天然氣的水上運輸

文/劉康林 王智拓

天然氣的水上運輸

文/劉康林 王智拓

本文介紹了LNG的滾裝運輸、集裝箱運輸和專用LNG船運輸，以及CNG和NGH等水上運輸方式的現狀和應用前景，重點說明了近年在我國新出現的LNG滾裝運輸方式對碼頭消防、海上運輸等方面的要求，指出了天然氣水上運輸的當前、近期和遠期目標。從對潿洲～北海航線的集裝箱運輸和滾裝運輸方式的對比分析，說明了天然氣水上運輸方式的選擇要綜合考慮產品規模、水運距離和已有碼頭條件等情況。為滿足天然氣工業發展的需要，船舶制造業應從整個天然氣供應鏈的需求出發，在發展LNG遠洋運輸船的同時，重視對其它形式的天然氣水上運輸船舶的開發。

天然氣；非管輸運輸；液化天然氣；壓縮天然氣；天然氣水合物；吸附天然氣；滾裝運輸

1.前言

天然氣是清潔、高效的優質燃料，已成為僅次于煤炭和石油的第三大一次能源。在整個天然氣產業鏈中，天然氣的輸送是至關重要的環節之一。對此，我國近年來先后興建了陜京線、西氣東輸管線，以及廣東、福建和大連等進口液化天然氣站線工程，這對拉動管線周邊城市的經濟增長和環境改善發揮了巨大的作用。然而，由于天然氣管線集輸的一次性投資高，從我國目前的國情來講，已有管輸天然氣僅能供應主干管道沿線城市。無論是天然氣管道尚未到達的城市，還是城市燃氣調峰和氣源過渡，均需要采用非管輸的方式保證燃氣的供應。

天然氣非管輸運輸方式有液化天然氣（LNG）、壓縮天然氣（CNG）、吸附天然氣（ANG）和天然氣水合物（NGH）等儲運方式。其中，真正進入實用的是LNG和CNG運輸方式。在陸地上，目前的天然氣非管輸現狀是：LNG主要通過公路槽車或罐式集裝箱運輸，CNG則是通過長管拖車氣瓶或集裝在拖車上的眾多小氣瓶運輸。2013年9月，青海油田液化天然氣公司LNG鐵路運輸試驗在青藏線格—拉段首獲成功，填補了國內LNG鐵路運輸的空白。由于LNG槽車陸路運輸事故較多，已發生數以百計的碰撞和翻車事故[1]，加之，除LNG的遠洋運輸外，在河流渡口和海峽等處的天然氣運輸，必須考慮水上運輸，因此，世界上許多國家都在積極探索天然氣的水上運輸模式。

2.LNG的水上運輸

天然氣液化后的體積僅為其氣態體積的1/600左右。LNG在運輸、儲存和調峰方面有獨特的優勢。近年來，LNG工業在國際上得到迅猛發展，已成為世界能源貿易量增長最為迅速的一次能源，截止2013年12月，我國已建、在建和擬建的LNG接收站有39座，其中已有10余座投入運行，另有168座天然氣液化工廠（含具有液化功能的調峰站）。這些工程的實施，為我國LNG的水上和陸上運輸帶來了機遇和挑戰。

LNG的水上運輸有專用LNG船運輸、LNG槽車滾裝運輸、LNG罐式集裝箱運輸三種形式。

2.1 LNG專用船運輸

目前國際上對LNG專用船運輸有遠洋運輸、近海及沿海運輸。遠洋運輸主要采用艙容5萬m3以上的大型LNG船，將LNG從出口國運至進口國接收站，船舶類型主要有MOSS型、 SPB型和薄膜型，最大艙容已達20萬m3以上；近海或沿海運輸主要采用0.1萬m3～5萬m3的小型LNG船，將LNG從生產基地或大型LNG接收站轉運到子站。鑒于LNG的遠洋運輸已有眾多文獻進行介紹，在此不再贅述。下面著重談一下小型LNG船的運輸問題。

