LNG船國產化研究

張濤 高彩魁 羅明星

1.廣東省深圳市城市規劃發展研究中心 2.廣東省深圳市城市規劃設計研究院有限公司3.重慶大學城市建設與環境工程學院

LNG船國產化研究

張濤1高彩魁2羅明星3

1.廣東省深圳市城市規劃發展研究中心 2.廣東省深圳市城市規劃設計研究院有限公司3.重慶大學城市建設與環境工程學院

隨著LNG海上貿易的蓬勃發展,LNG船的建造越來越受到各國的重視,而我國在這方面的工作才剛剛起步。為此,概述了LNG船的發展歷史,詳細介紹了 GTT型(薄膜艙)、MOSS型(球形艙)和SPB型(棱形艙)3種類型LNG船貨艙貨物圍護系統;討論了LNG船的關鍵性技術,指出LNG船的技術進步主要反映在降低日氣化率和提高蒸發氣的回收利用率上;分析了我國LNG船建造業和國際先進水平的差距,認為我國發展LNG船建造業面臨如下瓶頸問題:①目前我國制造業的整體水平、冶金及材料等相關行業的發展水平和工人技術水平都是發展LNG船的制約因素;②缺乏關鍵性技術,需要攻關相關基礎技術、設計技術、建造技術、管理技術、專用工裝設計5項技術難題。最后提出了打造中國自己的LNG船的技術途徑——只有堅定不移地走自主創新與技術引進相結合的道路,才能構建好中國的LNG船舶制造業,打造出完全屬于中國自己的LNG船。

LNG船 產業鏈 薄膜艙 球形艙 棱形艙 自主創新 技術引進

在LNG海上運輸行業中,LNG船是連接天然氣液化廠和LNG接收站的重要工具[1]。LNG船是除長輸管線以外進行規模化天然氣輸送最為有效的方法之一,同時也是下游燃氣企業擺脫“照付不議”制約條款最有效的方式。這類船舶在目前技術條件下的標準載貨量主要集中在(13～15)×104m3的區間,設計船齡在40～45 a。

構建中國LNG船舶制造業有著極其重要的意義,但同時也面臨著缺乏關鍵性技術的瓶頸問題,要想打造中國自己的LNG船,需要走自主創新與技術引進相結合的道路。

1 LNG船的發展概況

20世紀50～60年代,美國開始研究LNG船,并率先投入于規模化的天然氣液化和海上LNG商業貿易運輸,后來其他的少數發達國家逐漸掌握了LNG船的建造技術,并發展至大規模使用階段。據統計, 2006年LNG船全球共有206艘,2009年就已經增加到了300艘。

從目前的技術發展來看,某些先進國家已經設計并投入使用了16×104m3、20×104m3乃至30×104m3的LNG運輸船舶[2]。20×104m3以下的LNG船普遍采用雙燃料作為動力(天然氣和柴油)。為求適應LNG貿易的理性發展,同時也受到LNG發送站和LNG接收站港口水深條件的限制[3],LNG運輸船舶的艙容量穩定在(10～20)×104m3的水平是較為合理的。此類容量LNG船的建造合同價格同樣隨著LNG海上貿易的發展而穩步攀升,表1為在1998年至2006年間,艙容量為13.5×104m3LNG船的建造合同價格統計情況。

表1 13.5×104 m3 LNG船的建造合同價格表

2 LNG船貨艙的圍護系統

LNG船貨艙氣化率數值的取值高低完全是由LNG船貨艙的漏熱性能決定的,因設計理念的不同,各個國家LNG船貨艙貨物圍護系統采用的隔熱方法也有所不同。據此,LNG船貨艙貨物圍護系統可分為以下3種:GTT型(Gaz Transport Technigaz)、MOSS型(Moss Rosenberg)和SPB型。GTT型是薄膜艙, MOSS型是球形艙,SPB型是棱形艙(前身為Couch型)[4]。

