液化天然气作为船用燃料的可行性研究

蒋 玮，朱新礼

（中集船舶海洋工程设计院有限公司，上海 201206）

0 引 言

地球上，天然气蕴藏量巨大。天然气在陆上作燃料使用，已有很长的历史，近年来开始在船上作燃料使用。与其他燃料相比，天然气在环保方面的优势，令人刮目相看；经济性方面，目前在进入限止排放区或某些港口时，由于对燃烧后的废气中的有毒有害气体含量有更严格的要求，规定必须燃烧低硫油，甚至船用柴油，增加了营运费用，因而在目前，天然气在环保和经济性方面显示了无与伦比的优越性，可以预言，天然气将成为一颗冉冉升起的新星，出现在船用燃料市场。

1 天然气作船用燃料的优势

1.1 利于环保

天然气不含硫，碳含量较重油低，因而天然气在环保方面的优势，十分明显。与船用重质燃油相比，天然气燃烧后的废气几乎无硫氧化物（SOx），能减少85%～90%的氮氧化物（NOx）和15%～20%的二氧化碳（CO2）的排放，因而大大减轻了对大气的污染。

1.2 更经济

气体状态的天然气密度低、体积大、运输成本高，将其液化后，称为液化天然气（LNG）（Liquefied Natural Gas），体积压缩比约为1:600，性价比提高（本文暂对LNG进行相关论述，其他形式的天然气如压缩天然气（CNG）等不在此论述）。以目前的价格趋势，从中期看LNG与重油持平，但当船舶进入限制排放区内，规定必须燃烧价格较贵的低硫重油或船用柴油。按照目前的油价和LNG价格水平，使用LNG清洁能源比使用柴油节约40%~60%的燃料费用。 按热值计算，LNG价格只有柴油的60%左右，而且天然气燃烧彻底，不易积碳，维护费用减少逾50%。广东大鹏公司的LNG运载船使用货舱内蒸发的天然气BOG（Boil-off Gas）作为蒸汽涡轮装置的燃料，每年可节约燃料成本近6000万元。大型LNG船经济性更加明显。

1.3 有技术基础

LNG作为船用燃料在技术层面上已不存在问题。使用双燃料的柴油机（包括低速机与中速机）和透平机均已问世；气体储存罐，尤其是IMO C型罐业已广泛使用；传输液化气/天然气的设备与管系均已应用于船上；船级社已制订了相应的规范及指导性文件，以确保使用安全性。

目前，在北欧高消费国家已应用于实船：25000dwt成品油轮“Bit Viking”号（见图1[1]）已成功地改装使用双燃料的Wärtsilä主机，入德国船级，航行于北欧地区，置于前甲板上的2500m3的液罐可保持其续航力为12天；挪威已有一批短程海用渡船使用LNG燃料（见图2[1]）；挪威在供应船和短途汽车运输船上使用LNG燃料（见图3、4[1]）。

图1 “Bit Viking”号成品油轮

图2 挪威短程海用渡船

图3 挪威供应船

图4 挪威短途汽车运输船

国内，交通运输部已发布《“十二五”水运节能减排总体推进实施方案》，明确提出“十二五”期间将逐步增加新节能减排技术的应用试点，并根据试点应用经验确定推广应用项目。内河柴油和LNG混合动力船舶技术正是五项试点新技术之一，内河船舶“油改气”再度成为业内关注的焦点。据统计，目前，我国已经实现了拖轮、散货船、游船、渔政船等船型的LNG改装试验。例如，由湖北西蓝天然气公司与武汉轮渡公司合作将一艘渡船“轮渡302号”改成燃用LNG的拖船，并在2010年8月完成为期25天的试航，现已投入正常使用[2]（见图5）。

据中国水运报报道，中国船级社与中石油已共同启动了“气化长江”工程，目前，《气体燃料动力船检验指南》已顺利通过专家评审，相关技术规范业已成熟，将在内河开展更为广泛的实船试验。

