LNG運輸船的結(jié)構(gòu)特點及發(fā)展前景

谷 翀

上海海事大學(xué)商船學(xué)院

0 引言

當(dāng)今世界，隨著科學(xué)技術(shù)以及人類文明的發(fā)展，人們對于能源的需求也越來越多。LNG 船（見圖1）作為一種運輸液化氣能源的特殊船舶，其巨大的運輸量和低的成本可以滿足人們對于能源的需求。LNG 船作為一種可以運輸能源的新興船舶，它的結(jié)構(gòu)的特殊性值得我們?nèi)ヌ接憽Ｊ煜て浣Y(jié)構(gòu)對于提高運輸量以及降低運輸成本具有深遠(yuǎn)意義[1-2]。其發(fā)展前景對于船舶業(yè)以及能源業(yè)也具有重大的意義。

圖1 LNG船

1 LNG船的結(jié)構(gòu)特點

在能源的開發(fā)利用過程中，天然氣作為一種高效、無污染、產(chǎn)量大的清潔能源，已經(jīng)越來越多地被世界各國所使用。世界對天然氣的需求量也在不斷增加。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，近幾年來，天然氣在世界各國的能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)的比例也越來越高，人們已經(jīng)有了用天然氣去取代石油這個長久以來占據(jù)世界第一的能源的想法。天然氣的巨大需求也使得人們對于可以運輸它的交通工具需求量劇增，而作為可以運輸大量液化天然氣的LNG 船，在其中的重要性也不言而喻。人們越來越重視LNG 船舶的發(fā)展前景，越來越看重LNG 船舶的結(jié)構(gòu)。這也加速了各國對于LNG 船隊的建設(shè)，加速了世界對于LNG船舶各個結(jié)構(gòu)的開發(fā)和研制。

1.1 主推進(jìn)動力裝置

眾所周知，主推進(jìn)動力裝置對于整個船舶的結(jié)構(gòu)起著重要作用，對于LNG船也同樣如此，在船舶動力裝置各組成部分中，無論從使用占比、制造所花費成本來看，還是從保養(yǎng)檢修，日常人員檢查維修所投入的費用和工作精力來看，推進(jìn)裝置都處于不可取代的地位。傳統(tǒng)上，所有大型LNG 船都采用鍋爐汽輪機裝置來驅(qū)動。雖然這種推進(jìn)裝置已經(jīng)極大證明了其可靠性，但是和其他選擇方案來比，其熱效率低、經(jīng)濟性差、體積和重量大的缺點也被放大。

目前,對于LNG 船的主動力裝置主要分為兩種，一種為傳統(tǒng)的鍋爐汽輪機裝置，另一種就是柴油機裝置。此外還開發(fā)了例如以柴油機為主的雙燃料混合裝置等其他多種衍生的主動力裝置，這些裝置的普及應(yīng)用及其帶來的種種益處也促使人們對于LNG 船主動力裝置觀念的改變[3]。本文主要介紹的是最為常見的鍋爐和柴油機兩種動力裝置。

1.1.1 鍋爐汽輪機裝置

一般來說，LNG 船的鍋爐汽輪機裝置是兩臺鍋爐配一臺汽輪機。我國首制LNG 船采用的就是這種鍋爐汽輪裝置。

1.1.2 柴油機裝置

1)二沖程低速柴油機

二沖程柴油機輸出功率大，效率高，但只能使用液體燃料，只適用于大型LNG船舶。

2)雙燃料柴油機

圖2 雙燃料柴油機電力驅(qū)動系統(tǒng)簡圖

如圖2所示，雙燃料柴油機的主要特點是：采用燃油和天然氣兩種燃料混合驅(qū)動，輸出功率大，且因為其體積小、重量輕，在LNG 船機艙中占地面積也小，節(jié)省空間的同時燃料燃燒產(chǎn)生有害物質(zhì)少，幾乎對海洋無污染。符合現(xiàn)代船舶的發(fā)展規(guī)律和當(dāng)今世界保護環(huán)境的主題。

