世界LNG运输船发展全景图

CCS上海分社 郭显亭

随着国际社会和海事界对环境保护的日益关注, 液化天然气(LNG)作为清洁能源, 目前正成为世界未来燃料的新焦点。在这种背景下，LNG运输业也得以蓬勃发展。LNG运输船，因其具有复杂的建造技术，巨额的造价和潜在的风险的特点，故被誉为世界造船“皇冠上的明珠”。

相比其他船型，LNG运输船的历史并不算长（业界多以1959年起计）。最早将天然气以液态形式运输的想法在1915年就被提出，但受制于技术限制而无法建造LNG运输船。1951年，美国计划把墨西哥湾的天然气通过密西西比河运输至芝加哥的精练厂并成功使用驳船试运成功。1959年，一艘二战时期的补给船经改装并重新命名为“Methane Pioneer”号，从美国Lake Charles载运了5000立方米LNG横渡大西洋到达英国Canvey Island，从而正式拉开了LNG海上运输的序幕。近60年里，LNG运输船的技术迅速发展并不断革新。本文从LNG运输船的尺度、货物围护系统、蒸发气的处理和推进系统四个方面关注其发展历程，并对造船格局和船型发展方向进行简析。

船舶大型化

大部分商船如散货船、油船都以载重吨计量船舶尺度，而LNG因低密度的特性（约为水的密度的一半），LNG运输船则以载货舱容立方米为单位计量船舶尺度。随着造船技术的进步和船东对规模效益的追求，现代商船的发展历程总体呈大型化趋势，LNG运输船也不例外。

1964年，全球第一艘新造LNG运输船Methane Princess号交付，舱容为27400立方米；1971年，全球第一艘超过50000立方米的LNG运 输 船Descartes号 诞 生 ；80年代，LNG运输船的最大舱容已达到130000立方米；到了90年代中叶，这一数字增加到138000立方米，并于2005年增加到153000立方米，2008年，全球第一艘Q-max LNG运输船Mozah号投入使用，将LNG运输船的最大载货量提高到了266000立方米。

LNG海上运输因其贸易专属性,大部分船舶都航行于固定的几条航线,同时受靠泊码头限制,船舶尺度往往呈系列分布（见表），习惯上将120000立方米到180000立方米的LNG运输船称为常规型，由卡塔尔订购的两型超大型LNG运输船尺度分别高达210000立方米和266000立方米，被称为Q-flex和Q-max。Q-max为现今最大的LNG运输船型，船长345 米，船宽53.8 米，吃水12 米，“Q”代表卡塔尔Qatar，“max”代表卡塔尔LNG码头能够停靠的最大尺寸船舶。

货物围护系统日新月异

IGC规则要求气体运输船须建造成由双壳双底保护,设置专用液货舱装置:货物围护系统，包括主屏壁和次屏壁，以及附属的绝热层和屏壁间处所，还包括必要时用于支持这些构件的邻接结构。对LNG运输船，IGC规则定义了5种货物围护系统（见图1）可供选择，其中最常见的货物围护系统为GTT薄膜型和Moss球罐型。

1、Conch型货物围护系统（A型独立液货舱）

1964建造的Methane Princess号和其姊妹船Methane Progress号是最早一批专用LNG运输船，船上装有5083铝合金棱柱形独立液货舱，外包胶合板（Plywood）、巴沙木（Balsa Wood）绝缘材料，称为Conch型货物围护系统，属于IGC规则定义的自持式A型独立液货舱。Conch型具有很高的可靠性，Methane Princess号营运了30多年，一直到1997年才退役。

表 LNG运输船的尺度分级

图1 适用于LNG运输船的5种货物围护系统及其典型代表

近年来，挪威LNG New Technologies（LNT）也发明了一种全新的A型独立液货舱LNT A‐BOX®，已应用在了中小型LNG运输船上。

2、GTT薄膜型货物围护系统

上世纪60年代末，法国气体运输公司（GT）和法国燃气技术公司（TGZ）分别研制出GT NO型和TGZ Mark型薄膜LNG货物围护系统，也就是现今GTT NO96型和Mark III型薄膜舱的前身。

