LNG 船技術發展趨勢

樓丹平 楊春華

（滬東中華造船(集團)有限公司 上海 200129）

0 引言

隨著國際社會對能否達到《巴黎協定》的目標越來越關注，溫室氣體減排紛紛列入各國政府的法規[1]，我國也提出了碳達峰與碳中和的戰略目標。近年來，天然氣在全球能源消費結構中的地位不斷凸顯，消費總量快速攀升，并將在相當長的時間內保持這一重要地位。預計到2030 年，我國天然氣需求將超過5 700 億m3，需要進口大量天然氣來滿足不斷增長的需求。

液化天然氣（liquefied natural gas,LNG）自海上進口更富彈性，具有貿易靈活、產地多元化、適合調峰、能滿足快速增長需求的特點，LNG 海運進口均由大型LNG 運輸船完成。2017 年至2023 年5 月底，國際LNG 船累計成交499 艘，其中2022 年LNG 海運需求大幅提升，全年累計成交LNG 船173 艘，達到歷史峰值。2023 年1 月至5 月，國際LNG 船建造合同持續增長，但由于各船廠船位緊張，故僅成交28艘，并且船廠的交貨時間都已排至2027年以后。國際LNG 船市場成交統計情況如圖1 所示。

圖1 國際LNG 船市場成交統計

國內船企目前LNG 船手持訂單情況如圖2 所示。截至2023 年5 月，中國船廠LNG 船手持訂單總數達到64 艘，LNG 船建造企業增至5 家，形成了國產LNG船設計建造多元化競爭的新產業格局。

圖2 國內船企LNG 船手持訂單情況

1 LNG 船型發展趨勢

LNG 船經歷將近60 年的發展，主要呈現出大型化和標準化的發展趨勢，如圖3 所示。

與其他類型商船相同，船舶尺度的大型化可有效降低單位貨物的運輸成本。LNG 船自問世以來，主 流大型LNG 船的裝載容量和主要參數的變遷，具有明顯的時代烙印。

20 世紀80 至90 年代，得益于跨大西洋航線貿易的發展，12 萬～ 13 萬m3LNG 船是當時市場的主流。20 世紀90 年代至2005 年，LNG 船大型化進一步提升，14 萬～ 15 萬m3LNG 船逐步成為市場主流。2006—2010 年，隨著中東—北美航線的開發，卡塔爾大幅布局新LNG 生產線，訂購了45 艘20 萬～ 26 萬m3的Q-Class 級LNG 船。然而，隨著美國頁巖氣革命，致使美國從能源進口國變成出口國，Q-Class 級LNG 船的需求也因此大幅降低。

2014 年以來，隨著新的LNG 船玩家紛紛入場，LNG 貿易方式逐步從長協轉為相對靈活的中短期貿易，但目前全球160 多個LNG 碼頭泊位的航道水深、碼 頭長度、登船梯位置和接收貨物能力等參差不齊，給 靈活航線的LNG 船兼容性設計帶來巨大挑戰，也制約了LNG 船的大型化發展，并使17 萬～ 18 萬m3通用型LNG 船成為市場的主流[2]。但不可否認的是,LNG 船的大型化仍是降低單位運輸成本的一種技術發展趨勢。在LNG 靈活貿易的大背景下，依然有長協項目考慮美亞航線以及滿足通航巴拿馬運河要求，仍會有能源公司選擇Q-Class 級別的LNG 船。

2 LNG 液貨圍護系統及技術的發展

液貨圍護系統是LNG船的三大核心系統之一，是專用的液貨艙防護系統，包括主屏壁、次屏壁、附屬的絕熱層和屏壁間處所，以及必要的用于支持這些構件的鄰接結構。該系統主要分為薄膜型液貨圍護系統和獨立艙液貨圍護系統。

根據GIIGNL 機構2022 年發布的數據顯示，現有LNG 船隊的圍護系統以薄膜技術為主。如圖4 所示：采用薄膜技術的LNG 船占比高達74%，采用MOSS 型艙技術的LNG 船占比為17%，采用A 型艙、B 型SPB 艙或C 型罐技術的其他圍護系統LNG 船總計占比僅為9%。

