LNG加注技術的最新發展

李 源

盡管液化天然氣（LNG）作為船用燃料的前景被廣泛看好，但目前完全用LNG作為燃料的船舶還不多，主要是內河船，特別是在歐洲水域運營的居多。今年4月，世界上第一艘LNG動力集裝箱船“Isla Bella”號下水，船東是美國阿拉斯加航運公司(TOTE)，由美國通用動力NASSCO公司建造。同月，挪威Nor Lines公司的5000t近海貨船“Kvitbj?rn”號完成了世界首例只依靠LNG燃料的亞歐之旅，途中進行了兩次燃料加注。該船采用羅·羅公司的Environship設計概念，發動機為羅·羅公司的卑爾根B35：40型純氣體發動機。此次亞歐之行的成功表明了LNG動力船舶不但可用于沿海短途運輸，同樣也能用于遠洋，是航運界“由油轉氣”的重大里程碑。

在環保的大環境下，LNG在船舶上的應用將越來越廣泛。據DNV GL統計，到2020年，全球LNG燃料船舶新訂單將達到千艘，屆時全球每年將需要400～700萬噸LNG作為船用燃料。2025年全球的LNG燃料船舶將達到3200艘。其中歐洲和美國將主要依靠本國的天然氣產量，亞太地區則需要依賴全球市場上進口的LNG。

圖1 LNG作為船用燃料的發展

港口LNG加注業務動向

缺乏LNG加注基礎設施被認為是LNG動力船舶發展的瓶頸。相對而言，歐洲對LNG船用燃料利用最超前，在北歐，目前約有50艘LNG燃料船已投入運營，其中大部分是渡船、旅游船和海工船舶。鹿特丹、安特衛普、漢堡以及波羅的海的港口均是船舶使用LNG燃料的積極推動者，其次是北美，五大湖區域設置了許多天然氣基礎設施。

不僅如此，鑒于LNG燃料船舶良好的發展前景，歐盟計劃加快LNG加氣站的布局。根據歐盟推出的“清潔能源發展戰略”，擬投資210億歐元，確保在2020年前所有T-ENT港口具備LNG加注服務能力，2025年前歐洲所有內河港口具備LNG加注能力。同時歐盟在該戰略中將LNG加注標準及加注站設計標準的研發列為重點工作。

2014年英國勞氏船級社對LNG加注基礎設施進行了一個調查。調查涉及到22個港口，其中15個歐洲港口、4個北美港口和2個亞洲港口。調查結果顯示，64%的港口有意愿主動為使用LNG燃料提供必要的基礎設施。目前已經或有計劃為近海/內河航運提供LNG加注基礎設施的港口有59%。2011年，國際港口協會發布了開發“港口LNG加注導則”的計劃，55%的港口參與了該項目，而2011年的一項調查顯示，當時僅7%的港口參與了該項目，表明港口對LNG加注的關注度大幅上升。對于氣體燃料船舶，港口目前能提供及計劃提供的各類加注基礎設施比例如下：最多的為加注駁船和陸路運輸的液罐，均為33%，其次是泊位上的管路加注，為17%，其他方式為17%。關于時間計劃表，76%的港口認為1～5年時間里會在自已的港口開始LNG燃料加注操作，24%的港口認為5～10年內可以開始。

據一份資料顯示，鹿特丹港對2020年可能開展的各種LNG服務預測如下：

LNG加注的幾種類型

對船舶進行LNG加注有四種方式：槽車對船、岸站對船、便攜式液罐、船對船。實際應用中，目前使用最廣泛的是槽車對船的加注方式，北歐大部分LNG動力船采用此種方式加注。岸站對船的加注方式在挪威已有應用。船－船加注方式的應用是最近的事，2013年初，世界首艘LNG加注船在Viking Line投入運營，該船由瑞典的Cryo AB公司建造。下面對這四種方式的優缺點作一介紹。

表1 2020年港口的各種LNG服務

槽車對船（TTS）

TTS加注是從槽車的液罐向停泊在港口的船舶充裝LNG。通常是通過連接在兩者之間的一根特制的用于低溫LNG的軟管來傳輸，也可采用撓性連接臂。一般來說，一輛LNG液罐槽車能裝載13000加侖的LNG，約1個小時可以完成全部LNG的傳輸。TTS加注方式為船東、運營商以及加注場所提供了很大的靈活性，任何碼頭都可以使用這種方式。對于那些LNG燃料艙容量較小的船舶，TTS加注可以作為初始的解決方案，在進行大規模LNG加注設施投資前能詳細地了解市場狀況。

