LNG船發展新趨勢:節能、安全、創新

2019-08-09 19:39:00
來源:中國水運網 編輯: 國際船舶網 我有話要說

近年來,隨著環保理念深入人心、國際海事法規不斷升級,推進綠色航運的步伐不斷加快,液化天然氣(LNG)船市場持續升溫,LNG船也呈現出節能、安全、設備創新等發展新特點。

適度大型化

根據對1945—2022年全球754艘LNG船(包括已退出或拆解船舶)艙容變化的統計,我們可以大體判斷LNG船的艙容總體從20世紀60年代75000立方米發展到20世紀80年代至90年代初的120000—130000立方米,然后從20世紀90年代末到2006年發展到140000立方米左右,再從2007—2010年最大艙容迅速提高到200000立方米,甚至高達260000立方米,即QMAX型,2011—2022年艙容逐步回歸到主流的150000—175000立方米,整體看平均艙容呈現大型化趨勢,但是這種大型化是有限度的,即200000—260000立方米的超大型LNG船在市場的熱度目前是有限的,除了2007—2010年長度較為突出之外,總體表現平穩向上。此外,120000—170000立方米的LNG船是全球船東青睞的主流船型。

節能化明顯

現代重工2018年交付給挪威Hoegh公司一艘LNG船/FSRU“Hoegh Gannet”號,該船總長294.7米,寬46米,型深26米, 吃水11.6米,船型尺度屬于現代重工的標準設計。該船的特點是杰出的再氣化能力,它具備10億萬立方英尺/日的再氣化能力,顯著高于常規LNG船的7.5億萬立方英尺/日的再氣化能力。據了解,就艙容而言,“Hoegh Gannet”號是目前在建的最大LNG船/FSRU。艙容170000立方米,安裝有4個GTT MARKII薄膜型貨艙,配備有8個Shinko貨泵,處理能力為1000立方米/小時,4個噴霧泵的單泵能力為50立方米/小時,每個貨艙設有1個能力為550立方米/小時的再氣化給料泵。

該船采用雙燃料電力推進,安裝有4臺單機功率7800千瓦(KW)的瓦錫蘭50DF柴油機,以及4臺單機功率5850千瓦的6L50DF柴油機。與其他FSRU工作時,該船在每套再氣化裝置中設有1臺再冷凝器,用于將多余的蒸發氣輸入到LNG貨艙,能夠在開環模式運行時節省費用。

2018年三星重工交付給日本郵船公司一艘174000立方米的LNG船“Marvel Falcon”號,用于三井公司在美國路易斯安那州LNG輸出終端運輸天然氣。

該型船共3艘,“Marvel Falcon”號為第二艘。該船總長293.3米,船寬45.8米,吃水12米,采用2臺Wind GD 6X62DF型雙燃料低速兩沖程柴油機,單機功率為12540千瓦,螺旋槳轉速為90轉/分;推進和操舵布置采用三星重工自主開發的節能設備,包括全鏟形舵、三星斜削翼尖(STAR)、三星非對稱舵球艏(SARB)共計節能3%;服務航速為15節;主機可以使用自貨艙蒸發出的天然氣,也可以燃燒重油或輕柴油;采用GTT Mark III薄膜型貨艙,可以將LNG日蒸發率降至0.09%,而之前建造的類似船型的蒸發率達0.15%。

日本川崎重工于2016年交付一艘164700立方米型的LNG船“LNG Fukurokuju”號,該船適用于新拓寬的巴拿馬運河。該船采用LNG標準船型,能夠在全球主要LNG終端停泊,但是貨艙容量更大。

該船總長293米,型寬48.9米,型深27米,設計吃水11.9米,設計吃水80400噸,結構吃水87200噸。采用4個獨立的Moss貨艙,最大艙容達到165134立方米。LNG貨艙的熱絕緣系統由川崎重工自主開發,隔熱性能極佳, 日蒸發率約為0.08%。貨艙部分由雙殼和雙層底設計保護,即使船殼破損, LNG貨艙仍不破損,確保安全。

節能方面,該船的船體結構進行了優化,減少船舶總重,達到更優的水下線型設計,實現了推進性能的最優。該船還配備有川崎開發的先進再加熱渦輪裝置作為主機,這種再加熱蒸汽輪機可以確保該船與147000立方米LNG船相比,運輸效率提高幅度超過25%。