圖4 LNG 船各類圍護系統應用情況

2.1 薄膜技術及發展趨勢

目前，以GTT 公司為代表所研發的薄膜型圍護系統技術處于市場壟斷地位，2022 年承接的173 艘新船訂單中有172 艘采用薄膜技術。GTT 公司的薄膜技術細分為NO96 和MARK III 薄膜技術。除此以外，為打破GTT 公司壟斷，韓國船企相繼開展了不同程度的自主薄膜技術開發，其中包括三星重工研發的SCA 薄膜技術、大宇重工研發的SOIDUS 薄膜技術、現代重工研發的HIMEX 薄膜技術以及韓國KOGAS 燃氣公司聯合三大船企研發的KC-1 薄膜技術等。其中僅KC-1 薄膜技術進行了實船應用，但由于存在結冰問題而被暫時擱置，現已升級為KC-2 薄膜技術。中國船企也在積極策劃薄膜技術的自主研發。

2.1.1 NO96 薄膜技術

NO96 薄膜技術是采用2 層0.7 mm 的殷瓦鋼薄膜作為主、次屏壁，采用焊接工藝連接；以膠合板制成絕緣箱，并填充珍珠巖、玻璃棉或泡沫板等絕緣材料作為絕緣層，絕緣模塊通過特殊的不銹鋼連接件與船體固定。該技術特點是絕緣層總厚度保持530 mm 不變，通過不斷優化絕緣箱的結構、減少膠合板的用量，同時應用性能更好的絕緣材料（如玻璃棉、聚氨酯泡沫板等）來提升其保溫性能（即自然蒸發率指標）。目前，GTT 公司最新發布的NO96 Super+圍護系統蒸發率已降低至0.085%/d。NO96 系列各圍護系統發展路徑如圖5 所示。

圖5 NO96 系列各圍護系統發展路徑

2.1.2 MARK III 薄膜技術

MARK III 薄膜技術是以1.2 mm 的304 型不銹鋼波紋板作為主屏壁，采用焊接工藝連接；以鋁膜加玻璃布的“三明治”復合材料作為次屏壁，采用粘接工藝連接；以聚氨酯泡沫板作為絕緣材料，絕緣模塊以環氧樹脂與船體粘接固定。MARK III 圍護系統降低蒸發率指標主要通過改變絕緣厚度來實現。

目前應用較廣的MARK III Flex 圍護系統蒸發率也已低至0.085%/d，可以滿足當前LNG 船靈活營運的需求。蒸發率更低的MARK III Flex+圍護系統（蒸發率為0.070%/d），目前僅有少量實船應用。其尚未大范圍應用的主要原因是：絕緣層較厚、成本高；單個絕緣模塊尺寸增大了20%、施工難度大幅增加，并且蒸發率0.085%/d 的MARK III Flex圍護系統已可滿足當前LNG 船營運要求。MARK III薄膜技術發展趨勢如圖6 所示。

圖6 MARK III 薄膜技術發展趨勢

從GTT 公司發布的薄膜技術發展趨勢看，該公司正在研制的下一代的薄膜技術將是NO96 和MARK III 這2 種技術的融合，GTT 公司目前將其定義為GTT NEXT1，參見圖7。其蒸發率小于0.070%/d，并且具有如下特征：

圖7 GTT NEXT1 薄膜圍護系統

（1）該創新技術的原型為NO96 技術，并且角部區域保持了與NO96 相同的絕緣箱結構形式；

（2）次屏壁薄膜采用與NO96 相同的殷瓦鋼,取消次屏壁粘接工藝，主屏壁薄膜采用與MARK III相同的不銹鋼波紋板；

（3）平面區域絕緣材料改為聚氨酯泡沫。

從上述市場占有率和薄膜技術發展趨勢看，NO96 技術和MARK III 技術不僅是大型LNG 船薄膜型圍護系統的兩大主流，還將是GTT 公司下一代薄膜技術升級的基礎。

2.2 獨立艙技術及發展趨勢

獨立艙技術又細分為A 型獨立艙技術、B 型獨立艙技術和C 型罐獨立艙技術。

A 型獨立艙技術最大的特點是包含2 層完整屏壁，絕緣層可以敷設在船體或液貨艙外表面。與B型獨立艙技術相比，A 型獨立艙技術對液貨艙整體吊裝要求類似，技術門檻較低且適用于小型LNG船，挪威LNT Marine 公司開發的LNT A-BOX 圍護系統已經用于實船建造。

