天然氣的水上運(yùn)輸

文/劉康林 王智拓

天然氣的水上運(yùn)輸

文/劉康林 王智拓

本文介紹了LNG的滾裝運(yùn)輸、集裝箱運(yùn)輸和專用LNG船運(yùn)輸，以及CNG和NGH等水上運(yùn)輸方式的現(xiàn)狀和應(yīng)用前景，重點(diǎn)說明了近年在我國新出現(xiàn)的LNG滾裝運(yùn)輸方式對碼頭消防、海上運(yùn)輸?shù)确矫娴囊?，指出了天然氣水上運(yùn)輸?shù)漠?dāng)前、近期和遠(yuǎn)期目標(biāo)。從對潿洲～北海航線的集裝箱運(yùn)輸和滾裝運(yùn)輸方式的對比分析，說明了天然氣水上運(yùn)輸方式的選擇要綜合考慮產(chǎn)品規(guī)模、水運(yùn)距離和已有碼頭條件等情況。為滿足天然氣工業(yè)發(fā)展的需要，船舶制造業(yè)應(yīng)從整個天然氣供應(yīng)鏈的需求出發(fā)，在發(fā)展LNG遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船的同時，重視對其它形式的天然氣水上運(yùn)輸船舶的開發(fā)。

天然氣；非管輸運(yùn)輸；液化天然氣；壓縮天然氣；天然氣水合物；吸附天然氣；滾裝運(yùn)輸

1.前言

天然氣是清潔、高效的優(yōu)質(zhì)燃料，已成為僅次于煤炭和石油的第三大一次能源。在整個天然氣產(chǎn)業(yè)鏈中，天然氣的輸送是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)之一。對此，我國近年來先后興建了陜京線、西氣東輸管線，以及廣東、福建和大連等進(jìn)口液化天然氣站線工程，這對拉動管線周邊城市的經(jīng)濟(jì)增長和環(huán)境改善發(fā)揮了巨大的作用。然而，由于天然氣管線集輸?shù)囊淮涡酝顿Y高，從我國目前的國情來講，已有管輸天然氣僅能供應(yīng)主干管道沿線城市。無論是天然氣管道尚未到達(dá)的城市，還是城市燃?xì)庹{(diào)峰和氣源過渡，均需要采用非管輸?shù)姆绞奖ＷC燃?xì)獾墓?yīng)。

天然氣非管輸運(yùn)輸方式有液化天然氣（LNG）、壓縮天然氣（CNG）、吸附天然氣（ANG）和天然氣水合物（NGH）等儲運(yùn)方式。其中，真正進(jìn)入實(shí)用的是LNG和CNG運(yùn)輸方式。在陸地上，目前的天然氣非管輸現(xiàn)狀是：LNG主要通過公路槽車或罐式集裝箱運(yùn)輸，CNG則是通過長管拖車氣瓶或集裝在拖車上的眾多小氣瓶運(yùn)輸。2013年9月，青海油田液化天然氣公司LNG鐵路運(yùn)輸試驗(yàn)在青藏線格—拉段首獲成功，填補(bǔ)了國內(nèi)LNG鐵路運(yùn)輸?shù)目瞻?。由于LNG槽車陸路運(yùn)輸事故較多，已發(fā)生數(shù)以百計的碰撞和翻車事故[1]，加之，除LNG的遠(yuǎn)洋運(yùn)輸外，在河流渡口和海峽等處的天然氣運(yùn)輸，必須考慮水上運(yùn)輸，因此，世界上許多國家都在積極探索天然氣的水上運(yùn)輸模式。

2.LNG的水上運(yùn)輸

天然氣液化后的體積僅為其氣態(tài)體積的1/600左右。LNG在運(yùn)輸、儲存和調(diào)峰方面有獨(dú)特的優(yōu)勢。近年來，LNG工業(yè)在國際上得到迅猛發(fā)展，已成為世界能源貿(mào)易量增長最為迅速的一次能源，截止2013年12月，我國已建、在建和擬建的LNG接收站有39座，其中已有10余座投入運(yùn)行，另有168座天然氣液化工廠（含具有液化功能的調(diào)峰站）。這些工程的實(shí)施，為我國LNG的水上和陸上運(yùn)輸帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