總的來說，雖然LNG 船在使用柴油機動力裝置上表現(xiàn)為上升趨勢，但作為傳統(tǒng)的動力裝置，鍋爐汽輪機裝置也在發(fā)展過程中不斷改進(jìn)，在LNG 船舶的使用上仍占據(jù)著重要地位。兩種動力裝置各有其優(yōu)缺點，在未來的發(fā)展道路中，我們應(yīng)結(jié)合兩者的優(yōu)勢并屏除兩者的劣勢，推動LNG 船的主動力裝置走向一個新的平臺。

1.2 新ICG code下的LNG船結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

其實除了這些重要的主動力裝置以外，LNG 運輸船的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計也具有異常嚴(yán)格甚至是苛刻的要求。為了保障液化天然氣在運輸過程中的安全性，減少火災(zāi)、泄漏等突發(fā)意外事故對船員的傷害和海洋環(huán)境的污染，國際海事組織也在2014 年采用了最新的國際規(guī)范，即ICG code[4]。由此可見結(jié)構(gòu)設(shè)計在整個LNG 船布局中所占的重要地位。下面就以這個規(guī)范為例具體分析。

1）艙室布置

由于LNG 運輸船屬于一種危險系數(shù)較高的特殊船舶，原版的規(guī)范在某些細(xì)節(jié)上難以滿足其嚴(yán)格的制造要求，也過于落后，例如其對船舶內(nèi)外殼間距的要求對于LNG 船來說過于小，而新版的規(guī)范針對此情況提出了新間距，滿足了艙室布置中的要求。

2）新舊ICG code設(shè)計載荷對比

出于對貨物在運輸過程中安全性的考慮，新的規(guī)范也涉及了船舶運輸過程中可能遇到的一系列載荷：

（1）內(nèi)部壓力

（2）外部壓力

（3）熱負(fù)荷

（4）測試負(fù)荷

（5）貨艙的支反力

貨物的加速度計算公式也發(fā)生了稍許的變化，相比于舊的規(guī)范，新的規(guī)范在垂向速度上有所增加。

3）結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)規(guī)范要求，薄膜型LNG 船載荷工況主要包括：波浪工況、垂向動力況、靜橫傾工況、動橫搖工況、抨擊工況[5]。這其中動橫搖工況計算最為煩瑣，屬于各個載荷工況中的重點和難點。下面就來簡單分析下這種工況。

動橫搖工況主要需要計算出各點對應(yīng)最大壓力的橫傾角，而橫傾角的計算比較煩瑣，且壓力計算也涉及其他因素，同時運用到的公式也比較難且多。

總而言之，新的規(guī)范針對LNG 船的整體布置和結(jié)構(gòu)規(guī)范提出了新的要求，這對于提高我國LNG 船的運輸水平和綜合能力具有很強的必要性。

1.3 輔助設(shè)備系統(tǒng)和管路系統(tǒng)

然而，一艘完整的船舶不僅僅需要強有力的主動力裝置和嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時也需要好的輔助設(shè)備系統(tǒng)和管路系統(tǒng)。

1.3.1 輔助設(shè)備系統(tǒng)

LNG船的輔助系統(tǒng)主要由以下設(shè)備組成：

1）透平給水泵；2臺

2）氮氣發(fā)生器；1臺

3）制淡水裝置；2臺

4）空氣壓縮機；3臺

5）惰性氣體發(fā)生器；2臺

6）鍋爐強力掃風(fēng)；3臺

7）各類油泵水泵

(1)透平給水泵：將標(biāo)準(zhǔn)工作工況下的蒸餾水提供給鍋爐水包進(jìn)行加熱。

(2)制淡水裝置：將海水或冷凝水轉(zhuǎn)換為淡水供船上人員使用。

(3)空氣壓縮機：為各類氣動設(shè)備例如閥件和甲板器械提供足夠的動能。

(4)惰性氣體發(fā)生器：用于管路的干燥和清洗以及驅(qū)除其他氣體。

(5)鍋爐強力掃風(fēng)：為燃燒室提供充足且符合要求壓力的空氣來確保其充分燃燒。

1.3.2 管路系統(tǒng)