B 型獨立艙技術包含MOSS 球罐艙技術和B型SPB 艙技術。MOSS 球罐艙技術始于20 世紀70年代的挪威MOSS Rosenberg 公司，罐體采用耐低溫的鋁合金材料，整個球罐由設置在赤道圈外側垂向柱形裙圍結構支承，裙圍結構直接與船體焊接加固，罐體外側敷設聚苯乙烯泡沫板，絕緣厚度可根據蒸發率要求進行相應調整。MOSS 球罐技術因其堅固的球型罐結構、優秀的抗晃蕩載荷能力和高可靠性，而獲得早期市場的青睞。隨著技術水平的高速發展，在MOSS 球罐技術基礎上，日本三菱公司將球形罐改良成豆莢形罐體，可有效提高LNG 船空間利用率，并降低風阻、提升船舶性能。日本IHI 公司開發了B 型SPB 艙技術，中國滬東中華、江南造船和大船重工也先后自主開發了B 型SPB 艙技術，但主要集中應用在少數中小型LNG 船項目。

C 型罐獨立艙技術相對成熟，一般為圓柱形壓力罐，與B 型獨立艙技術相同，艙外表面敷設聚苯乙烯等絕緣材料，具有工藝簡單、無專利費和造價低廉等優點，國內建造船廠較多。不過，同樣受限于LNG 船大小和船廠生產設施等，目前僅適用于中小型LNG 船。

下頁表1 為各種圍護系統種類與優劣勢對比。

表1 圍護系統種類與優劣勢對比

綜上所述，薄膜型圍護系統和MOSS 型圍護系統適用于大中型LNG 船；其他獨立艙技術因罐體本身質量會隨著貨艙艙容增大而增大并且受限于船廠吊裝設備等生產設施，故較適用于中小型LNG 船領域。

3 LNG 液貨操作系統及技術的發展

液貨操作系統是LNG 運輸船功能實現的核心關鍵系統，主要包括高/低負荷壓縮機、LNG 蒸發器、天然氣加熱器和再液化裝置等，主要功能是完成LNG 船圍護系統干燥、惰化、氣升、冷卻、裝貨、卸貨和升溫等操作。隨著推進系統和圍護系統技術的迭代更新，液貨操作系統的設計和關鍵核心設備也產生了重大變革，例如：核心的低溫壓縮機先后經歷了六級離心式壓縮機、四級離心式壓縮機和兩級螺桿式壓縮機等多個類別和型式的變化；再液化技術也從最初的大排量氮膨脹型式，變為節能性能更好的緊湊型/深冷型。

各型式低溫壓縮機和再液化裝置功率需求對比如圖8 所示。可見，主要液貨設備不同技術的發展也都是圍繞降低功率和能耗而不斷展開并優化的。

圖8 17 萬m3 級LNG 船主要液貨設備不同型式功率對比圖

4 LNG 船推進系統及技術的發展

推進系統是LNG 船又一核心系統，直接影響LNG 船投資和營運成本。縱觀LNG 船的發展，推進系統也經歷了數代發展。2000 年以前，以LNG蒸氣和燃油作為鍋爐燃料的汽輪機（又稱“蒸汽透平”）推進系統是大型LNG 船的唯一選擇。該方案采用齒輪箱單軸單槳方式，但其問題是體積龐大、燃料利用效率低，總熱效率僅29%。高昂的燃料成本和日益嚴苛的排放規則催生了市場研發熱效率更高的推進系統解決方案。LNG 船推進系統熱效率對比見圖9。

圖9 LNG 船推進系統熱效率對比

隨著再液化設備成功推向市場，而且考慮到靈活航線船東具有降低航速使用的需求，這種情況配置再液化裝置就是不錯的選擇。低速柴油機直推技術配再液化裝置成為LNG 船推進技術的解決方案之一，通過再液化系統，把多余的蒸氣液化后返回貨艙。該方案解決了船員問題和推進效率問題，低速機總熱效率達到45%左右，但存在的問題是再液化裝置的運行要消耗逾4 000 kW 電能，全船綜合能耗水平并不高。

2010 年以后，雙燃料電力推進（dual fuel diese electric,DFDE）中速機技術逐步成熟。其采用雙軸雙槳推進，原理是將機械能轉換為電能，再通過變頻、變壓轉化為機械能推動螺旋槳，故整個推進鏈能耗還是有較大損失。再加上近年來，隨著低蒸發率圍護系統不斷推陳出新，貨艙自然蒸氣逐步減少，與之匹配的更低能耗的雙燃料低速機應運而生，包括WinGD 公司的X-DF 主機、MAN B &W 公司的ME-GI 和ME-GA 主機。新造大型LNG 船市場迅速轉向LNG 雙燃料低速機直推方案，實現了能效最佳，且與低蒸發率的圍護系統組合，使蒸發氣（boil off gas,BOG）與營運航速得到很好的平衡。

