能源儲運船及其節能技術

摘 要：能源儲運的形式多種多樣，通過海上船舶運輸是其中的一種，并且發展迅速，日益受到注目。文章描述了能源海上儲運船只的種類及其基本情況，并著重闡述了船舶運輸的節能技術及其發展趨勢。目前能源運輸船只的節能技術主要集中在減小船體阻力、提升推進性能和提高推進設備的效率這三個方面。為了達到節能環保的目的，應當采用能減小粘性阻力的船體設計方案；開發并使用附加翼片等來改善船舶的推進性能；采用再液化裝置或者氣體渦輪機和電力推進等組合方案等。此外，還對能源輸送的新型船舶進行了簡單的描述。

關鍵詞：能源儲運 船 節能技術 LNG

中圖分類號：F62 文獻標識碼：A

文章編號：1004-4914(2007)10-260-02

一、緒言

能源的儲存與運輸形式有多種多樣，通過使用船舶進行海上運輸是其中的一種。通過海上運送能源船只的形式也有各種各樣，如運送石油、液化天然氣（LNG）、煤炭等。目前世界海上貨物的運輸量年年遞增，從1993年的43億噸增加到2003年的約61億噸，每年平均的增長率約為4％。這其中有相當大的一部分是在運輸能源。隨著世界經濟總量，特別是發展中國家經濟快速穩定的增長，海上能源的運輸量也在年年增加。為了保證安全、高效地運輸能源，各國開發與使用了各種各樣專用的船只，但總的來說，近年來能源輸送船只呈現了大型化的發展趨勢，其自身所消耗能源量也在不斷增加。隨著全球對能源與環境問題日益重視，海上輸送能源船只的節能技術也越來越受到矚目，以減小能耗、提高輸送效率。下面筆者就海上輸送能源的船舶種類及節能技術進行簡單的介紹。

二、能源儲運船的種類

1.油輪。石油在常溫下是一種可燃性的液體。由于石油是一種對海洋有污染的物質，所以除了對油輪要注重防火，采取適當的消防措施以外，還要注重采用防止石油外流的措施。因此，近10年來所建造的油輪都基本上采用了雙重船體的構造，并且采用多艙儲存，即盡可能地將儲油塊相互斷開，這樣保證即使油輪撞上海中的其它物體時，也能夠最大限度地減小石油外流。

2.LNG 船。LNG船是輸送低溫、低密度和可燃性液化天然氣的專用船只。從學術角度來說，適合低溫液體長距離儲運的儲罐的形狀、材料及構造有多種多樣，但是從工程角度以及從經濟性、可靠性的角度，獨立球形儲罐和膜式(membrane type)儲運占據主流。由于LNG的低溫儲運特點，所以對儲罐的設計要求可以耐低溫、具有優良的絕熱以及熱伸縮性，而且在各種溫度、壓力等負荷下要求有足夠的強度。由于世界范圍內對清潔性能源天然氣需求的不斷增加，LNG船發展迅速，其輸儲量也日益增加。具體地說，1964年開始了LNG的海上商業運輸，此后，LNG的海上輸送量年年增加，至2003年全世界的輸送量已達到了1.23億噸。到2004年為止，從事海上運輸的LNG船的數量也達到了160艘。

3.LPG船——液化石油氣運輸船。液化石油氣在大氣壓下是-45℃的液體，若加壓，可以在常溫下變成液體。對它的輸送，也可以采用各種各樣的方式使其液化，一般說來，小型LPG船大多采用加壓式；中型船采用低溫半加壓式；大型船用低溫式的形式進行海上運輸。在低溫式輸送中，為了抑制儲罐中壓力的升高，需用再液化裝置將蒸發的氣體再液化后送回儲罐。LPG船與LNG船的發展都呈現大型化的趨勢，因為大型化可以獲得良好的經濟性能。在輸送量一定的基礎上，大型化時可以減少LPG與LNG輸送的船次數。運用大型化運輸船，可使其運輸成本降低各約6％和14％。