特殊的管路系統(tǒng)由高溫管路和超低溫管路系統(tǒng)組成。

1）高溫管路的組成：

鍋爐給水系統(tǒng)；

中間排氣和撤汽系統(tǒng)；

飽和蒸汽系統(tǒng)；

過熱蒸汽系統(tǒng)。

2）超低溫管路系統(tǒng)的組成：

液貨與揮發(fā)的系統(tǒng)；

液貨安全閥以及洗吹系統(tǒng)；

掃倉噴淋系統(tǒng)。

高溫和低溫管路是以焊接這種特殊安裝方式而不是常規(guī)的法蘭焊接。除了特殊的安裝方式以外，這兩種管路系統(tǒng)還有著比較特別的支架形式。

高溫管路系統(tǒng)為了能夠減少工作過程中因溫度和壓力帶來的誤差，采用了加強型固定支架和彈性支架相結(jié)合的方式。

超低溫管路系統(tǒng)為了緩解因低溫導(dǎo)致的管路變形以及在不損害管路的前提下，采用加強型和半加強型結(jié)合的支架方式。且因為介質(zhì)溫度和壓力的不同，有著不同的墊片和管路的間隙距離。

船舶航行過程中，除了提高運輸效率以及減少運輸成本這些方面，運行過程中的安全性也是我們必須重點考慮的一個方面。許多海難事故都是因為安全性問題疏忽而導(dǎo)致。這些悲慘事件的發(fā)生時時刻刻提醒著我們要重視船舶運行的安全性。

因此，出于LNG 船舶安全性的考慮，一個良好的消防系統(tǒng)是LNG船所必需的。

常用的消防系統(tǒng)包括火災(zāi)探測、報警系統(tǒng)和滅火系統(tǒng)。

因為船舶運輸環(huán)境的特殊性，目前船上使用最多的滅火系統(tǒng)為水滅火系統(tǒng)，包括消防栓滅火系統(tǒng)、水噴淋系統(tǒng)、細(xì)水霧滅火系統(tǒng)等，以及氣體滅火系統(tǒng)、泡沫滅火系統(tǒng)、干粉滅火系統(tǒng)等特殊滅火系統(tǒng)[6]。

船舶火災(zāi)探測報警系統(tǒng)是保障船舶安全航運的重要設(shè)備之一，它可以在船舶的被檢測部位發(fā)生火災(zāi)或火災(zāi)預(yù)兆時報警，讓船員可以及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)險情并給予處理。LNG 船作為一種特殊的運輸液化天然氣的船舶，由于低溫液態(tài)物質(zhì)的泄漏一般導(dǎo)致汽化氣云火災(zāi)，所以LNG 船一般選用泡沫滅火系統(tǒng)以及干粉滅火系統(tǒng)來撲滅火災(zāi)。

圖3 LNG Vessel Order Book (2016-2019)Source:(Union,2015)(LNG,2016)

2 LNG運輸船的發(fā)展前景

前面本文簡單地分析了LNG 運輸船的結(jié)構(gòu)特點，從它的主動力裝置、輔助以及管路系統(tǒng)和消防系統(tǒng)中，我們可以看出LNG 運輸船相比于普通船舶的特殊性。而它的特殊性正是由它可以運輸液化天然氣這一特殊“貨品”所表現(xiàn)出來的。

眾所周知，天然氣作為一種高效率、無污染、大產(chǎn)量、低成本的能源已被世界各國廣泛需求。這也使得可以運輸液化天然氣的LNG 船擁有了一個光明的發(fā)展前景。

從圖3 所作的統(tǒng)計來看，隨著天然氣逐步替代石油成為世界占主導(dǎo)地位的燃料來源，LNG 運輸船的訂單量也在迅速提高，這也促進(jìn)了它的發(fā)展。