不同動力LNG 船油耗及艙容對比如圖10 所示。

圖10 不同動力LNG 船油耗及艙容對比

LNG 船動力系統經歷了汽輪機→低速柴油機直推配再液化裝置→雙燃料電力推進→雙燃料低速機直推的發展歷程[3]。相較于14.7 萬m3汽輪機LNG 船，17.4 萬m3雙燃料低速機直推LNG 船在單船艙容增加18%的基礎上，能耗降低了50%以上，最新一代LNG 船的全船日油耗已經降至100 t 以內。

另外值得一提的是，隨著全球變暖以及俄羅斯北極LNG 項目的快速推進，市場涌現了一批ARC 7 級破冰型LNG 船。其推進方式是采用“DFDE+破冰吊艙推進”，通過在艉部配置2～ 3 臺吊艙推進器，具備360°回轉操作和最高可破 2.1 m 層冰的性能，具備全年通航北極航道的能力。

從動力系統的發展趨勢看，提高燃料使用效率是其技術發展的主要趨勢，其中一種路徑是采用固體氧化物燃料電池技術[4]。通過應用該技術，燃料使用效率有潛力進一步提升至65%，但該技術在船舶領域的應用尚在起步階段，其供氣系統相對復雜且成本高昂。

5 LNG 船節能減排技術的發展

國際海事組織（international maritime organization,IMO）近年來對各類船型制定了越來越嚴苛的環保指標要求，即使是被公認為相對清潔的LNG 燃料船也必須考慮節能減排技術的應用，以適應國際范圍內低碳化發展趨勢。LNG 船節能減排技術主要包括以下幾方面：

（1）LNG 船線型優化設計技術

LNG 船線型優化設計技術的一個主要發展趨勢是采用雙艉鰭線型設計。隨著LNG 船的大型化以及LNG 裝卸貨碼頭和港口水深的限制，大多數LNG 船的船寬吃水比（B/T）為3.5～ 4.5，特別適合采用雙艉鰭設計。已有研究結果顯示，對于船寬吃水比（B/T）大于3.5 的LNG 船，從快速性能的角度而言，采用雙艉鰭線型設計具有明顯優勢，雙艉線型比單艉線型推進性能提升約11%[3]。

LNG 船線型優化設計技術另一個發展趨勢是與LNG 船全生命周期營運規劃相結合，開展線型定制化優化設計。船東針對LNG 船在全生命周期里的不同營運模式，需要在線型開發時有所側重，不再拘泥于固定的19.5 kn 航速開展優化設計，可有針對性地結合LNG 船全生命周期中營運占比權重較大的航速點開展線型優化，從而最大限度降低LNG 船在整個營運生命周期的能耗水平。

（2）節能裝置應用技術

對于LNG 船，由于采用了雙艉鰭設計，推進效率本來就比傳統的單艉船效率高，再加上現有船體線型已是通過計算流體力學（computational fluid dynamics,CFD）多輪優化的結果，故通過加裝槳帽鰭、前置導管等常規節能裝置獲得的節能效果非常有限。研究發現這些傳統節能裝置的節能效率僅在1%左右，在LNG 實船項目上應用較少。近些年，新型節能裝置大批涌現市場，典型的如氣泡減阻節能系統，節能效果可達到5%～ 10%，且已獲得多個LNG 船實船訂單；風能輔助推進系統雖已有在其他船型應用的案例，但在LNG 船方面尚處于正式應用前的研究階段，單個風筒標稱節能效果約2%，但很大程度上仍取決于具體的營運航線[5]。

（3）減排系統應用技術

受到能源、環境以及排放法規的制約和影響，降低船舶發動機的污染物和溫室氣體排放量以及開發新型船用主機技術，正成為世界各國實現可持續發展的共識。為減少NOX的排放，保證在燃油模式下也可滿足Tier III 排放標準，LNG 船大多選擇加裝選擇性催化還原（selective catalytic reduction,SCR）裝置。為解決天然氣雙燃料發動機中的甲烷逃逸現象，主機廠家先后對LNG 船雙燃料低速主機開展優化升級，應用了廢氣再循環智能控制技術[6]（包括WinGD 公司的ICER 系統和MAN B &W 公司的EGR 系統），主要是通過回收部分廢氣降低缸內溫度、增加壓縮比，使燃燒更加充分而減少近50%甲烷逃逸，同時可降低NOX排放，使LNG 雙燃料主機在燃油和燃氣模式下，均可滿足Tier III 排放要求。隨著全球減碳步伐加快，為有效控制船舶的CO2排放，碳捕集、利用與儲存（carbon capture,utilization and storage,CCUS）技術作為船舶碳減排的一種有效解決方案應運而生。此技術通過捕捉船舶排放尾氣中的CO2，然后在船上進行液化存儲，從而有效降低船舶在營運過程中的碳排放（最多可降低80%碳排放量）。