GTT NO96型是一种非自身支持的液货舱系统，主屏壁和次屏壁采用成分为36%镍的殷瓦合金薄膜焊接而成，最薄处仅有0.7毫米，殷瓦合金的热膨胀系数极低，导热系数低，能在很大的温度范围内保持固定尺寸。营运中，殷瓦薄膜紧贴在胶合板绝缘箱上，通过绝缘箱将液货施加在薄膜上的力直接传递给货舱船体结构，绝缘箱具有一定强度，内部填充珍珠岩或玻璃棉保温材料。我国建造的大型LNG运输船都采用了该系统。

GTT Mark III 型同样是一种非自身支持的液货舱系统，主屏壁采用1.2毫米厚带有槽形压筋的304L不锈钢薄膜，纵横方向的槽形压筋可以吸收不锈钢薄膜因热胀冷缩而产生的变形。次屏壁为二层玻璃纤维布及一层铝箔的三合一片材，绝缘材料为增强聚氨酯泡沫。

GTT薄膜型LNG运输船具有同等载货量下主尺度小、舱容利用率高、甲板平坦、受风面积小和驾驶室视野盲区小等优点，但同时具有装载限制（液位须低于10%或高于90%以减轻液货晃荡造成的危害）和不易检修（一旦货物围护系统建造完成，系统中的结构、部件及船体货舱内表面都被封在主屏壁薄膜内）的缺点。在NO96型和Mark III型成熟设计的基础上，GTT不断研发出更优质高效的薄膜舱型，如NO96 L03/L03+、N096 Max、Mark III Flex、Mark V等,沪东中华造船厂正在建造的最新一代LNG运输船便采用了NO96 L03+型薄膜舱。

3、Moss球罐型货物围护系统（B型独立液货舱）

上世纪70年代初，挪威摩斯·罗森博格公司（Moss Rosenburg）研制出Moss球罐型货物围护系统，液货舱为球罐，与船体互相独立，可以自我支持液货载荷，属于IGC规则定义的自持式B型独立液货舱，设置滴盘作部分次屏壁。罐体使用9%镍的合金钢或5083铝合金建造，在赤道圈外侧由垂向圆柱形裙围结构支承，裙围结构与球罐赤道圈的连接由具有特殊截面的连接件焊接而成，可以吸收船体和罐体因热胀冷缩或摇晃而产生的变形或位移。球罐外部覆盖聚酯氨泡沫、酚醛泡沫或聚苯乙烯泡沫等绝缘材料。

Moss球罐可以与船体结构分别建造再最后总装，因此建造周期较薄膜型LNG运输船更快，罐体也易于检验和维修，同时球形设计消除了晃荡影响从而可以装载任意液位的液货。它的缺点也显而易见，部分罐体凸出甲板遮挡了驾驶室视野、受风面积较大、船舶主尺度也偏大。日本三菱重工在传统Moss的基础上进行了总体优化,研发出新一代更高效的Moss型LNG运输船并已投入使用。

4、IHI SPB棱柱形货物围护系统（B型独立液货舱）

上世纪90年代初，日本石川岛播磨重工（IHI）成功开发SPB独立液货舱，从名字就可以得知其属于IGC规则定义SPB的自持式B型独立液货舱，具有棱柱形液罐。液罐材料为5083铝合金，绝缘材料为聚氨基甲酸酯泡沫。具有空间利用率高、无晃荡影响、驾驶室视野好、易于检验修理等优点。IHI SPB的开发使日本成为欧洲以外第一个拥有LNG货物围护系统专利的国家，但至今全球仅有2艘LNG运输船使用了该货物围护系统。

5、C型独立液货舱货物围护系统

根据IGC规则，C型独立液货舱是符合压力容器标准的耐压型自持式液货舱，罐体由耐低温材料建造，一般为圆筒形卧罐或球罐，外形均匀，几乎没有内部结构，外部覆盖绝缘材料。其建造难度相对其他货物围护系统较低，在中小型LNG运输船上使用较多，江南造船厂于2015年交付的国内首艘30000立方米LNG运输船“海洋石油301”号便使用了C型独立液货舱（德国TGE货物围护系统），该船也是全球最大的C型LNG运输船。

