天然气的水上运输

文/刘康林 王智拓

天然气的水上运输

文/刘康林 王智拓

本文介绍了LNG的滚装运输、集装箱运输和专用LNG船运输，以及CNG和NGH等水上运输方式的现状和应用前景，重点说明了近年在我国新出现的LNG滚装运输方式对码头消防、海上运输等方面的要求，指出了天然气水上运输的当前、近期和远期目标。从对涠洲～北海航线的集装箱运输和滚装运输方式的对比分析，说明了天然气水上运输方式的选择要综合考虑产品规模、水运距离和已有码头条件等情况。为满足天然气工业发展的需要，船舶制造业应从整个天然气供应链的需求出发，在发展LNG远洋运输船的同时，重视对其它形式的天然气水上运输船舶的开发。

天然气；非管输运输；液化天然气；压缩天然气；天然气水合物；吸附天然气；滚装运输

1.前言

天然气是清洁、高效的优质燃料，已成为仅次于煤炭和石油的第三大一次能源。在整个天然气产业链中，天然气的输送是至关重要的环节之一。对此，我国近年来先后兴建了陕京线、西气东输管线，以及广东、福建和大连等进口液化天然气站线工程，这对拉动管线周边城市的经济增长和环境改善发挥了巨大的作用。然而，由于天然气管线集输的一次性投资高，从我国目前的国情来讲，已有管输天然气仅能供应主干管道沿线城市。无论是天然气管道尚未到达的城市，还是城市燃气调峰和气源过渡，均需要采用非管输的方式保证燃气的供应。

天然气非管输运输方式有液化天然气（LNG）、压缩天然气（CNG）、吸附天然气（ANG）和天然气水合物（NGH）等储运方式。其中，真正进入实用的是LNG和CNG运输方式。在陆地上，目前的天然气非管输现状是：LNG主要通过公路槽车或罐式集装箱运输，CNG则是通过长管拖车气瓶或集装在拖车上的众多小气瓶运输。2013年9月，青海油田液化天然气公司LNG铁路运输试验在青藏线格—拉段首获成功，填补了国内LNG铁路运输的空白。由于LNG槽车陆路运输事故较多，已发生数以百计的碰撞和翻车事故[1]，加之，除LNG的远洋运输外，在河流渡口和海峡等处的天然气运输，必须考虑水上运输，因此，世界上许多国家都在积极探索天然气的水上运输模式。

2.LNG的水上运输

天然气液化后的体积仅为其气态体积的1/600左右。LNG在运输、储存和调峰方面有独特的优势。近年来，LNG工业在国际上得到迅猛发展，已成为世界能源贸易量增长最为迅速的一次能源，截止2013年12月，我国已建、在建和拟建的LNG接收站有39座，其中已有10余座投入运行，另有168座天然气液化工厂（含具有液化功能的调峰站）。这些工程的实施，为我国LNG的水上和陆上运输带来了机遇和挑战。

LNG的水上运输有专用LNG船运输、LNG槽车滚装运输、LNG罐式集装箱运输三种形式。

2.1 LNG专用船运输

目前国际上对LNG专用船运输有远洋运输、近海及沿海运输。远洋运输主要采用舱容5万m3以上的大型LNG船，将LNG从出口国运至进口国接收站，船舶类型主要有MOSS型、 SPB型和薄膜型，最大舱容已达20万m3以上；近海或沿海运输主要采用0.1万m3～5万m3的小型LNG船，将LNG从生产基地或大型LNG接收站转运到子站。鉴于LNG的远洋运输已有众多文献进行介绍，在此不再赘述。下面着重谈一下小型LNG船的运输问题。

小型LNG船的设计建造技术和营运在欧美和日本等国家已经相当成熟，相比大型LNG 船和陆地槽罐车运输，显示出周转灵活、安全性高的优点。我国幅员辽阔，各地区经济发展不平衡，加之我国天然气工业起步较晚，大型进口LNG接收站通过管输方式覆盖的区域有限，随着越来越多的沿海LNG接收站投入运营，必将需要通过小型LNG船在沿海与内河转输LNG，以减少管道的铺设量，实现站与站之间的调剂，满足城市燃气调峰的需要，减少或避免陆上槽车长距离运输的不安全性和不经济性。2008年，新奥集团和中国船舶工业集团公司第七〇八研究所，对2万m3小型LNG运输船进行过概念设计研究。2009年浙江台州五洲船业有限公司和张家港圣汇气体化工装备有限公司共同为挪威斯考根海运集团建造小型多用途液化气体船，该船配备容积为4000m3和6000m3的圆柱形罐各一个，可装载1万m3液化天然气，是世界首艘配备再液化装置的小型LNG 船。2012年该船在国内开辟了大连到东莞的海上小液化船路线，并获得成功。目前，国内有多家油气公司订购了小型LNG船，预计未来十年内，中国将有数十艘小型LNG船的订单。

从国外经验来看，为降低小型LNG船的制造成本与运营成本，提高其适航性，小型LNG船多采用独立卧式蓄压式储罐作货舱，储罐可为圆柱壳或两圆柱壳拼接而成的双耳型结构[2]，而球形罐体重心偏高，船舶利用率偏低，则较少采用。为提高船舶的空间利用率，减小BOG的量，小型LNG船舶中也有采用薄膜型货仓的。

