液化天然氣動力船舶的發展研究

【摘 要】世界能源日益緊張，天然氣在世界能源結構中的比重將趕超石油成為世界第一大能源。液化天然氣（LNG）市場是當今世界能源工業中發展速度最快的市場之一，液化天然氣逐步替代燃料油作為客車、載貨汽車及船舶等的氣體燃燒動力。LNG正發展成為未來的航運動力，本文在分析研究LNG的特點、LNG動力船舶的可行性的基礎上， 提出LNG動力船舶的發展趨勢。

【關鍵詞】液化天然氣；LNG動力船；可行性；發展

0.前言

天然氣作為清潔能源越來越受到青睞，很多國家都將LNG列為首選燃料，天然氣在能源供應中的比例迅速增加。液化天然氣正以每年約12%的高速增長，成為全球增長最迅猛的能源行業之一。LNG作為船舶的燃料動力也成為未來航運事業發展的關鍵因素，各國船社也已對LNG動力船進行應用和開發。

1.LNG應用于船舶的特點

天然氣在常壓下，當冷卻至約-162℃時，則由氣態變成液態，稱為液化天然氣。天然氣在液化過程中進一步得到凈化，甲烷純度更高，不含二氧化碳，硫化物，無色、無味、無毒且無腐蝕性。天然氣液化后密度為420kg/m3，體積為原來的的1/625，大大方便存儲和運輸。液化天然氣比水輕，重量僅為同體積水的45%。

不同產地的LNG組分不同，但以甲烷為主，表1為中原油田生產的LNG組分。

LNG液化天然氣目前是全世界增長速度最快的一種優質清潔燃料。它具有儲存，運輸效率高，雜質含量少，燃燒清潔高效，氣價低平穩定、經濟效益好等優點。其特點為：

（1）液化天然氣場站建設不受城市燃氣管網的制約；機動靈活，投資少，見效快；是理想的汽車，工業生產、電力和民用燃料。

（2）天然氣經冷凍液化后其體積縮小600倍，極大的提高了運輸效率，有利于天然氣的推廣普及。

（3）天然氣的氣相密度為0.72kg/m3，比空氣要輕，稍有泄露，即可揮發空中，因此使用相對安全。

（4）LNG作為優質的燃料，與汽油相比，它具有辛烷值高、抗爆性能好、發動機壽命長。燃料費用低，環保性能好等優點。

（5）LNG汽化潛熱高，液化過程中的冷量可回收利用。

（6）由于LNG組分較純，燃燒完全，燃燒后生成二氧化碳和水，所以它是很好的清潔燃料，有利于保護環境，減少城市污染。

2.LNG作為船舶動力的可行性分析

2.1環保效益

國際海事組織(IMO)專家組日前發布研究報告數據顯示，目前航運業每年共消耗20億桶燃油，排放了超過12億噸的C02，約占全球總排放量的6％，同時硫化物(SOX)排放量和氮化物(NOX)排放量分別占全球排放量的20％和30％。據預測，到2020年全球航運業C02排放總量將達l4億噸。為了在全球范圍內降低氮氧化物的排放，國際海事組織的防污染公約將針對船舶的九大排放進行限制，主要通過強制性的能效設計指數(EEDI)公式，從船舶設計和建造階段起對船舶能效水平進行規范，并規定了船用發動機當前和未來的氮氧化物排放限值。

按照IMO的限值要求，各國船東如果在2015年之后繼續在污染排放控制區運營，采用LNG做燃料動力室最好的選擇。由于天然氣是最清潔的化石燃料，船舶采用液化天然氣不需要其他的減排措施就可以符合污染排放控制的要求，由于LNG的組分純，燃燒完全，硫氧化物和顆粒物質的減排量幾乎可達到100%，氮氧化物減排的減排量可達到85～90%，溫室氣體CO2的減排量可達15～20%。

2.2安全性

LNG安全性能可靠。LNG屬低溫液體，即使發生泄漏事故時也會很快自然氣化，其密度比空氣輕，在發生泄漏后會自動向上溢開，不會對水體產生污染；加入特殊嗅劑后，天然氣泄漏可及時被發現；天然氣的燃點比汽柴油更高，瞬間著火比油慢，易擴散，不易達到爆炸極限。從使用安全性上來講，天然氣也比燃油好很多。

2.3經濟可行性

LNG的熱值是柴油的1．23倍，價格卻只有柴油的1/2， 因而是極有前景的代用燃料。1Nm3 天然氣的行駛里程等效于1.2升汽油。汽油(93#)按7.1元／升計算， 天然氣零售價為按4.8元／Nm3。計算如下： (1.2×7.1-4.8)/1.2×7.1=43.67％。因此，使用LNG作燃料比汽油便宜43.67%，其具有低成本的優勢。