LNG的水上運(yùn)輸有專用LNG船運(yùn)輸、LNG槽車滾裝運(yùn)輸、LNG罐式集裝箱運(yùn)輸三種形式。

2.1 LNG專用船運(yùn)輸

目前國際上對LNG專用船運(yùn)輸有遠(yuǎn)洋運(yùn)輸、近海及沿海運(yùn)輸。遠(yuǎn)洋運(yùn)輸主要采用艙容5萬m3以上的大型LNG船，將LNG從出口國運(yùn)至進(jìn)口國接收站，船舶類型主要有MOSS型、 SPB型和薄膜型，最大艙容已達(dá)20萬m3以上；近?；蜓睾＿\(yùn)輸主要采用0.1萬m3～5萬m3的小型LNG船，將LNG從生產(chǎn)基地或大型LNG接收站轉(zhuǎn)運(yùn)到子站。鑒于LNG的遠(yuǎn)洋運(yùn)輸已有眾多文獻(xiàn)進(jìn)行介紹，在此不再贅述。下面著重談一下小型LNG船的運(yùn)輸問題。

小型LNG船的設(shè)計建造技術(shù)和營運(yùn)在歐美和日本等國家已經(jīng)相當(dāng)成熟，相比大型LNG 船和陸地槽罐車運(yùn)輸，顯示出周轉(zhuǎn)靈活、安全性高的優(yōu)點(diǎn)。我國幅員遼闊，各地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，加之我國天然氣工業(yè)起步較晚，大型進(jìn)口LNG接收站通過管輸方式覆蓋的區(qū)域有限，隨著越來越多的沿海LNG接收站投入運(yùn)營，必將需要通過小型LNG船在沿海與內(nèi)河轉(zhuǎn)輸LNG，以減少管道的鋪設(shè)量，實(shí)現(xiàn)站與站之間的調(diào)劑，滿足城市燃?xì)庹{(diào)峰的需要，減少或避免陸上槽車長距離運(yùn)輸?shù)牟话踩院筒唤?jīng)濟(jì)性。2008年，新奧集團(tuán)和中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七〇八研究所，對2萬m3小型LNG運(yùn)輸船進(jìn)行過概念設(shè)計研究。2009年浙江臺州五洲船業(yè)有限公司和張家港圣匯氣體化工裝備有限公司共同為挪威斯考根海運(yùn)集團(tuán)建造小型多用途液化氣體船，該船配備容積為4000m3和6000m3的圓柱形罐各一個，可裝載1萬m3液化天然氣，是世界首艘配備再液化裝置的小型LNG 船。2012年該船在國內(nèi)開辟了大連到東莞的海上小液化船路線，并獲得成功。目前，國內(nèi)有多家油氣公司訂購了小型LNG船，預(yù)計未來十年內(nèi)，中國將有數(shù)十艘小型LNG船的訂單。

從國外經(jīng)驗(yàn)來看，為降低小型LNG船的制造成本與運(yùn)營成本，提高其適航性，小型LNG船多采用獨(dú)立臥式蓄壓式儲罐作貨艙，儲罐可為圓柱殼或兩圓柱殼拼接而成的雙耳型結(jié)構(gòu)[2]，而球形罐體重心偏高，船舶利用率偏低，則較少采用。為提高船舶的空間利用率，減小BOG的量，小型LNG船舶中也有采用薄膜型貨倉的。

2.2 LNG槽車滾裝船運(yùn)輸

我國LNG槽車滾裝運(yùn)輸是為將?？诟Ｉ胶捅焙迧u的LNG從島上運(yùn)至大陸而于2005年出現(xiàn)的一種運(yùn)輸方式。這種運(yùn)輸方式以輪子滾上滾下的水平裝卸代替了起重機(jī)械的垂直裝卸，具有裝卸效率高，對碼頭要求低，港口投資少，裝卸費(fèi)用低，運(yùn)輸靈活，易于實(shí)施等優(yōu)勢，適合于水運(yùn)距離較短的海峽或河流渡口。從海口——海安、潿洲島——北海兩條航線的運(yùn)輸情況來看，LNG槽車的滾裝運(yùn)輸情況良好，未曾出現(xiàn)安全事故，表明只要嚴(yán)格作業(yè)安全，安全措施得當(dāng)，該運(yùn)輸方式是一種較可靠的LNG短途水上運(yùn)輸方式。