6、韩国KC-1薄膜型货物围护系统

韩国作为LNG运输船的建造大国，一直都希望拥有本国专利的货物围护系统。经过多年研发，2014年，韩国燃气公司（KOGAS）、大宇造船与海洋工程（DSME）、现代重工（HHI）以及三星重工（SHI）联合开发了韩国KC-1薄膜舱，并已在两艘LNG运输船上运用。该货物围护系统基于陆用LNG储罐技术开发，将船体和主屏壁的尺度最小化，主次屏壁采用1.5毫米厚带有槽形压筋的304L不锈钢，绝缘使用聚氨酯泡沫，其结构比GTT薄膜型设计更简单，有效降低了成本。

LNG蒸发气（BOG）的处理

因外热侵入和船舶的晃动，液货舱中的部分LNG蒸发形成蒸发气（BOG），BOG的产生使液货舱内压力升高，过高的压力会破坏液货舱结构，必须对BOG进行处理。

1、BOG作燃料

早期LNG运输船上配备的货物围护系统的绝热性往往不够理想，有较大的蒸发率（BOR），产生大量多余BOG，因此在当时使用蒸汽透平发动机作为动力装置、利用双燃料锅炉燃烧BOG为蒸汽透平提供蒸汽源成为了处理和使用BOG的最好方式，受制于技术条件，一段时期内它也是BOG的唯一有效利用措施。

随着技术的进步，货物围护系统推陈出新，BOR不断降低，伴随国际油价屡屡攀升和海事届对环保要求的不断提高，LNG运输船的推进效率和燃油消耗愈发引起关注，低效的蒸汽透平发动机不足以满足新型LNG运输船对动力装置的需求，更高效率的双燃料发动机开始在LNG运输船上使用，其推进效率较蒸汽透平发动机更高，同时可以有效利用多余的BOG。

2、BOG再液化

再液化技术在陆上油气业广泛应用，在船上的应用最初仅于LPG船，直到2000年，再液化技术才开始在LNG运输船上首次实施。LNG运输船上的再液化技术是指将温度约为-110℃的BOG通过低温冷却至约-163℃使其重新变成LNG并重新输送回液货舱，其过程是一个从低温到更低温的制冷过程。再液化技术在LNG运输船上的应用开辟了BOG处理的新模式，通过BOG再液化可以有效降低货损，使买家可以获得更多的到港货物，对BOG的有效利用使动力装置的配备也有了更大选择空间。

IGC规则对BOG的处理给出了4大类解决方案，除上述的燃烧BOG（蒸气的热氧化）和BOG再液化外，还有压力积聚和液货冷却。近年来新型双燃料发动机的出现也使BOG的处理愈发高效、经济、环保。随着相关技术的不断进步，LNG蒸发气的处理措施也将趋于多样化。

推进系统的发展

1、双燃料锅炉+蒸汽透平推进系统

LNG海上运输诞生后的50多年里，蒸汽透平发动机一直作为LNG运输船的标准动力装置并保持着极高的安全记录，具有公认的可靠性；同时,由于LNG海洋运输贸易的特殊性，需要将机械保养造成的船期影响减到最低，蒸汽透平发动机因其易于维护保养、维修频次低等优点而备受业界青睐。蒸汽透平发动机在LNG运输船上获取BOG非常便利，供给燃料的同时还可以100%处理多余的BOG。在21世纪前10年，依旧有过百艘新造LNG运输船选用蒸汽透平发动机作为动力装置。

蒸汽透平发动机最大的劣势是其热效率低，仅达30%，远低于柴油机50%的热效率，造成了能源浪费；同时由于其他商业船型都已基本弃用蒸汽透平发动机，业内技术娴熟的蒸汽透平轮机员越来越少，对船员招募也带来了影响。