6 LNG 船智能化應用技術的發展

LNG 船本身配備有高度集成自動控制系統，相較于油輪、散貨船和集裝箱船等貨運船舶，LNG船自動化水平更高，更容易實現從技術、成本向智能化船舶過渡。LNG 船智能化技術應用發展趨勢主要集中于提高營運安全、能效管理和智能輔助決策方面，包括智能航行、智能能效管理、智能貨物管理和智能機艙[6]這4 個方向，如圖11 所示。

圖11 LNG 船智能化技術應用發展趨勢

智能航行主要是通過應用感知技術（包括雷達、視覺傳感等，融合數據分析、控制算法與岸基支持等智能化技術）來實現航線的優化以及自動避碰[6]和自主航行。當前，航線優化和智能避碰將在多個LNG 船項目上應用，但由于裝載的LNG 貨物屬于危險貨品，故目前自主航行智能技術不是LNG 船主要發展方向。

智能能效管理技術已在LNG 船實現了廣泛的應用，主要是通過在線監測航行狀態、推進系統能效運行狀態，分析評估船舶的整體能效營運情況，提供能效優化建議（如航速優化、縱傾優化等），從而提升船舶營運過程中的能耗管理水平，實現低碳運行。

智能貨物管理和智能機艙技術目前在LNG 船已有不同程度的應用，主要是通過實時監測貨艙狀態（主要包括溫度、壓力、液位和晃蕩水平等），實時監測主機、發電機、軸系等主要推進設備的運行狀態，分析評估貨艙、推進設備的運行和健康狀況[7]，為LNG船操作及維護保養提供輔助決策建議。圍繞LNG貨物和機艙推進設備的智能化程度提升，將是未來LNG 船的發展趨勢之一。

7 LNG 船配套技術的自主國產化發展

LNG 船關鍵核心裝備（如高負荷低溫氣體壓縮機、再液化裝置、主液貨泵和LNG 蒸發器等）長期依賴進口，主要原因有兩方面：一方面由于國內建造LNG 船數量較少，導致部分配套廠商的積極性不高；另一方面是LNG 船在國外已發展數十年，產生了一批成熟的設備和材料供應商，形成技術壁壘，而國內企業缺乏LNG 船低溫相關技術。

近幾年，隨著國內LNG 船建造訂單的上升以及中國對LNG 巨大的進口需求，國內已有超15 家新配套企業表現出濃厚興趣，并投入LNG 船產業鏈配套設備材料的研發中，積極布局LNG 圍護系統絕緣材料、高/低負荷低溫氣體壓縮機、主液貨泵等設備。

據預測：2025 年將有批量設備攻克關鍵技術壁壘，實現核心設備的自主化；在未來20～ 30 年中，天然氣依然是一種重要的過渡能源；LNG 產業鏈建設過程中，LNG 船配套技術的自主化發展也將是未來發展的重要趨勢之一。

8 結論

通過對上述LNG 船技術發展趨勢的分析，LNG 船作為LNG 海上進口主要的運輸裝備，其關鍵技術的發展呈現以下幾大趨勢：

（1）LNG 船節能設計和優化方面，常規大型LNG 船應用雙艉鰭設計是當前市場的主流。船型優化不再是簡單考慮單一合同的航速點，而將是基于項目全生命周期的營運模式來開展定制化優化，才能最大限度地降低LNG 船在整個營運生命周期的能耗水平。

（2）LNG 船液貨圍護系統、液貨操作系統與推進系統等技術的革新，均是從提高能效利用和降低能耗需求方面著手，圍繞著低碳節能的方向降低LNG 船各個子系統的能耗水平。

（3）氣泡減阻、風力助推和CCUS 等新型節能減排技術不斷推陳出新。可以預見，在IMO 環保規范日益嚴苛的大環境下，新型節能減排裝置在LNG 船上的應用必將掀起新的浪潮。

（4）LNG 船數字智能化基礎比較好，未來主要是朝著提升數字智能化應用深度的方向發展，通過大數據的數字智能化，實現LNG 船營運向更加安全、便捷與精準的方向發展。

（5）隨著我國造船工業越來越強以及LNG 船在國際市場份額越來越大，LNG 船配套技術的自主國產化發展也將是一大主要趨勢。