三、節能技術

船舶的節能技術，主要是在減小船體阻力、提升推進性能和提高推進設備的效率這三個領域中展開研究與開發的。以下分別對這三方面進行說明。

1.減小船體阻力。船舶航行時所受到的阻力主要由波浪造成的阻力和水的粘性阻力組成的。船體所受到的阻力受船的種類和船航行的速度等因素影響很大，要根據船的具體特征來研究如何減少船在航行時所受到的阻力。普通的渡船、客船的航行速度相對較高，波浪造成的阻力在總阻力中占主要地位，所以針對渡船、客船這一類的船舶，應當研究如何減小波浪阻力，如設計合理的船型來減小航行阻力，以達到節能目的。而油輪、LNG船等的航行速度較低，粘性阻力在總阻力中占有較大比例，則應該注重對船尾形狀等船體部分的設計與研發工作，注重采取粘性阻力較小、表面粗糙度較小的船體材料，采用可以極大減小粘性阻力的船體設計方案等。如進行水槽實驗，對縮小比例的船模型進行減阻實驗；也可以使用高性能計算機對船體進行CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學）設計，研發最合適的船體形狀，以減小油輪、LNG船的航行阻力，減小能耗。

2.改善推進性能。這里的推進主要是指裝在船尾部的推進螺旋槳而產生的。近年來，隨著高性能、超速計算機的發展，國際上逐漸流行起采用CFD的數值模擬計算方法對推進器及其周圍的環境進行設計。為了提高推進器的性能，可以采用雙反轉推進器、噴嘴推進器等形式。為了回收推進器后流的能量，可以開發使用反作用舵，附加翼片等，這些附加翼片可以減少湍流渦的數目、減少渦的擴散等，從而起到提高推進性能，獲得良好節能效果的作用。

3.LNG船的節能技術。由于LNG的溫度很低，為了有效維持天然氣的低溫液體狀態，必須采用良好的熱絕緣方案，以減少與外界的傳熱過程。同時特別值得注意的是要避免熱絕緣層在各種負荷下的裂損以及松動等。若有這樣的情況發生，則絕緣層內部的熱對流加劇，起到了強化傳熱的效果，外界環境熱量更多地傳入LNG，致使儲運系統整體惡化，能耗增加且難于控制。此類情況應加以避免與重視。

另外，由于液化天然氣與大氣之間存在一定的溫度差等原因，總會導致一部分液化天然氣蒸發成氣體，這部分氣體可以作為蒸汽渦輪機的燃料來進行利用。同時也可以研發各種能夠利用這部分蒸發天然氣氣體的設備裝置，例如，目前已經研發帶有再液化裝置的柴油機設備以及氣體燃燒發動機與電力推進設備等。

目前多數的LNG船都將蒸發出來的氣體進行燃燒，使其驅動蒸汽渦輪機。通常裝有兩個鍋爐系統，來處理蒸發氣體，船內驅動蒸汽渦輪機所需要的能源量其中大約有40％～60％由蒸發氣體提供，剩余的60％～40％由其它燃油供給。但是使用蒸汽渦輪機系統，從效率以及環境等角度上來說并不是一個好方案，因為蒸汽渦輪機的效率較低、而且其燃燒排放對環境有一定的污染。所以盡管過去40多年中我們大多都使用蒸汽渦輪機方案，但是現在必須要考慮對環境更有益、更經濟、更節能的其它方案。

從有關資料中可以看出，對于再液化裝置+柴油機方案，由于蒸發氣體再液化后可以直接回到儲罐，所以推進設備與蒸發氣體的處理完全分開，這是這套方案的一個長處。除此之外，燃料效率可以大幅改善，但需要增加額外的再液化設備。柴油機排出的廢氣中的能量還可以再利用，從而進一步節能，減少燃料的消耗。從環境角度來看，由于柴油機的燃料中使用了重油，所以對這個方案還需要對NOX和SOX的排放采取措施，以減排，保護環境。

氣體燃燒發動機+電力推進設備的方案是使用蒸發的氣體作為中速氣體發動機的燃料，從而帶動發電機，得到電力，利用得到的電力來驅動推進器的發動機。與蒸汽渦輪機相比，其燃料效率可以大幅提高，能夠有效地利用蒸發出來的天然氣氣體，是這套方案的一大特點。