小型LNG船的設計建造技術和營運在歐美和日本等國家已經相當成熟，相比大型LNG 船和陸地槽罐車運輸，顯示出周轉靈活、安全性高的優點。我國幅員遼闊，各地區經濟發展不平衡，加之我國天然氣工業起步較晚，大型進口LNG接收站通過管輸方式覆蓋的區域有限，隨著越來越多的沿海LNG接收站投入運營，必將需要通過小型LNG船在沿海與內河轉輸LNG，以減少管道的鋪設量，實現站與站之間的調劑，滿足城市燃氣調峰的需要，減少或避免陸上槽車長距離運輸的不安全性和不經濟性。2008年，新奧集團和中國船舶工業集團公司第七〇八研究所，對2萬m3小型LNG運輸船進行過概念設計研究。2009年浙江臺州五洲船業有限公司和張家港圣匯氣體化工裝備有限公司共同為挪威斯考根海運集團建造小型多用途液化氣體船，該船配備容積為4000m3和6000m3的圓柱形罐各一個，可裝載1萬m3液化天然氣，是世界首艘配備再液化裝置的小型LNG 船。2012年該船在國內開辟了大連到東莞的海上小液化船路線，并獲得成功。目前，國內有多家油氣公司訂購了小型LNG船，預計未來十年內，中國將有數十艘小型LNG船的訂單。

從國外經驗來看，為降低小型LNG船的制造成本與運營成本，提高其適航性，小型LNG船多采用獨立臥式蓄壓式儲罐作貨艙，儲罐可為圓柱殼或兩圓柱殼拼接而成的雙耳型結構[2]，而球形罐體重心偏高，船舶利用率偏低，則較少采用。為提高船舶的空間利用率，減小BOG的量，小型LNG船舶中也有采用薄膜型貨倉的。

2.2 LNG槽車滾裝船運輸

我國LNG槽車滾裝運輸是為將?？诟Ｉ胶捅焙迧u的LNG從島上運至大陸而于2005年出現的一種運輸方式。這種運輸方式以輪子滾上滾下的水平裝卸代替了起重機械的垂直裝卸，具有裝卸效率高，對碼頭要求低，港口投資少，裝卸費用低，運輸靈活，易于實施等優勢，適合于水運距離較短的海峽或河流渡口。從?？凇０?、潿洲島——北海兩條航線的運輸情況來看，LNG槽車的滾裝運輸情況良好，未曾出現安全事故，表明只要嚴格作業安全，安全措施得當，該運輸方式是一種較可靠的LNG短途水上運輸方式。

國內許多港口建有汽車滾裝船碼頭，為LNG槽車滾裝運輸奠定了良好的基礎。但為確保運輸的安全性，必須對作業碼頭和運輸船舶加設安全實施，強化安全管理。

對LNG運輸船舶及海上運輸過程來講，應嚴格遵守《水路危險貨物運輸規則》、《國際海運危險貨物規則》和《中華人民共和國船舶載運危險貨物安全監督管理規定》等標準、法規的有關規定，設計、制造或改造須經船級社和海事部門的批準和檢驗。船舶應為敞開式，并按有關標準要求配備泄漏檢測和應急安全設施；對LNG槽車的綁扎要牢固可靠，六級以上風，船舶不得出行；從業人員必須持證上崗，無關人員不準搭乘LNG船。

就LNG槽車滾裝船作業碼頭而言，一般需作如下考慮：

（1）增設消防水池、消防炮和消防水簾等消防安全設施；

（2）進行碼頭的作業安全與風險評估；

（3）制定嚴格的應急處理方案，并按方案組建應急處理領導小組；

（4）成立由船運、消防、海事、港務等單位部門組成的現場安全管理小組，負責日常碼頭的安全管理工作；

（5）如非專用危險品滾裝碼頭，應嚴格執行分時段運輸方式。即嚴格規定LNG槽車的裝卸作業時段，在進行LNG槽車裝卸時，碼頭其它泊位停止作業，安全距離范圍內不得停靠其它貨物的船只；

（6）LNG槽車從危險品場地進駐碼頭途中，必須由消防車引道，以確保全程的安全；

（7）LNG槽車裝卸前，必須由安全員對槽車的完好性進行嚴格的檢查，杜絕不合格槽車上船。

2.3 LNG罐式集裝箱船運輸

LNG罐式集裝箱是由集裝箱框架與內部LNG容器組合而成的連接體。罐箱的整體外形尺寸符合ISO集裝箱的標準[3]，集裝箱框架設有底部縱梁和端部圓弧板，整體結構牢靠[1]。

與LNG槽車運輸一樣，LNG集裝箱運輸也無需倒換貨物，可實現一罐到底的門到門的服務，流程簡單，無需專用LNG碼頭，投資小，機動靈活，綜合物流效益顯著，有利于天然氣終端市場的開發。與滾裝運輸相比，艙容相同情況下，集裝箱運輸裝載LNG的量比滾裝運輸裝載量大，在水上運距較長時，這種運輸方式的經濟性高于滾裝運輸方式。但當LNG運輸量較小，且運距較短（如海峽間的運輸）時，由于碼頭吊裝費較高，滾裝運輸會比集裝箱運輸經濟[4]。