图5 “轮渡302号”拖船

2 LNG作船用燃料面临的难题

2.1 技术层面

上文已提及在技术层面上基本解决了问题，并已在短程的小型船上使用，但是更深层次方面尚存在着难题，如与之相应的建造或改造代价不菲；从安全性来看也只解决了眼前，没有从更长远、更多角度考虑，甚至个别问题至今未获解决。例如：

1) 无论是液态或气态天然气的传输，必须严格防止其泄漏，因而船级社规定必须用双套管，或传输管系必须布置在专用管弄内，且管弄内必须充有惰性气体或安装抽风设施，船舶造价将大大增加；

2) LNG泄漏问题：LNG在常压下温度保持在-163°C，在此温度下，钢板呈冷脆性，失去强度。尽管船级社规定必须在连接法兰下设置不锈钢托盘，理论上讲可以避免发生事故。但如果发生破损而大量泄漏，将如何处置？因为事故造成的后果将不堪设想；

3) 甲烷泄出问题：天然气主要成分为甲烷。甲烷在天然气燃烧过程中不可能完全燃尽，将随废气排出，然而，甲烷的温室效应强度比CO2大21倍[3]！航运界虽声称寻求解决办法，但至今未果；

4) LNG燃料罐布置位置：对于小型船舶，尤其是油船和化学品船，可放置于甲板上，不占用载货空间，安全性有保障。但对于大型船舶，诸如客船和超大型集装箱船，是否可布置在住舱下面，至今各方意见不一。目前，在“国际散装液化气建造和设备规则”（IGC）中是明令禁止的。另一方面，DNV船级社和韩国大宇船厂分别推出了 9000TEU“QUANTUM”型集装箱船[4]（见图 6）和 14000TEU集装箱船[1]（见图7）概念性船型，其储气罐均布置于上层建筑下方，理由是：此处LNG是作为船用“燃料”，而不是“货物”，后者需受IGC规则的限制。还有种说法，LNG燃料罐不论布置在船上何处，其风险评估结果都差不多，因此放在船员居住的上层建筑下方或别的地方效果是差不多的。因而各方仍有分歧，尚在争论之中；

图6 9000TEU“QUANTUM”集装箱船

图7 14000TEU集装箱概念性船

5) LNG较之其他液体燃料（重油或船用柴油）能量密度低，在同样续航力条件下，所占储存空间比传统的柴油燃料4倍左右，即会损失部分载货空间，影响营运经济性；

6) 燃料质量问题：LNG作为燃料时，其成分组成非常重要。燃气中的甲烷值（MN）应≥80，否则内燃机会发生“敲缸”现象，影响气缸寿命。除非该机经改造或降低功率使用，才可以避免。因而在加气时需特别注意甲烷值，注意加气舱内是否存在其他残留物；注意随温度变化而影响到成分的改变；随时对甲烷值进行监控，以保证燃气的质量。

2.2 加气

2.2.1 加气操作

1) 置换气体：在加气操作时，为保证罐内压力为常数，必须抽出同体积的罐内气体，而这部分气体如何处理是个问题。在岸站加气时，可通过设置专用回收系统，问题不大。但如使用加气船进行加气作业时，只能将置换气体和蒸发气体再液化，予以回收利用，暂且不论其成本，加气速度将受制于再液化速率，变得很缓慢。如应用气体回流法，则装载速率将受制于回流管直径和布置；

2) 从安全角度出发，能否在船舶装卸货时同时装卸LNG燃料？或者客船旅客是否能滞留在船上？至少目前明文规定是禁止的。这是必须解决的现实问题，否则将直接影响船舶营运周期，从而影响船舶利用率，使营运经济性变差。