國內(nèi)許多港口建有汽車滾裝船碼頭，為LNG槽車滾裝運(yùn)輸?shù)於肆己玫幕A(chǔ)。但為確保運(yùn)輸?shù)陌踩?，必須對作業(yè)碼頭和運(yùn)輸船舶加設(shè)安全實(shí)施，強(qiáng)化安全管理。

對LNG運(yùn)輸船舶及海上運(yùn)輸過程來講，應(yīng)嚴(yán)格遵守《水路危險貨物運(yùn)輸規(guī)則》、《國際海運(yùn)危險貨物規(guī)則》和《中華人民共和國船舶載運(yùn)危險貨物安全監(jiān)督管理規(guī)定》等標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)的有關(guān)規(guī)定，設(shè)計、制造或改造須經(jīng)船級社和海事部門的批準(zhǔn)和檢驗(yàn)。船舶應(yīng)為敞開式，并按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求配備泄漏檢測和應(yīng)急安全設(shè)施；對LNG槽車的綁扎要牢固可靠，六級以上風(fēng)，船舶不得出行；從業(yè)人員必須持證上崗，無關(guān)人員不準(zhǔn)搭乘LNG船。

就LNG槽車滾裝船作業(yè)碼頭而言，一般需作如下考慮：

（1）增設(shè)消防水池、消防炮和消防水簾等消防安全設(shè)施；

（2）進(jìn)行碼頭的作業(yè)安全與風(fēng)險評估；

（3）制定嚴(yán)格的應(yīng)急處理方案，并按方案組建應(yīng)急處理領(lǐng)導(dǎo)小組；

（4）成立由船運(yùn)、消防、海事、港務(wù)等單位部門組成的現(xiàn)場安全管理小組，負(fù)責(zé)日常碼頭的安全管理工作；

（5）如非專用危險品滾裝碼頭，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行分時段運(yùn)輸方式。即嚴(yán)格規(guī)定LNG槽車的裝卸作業(yè)時段，在進(jìn)行LNG槽車裝卸時，碼頭其它泊位停止作業(yè)，安全距離范圍內(nèi)不得?？科渌浳锏拇?；

（6）LNG槽車從危險品場地進(jìn)駐碼頭途中，必須由消防車引道，以確保全程的安全；

（7）LNG槽車裝卸前，必須由安全員對槽車的完好性進(jìn)行嚴(yán)格的檢查，杜絕不合格槽車上船。

2.3 LNG罐式集裝箱船運(yùn)輸

LNG罐式集裝箱是由集裝箱框架與內(nèi)部LNG容器組合而成的連接體。罐箱的整體外形尺寸符合ISO集裝箱的標(biāo)準(zhǔn)[3]，集裝箱框架設(shè)有底部縱梁和端部圓弧板，整體結(jié)構(gòu)牢靠[1]。

與LNG槽車運(yùn)輸一樣，LNG集裝箱運(yùn)輸也無需倒換貨物，可實(shí)現(xiàn)一罐到底的門到門的服務(wù)，流程簡單，無需專用LNG碼頭，投資小，機(jī)動靈活，綜合物流效益顯著，有利于天然氣終端市場的開發(fā)。與滾裝運(yùn)輸相比，艙容相同情況下，集裝箱運(yùn)輸裝載LNG的量比滾裝運(yùn)輸裝載量大，在水上運(yùn)距較長時，這種運(yùn)輸方式的經(jīng)濟(jì)性高于滾裝運(yùn)輸方式。但當(dāng)LNG運(yùn)輸量較小，且運(yùn)距較短（如海峽間的運(yùn)輸）時，由于碼頭吊裝費(fèi)較高，滾裝運(yùn)輸會比集裝箱運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)[4]。

文[5]介紹了這種運(yùn)輸方式的試驗(yàn)情況，試驗(yàn)路線為“潿洲島—北?！獜V州黃埔新港碼頭—上海軍工碼頭—浙江海寧—上海軍工碼頭—廣州黃埔新港碼頭”，試驗(yàn)結(jié)果表明了這種運(yùn)輸方式的安全可行性。但由于LNG罐式集裝箱的積載海運(yùn)涉及質(zhì)量監(jiān)督、特檢、海事、道路交通等眾多管理部門，行業(yè)法規(guī)多，且不完善，協(xié)調(diào)難度大，致使這一運(yùn)輸方式目前國內(nèi)尚未真正實(shí)施。