2、二冲程低速柴油机推进系统+再液化装置（DRL）

随着LNG海上贸易的迅速增长，LNG运输船日趋大型化，受早期建成的LNG码头水深的限制，超大型的LNG运输船不得不维持浅吃水设计，为保证高服务航速（20 knot左右），需要很大的推进功率。超大型浅吃水高服务航速船舶一般选择双桨和双尾鳍的布置，双套推进系统既满足较大推进功率又增加了冗余度提高了航行安全性。

图2 带再液化装置的二冲程低速柴油机推进系统的Q-max LNG运输船（图片来源：Qatargas）

蒸汽透平发动机需要占用较大机舱空间，双机布置并不现实，因此顺应产生了带再液化装置的二冲程低速柴油机推进系统（DRL）（见图2），既实现了双桨、双尾鳍布置，又兼顾了BOG的处理。当一台柴油机在海上或港口需要维护保养时，脱开离合器并用锁紧装置锁紧传动轴，即可进行维修工作，而另一台柴油机推进系统依旧可以运转。2007年至2010年期间，全球LNG运输船队新增超过40艘采用DRL的Q-flex和Q-max LNG运输船，均为双桨、双尾鳍布置。

3、双燃料电力推进系统（DFDE）

2002年，法国燃气公司与法国大西洋船厂签订了世界上第一艘采用双燃料电力推进系统(DFDE)的LNG运输船，舱容74000立方米，在2003年又签订了1艘153500立方米DFDE LNG运输船，自此，DFDE成为LNG运输船的“新宠”,短短数年间建成的和投放订单的DFDE电力推进系统LNG运输船已过百艘。

DFDE由多台双燃料四冲程中速发动机带动发电机组产生电能，提高了动力冗余性，电动马达驱动螺旋桨进行推进，多台双燃料发电机组可以进行不同的组合以达到最佳负载分配，综合推进效率高达43%。同时，DFDE方案不需要额外配备发电装置，显著减少了船上设备数量。全球各大发动机供应商如曼恩、瓦锡兰等都已成功推出成熟的双燃料中速机型。

4、超级蒸汽透平推进系统（UST）

在DRL和DFDE渐成LNG运输船新的主流推进系统时，三菱重工（MHI）重启了对蒸气透平发动机的优化，研发了超级蒸汽透平（UST）。UST采用了一种再加热循环的方法将高压透平（HP Turbine）排出的废蒸汽再加热至锅炉过热器出口温度并引入中压透平（IP Turbine），高压透平和中压透平共用1根轴，低压透平（LP Turbine）独立使用1根轴，2根轴与同1个齿轮箱啮合输出动力。UST在保留传统蒸汽透平可靠、易维护等优点的基础之上将效率提高15%，达到柴油机水平，同时CO2、NOx、SOx排放降低15%，预计使用寿命超过40年，在经济性和环保性上极具竞争力。韩国现代船厂为马来西亚国际航运公司（MISC）建造的5艘150200立方米 LNG运输船便选择了UST。

5、双燃料二冲程低速主机推进系统

为进一步提高推进效率，降低运营成本，业界又将目光转向双燃料低速主机推进系统。双燃料二冲程低速机的热效率高，主机通过传动轴直接连接螺旋桨，降低了中间能量损耗，相比DFDE，初始投资和营运成本降低。应用于市场的双燃料二冲程低速主机现主要有MAN ME-GI(M-type,Electronically Controlled, Gas Injection Engine)和温特图尔（WinGD）X-DF两家机型。

MAN ME-GI双燃料主机采用缸内高压燃气直喷技术，即通过加压装置把燃气压力增至250～300bar，经由燃气喷射阀将高压燃气直接喷入气缸。2016年，全球首艘配备ME-GI双燃料主机的174000立方米Creole Spirit号LNG运输船正式交付，船长295米，在19.5 knot的营运航速下单日耗油量仅为110吨。MAN ME型发动机可通过改装升级为ME-GI，卡塔尔的14艘Q-max和31艘Q-flex LNG运输船都采用了MAN ME主机，2015年，266000立方米Rasheeda号将主机升级为ME-GI，并在之后的营运中对ME-GI在Q-max上的应用进行技术和经济性研究，以决定是否对船队中的其他LNG运输船进行ME-GI升级。

