LNG加注技术的最新发展

李 源

尽管液化天然气（LNG）作为船用燃料的前景被广泛看好，但目前完全用LNG作为燃料的船舶还不多，主要是内河船，特别是在欧洲水域运营的居多。今年4月，世界上第一艘LNG动力集装箱船“Isla Bella”号下水，船东是美国阿拉斯加航运公司(TOTE)，由美国通用动力NASSCO公司建造。同月，挪威Nor Lines公司的5000t近海货船“Kvitbjørn”号完成了世界首例只依靠LNG燃料的亚欧之旅，途中进行了两次燃料加注。该船采用罗·罗公司的Environship设计概念，发动机为罗·罗公司的卑尔根B35：40型纯气体发动机。此次亚欧之行的成功表明了LNG动力船舶不但可用于沿海短途运输，同样也能用于远洋，是航运界“由油转气”的重大里程碑。

在环保的大环境下，LNG在船舶上的应用将越来越广泛。据DNV GL统计，到2020年，全球LNG燃料船舶新订单将达到千艘，届时全球每年将需要400～700万吨LNG作为船用燃料。2025年全球的LNG燃料船舶将达到3200艘。其中欧洲和美国将主要依靠本国的天然气产量，亚太地区则需要依赖全球市场上进口的LNG。

图1 LNG作为船用燃料的发展

港口LNG加注业务动向

缺乏LNG加注基础设施被认为是LNG动力船舶发展的瓶颈。相对而言，欧洲对LNG船用燃料利用最超前，在北欧，目前约有50艘LNG燃料船已投入运营，其中大部分是渡船、旅游船和海工船舶。鹿特丹、安特卫普、汉堡以及波罗的海的港口均是船舶使用LNG燃料的积极推动者，其次是北美，五大湖区域设置了许多天然气基础设施。

不仅如此，鉴于LNG燃料船舶良好的发展前景，欧盟计划加快LNG加气站的布局。根据欧盟推出的“清洁能源发展战略”，拟投资210亿欧元，确保在2020年前所有T-ENT港口具备LNG加注服务能力，2025年前欧洲所有内河港口具备LNG加注能力。同时欧盟在该战略中将LNG加注标准及加注站设计标准的研发列为重点工作。

2014年英国劳氏船级社对LNG加注基础设施进行了一个调查。调查涉及到22个港口，其中15个欧洲港口、4个北美港口和2个亚洲港口。调查结果显示，64%的港口有意愿主动为使用LNG燃料提供必要的基础设施。目前已经或有计划为近海/内河航运提供LNG加注基础设施的港口有59%。2011年，国际港口协会发布了开发“港口LNG加注导则”的计划，55%的港口参与了该项目，而2011年的一项调查显示，当时仅7%的港口参与了该项目，表明港口对LNG加注的关注度大幅上升。对于气体燃料船舶，港口目前能提供及计划提供的各类加注基础设施比例如下：最多的为加注驳船和陆路运输的液罐，均为33%，其次是泊位上的管路加注，为17%，其他方式为17%。关于时间计划表，76%的港口认为1～5年时间里会在自已的港口开始LNG燃料加注操作，24%的港口认为5～10年内可以开始。

据一份资料显示，鹿特丹港对2020年可能开展的各种LNG服务预测如下：

LNG加注的几种类型

对船舶进行LNG加注有四种方式：槽车对船、岸站对船、便携式液罐、船对船。实际应用中，目前使用最广泛的是槽车对船的加注方式，北欧大部分LNG动力船采用此种方式加注。岸站对船的加注方式在挪威已有应用。船－船加注方式的应用是最近的事，2013年初，世界首艘LNG加注船在Viking Line投入运营，该船由瑞典的Cryo AB公司建造。下面对这四种方式的优缺点作一介绍。

表1 2020年港口的各种LNG服务

槽车对船（TTS）

TTS加注是从槽车的液罐向停泊在港口的船舶充装LNG。通常是通过连接在两者之间的一根特制的用于低温LNG的软管来传输，也可采用挠性连接臂。一般来说，一辆LNG液罐槽车能装载13000加仑的LNG，约1个小时可以完成全部LNG的传输。TTS加注方式为船东、运营商以及加注场所提供了很大的灵活性，任何码头都可以使用这种方式。对于那些LNG燃料舱容量较小的船舶，TTS加注可以作为初始的解决方案，在进行大规模LNG加注设施投资前能详细地了解市场状况。