氣體渦輪機+電力推進方案是蒸發的天然氣氣體在氣體渦輪機中燃燒，驅動發電機，產生電力。同時排出的廢氣可以被有效利用來產生蒸汽，驅動蒸汽渦輪機。正是這個聯產的概念，產生了節能的效果。和蒸汽渦輪機相比，其燃料效率提高，同時減少了CO2的排放。

從經濟性的角度考慮，這主要取決于燃料油和天然氣的價格。如果天然氣比燃料油便宜的時候，第一套方案：蒸汽渦輪機最經濟。如果燃料油的價格具有競爭力時，第三套方案：氣體發動機+電力推進的經濟性會提高。將來從環境角度來看，最新的方案：氣體渦輪機+電力推進可能會受到矚目。

4.POD （吊翼）推進系統。通過吊翼系統，利用雙反轉，可以回收回流的能量，從而大大提高推進的效率，起到節能的效果。而且POD推進器還可以同時起到舵和推進的作用。在雙反轉POD推進系統中，可以配備兩組推進器，這樣可以更加促進節能效果的提高，可以在效率的提高和節能效果方面改善15％左右。

四、輸送能源的新型船舶

由于天然氣存在的形式可以有多種，所以近年來，壓縮天然氣、天然氣水合物（NGH）、二甲醚（DME）等受到了矚目。需要儲存、運輸的天然氣的形狀發生了變化，所以對具體船運的要求也發生了變化。

1.DME船。DME作為液化石油氣的替代燃料受到注目。其密度大于液化石油氣，沸點比較高。因此，利用現有的LPG船的設備與裝置來輸送DME是完全可能的。由于密度較大，所以對儲罐以及船體的強度需要加強。目前對DME船的總的認識是在現有LPG船的基礎上進行改造，使其能夠安全、高效地輸送DME。

2.CNG船。由于CNG的密度小，壓力高的特點，所以CNG船的儲罐為高壓容器，同時儲罐的制造及維護費用較高，但不需要再氣化過程，所以制造與再氣化過程的費用消耗較小。

3.NGH船。1996年，挪威科學技術大學的Gudmundsson教授提出了用天然氣水合物的形式來運送天然氣的設想，此后，以天然氣水合物形式進行天然氣輸送的研究逐漸展開。天然氣水合物是甲烷的冰狀結晶構造，1m3的天然氣水合物解凍后可以產生164m3的甲烷氣體。天然氣水合物的溫度不是超低溫狀態，大氣壓下只需維持輸送貨物的溫度水平在-15℃～20℃，和LNG-160℃的輸送溫度相比，應該更適合儲存與輸送。有研究表明，天然氣水合物在-20℃左右溫度環境下，其分解率達到最小，溫度低于-20℃時，其分解率反而可能增加。但是天然氣水合物的單位重量的燃燒熱較低、而且不易成為液體，其單位體積所含的天然氣量大約只是LNG的1/4，這些也許是天然氣水合物儲存與運輸的弱點。在天然氣水合物船內分解的氣體主要都是甲烷，甲烷的地球溫暖化效應約是二氧化碳的20倍，所以這部分氣體不能直接排放到大氣中，可以利用來作為船推進裝置的燃料，也可以用來發電等，這樣可以起到節能環保效果。有關NGH船的開發正在進行之中，隨著近年來全球能源問題的日益嚴峻，NGH船的研發工作進展得非常迅速，一些問題逐漸得到了解決。今后的研發工作主要集中在通過先進的實驗研究，或者數值解析手段把握接近實際航行運輸條件下的NGH的狀態以及船性能的提高等方面。

參考文獻：

Gudmundsson J. et al.， Frozen hydrate for transportation of natural gas. The 2nd International Conference on Natural Gas Hydrates. 1996.

(作者單位：中國石油化工股份有限公司管道儲運分公司襄樊輸油處 湖北襄樊 441002)(責編：若佳)