此外, 該船橋樓采用先進的電子導航設備,集中在一個位置便于操作,全景窗戶能夠實現360°瞭望視野。

注重安全優化評估

由于LNG船裝有易燃易爆的天然氣,因此設計時還需考慮各種可能存在的風險。例如:LNG船液貨艙布置在有限的鋼板結構的船體空間內,存在低溫泄漏對主船體造成破壞的風險;透氣桅釋放的天然氣濃度過高及天然氣泄漏到雙燃料柴油機的排氣管或曲軸箱中,存在爆炸的風險等。國內外的研究機構和大學正不斷加強LNG船的結構、運動等方面的仿真評估與優化。

在薄膜型LNG船的砰擊和旋渦研究方面,日本橫濱大學研究人員采用數值方法估算了船舶和內部貨艙之間的耦合行為,認為液體運動對船舶運動的主要影響包括:自由表面效應引起的橫搖固有周期更長;貨艙固有周期附近容易出現局部橫搖峰值,該值較大;由于船舶運動和液體運動之間存在相位差,當接近貨艙橫搖固有周期時,將在橫蕩時發生較小的局部峰值;垂蕩和縱搖未觀察到顯著的效應;貨艙內的液體運動表明測量值與計算力之間存在顯著差異,這意味著較小的運動預測值變化將會產生液體運動預測值的顯著變化。

此外,隨著LNG船向冰區發展,與LNG船相關的冬化、破冰船型等安全優化評估越來越多。

船型創新加快

豌豆莢貨艙LNG

三菱重工于2014年向Trans太平洋航運公司交付一艘LNG船“Seishu Maru”號, 據了解,該型船共訂購8艘。采用三菱重工自主的豌豆莢型設計,具有環保特性,能夠減少運營和維護成本。

該船垂線間長為275.0米,型寬48.94米,型深26.0米,設計吃水為11.55米,艙容為155696立方米,擁有一個連續貨艙蓋,內置4個球形艙,由三菱重工和Aker北極公司共同開發。該船貨艙蓋為船體加強部分,具有更高的總強度,并減輕了船重量。此外,該型設計使得該船比一般的147000立方米船舶的艙容大8000立方米,而不需增加船寬;采用縱向延伸的球型貨艙可以保持相同的貨艙直徑;通過這種創新設計,獲得更大貨艙容量,同時滿足巴拿馬運河最新要求。

為提高環保性,該船對船型進行了環保優化設計,減少了燃料消耗,通過優化設計可以減少船舶5%—10%的重量,采用連續貨艙蓋和高效率的超蒸汽輪機(UTS)可以減小縱向風阻,提高推進效能。UST具有燃料選擇靈活性,可以降低成本。三菱重工稱,該船采用豌豆莢設計后,二氧化碳排放相比于常規的14000立方米LNG船有望減少25%。由于球形艙系統具有良好的特性,熱絕緣厚度可以進行改變,因此LNG自然日蒸發率從常規船舶的0.15%下降到0.08%。其他船型設計包括:獨立型貨艙系統,該系統能夠承受局部冰塊沖擊;總縱強度加強,可以使得該船能夠承受總的冰載荷沖擊。

破冰型LNG

大宇造船海洋于2017年向俄羅斯SCF公司交付一艘破冰型LNG船“克里斯托弗·德·馬哲睿”號(Christophe de Margerie)。該船船模試驗是在AARC和SSPA開展的。

該船是亞馬爾LNG項目中15艘破冰型LNG船的首艘。能夠在環境極具挑戰性的喀拉海和鄂畢灣全年運輸LNG,堪稱“亞馬爾最大型”LNG船,該船榮獲2017年度普氏全球能源獎。該船的冰級符號為Arc7,是目前全球商船最高冰級,能夠獨立破2.1米厚冰。其總長299米,型寬50.0米,型深26.5米,設計吃水11.7米,艙容172600立方米;采用4臺12V50DF柴油機和2臺9L50DF柴油機,總功率為45兆瓦(MW),相當于一型中型破冰船;配備有3個吊艙,具有極優的破冰能力和操縱性。

新巴拿馬型LNG

大宇造船海洋于2018年交付給英國BP航運公司一艘LNG船“British Partner”號。該船的模型試驗在KRISO、SSPA和Force技術公司完成。這是6艘同型船中的第一艘。