以目前的設計，IMO C型液罐一般有30天的存儲時間。因為輕便，幾乎可以在任何地點供應LNG。唯一的限制是港口是否允許從碼頭進行岸邊LNG加注。

TTS加注方式的優點是便攜、低投入，以及可以遠距運輸LNG，不管是現在還是未來都十分具有吸引力。不過由于充裝速度有限以及槽車數量的限制，對于大型船舶來說這種方式能力有限。風險方面，TTS中的關鍵操作者是槽車司機，他并非專業的加注作業者，因此不會象固定裝置作業者那樣熟悉安全要求，另外還存在陸上運輸安全風險，相比岸站對船和船對船加注方式，TTS加注方式對公眾的風險更大。

岸站對船（PTS）

PTS加注方式中，LNG從陸地上的固定儲存站點，通過低溫管路或軟管向停泊在附近碼頭的船舶充裝LNG。不僅能進行大容量的充裝，也可通過便攜式液罐進行充裝。美國Harvey海灣正在Fourchon港開發PTS加注方案。LNG可以通過槽車、鐵路或加注駁船運送至儲存設施中，也可以從遠距離的液化設施運送。未來，有可能小規模的LNG液化工廠就能提供現場加注服務。

PTS方式的加注速度比TTS高很多，在傳輸速度和容量的設計上也很靈活，能滿足特定客戶或普通客戶的需求，但是從地理上看仍然是靈活性最低的一種方式。因為PTS加注需要有位于碼頭附近的固定設施，船舶需要進行專門的布置，以便可以在裝卸貨的同時進行燃料加注，以減少在港口停泊的時間，否則在港時間延長，就會降低PTS加注方式的可行性。

現有的LNG終端均設計為低頻次、高容量傳輸，因此不能立即改成能提供LNG加注服務，而且LNG加注設施還需要由特定機構進行嚴格審核以確保設計的安全性和必要的隔離距離。新的LNG終端可能會同時考慮LNG加注作業，但需要對以下方面進行評估：

1.在設計和操作時考慮雙重用途（高傳輸速度、大容量以及低傳輸速度、小容量），確保一種作業不會對另一種作業產生干擾。

2.設置LNG燃料船專門碼頭，避免與LNG船所需的大規模LNG傳輸相干擾。

PTS加注方式的靈活性較高，能針對所有潛在的加注速度和容量進行設計，既能滿足LNG大量加注的要求，也能少量加注，但是靈活性會損失一定的操作效率。長期運營中，這類設施可能會為專門的加注客戶進行定制設計，這樣傳輸效率會更高。

便攜式液罐傳輸

便攜式液罐可直接被裝載在船上用作燃料儲存，這種方式下LNG加注量是很靈活的，根據便攜式液罐的數量而定。1個40英尺的ISO聯運便攜式液罐能儲存約13000加侖LNG。

便攜式液罐運輸方便，通過槽車、鐵路以及貨船均可運輸。可以儲存一定的時間，應用范圍很廣，工業界、航運界和CNG加注站均可采用。要想在船上使用便攜式液罐，液罐和船舶設計必須兼容。

以下這些方面會增加便攜式液罐加注風險：便攜式液罐需要更多的連接，會增加泄漏的概率；操作導致的甲烷泄漏；便攜式液罐的物理傳輸對外界的影響和潛在泄漏概率較大。

船對船（STS）

船對船加注是從燃料加注船或加注駁船向另一艘船舶加注LNG燃料。船對船加注方式在燃料充裝量和充裝速度上具有較大的靈活性。燃料加注船和加注駁船的加注位置也具有最大的靈活性，可以在港口操作，也可以在海上操作。

在瑞典斯德哥爾摩港，首例船對船LNG燃料加注是“Seagas”號燃料加注船向“Viking Grace”號渡船加注燃料。“Seagas”號燃料加注船設計專用于為“Viking Grace”號加燃料，大約一小時可加注40000加侖LNG。盡管充裝速度沒有PTS方式那么快，但是超過TTS的充裝速度和容量。將來會出現更大的燃料加注船，充裝速度更高，可為多種船舶加燃料。