2.2.2 加气设施

使用LNG作为船舶的燃料是一个系统工程。在世界各大港口，已建成不少LNG输送终端，但这是作为货运终端为运输大量气体时服务的。如要作为船舶的加气设施，则必须考虑到燃料添加时相应的数量和质量检测设备，以及安全问题，即必须有专用加气的岸站。建立岸站属于基础建设，投入大，还涉及超低温传送引发的对码头的选址等问题，因而是否合算需认真考量。另外，目前尚无专门的加气船，如大量添置加气船必须考虑其安全性和特殊性，以及作业时对周围环境的影响等，而且也是一笔不小的投资。

3 经济性

3.1 气价

从目前情况来看，LNG价格较船用柴油便宜，这是不争的事实。但是今后，特别是一旦大量使用后，价格将如何变动，是个未知数，但可以肯定的是，中长期的总体趋势只会涨，不会跌。

3.2 全球性加气站的建设

为配合 LNG作为船用燃料，必须在全球各港口设置加气站，这是一笔庞大的基建投资！暂且不谈金融危机，即便在正常年份亦需仔细分析比较得失后才能下决心拨款建造。从目前情况来看，除北欧地区和新加坡（2014年完工）外，其他港口很少有此打算。

3.3 船舶初投资增加

上文已提及，由于LNG性质决定，其运行是在超低温/压力状态下，因而必须有一套相应的运行和安全的系统加以保证，加上储气设备和特殊材料等，致使应用双燃料的船舶的初投资增加较多，以阿芙拉油轮为例，由此增加的费用预计是新船价的20%左右，如此巨大的费用，船东是否愿意承担。

4 结 语

众所周知，燃烧LNG产生的废气较燃烧重油要“清洁”得多，完全能满足当前环保要求。与此相似，陆地上核能发电以前被公认为清洁能源，符合环保要求，核电站将作为环保型电站成为发展方向。但去年日本海大地震导致福岛核电站核泄漏重大事故后，核电成为洪水猛兽，致使德国政府宣布停止核能发电决定，这是以前很难想象的。由此联想到，如果使用 LNG作燃料的船舶，万一发生海损事故，特别像QUANTUM 9000TEU和大宇船厂的14000TEU集装箱船，LNG罐置于船员居住舱室之下，一旦发生事故，导致LNG大量泄漏，虽然LNG在气化过程中大量吸热，气体又较空气轻，很快会散逸，不会发生燃烧、爆炸，但这仅在开敞的场合，如在封闭的舱内，则可能导致室内温度急剧下降，直至-40℃以下，钢板出现冷脆现象，裂纹、断裂……，其后果不堪设想！到那时，人们又该得出何种结论呢？LNG作为燃料能较燃油燃烧排放废气中的温室气体减少15%～25%，但是如果对指标再作进一步削减时，则天然气将无法满足。有资料表明，为明显降低全球航运业的温室气体排放，有必要在1990年排放标准基础上再削减70%[3]！安装排烟过滤器和催化反应器对废气进行处理，技术上肯定可行，且其费用只是投资一套 LNG系统的一半[5]。更重要的是它不占用船体内的载货空间，不影响船舶营运经济性，更受船东的青睐。但燃油价格走向将是船东不得不面对的现实。目前，为适应某些国家和地区对废气排放的要求，在规定的200海里“限制排放区”内燃用LNG，而在公海上仍燃用重质燃油。由此可见，LNG作为船用燃料有其局限性，目前较适用于小型、短程、具有一定条件的地区性航行船舶；至于大型、国际航行的运输船舶，在解决上述提及的一系列“瓶颈”问题前，将最终取决于技术发展的情况和国际社会的认知和导向。

[1] 德国劳氏船级社. LNG as ship fuel - where are we-heading[Z].

[2] Yangtze Prepares for LNG Bunkering[J]. LNG World Shipping, 2011, (5/6).

[3] “像海龟翻身——-态度大转变”[J]，造船师, 2012, (2): 7.

[4] 挪威船级社. QUANTUM 9000, 2-STROKE LNG ENGINE[Z]， Container Ship Update, 2011, (1).

[5] Andy Alderson. LNG作为船用燃料的特性[J], 造船师, 2012, (2): 18-22.