ME-GI的劣势是在燃气模式下采用狄塞尔循环（Diesel Cycle），缸内温度较高，与采用奥托循环（Otto Cycle）的低压双燃料发动机相比，NOx减排效果有限，需额外配备后处理装置以满足NOxTier III的排放标准。

WinGD X-DF低压双燃料主机采用缸内低压喷射技术，无需使用高压压缩机，降低了能量消耗、设备投资和维护成本，可靠耐用，燃烧原理为奥托循环，无需配备后处理装置便可以满足NOxTier III排放标准，兼顾经济性的同时更加环保。2016年，韩国SK海运180000立方米 LNG运输船便配备了WinGD 5X72DF发动机。

LNG运输船造船格局

1959年，美国改装了第一艘LNG运输船并成功实现LNG海上运输。1964 年，英国建造了世界第一艘LNG运输船。1965年，法国也造出了LNG运输船。上世纪60年代末至70年代初，意大利、挪威、瑞典等欧洲国家纷纷开始LNG运输船的建造。欧美于上世纪80年代前垄断了世界LNG运输船建造市场。

1981年，日本造出了本国第一艘LNG运输船，通过技术引进和本国船东的支持，于80年代中期大举进军LNG运输船建造市场。1994年，韩国也造出了本国第一艘LNG运输船，并开始与日本进行激烈的市场竞争，此时欧洲已基本被挤出了这一市场。21世纪以来，韩国以其先进的LNG技术和低价战略占据了全球大部分市场份额，成为了LNG运输船世界第一制造大国。

我国进军LNG运输船市场相对较晚，但发展迅速。沪东中华造船厂于1998年开始大型LNG运输船的研发，并于2008年成功交付首艘中国自主设计、建造的LNG运输船“大鹏昊”号。2015年，江南造船厂建造了全球最大的30000 立方米C型LNG运输船“海洋石油301”号。2017年，沪东中华造船厂又力压韩、日，成功拿下4艘174000立方米LNG运输船订单和2艘174000立方米FSRU订单。其他船厂如大连中远船务、扬子江船业、厦船重工、新乐船厂、丰顺船舶重工、惠生海工也都加快了对LNG运输船的研发，并已承接了多艘LNG运输船、FLNG的建造。

近60年来，世界LNG运输船的建造市场经历了从欧美到日本再到韩国的转移过程，并奠定了现今中、韩、日三国瓜分市场的基本格局：中国发展迅猛，韩国优势明显，日本逐渐复苏。

船型发展方向

1、极地自破冰型LNG运输船

2017年12月8日，由韩国大宇船厂（DSME）建造的全球首艘极地自破冰型LNG运输船Christophe de Margerie号（见图3）在萨贝塔港（Sabetta）接收第一批Yamal LNG项目货物，标志中俄能源合作重大项目Yamal LNG项目正式投产。该项目位于俄罗斯境内的北极圈内，是地处最偏远的LNG生产地之一，未来将通过固定的15艘破冰LNG运输船通过北极航道穿过冰层覆盖的极区向西北和东北运送LNG货物。

图3 全球首艘极地自破冰型LNG运输船Christophe de Margerie （图片来源：SCF）

DSME因其在自破冰型运输船领域强大的技术实力于2014年取得了Yamal LNG项目全部15艘破冰LNG运输船的订单，每艘造价高达3.2亿美元，比常规LNG运输船造价约贵1亿美元，属于超高附加值船舶。我国自破冰型运输船的技术储备相对较少，破冰LNG运输船的建造尚未涉及,在船型设计、冰池试验、低温材料、设备防寒防冻等领域尚有较大研究空间。2016年1月，由广船国际建造的全球首艘极地重载甲板运输船“AUDAX”交付，是我国在极地船舶建造领域取得的重大突破，也让中国造船寄希望在不远的未来进军极地LNG运输船市场。