2.4技術可行性

現有船舶要以LNG或者LNG/柴油為燃料，則必須加裝LNG儲存艙等裝置，通常情況下，在船舶改裝過程中，加裝的主要裝置為LNG儲罐和氣體處理系統。此外，船上還需要安裝一些輔助系統，如氣體加熱系統、惰氣系統、通風系統、遙控閥門及安全系統、自控系統等。典型的船舶使用LNG方案為：LNG通過氣體處理系統氣化天然氣通過主控閥供給燃氣發動機進而使船舶獲得動力。

氣體發動機技術較為成熟，在船舶動力系統領域，國際幾大發動機生產商經過多年的技術研發，其產品已經能夠滿足船舶應用LNG燃料的需要。

據挪威船級社（DNV）介紹， 目前無論是單一采用LNG為燃料與混合燃料的技術問題，還是包括少量氣體燃料未經燃燒通過發動機以廢氣形式排放、在空間較小的船體中安裝非圓柱形儲罐等，均已得到解決并進行優化設計。

以LNG為燃料的船舶在靠泊，可通過岸上的管道補充燃料，當船在海上運營時，則可通過小型的LNG船來實現補給。

3.LNG動力船舶的發展現狀及趨勢

截至目前，采用LNG作為單一燃料的營運船舶已達20艘。挪威航運業是最早改變石油能源路徑依賴，也是最多采用液化天然氣等清潔能源作為船用燃料的先行者。挪威船級社DNV早在2001年，就率先制定了LNG船舶檢驗規則，成為多年來LNG船舶建造與檢驗的一個標準。

DNV與日本大島造船有限公司聯合開發的“ECO-Ship2020”項目已完成第一階段，該項目完成了敞艙口散貨船的概念設計。這是一艘完全使用LNG、不使用其他任何燃料也不使用電力推進系統的商船。該船配備有4個C型高壓儲存倉，共能儲氣3000立方米，還加上了應用廢熱回收、空氣潤滑等其它節能技術，該船滿足IMO廢氣排放標準要求，其硫化物排放量為0.氮氧化物排放量可下降90%，二氧化碳的排放量可下降50%以上。

營運于澳大利亞至中國航線的環保概念礦砂船“Ecore”號使用了靈活的燃料方案采用二沖程ME-GI燃氣發動機，能夠使用柴油與天然氣兩種燃料。該船采用了優化的設計方案，只設1個置中的貨艙，有C型LNG儲罐則位于船尾的駕駛艙，這一方案有助于利用船體空間，確保LNG儲罐不會占用貨艙空間及減少貨運量。

2010年8月份，我國長江混合動力第一船的“武拖輪302”號在武漢首航成功，該船使用柴油和LNG兩種燃料為混合動力。該混合動力船舶以LNG為主要動力能源，與柴油配比為7：3。罐體固定在船舶甲板上，封閉運行，所有控制點都有傳感器，能自動或手動切斷起源，安全性較高。測算顯示，運用液化天然氣后船舶能節約燃料成本近25％。

由于國際海事組織（IMO）有關減排新規的實施，船東正在努力探索讓船舶采用更清潔燃料的方法，預計今后5年以液化天然氣（LNG）為動力的船舶將跳增10倍。到2015年，全球以LNG為燃料的船舶將從現在的約100艘增加到800-1000艘。

4.LNG動力船舶發展面臨的問題

目前，以LNG為燃料動力的船舶的發展存在出現“雷聲大雨點小”的狀況，這種環保節能的新燃料的推廣卻時存在一定的阻礙。改建現有船隊和LNG儲存基礎設施缺乏是目前面臨的主要問題。

首先最大的障礙是配套的基礎設施的建設，由于大部分港口LNG補給設施不配套。盡管LNG補給并不困難，但是港口方面卻沒有建立起完備且實用的配套體系。LNG配套基礎設施的建設涉及港口的規劃布局，需要政府企業的規劃以及企業與政府機構的密切溝通和配合。

第二是是由于LNG燃料船的續航能力還較弱。目前，以LNG為燃料的船舶最高續航能力較低，達不到遠洋長途運輸要求。船舶的燃油艙體積雖大，但可以在船上見縫插針隨機安放；而LNG儲存罐體積雖小，卻系統復雜，布局難，安裝圓筒形LNG儲罐也會損失部分運輸的空間，這為船舶的設計和改建帶來了很大的難度。

此外，LNG作為燃料動力的價格、LNG 動力船舶市場的規范化以及市場發展的合理規劃也會是該新型燃料動力船舶在發展過程中需要面對和解決的問題。

5.結論

隨著世界LNG貿易和消費量的增長、各地航運事業的發展需要必然導致LNG動力船的需求量的增大。而LNG動力船相關技術的突破和相應配套基礎設施的建設，LNG必將成為未來航運的主要動力。 [科]

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