相比岸基的傳輸，船對船傳輸存在潛在的威脅，如船舶間的過度運動、海況、船舶碰撞等。如果在設計和操作中確定并充分考慮到這些情況，會很大程度上減少風險。

表2 三種LNG加注方式對各種船型的適用性

船對船加注具備較大的靈活性，如：可以在貨物裝卸和登船/下船時同時進行加注；無需進港就可以實施，方便了過路船只。

幾種加注方式的比較

加注時間。船舶類型和操作條件將決定哪種加注方式是最合適的。大型船舶的運輸路線長，需要更快的加注操作。一艘2000～8000 TEU的集裝箱船，商業可行的加注時長為4～6小時。這意味著燃料傳輸流速將會很高。例如，TOTE公司的一艘3100 TEU集裝箱船要求4小時加注完畢。

TTS加注方式傳輸速度較低，如果用于大容量傳輸耗時過長，同時TTS和便攜式液罐傳輸還會受到槽車或便攜式液罐數量的限制，因此僅適用于小型船舶。

不同船型適用的加注方式。船對船、槽車對船及岸站對船三種加注方式，對于不同的船型的適用性大致如表2所示。

港口條件。港口的具體情況也限制了LNG加注方式的選擇。通常將港口分為不受限制的港口、大型受限制港口及小型受限制港口三類，每一類港口適用的LNG加注方式也不盡相同。

1.不受限制的港口。

可以對港口進行擴展以便從岸上進行LNG加注。這樣的港口主要服務于石油鉆探和生產。有多種潛在海事LNG客戶。周圍的區域無人居住或人口稀少，多為工業活動。

這類港口靈活性最高，所有LNG加注方式均可行，但是具體選擇哪種方式還需要取決于港口的客戶。既然是一個工業區，可以假設港口會有許多中型或大型客戶，需要較高的傳輸速度和較大的傳輸容量，PTS和STS加注是可行的，需要對這兩種方式的經濟性進行對比，確定選擇哪種方式。

因為區域相對人口稀少，相關的風險主要是對區域內的工人、基礎設施和附近的資產。

2.大型受限制的港口。

這類港口的擴張受到限制，主要服務大型船舶，如散貨船和旅游船。港口周圍大量開發，為成熟工業區并鄰近居住區。

這種情況下，PTS基礎設施開發可行性會減少。因為加注設施與已有貨物轉運操作協同布局的可能性較低，船舶需要至另一位置進行PTS傳輸。替代方案是，可以使用加注船或加注駁船在貨物裝卸或乘客上下的另一舷進行燃料加注。這種情況下，STS應是最可行的方案。加注船從遠處的港口將LNG運輸過來。擁有大型石化裝置的港口也屬于這種類型。

3.小型受限制的港口。

這類港口擴張受到限制，主要服務大量的漁船、渡船和其他中小型船舶。這些船舶對燃料的需求量少，航程短。由于土地有限，較難采用PTS加注方式，同時許多需要加注作業的是小型船舶，采用TTS或便攜式液罐加注是可行的方案。比如渡船可能會對便攜式液罐加注感興趣，因為不需要液罐充裝裝置和蒸發氣線路。

對于特定的港口應該選擇何種加注方式，需要綜合考慮港口的具體情況，還需要考慮船型、運輸模式和航線。由于加注設施可以通過專業的設計來滿足不同LNG燃料船舶的需要，因此燃料傳輸速度并非選擇加注方式的一個決定性的條件。停靠許多大型船舶的美國港口可能更傾向于選擇PTS和STS加注方式。另外還需要考慮港口里小型支持船舶，如拖船、近海支持船、渡船等。除非專門設計的PTS加注方式可以同時滿足大型船舶和小型船舶的加注要求，否則還需要利用TTS方式為小型支持船服務，美國Harvey海灣就是采用這種模式。專業的PTS加注方式可以與LNG燃料船和支持基礎設施共同開發。

LNG加注相關規則規范

目前與LNG燃料加注或傳輸直接相關的國際標準如下：

ISO“對船舶加注LNG燃料的系統和裝置導則”；

IMO IGF規則草案；

SIGTTO LNG船對船傳輸導則；

SIGTTO ESD系統；

BS EN 1160 LNG資產和材料（Properties and materials）；

IMO“港口區域的危險貨物安全運輸和相關活動的推薦性建議”；

2003第六版API推薦性操作規程“防止由靜態電流、閃電電流和迷路電流引起的著火引燃”。

除此以外，一些船級社已在這些國際標準的基礎上，制定了LNG加注適用的規范和指南。

1.ISO“對船舶加注LNG燃料的系統和裝置導則”。

對于LNG燃料船舶的運營商和燃料的供應商來說，LNG燃料補給裝置開發過程、設計和操作的標準化非常重要。2013年6月ISO（國際標準化組織）下屬的第67技術委員會ISO/TC 67“石油、石油化工和天然氣工業用材料、設備和海上結構物”發布了“對船舶加注LNG燃料的系統和裝置導則”草案，該草案由“國際燃油和燃氣生產者協會”起草，內容涵蓋了LNG補給的設計和操作，并列出了LNG水上加注的24項功能性要求，但對如何達到要求的各項目標并未做出具體的描述。怎樣實施，需要各船級社擬定更詳細的規范或指南予以落實。