2.2 LNG槽车滚装船运输

我国LNG槽车滚装运输是为将海口福山和北海涠洲岛的LNG从岛上运至大陆而于2005年出现的一种运输方式。这种运输方式以轮子滚上滚下的水平装卸代替了起重机械的垂直装卸，具有装卸效率高，对码头要求低，港口投资少，装卸费用低，运输灵活，易于实施等优势，适合于水运距离较短的海峡或河流渡口。从海口——海安、涠洲岛——北海两条航线的运输情况来看，LNG槽车的滚装运输情况良好，未曾出现安全事故，表明只要严格作业安全，安全措施得当，该运输方式是一种较可靠的LNG短途水上运输方式。

国内许多港口建有汽车滚装船码头，为LNG槽车滚装运输奠定了良好的基础。但为确保运输的安全性，必须对作业码头和运输船舶加设安全实施，强化安全管理。

对LNG运输船舶及海上运输过程来讲，应严格遵守《水路危险货物运输规则》、《国际海运危险货物规则》和《中华人民共和国船舶载运危险货物安全监督管理规定》等标准、法规的有关规定，设计、制造或改造须经船级社和海事部门的批准和检验。船舶应为敞开式，并按有关标准要求配备泄漏检测和应急安全设施；对LNG槽车的绑扎要牢固可靠，六级以上风，船舶不得出行；从业人员必须持证上岗，无关人员不准搭乘LNG船。

就LNG槽车滚装船作业码头而言，一般需作如下考虑：

（1）增设消防水池、消防炮和消防水帘等消防安全设施；

（2）进行码头的作业安全与风险评估；

（3）制定严格的应急处理方案，并按方案组建应急处理领导小组；

（4）成立由船运、消防、海事、港务等单位部门组成的现场安全管理小组，负责日常码头的安全管理工作；

（5）如非专用危险品滚装码头，应严格执行分时段运输方式。即严格规定LNG槽车的装卸作业时段，在进行LNG槽车装卸时，码头其它泊位停止作业，安全距离范围内不得停靠其它货物的船只；

（6）LNG槽车从危险品场地进驻码头途中，必须由消防车引道，以确保全程的安全；

（7）LNG槽车装卸前，必须由安全员对槽车的完好性进行严格的检查，杜绝不合格槽车上船。

2.3 LNG罐式集装箱船运输

LNG罐式集装箱是由集装箱框架与内部LNG容器组合而成的连接体。罐箱的整体外形尺寸符合ISO集装箱的标准[3]，集装箱框架设有底部纵梁和端部圆弧板，整体结构牢靠[1]。

与LNG槽车运输一样，LNG集装箱运输也无需倒换货物，可实现一罐到底的门到门的服务，流程简单，无需专用LNG码头，投资小，机动灵活，综合物流效益显著，有利于天然气终端市场的开发。与滚装运输相比，舱容相同情况下，集装箱运输装载LNG的量比滚装运输装载量大，在水上运距较长时，这种运输方式的经济性高于滚装运输方式。但当LNG运输量较小，且运距较短（如海峡间的运输）时，由于码头吊装费较高，滚装运输会比集装箱运输经济[4]。

文[5]介绍了这种运输方式的试验情况，试验路线为“涠洲岛—北海—广州黄埔新港码头—上海军工码头—浙江海宁—上海军工码头—广州黄埔新港码头”，试验结果表明了这种运输方式的安全可行性。但由于LNG罐式集装箱的积载海运涉及质量监督、特检、海事、道路交通等众多管理部门，行业法规多，且不完善，协调难度大，致使这一运输方式目前国内尚未真正实施。

3.CNG的海上运输

在LNG水上运输蓬勃发展的同时，CNG水上运输方式也悄然出现。CNG船舶运输就是将天然气压缩至20～25MPa，并充入固定于船上的特制高压管式容器中而进行的一种水上运输方式，有Coselle、VOTRANS、GTM、PNG、穿梭型、FRP和CDTS等形式[6][7]。

Coselle方式是将小管径盘管缠绕在一个转盘内，构成一个压力为20.7MPa的CNG储存单元。盘管直径虽小，但长度可达数英里，因此Coselle方式可做到容量大，且结构紧凑。其单次航程为200～2000km，运力为187万m3～1504万m3。

容积优化运输与储存（简称VOTRANS）方式是在船上设置绝热性能较好的冷储存箱，并将大管径长管束置于冷储存箱内，用于存储CNG。由于管内天然气受到冷储存箱的冷却，储存同样质量的天然气，管内压力低于Coselle盘管中的压力。其单次航程可达1552km，运力为1982万m3～2265万m3。

GTM方式是在船上布设存储天然气压力为20.7MPa的大管径管束，每根长管内层为钢管，外层为玻璃纤维和树脂，这样不仅提高了长管的承压能力，也有效减少了管束的重量（重量可比全钢结构轻35%），从而提高了船舶装载天然气的量。