以目前的设计，IMO C型液罐一般有30天的存储时间。因为轻便，几乎可以在任何地点供应LNG。唯一的限制是港口是否允许从码头进行岸边LNG加注。

TTS加注方式的优点是便携、低投入，以及可以远距运输LNG，不管是现在还是未来都十分具有吸引力。不过由于充装速度有限以及槽车数量的限制，对于大型船舶来说这种方式能力有限。风险方面，TTS中的关键操作者是槽车司机，他并非专业的加注作业者，因此不会象固定装置作业者那样熟悉安全要求，另外还存在陆上运输安全风险，相比岸站对船和船对船加注方式，TTS加注方式对公众的风险更大。

岸站对船（PTS）

PTS加注方式中，LNG从陆地上的固定储存站点，通过低温管路或软管向停泊在附近码头的船舶充装LNG。不仅能进行大容量的充装，也可通过便携式液罐进行充装。美国Harvey海湾正在Fourchon港开发PTS加注方案。LNG可以通过槽车、铁路或加注驳船运送至储存设施中，也可以从远距离的液化设施运送。未来，有可能小规模的LNG液化工厂就能提供现场加注服务。

PTS方式的加注速度比TTS高很多，在传输速度和容量的设计上也很灵活，能满足特定客户或普通客户的需求，但是从地理上看仍然是灵活性最低的一种方式。因为PTS加注需要有位于码头附近的固定设施，船舶需要进行专门的布置，以便可以在装卸货的同时进行燃料加注，以减少在港口停泊的时间，否则在港时间延长，就会降低PTS加注方式的可行性。

现有的LNG终端均设计为低频次、高容量传输，因此不能立即改成能提供LNG加注服务，而且LNG加注设施还需要由特定机构进行严格审核以确保设计的安全性和必要的隔离距离。新的LNG终端可能会同时考虑LNG加注作业，但需要对以下方面进行评估：

1.在设计和操作时考虑双重用途（高传输速度、大容量以及低传输速度、小容量），确保一种作业不会对另一种作业产生干扰。

2.设置LNG燃料船专门码头，避免与LNG船所需的大规模LNG传输相干扰。

PTS加注方式的灵活性较高，能针对所有潜在的加注速度和容量进行设计，既能满足LNG大量加注的要求，也能少量加注，但是灵活性会损失一定的操作效率。长期运营中，这类设施可能会为专门的加注客户进行定制设计，这样传输效率会更高。

便携式液罐传输

便携式液罐可直接被装载在船上用作燃料储存，这种方式下LNG加注量是很灵活的，根据便携式液罐的数量而定。1个40英尺的ISO联运便携式液罐能储存约13000加仑LNG。

便携式液罐运输方便，通过槽车、铁路以及货船均可运输。可以储存一定的时间，应用范围很广，工业界、航运界和CNG加注站均可采用。要想在船上使用便携式液罐，液罐和船舶设计必须兼容。

以下这些方面会增加便携式液罐加注风险：便携式液罐需要更多的连接，会增加泄漏的概率；操作导致的甲烷泄漏；便携式液罐的物理传输对外界的影响和潜在泄漏概率较大。

船对船（STS）

船对船加注是从燃料加注船或加注驳船向另一艘船舶加注LNG燃料。船对船加注方式在燃料充装量和充装速度上具有较大的灵活性。燃料加注船和加注驳船的加注位置也具有最大的灵活性，可以在港口操作，也可以在海上操作。

在瑞典斯德哥尔摩港，首例船对船LNG燃料加注是“Seagas”号燃料加注船向“Viking Grace”号渡船加注燃料。“Seagas”号燃料加注船设计专用于为“Viking Grace”号加燃料，大约一小时可加注40000加仑LNG。尽管充装速度没有PTS方式那么快，但是超过TTS的充装速度和容量。将来会出现更大的燃料加注船，充装速度更高，可为多种船舶加燃料。