3.CNG的海上運(yùn)輸

在LNG水上運(yùn)輸蓬勃發(fā)展的同時，CNG水上運(yùn)輸方式也悄然出現(xiàn)。CNG船舶運(yùn)輸就是將天然氣壓縮至20～25MPa，并充入固定于船上的特制高壓管式容器中而進(jìn)行的一種水上運(yùn)輸方式，有Coselle、VOTRANS、GTM、PNG、穿梭型、FRP和CDTS等形式[6][7]。

Coselle方式是將小管徑盤管纏繞在一個轉(zhuǎn)盤內(nèi)，構(gòu)成一個壓力為20.7MPa的CNG儲存單元。盤管直徑雖小，但長度可達(dá)數(shù)英里，因此Coselle方式可做到容量大，且結(jié)構(gòu)緊湊。其單次航程為200～2000km，運(yùn)力為187萬m3～1504萬m3。

容積優(yōu)化運(yùn)輸與儲存（簡稱VOTRANS）方式是在船上設(shè)置絕熱性能較好的冷儲存箱，并將大管徑長管束置于冷儲存箱內(nèi)，用于存儲CNG。由于管內(nèi)天然氣受到冷儲存箱的冷卻，儲存同樣質(zhì)量的天然氣，管內(nèi)壓力低于Coselle盤管中的壓力。其單次航程可達(dá)1552km，運(yùn)力為1982萬m3～2265萬m3。

GTM方式是在船上布設(shè)存儲天然氣壓力為20.7MPa的大管徑管束，每根長管內(nèi)層為鋼管，外層為玻璃纖維和樹脂，這樣不僅提高了長管的承壓能力，也有效減少了管束的重量（重量可比全鋼結(jié)構(gòu)輕35%），從而提高了船舶裝載天然氣的量。

PNG方式是采用大直徑管狀容器存儲天然氣，溫度為常溫，壓力25MPa，溫度及壓力均高于VOTRANS形式CNG船。由于是常溫運(yùn)輸，因此無需絕緣冷柜。以三星重工開發(fā)的PNG船為例，該船長259.7米，寬54米，深29米，33000DWT，天然氣裝載容積77190m3，船上設(shè)有12個貨艙，裝載壓縮天然氣的氣瓶共2672個，每個氣瓶直徑為1米、長36米。

穿梭型方式是挪威CETech公司在穿梭油船的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，天然氣采用厚壁鋼質(zhì)管存儲，儲存壓力為15MPa～25MPa。該方式由CETech公司掌握，船長200～300米，寬40～60米。這種CNG運(yùn)輸船可有多種用途，如設(shè)計為同時儲運(yùn)天然氣和石油的運(yùn)輸船。

FRP方式采用纖維強(qiáng)化塑料（FRP）作CNG儲存容器。為便于安裝和固定，儲存容器安置在模塊盒中。每個模塊盒的頂端和底端均設(shè)有連接總管。鋼質(zhì)的模塊盒結(jié)構(gòu)使氣體容器系統(tǒng)免受水動力運(yùn)動和振動的影響。該模塊盒系統(tǒng)在航行中任何時候均可保證100%的可視率。這種運(yùn)輸方式的優(yōu)點(diǎn)是所用塑料容器的重量輕、耐腐蝕、成本低，且安全、可靠[8]。

CDTS方式是由Altair公司與密歇根大學(xué)共同研究提出的，它的基本單元是由十二個相同的相互貫穿的圓柱筒體組成的一個立方體，立方體的每一條棱即使一個圓柱筒體，再由幾十個這樣的立方體組成CNG船的貨艙。CDTS方式的好處是在載貨量相同的情況下，船舶的尺寸與其他形式的船舶顯著地減??；與其他形式相比，尺寸較小，可節(jié)省15%至60%的運(yùn)營費(fèi)用；相對VOTRANS形式，其傳熱系數(shù)減少5%，相比Coselle形式傳熱系數(shù)減少30%[9]。運(yùn)力為105萬m3～2837萬m3。

與LNG船運(yùn)方式相比，CNG船運(yùn)方式對岸上接駁的要求較低，投資少，工藝設(shè)施簡單，并可有效地減少天然氣資源的浪費(fèi)[10]。CNG船本身的建造也遠(yuǎn)比LNG船簡單，可直接由一般船舶改建而成，單船運(yùn)氣量可達(dá)數(shù)萬至數(shù)百萬標(biāo)態(tài)天然氣。整個運(yùn)輸鏈的初投資小，在200～2000公里運(yùn)距內(nèi)的運(yùn)行成本低于LNG船運(yùn)方式，而且，船舶不用作CNG船時，也便于改裝為其他一般船只，是一種前景良好的海上或內(nèi)河運(yùn)輸天然氣的方式。