2.1 GTT型LNG船

GTT型LNG船為薄膜圍護系統的LNG船,此類圍護系統主要由主薄膜、次薄膜、雙層船殼和低溫隔熱層4部分所組成,其結構如圖1所示。GTT型的圍護結構有兩種形式,其薄膜內均會受到靜應力、動應力和熱應力的作用影響。

圖1 GTT型LNG船貨艙的結構示意圖

2.2 MOSS型LNG船

MOSS型LNG船的球罐采用鋁合金制成,板材的厚度按照不同的部位大致取值在30～170 nm。為達到理想的保溫作用,鋁合金球的外表覆蓋著一層厚厚的泡沫絕緣材料,同時為了保護絕緣材料,整個貨艙球的最外表面是保護型金屬外殼。大型球罐的制造工藝流程分為備材、分段焊接、組件合成和液罐總成4個部分,詳見圖2。

2.3 SPB型LNG船

SPB型LNG船是由棱形Couch型LNG船逐漸發展而來的,其貨艙結構原本是考慮設計在液化石油氣(LPG)船上的。研發之初,為減少貨物(即LNG)在艙內的晃蕩撞擊,增加船舶的穩定性和安全性,通常在貨艙內部增加一道縱向艙壁將貨艙一分為二,貨艙材料采用的是耐低溫鋁合金,絕熱材料采用塑料泡沫。目前此類結構船舶已較少用作LNG船。

圖2 MOSS型LNG船的球罐總成流程圖

3 LNG船技術發展的新構思

在LNG船的建造和發展過程中,技術的持續更新和不斷進步是提高LNG運輸效益和拓展LNG市場的一個非常重要的因素,LNG船的技術進步主要反映在日氣化率和蒸發氣的回收利用上。

3.1 具備熱阻滯新型艙裙結構系統

在MOSS型船的球形儲槽中,沿艙裙結構的漏熱量占儲槽總漏熱量的比例較大,如果我們在此流程中采用較為先進的熱阻滯結構,則可大大地減少漏熱量。此項技術的關鍵在于插嵌入一塊特殊材質的不銹鋼板在鋁和鋼質裙之間,這樣既可以起到隔熱的效果,又可以發揮其穩定系統的作用,而且可以將日氣化率下降到0.1%左右。其結果如圖3所示。

圖3 艙裙結構示意圖

3.2 再次液化系統的模擬研究

在LNG船上裝備可靠性較強的再次液化裝置,具有巨大的市場價值。再次液化裝置分為全部再次液化裝置、自持式再次液化裝置和部分再次液化裝置3類,其均處于可行性研究階段,并未實際投入生產使用。圖4為LNG船的再次液化裝置原理圖。3.3 強制氣化系統

圖4 LNG船再次液化裝置原理示意圖

為了提高LNG船的氣化效率,在一個富有彈性的范圍內提供更多的天然氣,可以在LNG船上考慮設計強制氣化系統。強制氣化系統主要包括加熱器、壓縮機、強制式蒸發器、閥門、水泵(液貨艙內)以及一些附屬設備等。相關原理如圖5所示。

圖5 強制式氣化系統原理示意圖

4 構建中國LNG船制造業的重要性

4.1 保障國家的能源安全

據統計,2010年,我國需要38艘LNG船以期帶動LNG貿易的發展,到2015年,則將超過65艘。如果我國本土企業完全掌握了LNG船舶建造的核心技術,那么我國能源戰略的實施將會得到強有力的保障[5]。

4.2 激活能源供應市場

下游燃氣企業擁有一定規模的LNG載運能力,可以激活能源供應市場。

4.3 提高船舶工業國際競爭力

打造中國自己的LNG船,可以大大提高我國船舶工業的整體技術水平和競爭力,促進產品的結構調整,擴大船舶工業的生存和發展空間。日本和韓國造船業的發展歷程就證明了這一點。他們通過技術引進和自我創新,確立了本國在國際船舶行業中的強國地位[6]。