相比岸基的传输，船对船传输存在潜在的威胁，如船舶间的过度运动、海况、船舶碰撞等。如果在设计和操作中确定并充分考虑到这些情况，会很大程度上减少风险。

表2 三种LNG加注方式对各种船型的适用性

船对船加注具备较大的灵活性，如：可以在货物装卸和登船/下船时同时进行加注；无需进港就可以实施，方便了过路船只。

几种加注方式的比较

加注时间。船舶类型和操作条件将决定哪种加注方式是最合适的。大型船舶的运输路线长，需要更快的加注操作。一艘2000～8000 TEU的集装箱船，商业可行的加注时长为4～6小时。这意味着燃料传输流速将会很高。例如，TOTE公司的一艘3100 TEU集装箱船要求4小时加注完毕。

TTS加注方式传输速度较低，如果用于大容量传输耗时过长，同时TTS和便携式液罐传输还会受到槽车或便携式液罐数量的限制，因此仅适用于小型船舶。

不同船型适用的加注方式。船对船、槽车对船及岸站对船三种加注方式，对于不同的船型的适用性大致如表2所示。

港口条件。港口的具体情况也限制了LNG加注方式的选择。通常将港口分为不受限制的港口、大型受限制港口及小型受限制港口三类，每一类港口适用的LNG加注方式也不尽相同。

1.不受限制的港口。

可以对港口进行扩展以便从岸上进行LNG加注。这样的港口主要服务于石油钻探和生产。有多种潜在海事LNG客户。周围的区域无人居住或人口稀少，多为工业活动。

这类港口灵活性最高，所有LNG加注方式均可行，但是具体选择哪种方式还需要取决于港口的客户。既然是一个工业区，可以假设港口会有许多中型或大型客户，需要较高的传输速度和较大的传输容量，PTS和STS加注是可行的，需要对这两种方式的经济性进行对比，确定选择哪种方式。

因为区域相对人口稀少，相关的风险主要是对区域内的工人、基础设施和附近的资产。

2.大型受限制的港口。

这类港口的扩张受到限制，主要服务大型船舶，如散货船和旅游船。港口周围大量开发，为成熟工业区并邻近居住区。

这种情况下，PTS基础设施开发可行性会减少。因为加注设施与已有货物转运操作协同布局的可能性较低，船舶需要至另一位置进行PTS传输。替代方案是，可以使用加注船或加注驳船在货物装卸或乘客上下的另一舷进行燃料加注。这种情况下，STS应是最可行的方案。加注船从远处的港口将LNG运输过来。拥有大型石化装置的港口也属于这种类型。

3.小型受限制的港口。

这类港口扩张受到限制，主要服务大量的渔船、渡船和其他中小型船舶。这些船舶对燃料的需求量少，航程短。由于土地有限，较难采用PTS加注方式，同时许多需要加注作业的是小型船舶，采用TTS或便携式液罐加注是可行的方案。比如渡船可能会对便携式液罐加注感兴趣，因为不需要液罐充装装置和蒸发气线路。

对于特定的港口应该选择何种加注方式，需要综合考虑港口的具体情况，还需要考虑船型、运输模式和航线。由于加注设施可以通过专业的设计来满足不同LNG燃料船舶的需要，因此燃料传输速度并非选择加注方式的一个决定性的条件。停靠许多大型船舶的美国港口可能更倾向于选择PTS和STS加注方式。另外还需要考虑港口里小型支持船舶，如拖船、近海支持船、渡船等。除非专门设计的PTS加注方式可以同时满足大型船舶和小型船舶的加注要求，否则还需要利用TTS方式为小型支持船服务，美国Harvey海湾就是采用这种模式。专业的PTS加注方式可以与LNG燃料船和支持基础设施共同开发。

LNG加注相关规则规范

目前与LNG燃料加注或传输直接相关的国际标准如下：

ISO“对船舶加注LNG燃料的系统和装置导则”；

IMO IGF规则草案；

SIGTTO LNG船对船传输导则；

SIGTTO ESD系统；

BS EN 1160 LNG资产和材料（Properties and materials）；

IMO“港口区域的危险货物安全运输和相关活动的推荐性建议”；

2003第六版API推荐性操作规程“防止由静态电流、闪电电流和迷路电流引起的着火引燃”。

除此以外，一些船级社已在这些国际标准的基础上，制定了LNG加注适用的规范和指南。

1.ISO“对船舶加注LNG燃料的系统和装置导则”。

对于LNG燃料船舶的运营商和燃料的供应商来说，LNG燃料补给装置开发过程、设计和操作的标准化非常重要。2013年6月ISO（国际标准化组织）下属的第67技术委员会ISO/TC 67“石油、石油化工和天然气工业用材料、设备和海上结构物”发布了“对船舶加注LNG燃料的系统和装置导则”草案，该草案由“国际燃油和燃气生产者协会”起草，内容涵盖了LNG补给的设计和操作，并列出了LNG水上加注的24项功能性要求，但对如何达到要求的各项目标并未做出具体的描述。怎样实施，需要各船级社拟定更详细的规范或指南予以落实。