2.IGF規則。

IMO第94屆海安會（MSC94）已原則批準了IGF規則草案，還批準了使該規則成為強制性的SOLAS修正案，預計在MSC 95（2015年6月）上通過，適用于2017年1月1日及以后建造或改造的、使用氣體或其他低閃點燃料的500 GT及以上的船舶。IGF規則將對使用低閃點燃料的機器、設備和系統的布置、安裝、控制和監測提出強制性的規定，第一階段將關注LNG，以使其對船舶、船員和環境的危害減至最小。

3.CCS“液化天然氣燃料水上加注躉船入級與建造規范”。

CCS發布的“液化天然氣燃料水上加注躉船入級與建造規范”是基于國際規則的具體指導則文件，于2014年3月1日生效。該規范是CCS通過“對LNG關鍵技術研究”、“船用LNG燃料罐結構關鍵技術研究”等課題研究成果，結合CCS現有技術文件和已取得的經驗，采用風險分析理論，基于目標型船舶建造標準的理念制定而成。適用于在內河水域使用、為船舶加注LNG燃料或閃點大于60℃的船用燃油和LNG燃料的新建加注躉船。

4.ABS“北美LNG燃料船舶的加注”指南。

2015年3月ABS船級社發布第二版“北美LNG燃料船舶的加注”指南，對船東和運營商提供了指導性建議。該指南的第一版于2014年3月 發布。2013年8月，ABS建立了全球氣體解決方案團隊后，已被授予數個前置合同，還獲得了世界首艘LNG燃料集裝箱船、北美首艘LNG駁船、世界首艘超大型乙烷運輸船、世界首艘壓縮天然氣運輸船以及首艘在北美建造的雙燃料OSV的入級合同。

5.DNV GL“液化天然氣加注裝置的開發和操作”推薦性規程。

DNV GL于2013年發布了“液化天然氣加注裝置的開發和操作”推薦性規程，該規程于2014年1月正式生效，是DNV GL結合自身的經驗和專業領域的知識，對如何滿足ISO的導則要求提出的實用性指南。RP包含了船舶LNG加注的所有模式，對ISO導則建議的三個關鍵主題，規劃、設計和操作、安全管理系統和風險評估等三方面提供指導。它包含了為船舶補給LNG燃料的三種模式（即ISO/OGP導則中引入的槽車對船、岸站對船和船對船三種加注模式），同時這三種模式中提出的方法經過特別的考慮也可用于便攜式液罐加注模式。

LNG加注船技術發展現狀

“FKAB L1”LNG加注船

瑞典FKAB船舶設計公司的LNG加注船概念，既能裝載LNG也能裝載船用燃油。該船總長67.6米，船中寬度11.6米，設計吃水3.5米，載重量850噸，航速12.5節。LNG裝載容量為800m3，船用燃油裝載容量500m3，定員8人。主機為2×675kW純氣體發動機（生物氣或LNG）。具備極佳的環保性，滿足IMO排放控制區SOX和NOX排放的規定。船上配備高容量的液貨泵和分配系統，確保快速簡便地加注操作。兩套貨物系統均擁有液貨流量表，確保精確加注。為了滿足船舶的安全性，L1配備冗余的推進器，包括可用于輔助推進的2臺方位推進器和1臺方位船首推進器，使船舶在所有時間所有吃水條件下均擁有良好安全的操縱性。另外，該船還擁有芬蘭/瑞典1B冰級。

圖2 “FKAB L1”LNG加注船布置圖

圖3 LNG加注船技術要點

圖4 LNG加注區技術要點

NYK訂購1艘LNG加注船

2014年，NYK與韓進重工簽訂合同，建造1艘LNG加注船。為了開發LNG加注業務全球市場，NYK與GDF SUEZ S.A.以 及三菱公司在2014年5月簽訂了框架協議。作為在該協議下的首個項目，GDF SUEZ、三菱和NYK決定建造一艘LNG加注船，以形成LNG加注業務的核心基礎設施，具備在歐洲海運領域配送LNG燃料的能力。