PNG方式是采用大直径管状容器存储天然气，温度为常温，压力25MPa，温度及压力均高于VOTRANS形式CNG船。由于是常温运输，因此无需绝缘冷柜。以三星重工开发的PNG船为例，该船长259.7米，宽54米，深29米，33000DWT，天然气装载容积77190m3，船上设有12个货舱，装载压缩天然气的气瓶共2672个，每个气瓶直径为1米、长36米。

穿梭型方式是挪威CETech公司在穿梭油船的基础上发展起来的，天然气采用厚壁钢质管存储，储存压力为15MPa～25MPa。该方式由CETech公司掌握，船长200～300米，宽40～60米。这种CNG运输船可有多种用途，如设计为同时储运天然气和石油的运输船。

FRP方式采用纤维强化塑料（FRP）作CNG储存容器。为便于安装和固定，储存容器安置在模块盒中。每个模块盒的顶端和底端均设有连接总管。钢质的模块盒结构使气体容器系统免受水动力运动和振动的影响。该模块盒系统在航行中任何时候均可保证100%的可视率。这种运输方式的优点是所用塑料容器的重量轻、耐腐蚀、成本低，且安全、可靠[8]。

CDTS方式是由Altair公司与密歇根大学共同研究提出的，它的基本单元是由十二个相同的相互贯穿的圆柱筒体组成的一个立方体，立方体的每一条棱即使一个圆柱筒体，再由几十个这样的立方体组成CNG船的货舱。CDTS方式的好处是在载货量相同的情况下，船舶的尺寸与其他形式的船舶显著地减小；与其他形式相比，尺寸较小，可节省15%至60%的运营费用；相对VOTRANS形式，其传热系数减少5%，相比Coselle形式传热系数减少30%[9]。运力为105万m3～2837万m3。

与LNG船运方式相比，CNG船运方式对岸上接驳的要求较低，投资少，工艺设施简单，并可有效地减少天然气资源的浪费[10]。CNG船本身的建造也远比LNG船简单，可直接由一般船舶改建而成，单船运气量可达数万至数百万标态天然气。整个运输链的初投资小，在200～2000公里运距内的运行成本低于LNG船运方式，而且，船舶不用作CNG船时，也便于改装为其他一般船只，是一种前景良好的海上或内河运输天然气的方式。

4.天然气水合物(NGH)运输

天然气水合物是指天然气在一定温度和压力下和水作用生成的一种非固定化学计量的笼型晶体化合物[11]。标准状态下，1m3的NGH可存储150～180 m3的天然气。由于其遇火可燃烧，故也称可燃冰。天然气水合物的运输涉及到天然气水合物的形成、储存和分解气化三个方面，但具体的储运工艺有多种形式[12]。就海运来讲，有干式水合物运输、浆料式运输和干式水合物混入到-10℃的原油中运输等形式。在干式水合物运输方式中，干水合物的形成工艺比较复杂，需经过三级脱水过程，制作成本较高，但对料舱的要求不高；浆料式和混入原油的运输方式，可通过泵和管道进行装卸，装卸速度快，劳动强度低，但储运过程中对料舱的要求比干式水合物运输方式高。NGH储运技术中存在的主要问题是水合物的制备效率较低，制作成本高，尚不能满足商业运作的要求。

尽管NGH的水上储运方法目前尚处于试验研究阶段，但因NGH储运的安全稳定性强，运输链的总投资小，方便灵活，尤其是大陆延伸至海洋的边坡地带中NGH的储存量异常丰富，为使这些NGH尽快得到应用，除要解决好海底NGH的开采问题，NGH的储运问题也必须随之解决，因此，NGH的水上储运是一种具有广阔发展前景的运输方式。

5.结语

天然气的水上运输是解决能源供应的重要环节，且有多种运输形式可供选择。考虑到这些运输形式各有自身特点和适用范围，相互间并不能完全替代，实际运作时，应针对具体的运距、运量、气源与目标市场的特点，以及现有技术的成熟度情况，从确保安全，保证经济出发，正确选择水上运输方式，做好各运输方式间的衔接配合。从当前来讲，LNG的滚装运输和集装箱运输应是大型LNG专用船舶运输的良好补充；近期来看，CNG水上运输和小型LNG船的沿海转运应加快发展；而NGH的水上运输将随着海底NGH的成功开采而快速发展，并具有广阔应用前景。

鉴于我国实施天然气水上运输的时间还较短，有关天然气水上运输的标准、法规的制定滞后于经济发展，无论是有关船舶的设计标准，还是运输规程方面，都存在不少空白。船舶制造业和交通运输业应加强与天然气行业间的沟通、交流，在重点关注大型远洋运输LNG船的同时，也应从满足整个天然气供应链的需求入手，深入研究其它形式的天然气水上运输方式及相应的船舶设计、制造技术，尽快形成适合我国国情的天然气水上运输体系和运输船舶体系，解决天然气产业链上的运输瓶颈问题。

（作者单位：福州大学石油化工学院）

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[6]陈爱玲，李永鹏.压缩天然气船舶运输新技术及前景[J].世界海运，2005，28（3）：4～6

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