As emission standards become more stringent and the price of Liquefied Natural Gas(LNG) falls,more vessels are making the decision to switch to LNG as fuel[7]．正如其所說，除了陸地上的需求，越來越多的船舶也準(zhǔn)備將液化天然氣作為燃料使用。這種船舶燃料需求的變化也進(jìn)一步促進(jìn)了天然氣產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。

在我國，天然氣使用量占比很低，與世界的平均占比相距甚遠(yuǎn)。但我國又是一個貧氣大國，較少的天然氣年產(chǎn)量難以滿足龐大的人口對于天然氣的需求。這也必然會使得近年來LNG 運輸船產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，例如小型天然氣運輸船、壓縮天然氣船等的迅猛發(fā)展更是緩解了我國日益增長的天然氣需求。而沿海城市作為可以?？扛鞣NLNG 運輸船并且第一時間接收運輸液化天然氣的地區(qū)，更是在LNG 船舶的發(fā)展進(jìn)程中占據(jù)著重要地位[8]。

沿海地區(qū)的發(fā)展也能在一定程度上緩解我國當(dāng)前天然氣能源產(chǎn)出遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于需求的現(xiàn)狀，對于解決我國的能源矛盾也具有重要意義。我國作為一個工業(yè)大國，工業(yè)的迅速發(fā)展也意味著要消耗更多的能源，能源消耗量的增多也促進(jìn)了天然氣貿(mào)易量的增加，貿(mào)易量的增加也直接促進(jìn)了沿海地區(qū)LNG產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

所謂的LNG 產(chǎn)業(yè)也就是一種具有鏈系關(guān)系的新興產(chǎn)業(yè)，也即一系列與LNG 密切聯(lián)系的相關(guān)產(chǎn)業(yè)的組合。這樣一種鏈系的發(fā)展也有利于各個相關(guān)產(chǎn)業(yè)相輔相成、相互滲透、共同進(jìn)步。隨著我國LNG 訂單的增多，越來越多的LNG 運輸船也開往我國各個沿海港口。目前，我國沿海地區(qū)的LNG 產(chǎn)業(yè)鏈已具雛形，以廣東為首的第一個LNG 項目已經(jīng)建成并已正式投入運營。這一項目覆蓋了珠三角的大部分地區(qū)并且擁有不錯的運輸量。而我國的第二個LNG 運輸鏈也將在福建、大連、上海等沿海地區(qū)建成。LNG 運輸鏈正向著更多、更大、覆蓋面更廣的方向發(fā)展[9-10]。天然氣需求量的增大也會促進(jìn)LNG 船的建成，LNG 船集中了目前世界最先進(jìn)的造船技術(shù)，能夠建造LNG 船已經(jīng)成為衡量一個國家船舶工業(yè)水平的重要標(biāo)志。目前，我國LNG 船主要由上海滬東造船廠制造，我國正向著制造高運輸量、低成本、高效率的LNG 運輸船方向努力。當(dāng)然在LNG 船舶業(yè)迅速發(fā)展的同時，我們也不可忽略其可能帶來的風(fēng)險。在海上運輸液化天然氣時，其操作的危險性可以危及人員生命、設(shè)備以及環(huán)境，特別是在天氣惡劣的條件下更要注意。舉個例子，在惡劣海況下進(jìn)行停泊工作時，靠拖輪的協(xié)助不足以將LNG 船拉入理想的位置，因此由于距離較近，LNG 船舶之間碰撞的可能性也大大增加。鑒于類似此類的種種情形，我們也要做好LNG 船舶運輸?shù)娘L(fēng)險評估。

我國的海運安全以及船舶運輸風(fēng)險評估研究相對于國外起步較晚，目前還沒有國外那種完整而又健全的系統(tǒng)體系，但隨著我國綜合國力的增強，我國也投入了巨大精力去建立相關(guān)的體系結(jié)構(gòu)。由于LNG 是一種特殊、危險性較高的氣體，隨著LNG 船舶運輸業(yè)的迅猛發(fā)展，我國也在不斷完善對其的風(fēng)險評估，促進(jìn)其向著更好的方向發(fā)展。