該船總長294.9米,型寬46.4米,型深26.5米,設計吃水11.5米,艙容173400立方米。相比于BP公司之前的LNG船舶,該型船充分按照巴拿馬運河新尺度進行設計。這意味著該型船能夠在大多數的LNG港口和浮式設施進行裝卸貨。

該船配備有2臺斗山發動機制造的MAN B&W 5G70ME-C9.5-GI發動機。該型船安裝有1個五級壓縮機,當采用氣體運行時(非蒸發氣),可以將氣體從標準氣壓提高到300 巴(bar),然后將其注入到發動機作為燃料,或者注入到貨物再液化系統。在使用再液化裝置時,壓縮機排出的最多70%氣體被冷卻、液化和泵送回貨艙。

船體的設計經過優化改善了燃油效率和操縱性,燃油效率相比于之前的船舶可以提高25%。其他環保系統包括一套復雜的垃圾處理系統,可以盡量減少和壓縮船上各種垃圾。

雙工作模式LNG

三星重工于2018年交付給英國Golar LNG公司一艘LNG/FSRU“Golar Nanook”號。該型船既可以作為LNG運輸船使用,又可以作為儲存和再氣化船使用。該型船將用于1份長達26年的合同,為巴西電力項目提供能源。

該船是Golar公司第八艘FSRU,同時也是技術最先進的一艘。該船型長305.8米,型寬43.4米,型深26.6米,結構吃水12.9米,擁有4個 GTT Mark II貨艙,總艙容為170000立方米;擁有一個海水直接型的再氣化系統,最大能力為750百萬標準立方英尺/日,流量變動為24%—100%,運行壓力為50—100巴。

作為FSRU使用時,該船配備有1套剛臂系泊系統、1個快速釋放鉤、4個護舷,用于船對船進行LNG輸送,以及牽引設備。該船采用4臺瓦錫蘭8L50DF型四沖程發動機,單機功率為7800千瓦,雖然該船擁有2個螺旋槳可以自航,但大部分時間保持固定。

智能型LNG

川崎重工于2018年交付給商船三井一艘LNG船“Marvel Eagle”號。該船是4艘同型船舶中的首艘,配備有一套高性能船舶運營數據搜集系統,將用于商船三井自有船隊優化控制統一系統(FOCUS)項目的基礎。

該船總長299.9米,型寬48.9米,型深27米,設計吃水11.05米,艙容156059立方米;采用4個標準型球形MOSS貨艙,用于三井支持的美國路易斯安那州的LNG項目;采用4臺瓦錫蘭50DF雙燃料推進系統,驅動1臺11980千瓦通用電氣(GE)電動機;每臺電動機驅動自制的螺旋槳,雙槳布置使得該船航速達到19.5節。

據了解,商船三井FOCUS項目是三井造船和Weathernews公司聯合項目,計劃搜集和應用船舶運行數據,確保航行安全和更環保。預計150艘船舶將加入該項目。詳細的航程、發動機數據將在運營時進行搜集,儲存云平臺,用于開發先進船舶運營監測和推進性能分析的應用軟件。該數據還可以用于狀態監測,將船舶運營的語音和視頻信息傳輸至岸基中心,并通過人工智能技術優化運營,通過數字雙胞胎技術優化船舶管理,進而實現“海上視覺化”。

系統自主創新凸顯

動力電力系統創新

根據IHS統計,全球從上世紀至2018年全球共訂購了754艘LNG船,其中40%采用蒸汽輪機驅動,31%采用柴油機直接驅動, 24%采用柴電驅動。

但從近10年(2010—2022年)來看,新建造或未來將建造的LNG船采用蒸汽輪機動力的只有7%,45%的LNG船采用柴油機直接驅動,39%的LNG船采用柴電推進。出現這種巨大差異的原因,就是LNG動力電力系統的創新。2004年荷蘭Bjsma Lemmer船廠建造世界首艘柴電推進LNG船和2006—2007年法國大西洋造船建造3艘柴電推進LNG船之后,韓國船廠全力建造柴電推進LNG船,建造了世界上78.6%的柴電推進LNG船,日本船廠僅建造10.1%的柴電推進LNG船。