4.4 提高船舶工業出口創匯能力并帶動相關產業的發展

LNG船由于技術難度大、附加值高、價格是同噸位散貨船的4～5倍,因而建造LNG船具有較好的經濟效益。LNG船項目關聯度較大,能帶動相關產業的發展,而且建造LNG船涉及的眾多關鍵性技術,同樣對其他船舶制造也是一個促進。

5 中國LNG船舶國產化的可行性

中國是世界上第三大造船大國,國內的大型船廠已經基本具備建造各類新型船舶的經驗和條件,某些國內大型船舶建造企業已經完成了LNG船模擬貨艙的制作,突破了LNG船制造中的某些關鍵性技術,特別是中船集團下屬的滬東中華造船集團有限公司承擔的“大型薄膜型液化天然氣船關鍵制造技術研究”項目,目前已通過了中華人民共和國工業和信息化部的驗收。因此,從現有水平來看,中國完全有潛力獨立承擔LNG船的建造工作。

6 中國LNG船制造業面臨的困境

就LNG船的建造能力而言,我國與世界領先國家的差距主要表現在LNG船的整體研發能力方面。目前,我國只是消化吸收了15×104m3LNG船的建造技術,而對于20×104m3以上的LNG船還缺乏技術準備,需要攻關的技術難點主要有以下5項。

6.1 基礎技術

主要包括LNG船船體溫度場分布、計算流體力學技術在LNG船上的應用、液貨艙晃蕩壓力、螺旋槳設計技術、LNG船材料與設備國產化和LNG船特殊管系的溫度應力分析研究。

6.2 設計技術

主要包括LNG船設計規范和標準、船體論證、船體結構對液貨艙溫度場的應力響應、典型動力裝置設計技術、船體屈曲屈服疲勞強度及變形的分析、集成自動化系統、超大容量電站電網和涂裝規范等。

6.3 建造技術

主要包括新型動力裝置安裝及實驗技術、超大型分段精度建造技術、絕緣箱制造技術與產能、總組和船塢總裝技術、船體焊接技術、泵塔制造及安裝技術、殷瓦焊接技術規范、殷瓦安裝技術和貨艙圍護系統密封性試驗技術等。

6.4 管理技術

包括計劃管理技術、質量管理中CTI計劃標準化、HSE管理技術和貨艙圍護系統物流管理技術等。

6.5 專用工裝設計

主要包括液貨艙圍護系統殷瓦安裝模板及工具、檢驗超低溫閥門的壓力檢測設備和泵塔制造的專用工具裝備等。

LNG船的設計、建造要求極為苛刻,目前我國制造業的整體水平、冶金及材料等相關行業的發展水平和工人技術水平都是我國發展LNG船的制約因素。

7 中國LNG船國產化的技術路徑

盡管目前國內某些船舶建造企業基本具備了一定規模的LNG船建造能力,但要全面掌握LNG船建造技術,完成整個產業鏈的構建,最好還是要走自主創新與技術引進相結合的道路。

中國的船舶建造企業應該以LNG船體結構平臺作為總體設計平臺,最好以貨物圍護、超低溫液貨、動力、電力和集控5大系統為研究重點,發揮產學研相結合的優勢,充分利用已有基礎,引進消化吸收再創新和自主開發協同進行,總體技術和系統技術、配套技術協同展開。在完成目標船的同時,形成自主研發設計能力,實現LNG船的自主創新,全面提高產業的競爭力。

要真正實現上述目標,必須要把LNG船船型、船體結構兩大平臺的研制工作交由行業權威研究機構牽頭,聯合相關高校等研究單位共同攻關,開發出全部具有自主知識產權、能夠滿足最新技術要求、性能優良的新船型。

此外,LNG船貨艙貨物圍護系統可以通過購買國外專利技術,逐漸實現絕緣箱和絕緣材料的國產化。在超低溫液貨系統和動力系統方面,可與國外廠商開展技術合作,進而掌握系統設計技術,實現國產化。在電力系統和集控系統方面,則要實現自主開發,掌握設計技術,實現系統集成。