該船計劃于2016年交付，以比利時的Zeebrugge港為母港。交付后，該船主要在北海和波羅的海運營，為當地LNG燃料船舶提供燃料。據悉NYK等三個公司的LNG加注業務最初的目標客戶是挪威聯合歐洲汽車運輸船公司的LNG燃料汽車運輸船，以及其他運營在北海和波羅的海的LNG燃料船舶。

該6000GT的LNG加注船，總長100米，寬17.8米，擁有兩個IMO獨立壓力LNG液艙，總容積5100m3。主機采用低硫油和LNG雙燃料，操作效率可以達到最大化。除了2臺主螺旋槳，船上還配備2臺輔助螺旋槳，因此操縱性和靠泊能力很強，無需停泊支持船即可在海上向另一艘船舶傳輸LNG。

殼牌向韓國STX訂購1艘LNG加注船

2014年底殼牌公司向韓國STX訂購了1艘6500m3LNG加注船，預計2017年交付，隨后將用于荷蘭的鹿特丹港，從鹿特丹港的Gate終端裝載LNG并進行配送。Gate終端計劃于2016年第4季度投產，是一個專用的LNG補給終端，運營模式是通過管路從大型終端接收LNG，再配送出去。據悉該船設計先進，能夠高效操作，操縱性能好，能從大型或小型終端裝載LNG，為各種不同的船舶加注。采用LNG和船用汽油雙燃料推進，擁有2個LNG液罐。船上采用諸多創新技術，包括1個LNG加注臂，可安全高效地進行LNG船對船傳輸，1個次冷卻單元，確保LNG處于理想溫度和壓力。該LNG加注船能為多種船舶提供加注服務，如沿海油船、貨船和渡船，它也可以遠洋航行，因此也能為其他區域的船舶服務。

STX造船海洋從2011年開始進行LNG加注船自主研發工作，2013年獲得船級社原理認可（AIP）。

荷蘭LNG加注和支線船

Sirius Veder Gas AB向 荷蘭皇家Bodewes船廠訂購了一艘5800m3LNG加注和支線船“Coralius”號，這是將在歐洲建造的首艘同型船，用于向有需要但無法通過管路輸送LNG的區域供應LNG。Sirius Veder Gas AB（Anthony Veder集 團 和Sirius Rederi的合資公司）是該船的船東，實際運營方是Sirius Rederi。該船將于2017年2月交付。該船采用了之前已經在Anthony Veder公司的小型LNG船上使用的成熟技術，比如雙燃料發動機。另外，還有一些使燃料加注安全可靠的特殊性能，比如采用了多臺由Anthony Veder和Sirius Rederi開發的推進器，提升了操縱性能。該船還擁有最高的1A冰級符號，允許冬季在波羅的海運營。

該船是一個歐盟資助項目的一部分，也是Skagerrak/Kattegat區域和波羅的海LNG基礎設施建設重要組成部分。投入運營后，它將在挪威和瑞典裝運LNG，運送到波羅的海的Skagerrak和Kattegat區域。

法國GTT LNG加注船設計方案

法國薄膜型LNG圍護系統生產商GTT開發了一型LNG加注船，該船已獲得BV的原理認可。該船為一艘4000m3LNG加注船，同時還能裝載1000m3船用柴油。該船的設計非常緊湊，能很好地適應在狹窄或繁忙的航道或港口作業。除了該船，GTT的其他幾型設計也獲得了BV的原理認可，包括一艘2200m3加注駁船和一個加注桅桿系統。據悉GTT在2014年第1季度已收到首份加注訂單。

根據IMO的規則要求，2015年1月1日波羅的海、北海、北美和美國加勒比海等排放控制區內船舶燃料硫含量開始實行0.1%的標準，2016年1月1日北美和美國加勒比海排放控制區內實行發動機NOX排放第三層級的標準，對船舶排放的要求比以往嚴格得多。為了滿足規則要求，船舶需要使用高標準的燃油并搭配使用廢氣處理裝置，或者使用LNG燃料，兩者相比較，LNG燃料的使用成本甚至更有競爭力。可以預見，未來LNG將成為一種普遍使用的船用燃料。目前在LNG燃料加注方面，很多規則規范剛開始制定，基礎設施很有限，LNG燃料加注還是一個正在起步的領域。作為未來的發展方向，造船界一方面需要重視LNG動力船的研發，預先考慮加注方式對船型影響，另一方面也可著手進行LNG燃料加注船的開發。