2.IGF规则。

IMO第94届海安会（MSC94）已原则批准了IGF规则草案，还批准了使该规则成为强制性的SOLAS修正案，预计在MSC 95（2015年6月）上通过，适用于2017年1月1日及以后建造或改造的、使用气体或其他低闪点燃料的500 GT及以上的船舶。IGF规则将对使用低闪点燃料的机器、设备和系统的布置、安装、控制和监测提出强制性的规定，第一阶段将关注LNG，以使其对船舶、船员和环境的危害减至最小。

3.CCS“液化天然气燃料水上加注趸船入级与建造规范”。

CCS发布的“液化天然气燃料水上加注趸船入级与建造规范”是基于国际规则的具体指导则文件，于2014年3月1日生效。该规范是CCS通过“对LNG关键技术研究”、“船用LNG燃料罐结构关键技术研究”等课题研究成果，结合CCS现有技术文件和已取得的经验，采用风险分析理论，基于目标型船舶建造标准的理念制定而成。适用于在内河水域使用、为船舶加注LNG燃料或闪点大于60℃的船用燃油和LNG燃料的新建加注趸船。

4.ABS“北美LNG燃料船舶的加注”指南。

2015年3月ABS船级社发布第二版“北美LNG燃料船舶的加注”指南，对船东和运营商提供了指导性建议。该指南的第一版于2014年3月 发布。2013年8月，ABS建立了全球气体解决方案团队后，已被授予数个前置合同，还获得了世界首艘LNG燃料集装箱船、北美首艘LNG驳船、世界首艘超大型乙烷运输船、世界首艘压缩天然气运输船以及首艘在北美建造的双燃料OSV的入级合同。

5.DNV GL“液化天然气加注装置的开发和操作”推荐性规程。

DNV GL于2013年发布了“液化天然气加注装置的开发和操作”推荐性规程，该规程于2014年1月正式生效，是DNV GL结合自身的经验和专业领域的知识，对如何满足ISO的导则要求提出的实用性指南。RP包含了船舶LNG加注的所有模式，对ISO导则建议的三个关键主题，规划、设计和操作、安全管理系统和风险评估等三方面提供指导。它包含了为船舶补给LNG燃料的三种模式（即ISO/OGP导则中引入的槽车对船、岸站对船和船对船三种加注模式），同时这三种模式中提出的方法经过特别的考虑也可用于便携式液罐加注模式。

LNG加注船技术发展现状

“FKAB L1”LNG加注船

瑞典FKAB船舶设计公司的LNG加注船概念，既能装载LNG也能装载船用燃油。该船总长67.6米，船中宽度11.6米，设计吃水3.5米，载重量850吨，航速12.5节。LNG装载容量为800m3，船用燃油装载容量500m3，定员8人。主机为2×675kW纯气体发动机（生物气或LNG）。具备极佳的环保性，满足IMO排放控制区SOX和NOX排放的规定。船上配备高容量的液货泵和分配系统，确保快速简便地加注操作。两套货物系统均拥有液货流量表，确保精确加注。为了满足船舶的安全性，L1配备冗余的推进器，包括可用于辅助推进的2台方位推进器和1台方位船首推进器，使船舶在所有时间所有吃水条件下均拥有良好安全的操纵性。另外，该船还拥有芬兰/瑞典1B冰级。

图2 “FKAB L1”LNG加注船布置图

图3 LNG加注船技术要点

图4 LNG加注区技术要点

NYK订购1艘LNG加注船

2014年，NYK与韩进重工签订合同，建造1艘LNG加注船。为了开发LNG加注业务全球市场，NYK与GDF SUEZ S.A.以 及三菱公司在2014年5月签订了框架协议。作为在该协议下的首个项目，GDF SUEZ、三菱和NYK决定建造一艘LNG加注船，以形成LNG加注业务的核心基础设施，具备在欧洲海运领域配送LNG燃料的能力。