4.天然氣水合物(NGH)運(yùn)輸

天然氣水合物是指天然氣在一定溫度和壓力下和水作用生成的一種非固定化學(xué)計量的籠型晶體化合物[11]。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1m3的NGH可存儲150～180 m3的天然氣。由于其遇火可燃燒，故也稱可燃冰。天然氣水合物的運(yùn)輸涉及到天然氣水合物的形成、儲存和分解氣化三個方面，但具體的儲運(yùn)工藝有多種形式[12]。就海運(yùn)來講，有干式水合物運(yùn)輸、漿料式運(yùn)輸和干式水合物混入到-10℃的原油中運(yùn)輸?shù)刃问健Ｔ诟墒剿衔镞\(yùn)輸方式中，干水合物的形成工藝比較復(fù)雜，需經(jīng)過三級脫水過程，制作成本較高，但對料艙的要求不高；漿料式和混入原油的運(yùn)輸方式，可通過泵和管道進(jìn)行裝卸，裝卸速度快，勞動強(qiáng)度低，但儲運(yùn)過程中對料艙的要求比干式水合物運(yùn)輸方式高。NGH儲運(yùn)技術(shù)中存在的主要問題是水合物的制備效率較低，制作成本高，尚不能滿足商業(yè)運(yùn)作的要求。

盡管NGH的水上儲運(yùn)方法目前尚處于試驗(yàn)研究階段，但因NGH儲運(yùn)的安全穩(wěn)定性強(qiáng)，運(yùn)輸鏈的總投資小，方便靈活，尤其是大陸延伸至海洋的邊坡地帶中NGH的儲存量異常豐富，為使這些NGH盡快得到應(yīng)用，除要解決好海底NGH的開采問題，NGH的儲運(yùn)問題也必須隨之解決，因此，NGH的水上儲運(yùn)是一種具有廣闊發(fā)展前景的運(yùn)輸方式。

5.結(jié)語

天然氣的水上運(yùn)輸是解決能源供應(yīng)的重要環(huán)節(jié)，且有多種運(yùn)輸形式可供選擇?？紤]到這些運(yùn)輸形式各有自身特點(diǎn)和適用范圍，相互間并不能完全替代，實(shí)際運(yùn)作時，應(yīng)針對具體的運(yùn)距、運(yùn)量、氣源與目標(biāo)市場的特點(diǎn)，以及現(xiàn)有技術(shù)的成熟度情況，從確保安全，保證經(jīng)濟(jì)出發(fā)，正確選擇水上運(yùn)輸方式，做好各運(yùn)輸方式間的銜接配合。從當(dāng)前來講，LNG的滾裝運(yùn)輸和集裝箱運(yùn)輸應(yīng)是大型LNG專用船舶運(yùn)輸?shù)牧己醚a(bǔ)充；近期來看，CNG水上運(yùn)輸和小型LNG船的沿海轉(zhuǎn)運(yùn)應(yīng)加快發(fā)展；而NGH的水上運(yùn)輸將隨著海底NGH的成功開采而快速發(fā)展，并具有廣闊應(yīng)用前景。

鑒于我國實(shí)施天然氣水上運(yùn)輸?shù)臅r間還較短，有關(guān)天然氣水上運(yùn)輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)、法規(guī)的制定滯后于經(jīng)濟(jì)發(fā)展，無論是有關(guān)船舶的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，還是運(yùn)輸規(guī)程方面，都存在不少空白。船舶制造業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)應(yīng)加強(qiáng)與天然氣行業(yè)間的溝通、交流，在重點(diǎn)關(guān)注大型遠(yuǎn)洋運(yùn)輸LNG船的同時，也應(yīng)從滿足整個天然氣供應(yīng)鏈的需求入手，深入研究其它形式的天然氣水上運(yùn)輸方式及相應(yīng)的船舶設(shè)計、制造技術(shù)，盡快形成適合我國國情的天然氣水上運(yùn)輸體系和運(yùn)輸船舶體系，解決天然氣產(chǎn)業(yè)鏈上的運(yùn)輸瓶頸問題。

（作者單位：福州大學(xué)石油化工學(xué)院）

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