文[5]介紹了這種運輸方式的試驗情況，試驗路線為“潿洲島—北海—廣州黃埔新港碼頭—上海軍工碼頭—浙江海寧—上海軍工碼頭—廣州黃埔新港碼頭”，試驗結果表明了這種運輸方式的安全可行性。但由于LNG罐式集裝箱的積載海運涉及質量監督、特檢、海事、道路交通等眾多管理部門，行業法規多，且不完善，協調難度大，致使這一運輸方式目前國內尚未真正實施。

3.CNG的海上運輸

在LNG水上運輸蓬勃發展的同時，CNG水上運輸方式也悄然出現。CNG船舶運輸就是將天然氣壓縮至20～25MPa，并充入固定于船上的特制高壓管式容器中而進行的一種水上運輸方式，有Coselle、VOTRANS、GTM、PNG、穿梭型、FRP和CDTS等形式[6][7]。

Coselle方式是將小管徑盤管纏繞在一個轉盤內，構成一個壓力為20.7MPa的CNG儲存單元。盤管直徑雖小，但長度可達數英里，因此Coselle方式可做到容量大，且結構緊湊。其單次航程為200～2000km，運力為187萬m3～1504萬m3。

容積優化運輸與儲存（簡稱VOTRANS）方式是在船上設置絕熱性能較好的冷儲存箱，并將大管徑長管束置于冷儲存箱內，用于存儲CNG。由于管內天然氣受到冷儲存箱的冷卻，儲存同樣質量的天然氣，管內壓力低于Coselle盤管中的壓力。其單次航程可達1552km，運力為1982萬m3～2265萬m3。

GTM方式是在船上布設存儲天然氣壓力為20.7MPa的大管徑管束，每根長管內層為鋼管，外層為玻璃纖維和樹脂，這樣不僅提高了長管的承壓能力，也有效減少了管束的重量（重量可比全鋼結構輕35%），從而提高了船舶裝載天然氣的量。

PNG方式是采用大直徑管狀容器存儲天然氣，溫度為常溫，壓力25MPa，溫度及壓力均高于VOTRANS形式CNG船。由于是常溫運輸，因此無需絕緣冷柜。以三星重工開發的PNG船為例，該船長259.7米，寬54米，深29米，33000DWT，天然氣裝載容積77190m3，船上設有12個貨艙，裝載壓縮天然氣的氣瓶共2672個，每個氣瓶直徑為1米、長36米。

穿梭型方式是挪威CETech公司在穿梭油船的基礎上發展起來的，天然氣采用厚壁鋼質管存儲，儲存壓力為15MPa～25MPa。該方式由CETech公司掌握，船長200～300米，寬40～60米。這種CNG運輸船可有多種用途，如設計為同時儲運天然氣和石油的運輸船。

FRP方式采用纖維強化塑料（FRP）作CNG儲存容器。為便于安裝和固定，儲存容器安置在模塊盒中。每個模塊盒的頂端和底端均設有連接總管。鋼質的模塊盒結構使氣體容器系統免受水動力運動和振動的影響。該模塊盒系統在航行中任何時候均可保證100%的可視率。這種運輸方式的優點是所用塑料容器的重量輕、耐腐蝕、成本低，且安全、可靠[8]。

CDTS方式是由Altair公司與密歇根大學共同研究提出的，它的基本單元是由十二個相同的相互貫穿的圓柱筒體組成的一個立方體，立方體的每一條棱即使一個圓柱筒體，再由幾十個這樣的立方體組成CNG船的貨艙。CDTS方式的好處是在載貨量相同的情況下，船舶的尺寸與其他形式的船舶顯著地減?。慌c其他形式相比，尺寸較小，可節省15%至60%的運營費用；相對VOTRANS形式，其傳熱系數減少5%，相比Coselle形式傳熱系數減少30%[9]。運力為105萬m3～2837萬m3。

與LNG船運方式相比，CNG船運方式對岸上接駁的要求較低，投資少，工藝設施簡單，并可有效地減少天然氣資源的浪費[10]。CNG船本身的建造也遠比LNG船簡單，可直接由一般船舶改建而成，單船運氣量可達數萬至數百萬標態天然氣。整個運輸鏈的初投資小，在200～2000公里運距內的運行成本低于LNG船運方式，而且，船舶不用作CNG船時，也便于改裝為其他一般船只，是一種前景良好的海上或內河運輸天然氣的方式。