2、液化天然气浮式储存和再气化装置（LNG-FSRU）

液化天然气浮式储存和再气化装置（LNG-FSRU）是长期定位在特定海域的浮式海上设施，具有LNG接收、储存、再气化并向陆上天然气管道直接输送天然气功能，当配备推进系统时，兼具LNG运输船的转运功能。LNG-FSRU可以理解为海上LNG接收终端，它相较于传统陆上LNG接收终端享有投资成本低、建造周期短、便于迁移等优点。

全球第一艘LNG-FSRU Golar Spirit号于2008年在新加坡吉宝船厂（Keppel Shipyard）由一艘LNG运输船改装而成；第一艘新造LNG-FSRU Independence号（图4）于2014年在韩国现代重工（HHI）建造而成。现今全球仅有韩国的三家船厂（现代、大宇、三星）具有新造大型LNG-FSRU的经验，我国沪东中华造船厂已在2017年获得2艘174000立方米LNG-FSRU（图5）订单，成功打破了韩国船厂在大型LNG-FSRU新造船市场的垄断。

3、液化天然气浮式生产储卸装置（LNG-FPSO）

液化天然气浮式生产储卸装置（LNG-FPSO），也被称为浮式液化天然气设施（FLNG），是集海上LNG生产、储存和装卸为一体的新型浮式生产储卸装置，主要应用于边际气田的开采和海上油田伴生气（Oil-associated Gas）的回收，具有建造周期短、造价低、安全性高、灵活度大等优点，市场前景好。

图4 全球第一艘新造FSRU Independence号（图片来源：Höegh LNG）

全球首艘LNG-FPSO PFLNG Satu号于2016年在韩国大宇船厂（DSME）建成；全球第二艘LNGFPSO Prelude号也是现今最大的浮式生产设施，其长度为488米，储存能力达326000立方米，由韩国三星重工（SHI）于2017年建成。2017年7月，我国惠生海工成功交付全球首个驳船型浮式天然气液化和存储设施Caribbean FLNG号（见图6）,标志着我国已跻身全球LNG-FPSO建造市场的领先梯队。

4、LNG燃料加注船

随着排放限制区（ECA）0.1%燃料限硫令的生效，以及全球0.5%限硫令的日益临近,越来越多的船东开始考虑将LNG作为船用燃料以满足燃料新规。截至2017年底，全球运营的LNG动力船共约120艘，在建LNG动力船111艘, 另还有114 艘船舶为LNG动力设施预留了空间（LNG Ready）随时可改造为LNG动力船。全球LNG动力船主要在港口停泊时通过LNG槽车加注LNG燃料，部分具有LNG加注设施的港口通过LNG岸站加注或浮式设施加注。

图5 沪东中华造船厂174000立方米LNG-FSRU模型（拍摄于2017上海海事展）

图6 惠生海工建造的全球首个驳船型浮式天然气液化和存储设施（图片来源：惠生海工）

2 0 1 7年2月，由韩国韩进重工建造的全球首艘专用LNG加注船Engie Zeebrugge号（见图7）顺利交付，壳牌（Shell）在韩国STX重工建造的首艘LNG加注船Cardissa号也于2017年6月交付，两船将分别服务于比利时泽布吕赫港（Zeebrugge）和荷兰鹿特丹港（Rotterdam）。2018年2月， 沪 东中华造船厂签订了1艘1860 0立方米 LNG加注船的合同，该船是全球最大LNG加注船，将为全球最大22000TEU集装箱船供应LNG燃料。全球LNG动力船的数量还将继续增长，相应的LNG燃料加注船也将配套增长，市场巨大。

图7 全球首艘专用LNG加注船Engie Zeebrugge号（图片来源：NYK）

LNG运输船历经几十年的技术革新，不断向大型化、高效化、节能化、安全可靠等方向发展，同时还衍生出极地LNG运输船、LNGFSRU、LNG-FPSO、LNG燃料加注船等新的产业方向。我国在LNG运输船的建造市场中已占据了一席之地，但需要承认的是部分LNG运输船关键技术还掌握在欧美等传统技术强国手中，我国在努力争取全球LNG运输船及相关产业市场份额的同时，还应继续对科研技术进行深入的研究，争取早日获得全球LNG运输船市场和技术的双重主导权。