大批雙燃料和三燃料發動機LNG船訂單結束了過去30年蒸氣推進時代。而現在,雙燃料和三燃料LNG船正被ME-GI+全部再液化系統或X-DF低壓推進系統取代。例如大宇造船采用ME-GI發動機和完全再液化系統的推進方式,建造的174000立方米LNG船的蒸發率僅為0.035%。

圍護系統創新

法國GTT公司是全球圍護系統研發的最核心力量。GTT公司帶有縱向和橫向槽型不銹鋼板主屏蔽的Mark III薄膜艙設計,經過發展升級為Mark III Flex和Mark III Flex型。Mark III Flex通過將絕緣層厚度從Mark II Flex400毫米增加到480毫米,降低了蒸發率。此外,Flex還通過增加一層剛性三層復合材料,在頂部橋墊下方增加次級屏蔽,提高了對熱負荷和機械負荷的屏蔽強度。GTT公司將其由來已久的NO 96設計以及與其獨特的36%鎳殷瓦鋼主層和次層屏蔽相結合,從而在改善熱力性能方面取得了進一步發展。在NO 96GW系統中,絕緣箱內兩層金屬屏障下覆有玻璃棉(GW)絕緣材料。

在L03和L03系統中,主絕緣箱所使用的絕緣也是玻璃棉,但次層絕緣分為兩層。L03系統中,一個使用玻璃棉的絕緣箱連接至膠合板和增強聚氨酯泡沫組成的絕緣板上(與Mark III類似);在L03系統中,兩層次屏蔽都由膠合板和聚氨酯泡沫制成。

韓國和中國船廠建造每艘LNG船時,都需要向GTT公司支付1000萬美元的專利費用,約占LNG船總價值的5%,因為GTT掌握著薄膜型LNG圍護系統的核心技術。為打破法國GTT公司的壟斷,目前韓國自主開發的LNG貨物圍護系統共有三種:韓國船廠與韓國天然氣公司合作研發的KC-1系統;大宇造船海洋研發的Solidus系統;以及三星重工研發的KCS系統。其中2018年KC-1系統在航運過程中出現圍護系統結冰現象,無法運輸LNG。2019年,大宇造船海洋研發的Solidus LNG貨物圍護系統獲得了設計認可,目前該船廠正在積極開展圍護系統的營銷,GTT公司將面臨韓國船廠的威脅。

液化裝置發展

LNG裝置的液化工藝包括四個步驟,分別是預處理、除酸性氣體、脫水、液化。在LNG船領域,目前存在部分液化和全部液化兩種。例如,2018年大宇造船海洋交付的18萬立方米LNG船“Schneeweisschen”號是該船廠首艘配備完整再液化系統的雙燃料LNG船,這套完整的再液化工程包(即甲烷制冷系統)完全再液化設計是對其早期部分再液化系統方案的補充,完全再液化技術可以優化使用X-DF和ME-GI發動機的LNG船再液化方案。通過部分再液化與完全再液化技術相結合,可實現所有運營情境下(包括錨泊狀態)的LNG船蒸發氣完全再液化:完全再液化技術只需在船速低于15節時運行,因為部分再液化幾乎涵蓋了更高船速下可能出現的所有再液化要求。

模擬器系統

由于LNG具有超低溫、高膨脹性、可燃可爆等危險性,LNG船的安全運營十分重要。例如貨物裝卸操作失誤所引發的事故占LNG船舶總事故的比重較大,因此對其貨物裝卸安全操作開展模擬訓練對保證LNG船舶的安全運營至關重要。康士伯格公司開發了一套貨物輸轉模擬器,能夠提供復雜的裝卸載操作訓練,可以仿真不同貨物系統下的裝載條件,提供安全性。薄膜型模型基于實際LNG船,包括4個GTT設計的薄膜貨艙,能夠滿載貨物。壓縮機室配備有2臺重載壓縮機和2臺輕載壓縮機,不同的貨物加熱器/蒸發器安裝在壓縮機室。此外,還安裝有1套獨立的壓載水系統、1臺氮氣生成器、1臺惰性氣體生成器。貨物溫度和環境溫度獨立設置,貨艙空氣和溫度數據可以連續計算。據稱,模型庫基于實際的船舶規格和性能參數,包括成品油船、化學品船、LNG船和液化石油氣(LPG)船等。

作者:秦琦

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