8 結束語

截至2009年,通過技術引進的方式,我國已完成了5艘LNG船的建造,第6艘LNG船也已開始進入技術準備階段。與此同時,數家知名船舶建造企業都已表示愿意涉足LNG船建造領域。

要想真正打造出完全屬于中國自主研發的LNG船,是一項需要長期堅持的工作,涉及眾多產業類型和多項創新技術,需要相關專業同仁們的共同努力。

[1]歐衛新,李玉如.我國LNG海運市場發展前景展望[J].水運管理,2007,29(6):6-8.

[2]付昌輝.全球LNG貿易與LNG船需求[J].中國水運,2003 (4):5-6.

[3]張青松.港口水域LNG罐箱運輸定量風險評價[J].天然氣工業,2009,29(1):114-116.

[4]汪風蓮,朱榮改,王晶.我國LNG船舶的建造技術問題分析[J].石油規劃設計,2002,13(5):11-13.

[5]王健.液化天然氣船業運輸的探討[J].天津煤氣,2004(4): 11-13.

[6]顧安忠.液化天然氣技術[M].北京:機械工業出版社, 2003.

Possibility and difficulties of China-made LNG carriers

Zhang Tao1,Gao Caikui2,Luo M ingxing3
(1.U rban Planning &Development Research Center of Shenzhen,Shenzhen,Guangdong 518040,China; 2.U rban Planning﹠ Design Institute of Shenzhen,Shenzhen,Guangdong 518040,China;3.College of U rban Construction and Environmental Engineering,Chongqing University,Chongqing 400030,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 7,pp.76-79,7/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

With the rapid development of LNGmarine trade,more and more countries have showed their great concern for the LNG carrier construction.However,this wo rk in China has just started its initial step.Therefore,this paper firstmakes an overview on the histo ry of LNG carriers,then introduces the cargo-holding and cargo-retaining system of 3 types of LNG carriers:GTT(Gaz Transport Technigaz,a membrane-cabin carrier),MOSS(Moss Rosenberg,a sphere-cabin carrier)and SPB(a p rismatic-cabin carrier).Mo reover,it also discusses the key techniquesof the LNG carriers and pointesout that themajo r technical advances lie in reducing the daily gasification rate and imp roving the recovery﹠utilization rate of the hydrocarbon vapor.In addition,it studies the gap in the LNG carrier construction industry between China and thewo rld,and believes that Chinese LNG carrier construction sector is confronted w ith several p roblem s.First,the current overall level of China’smanufacturing industry,metallurgy and materials related industries,and the technical skills of the wo rkers have become the constraints.Second,China lacks the key technologies and has to tackle 5 major technical p roblems related to basic technology,design technology,construction technology,management techniques,and specialized tool design technology.Finally,this paper suggests that China should only insist on the combination of the independent innovation and the imported technologies in a bid to build a better Chinese LNG shipping industry and to create China’s ow n LNG carriers.

LNG carrier,vessel,industry chain,membrane-cabin,sphere-cabin,p rismatic-cabin,independent innovation,imported technology

張濤,1981年生,學士;主要從事市政燃氣專業規劃與設計工作。地址:(518040)廣東省深圳市福田區紅荔西路8009號規劃大廈一樓108B室。電話:13510519754。E-mail:343423690@qq.com

張濤等.LNG船國產化研究.天然氣工業,2010,30(7):76-79.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.07.021

2010204216 編輯 何 明)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.07.021

Zhang Tao,bo rn in 1981,holds a B.Sc.degree and ismainly engaged in the p lanning and design of the urban fuel gas engineering.

Add:Room 108B,1st Floor,No.8009,Guihua Building,West Hongli Rd.,Futian District,Shenzhen,Guandong 518040,P.R. China

Mobile:+86-13510519754E-mail:343423690@qq.com