4.天然氣水合物(NGH)運輸

天然氣水合物是指天然氣在一定溫度和壓力下和水作用生成的一種非固定化學計量的籠型晶體化合物[11]。標準狀態下，1m3的NGH可存儲150～180 m3的天然氣。由于其遇火可燃燒，故也稱可燃冰。天然氣水合物的運輸涉及到天然氣水合物的形成、儲存和分解氣化三個方面，但具體的儲運工藝有多種形式[12]。就海運來講，有干式水合物運輸、漿料式運輸和干式水合物混入到-10℃的原油中運輸等形式。在干式水合物運輸方式中，干水合物的形成工藝比較復雜，需經過三級脫水過程，制作成本較高，但對料艙的要求不高；漿料式和混入原油的運輸方式，可通過泵和管道進行裝卸，裝卸速度快，勞動強度低，但儲運過程中對料艙的要求比干式水合物運輸方式高。NGH儲運技術中存在的主要問題是水合物的制備效率較低，制作成本高，尚不能滿足商業運作的要求。

盡管NGH的水上儲運方法目前尚處于試驗研究階段，但因NGH儲運的安全穩定性強，運輸鏈的總投資小，方便靈活，尤其是大陸延伸至海洋的邊坡地帶中NGH的儲存量異常豐富，為使這些NGH盡快得到應用，除要解決好海底NGH的開采問題，NGH的儲運問題也必須隨之解決，因此，NGH的水上儲運是一種具有廣闊發展前景的運輸方式。

5.結語

天然氣的水上運輸是解決能源供應的重要環節，且有多種運輸形式可供選擇?？紤]到這些運輸形式各有自身特點和適用范圍，相互間并不能完全替代，實際運作時，應針對具體的運距、運量、氣源與目標市場的特點，以及現有技術的成熟度情況，從確保安全，保證經濟出發，正確選擇水上運輸方式，做好各運輸方式間的銜接配合。從當前來講，LNG的滾裝運輸和集裝箱運輸應是大型LNG專用船舶運輸的良好補充；近期來看，CNG水上運輸和小型LNG船的沿海轉運應加快發展；而NGH的水上運輸將隨著海底NGH的成功開采而快速發展，并具有廣闊應用前景。

鑒于我國實施天然氣水上運輸的時間還較短，有關天然氣水上運輸的標準、法規的制定滯后于經濟發展，無論是有關船舶的設計標準，還是運輸規程方面，都存在不少空白。船舶制造業和交通運輸業應加強與天然氣行業間的溝通、交流，在重點關注大型遠洋運輸LNG船的同時，也應從滿足整個天然氣供應鏈的需求入手，深入研究其它形式的天然氣水上運輸方式及相應的船舶設計、制造技術，盡快形成適合我國國情的天然氣水上運輸體系和運輸船舶體系，解決天然氣產業鏈上的運輸瓶頸問題。

（作者單位：福州大學石油化工學院）

[1]彭建華.LNG罐式集裝箱水運安全性探討[J].世界海運，2007，30 (3)：27～29

[2]Anon.Optimism for a new breed of coastal LNG carrier[J].Nav Archit，June 2005：29～30

[3]閆英美.多式聯運模式下LNG罐式集裝箱配箱優化研究[D].大連海事大學碩士論文，2012.

[4]魯平.我國LNG海上運輸安全評價[D].大連海事大學碩士論文，2013.

[5]彭建華.液化天然氣罐式集裝箱水路運輸試驗及分析[J].中國航海，2007，（2）：52～54

[6]陳愛玲，李永鵬.壓縮天然氣船舶運輸新技術及前景[J].世界海運，2005，28（3）：4～6

[7]李源.CNG運輸船開發動向[J].中國船檢，2010，4：38～41

[8]Erika L Beronich，Majid Abedinzadegan Abdi，Kelly A Hawboldt.Prediction of natural gas behaviour in loading and unloading operations of marine CNG transportation systems[J].Journal of Natural Gas Science and Engineering，2009：31～32

[9]Regu Ramoo，Mohan Parthasarathy，Thomas Lamb.New concept for CNG carriers floating CNG oil processing and storage offshore platforms[EB/OL].Altair Engineering Inc.，2011： 4～6

[10]White Charles N，Britton Paul S，Terada Yoshio，et al.Technical advancements VOTRANS large-scale CNG marine transport[C].15th International Offrshore and Polar Engineering Conference，ISOPE-2005： 62～68

[11]樊栓獅.天然氣水合物儲存與運輸技術[M].北京：化學工業出版社，2005

[12]Go Oishi，Kiyoshi Shimada，Isao Yoshino.Regasification simulation of NGH pellets inside a transport ship in emergency[C].Proceedings of the 7th International Conference on Gas Hydrates（ICGH 2011）