不僅我國的LNG 產(chǎn)業(yè)在迅猛發(fā)展，隨著世界天然氣產(chǎn)量和消費量的增長，全球LNG 貿(mào)易總量總體保持增長的趨勢。LNG 新船的成交量也在持續(xù)上升，這也間接促進(jìn)了造船訂單量和手持訂單量的回暖。但由于最近幾年造船市場的不景氣，造船價格仍然保持在一個較低的位置。過去10 多年的LNG造船市場，韓國幾乎占據(jù)著壟斷地位，但近幾年歐洲的LNG 造船市場表現(xiàn)活躍，呈現(xiàn)出了上升的趨勢，投資量也在不斷增加?？偟膩碚f，全球LNG 海運量將保持在一個穩(wěn)定增長的趨勢，全球LNG 船市場的前景也十分廣闊。我國也應(yīng)該追隨著這個發(fā)展的大好時機，緊追世界的腳步，大力提高自己的LNG船舶的建造水平。

目前世界上的LNG 船建造國主要集中在中、日、韓三國。中國雖然進(jìn)入了LNG 船建造行業(yè)，但實際上LNG 船的建造企業(yè)僅有滬東造船廠一家，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上日本和韓國。LNG 船建造以其在技術(shù)上的高要求、精準(zhǔn)度而聞名。我國在近幾年LNG 船舶的進(jìn)口量呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢。隨著LNG 運輸業(yè)的發(fā)展，這個數(shù)量仍會不斷上升，僅靠進(jìn)口難以滿足我國龐大的需求量，所以發(fā)展我國LNG 船舶建造業(yè)也迫在眉睫。2011 年，滬東造船廠成為中國LNG 運輸項目的中標(biāo)船廠，這也是我國首獲LNG 船舶出口訂單。此外，上海寶山鋼鐵廠也打破了外國企業(yè)對LNG 船板的壟斷。這種種跡象表明，我國的LNG 船建造業(yè)有著光明的發(fā)展前景。

目前來說，我國的LNG 行業(yè)想要成為世界頂尖行業(yè)，仍然有著很長的一段路需要走。我國也開辟了LNG 船建造的新方向，例如，建設(shè)了一批LNG 接收和配送裝置，加大了對其的投資量，加強了亞太地區(qū)各個國家關(guān)于LNG 項目的交流，籌建了一系列相關(guān)項目?？偟膩碚f，中國想要實現(xiàn)造船強國的目標(biāo)，提高我國LNG 造船業(yè)在世界上的競爭力，就必須堅持我國制定的發(fā)展戰(zhàn)略，掌握自己的核心技術(shù)，加快自有LNG 船隊建設(shè)，推動造船企業(yè)學(xué)習(xí)國外的先進(jìn)技術(shù)，提升對船舶的管理能力，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新，加強對專業(yè)性人才的培養(yǎng)。

3 結(jié)語

整篇文章簡略地從結(jié)構(gòu)特點和發(fā)展前景兩個方面分析了LNG運輸船，提出了自己的看法，也對于我國LNG 船舶該如何發(fā)展提出了建議和觀點。當(dāng)前LNG運輸船已經(jīng)成了一種世界備受關(guān)注的高技術(shù)船舶，其結(jié)構(gòu)特點決定了它建造過程中的復(fù)雜性，更是由于其能夠運輸天然氣這個世界需求量極大的能源的屬性，使得它具有一個異常廣闊光明的發(fā)展前景。各國也在加大力度發(fā)展自己的LNG行業(yè)。而我國作為當(dāng)今世界一個綜合大國，LNG 船舶及其相關(guān)行業(yè)的迅猛發(fā)展也在一定程度上促進(jìn)了我國能源產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，也解決了一些我國能源發(fā)展過程中面臨的困難，這是一種良性的循環(huán)。當(dāng)然更為重要的是，它更是給步入低潮期多年的航運業(yè)添加了新的血液，使得低迷的航海業(yè)出現(xiàn)了回暖。