该船计划于2016年交付，以比利时的Zeebrugge港为母港。交付后，该船主要在北海和波罗的海运营，为当地LNG燃料船舶提供燃料。据悉NYK等三个公司的LNG加注业务最初的目标客户是挪威联合欧洲汽车运输船公司的LNG燃料汽车运输船，以及其他运营在北海和波罗的海的LNG燃料船舶。

该6000GT的LNG加注船，总长100米，宽17.8米，拥有两个IMO独立压力LNG液舱，总容积5100m3。主机采用低硫油和LNG双燃料，操作效率可以达到最大化。除了2台主螺旋桨，船上还配备2台辅助螺旋桨，因此操纵性和靠泊能力很强，无需停泊支持船即可在海上向另一艘船舶传输LNG。

壳牌向韩国STX订购1艘LNG加注船

2014年底壳牌公司向韩国STX订购了1艘6500m3LNG加注船，预计2017年交付，随后将用于荷兰的鹿特丹港，从鹿特丹港的Gate终端装载LNG并进行配送。Gate终端计划于2016年第4季度投产，是一个专用的LNG补给终端，运营模式是通过管路从大型终端接收LNG，再配送出去。据悉该船设计先进，能够高效操作，操纵性能好，能从大型或小型终端装载LNG，为各种不同的船舶加注。采用LNG和船用汽油双燃料推进，拥有2个LNG液罐。船上采用诸多创新技术，包括1个LNG加注臂，可安全高效地进行LNG船对船传输，1个次冷却单元，确保LNG处于理想温度和压力。该LNG加注船能为多种船舶提供加注服务，如沿海油船、货船和渡船，它也可以远洋航行，因此也能为其他区域的船舶服务。

STX造船海洋从2011年开始进行LNG加注船自主研发工作，2013年获得船级社原理认可（AIP）。

荷兰LNG加注和支线船

Sirius Veder Gas AB向 荷兰皇家Bodewes船厂订购了一艘5800m3LNG加注和支线船“Coralius”号，这是将在欧洲建造的首艘同型船，用于向有需要但无法通过管路输送LNG的区域供应LNG。Sirius Veder Gas AB（Anthony Veder集 团 和Sirius Rederi的合资公司）是该船的船东，实际运营方是Sirius Rederi。该船将于2017年2月交付。该船采用了之前已经在Anthony Veder公司的小型LNG船上使用的成熟技术，比如双燃料发动机。另外，还有一些使燃料加注安全可靠的特殊性能，比如采用了多台由Anthony Veder和Sirius Rederi开发的推进器，提升了操纵性能。该船还拥有最高的1A冰级符号，允许冬季在波罗的海运营。

该船是一个欧盟资助项目的一部分，也是Skagerrak/Kattegat区域和波罗的海LNG基础设施建设重要组成部分。投入运营后，它将在挪威和瑞典装运LNG，运送到波罗的海的Skagerrak和Kattegat区域。

法国GTT LNG加注船设计方案

法国薄膜型LNG围护系统生产商GTT开发了一型LNG加注船，该船已获得BV的原理认可。该船为一艘4000m3LNG加注船，同时还能装载1000m3船用柴油。该船的设计非常紧凑，能很好地适应在狭窄或繁忙的航道或港口作业。除了该船，GTT的其他几型设计也获得了BV的原理认可，包括一艘2200m3加注驳船和一个加注桅杆系统。据悉GTT在2014年第1季度已收到首份加注订单。

根据IMO的规则要求，2015年1月1日波罗的海、北海、北美和美国加勒比海等排放控制区内船舶燃料硫含量开始实行0.1%的标准，2016年1月1日北美和美国加勒比海排放控制区内实行发动机NOX排放第三层级的标准，对船舶排放的要求比以往严格得多。为了满足规则要求，船舶需要使用高标准的燃油并搭配使用废气处理装置，或者使用LNG燃料，两者相比较，LNG燃料的使用成本甚至更有竞争力。可以预见，未来LNG将成为一种普遍使用的船用燃料。目前在LNG燃料加注方面，很多规则规范刚开始制定，基础设施很有限，LNG燃料加注还是一个正在起步的领域。作为未来的发展方向，造船界一方面需要重视LNG动力船的研发，预先考虑加注方式对船型影响，另一方面也可着手进行LNG燃料加注船的开发。