嚴格。MEPC 65屆會議審議了有關(guān)LNG船的EEDI計算建議等事項，同意“對LNG船制定單獨的基準線，并分別按照柴油機直接推進、柴電推進和蒸汽輪機推進三種方式制定各自的基準線，同意將蒸發(fā)氣體的再液化裝置消耗的能力應(yīng)算到柴油機直接推進的LNG船的PAE中”。這種細化將會促進氣體運輸船的設(shè)計與建造的節(jié)能減排要求更加具體化和嚴格。

從三星重工建造的三燃料主機LNG船的市場發(fā)展來看，打造滿足客戶需求和符合市場發(fā)展方向的船型，才能獲得市場的認可。據(jù)Gloar LNG公司稱，近年來LNG船租賃市場的運費開始呈現(xiàn)出與技術(shù)相關(guān)的特點，特別是三燃料柴電推進方式較其他推進方式可以獲得更高溢價，相比于采用蒸汽輪機的船舶日均可節(jié)省20000～40000美元的營運費用。

中國液化氣體船建造市場已經(jīng)取得初步發(fā)展。據(jù)了解，中國目前LNG船的主要建造廠商滬東中華已經(jīng)建造了6艘LNG船，目前還擁有8艘手持訂單，LNG船技術(shù)研發(fā)也在不斷開展。但是相比于韓國和日本的LNG船的發(fā)展，中國無論在數(shù)量上還是技術(shù)上都表現(xiàn)出較大的差距。僅就節(jié)能環(huán)保性這一點來說，環(huán)保節(jié)能主機、創(chuàng)新的液貨艙型式、推進系統(tǒng)的優(yōu)化等等方面，中國船廠需加快發(fā)展，開展創(chuàng)新研發(fā)積累。