田宇忠 劉 宇

（1. 中國船級社武漢規(guī)范研究所 武漢430000；2. 中國船級社江蘇分社 南京210011）

引 言

面對日益嚴苛的排放標準，新能源的利用越來越廣泛。液化天然氣（LNG）以其熱值高、燃燒產物對環(huán)境污染少等優(yōu)勢逐漸成為綠色能源的首選，伴隨而來是國內LNG市場迅猛增長。據統(tǒng)計，2015年國內LNG市場消費量1 076萬噸，較2014年增長37.56%。LNG的下游消費市場主要分布于工業(yè)用（41.26%）、車船用（36.30%）、城市燃氣用（17.25%）及發(fā)電用（5.19%）［1］。

然而，由于LNG產業(yè)高昂的固定投資成本所造成的行業(yè)壁壘，催生了國有資本在行業(yè)內的壟斷地位，限制了市場的自由競爭和競價機制的形成，同時也制約了市場規(guī)模的快速增長。而LNG罐式集裝箱（以下簡稱“罐箱”）整船運輸所具備的靈活、低成本及標準化等特點，使其在降低行業(yè)門檻消除壟斷、拓展LNG中小型用戶、促進資源的充分利用等方面具有其他運輸方式不可比擬的優(yōu)勢。部分國內外科研機構及企業(yè)在LNG罐箱運輸方面已經有一定的試驗及實例應用。但LNG罐箱整船運輸主要受到公約、標準及行業(yè)認識等幾方面的限制，使其未能得到有效應用和大規(guī)模發(fā)展。為此，本文將從安全控制體系相關限制要求出發(fā)，分析LNG罐箱整船運輸過程中所遇到的關鍵技術問題，探討相關應對措施和解決方案。

1 LNG罐箱運輸現狀

1.1 國外應用

目前，LNG罐箱整船運輸在北美及歐洲地區(qū)已經得到了實際應用。在美國，Clean Energy Fuels公司通過傳統(tǒng)的集裝箱船裝載LNG罐箱，從美國西海岸運抵歐胡島（夏威夷群島的主島）。每個ISO罐箱裝有大約38 m3的LNG，這些LNG將通過可移動的氣化裝置再氣化后注入到夏威夷氣體公司的供氣管道［2］；佛羅里達州的Carib 能源公司將LNG預裝在ISO罐箱中，通過該公司設計的一種可載運100多個LNG罐箱的船舶，從美國的東南沿海通過水路運往百慕大群島、加勒比海地區(qū)，罐箱通過集裝箱港口裝卸，然后通過卡車、鐵路和駁船等多式聯(lián)運送到小型氣化站［3］。在葡萄牙，Sousa集團于2014年3月將首批40 ft（12.192 m）LNG罐箱在錫尼什港充裝LNG，并于一周內運輸到1 900 km之外的馬德拉島上衛(wèi)星儲備氣化站，供給島上的燃氣電廠。裝運時，LNG罐箱與其他低溫罐箱混裝并疊加在運輸船上。根據罐內LNG液體溫度壓力的不同，現場每只罐箱的簽收記錄表記載的LNG冷液不排放時間從89～90天不等。2014年12月18日，在歷經9個多月順利運行后，成功突破1 000箱充裝記錄［4］。在北歐，挪威Liquiline公司是最早使用罐箱運輸LNG的。該公司于2010年9月通過滾裝船裝載40 ft罐箱，從挪威運往丹麥；2013年7月通過集裝箱船裝載LNG罐箱，從英國運往瑞典；2014年6月與LNG America公司合作，從西雅圖和塔科馬市港口，使用ISO罐箱運輸LNG到夏威夷和阿拉斯加［4］。

1.2 國內試點

雖然國內LNG罐箱整船運輸還沒有實際應用，但國內相關部門及單位已在積極參與LNG罐箱整船運輸的籌備工作，并已進行了兩次海上運輸試驗。

1.2.1 第一次試驗

2006年，交通部科學研究院受中海石油廣東液化天然氣公司委托，開展LNG罐箱滿罐運輸和空罐運輸的安全評估試驗。滿罐運輸路線為：LNG罐箱在廣西潿洲島完成充裝，經滾裝船運輸到廣西北海，然后經公路運輸到廣州黃埔新港碼頭并直接吊裝上船，經水路運輸到上海軍工路碼頭并直接卸船，最后經公路運輸到達浙江海寧進行卸液（如圖1所示）；空罐運輸則按原路線返回。根據文獻得知，LNG罐箱在水路運輸過程中，罐內壓力緩慢增長，但仍處于安全范圍內（低于0.74 MPa），故罐體未出現損壞、腐蝕、變形等現象［5-8］。

圖1 交通部科學研究院LNG罐箱運輸路線圖

1.2.2 第二次試驗

2012年，大連海事大學、江蘇海事局、海南海事局、南通海事局、洋浦海事局、海南中油深南石油技術開發(fā)有限公司、石家莊安瑞科氣體機械有限公司和大連因泰集團有限公司組成LNG 聯(lián)合研究項目組，開展了LNG罐箱水路運輸試驗。同年4月13日，兩個LNG罐箱從南通集裝箱碼頭，吊裝進集裝箱船“金銀達2”號上。4月17日，該船在東莞虎門港成功卸下LNG罐箱。目前，大連因泰集團仍在開展LNG罐箱海運試驗研究，每周從海口裝載40 ft標準罐箱，通過海運至虎門港口，再經公路運至東莞工廠。

自那次試驗之后，在大連海事大學課題組的主持下，由東莞到?？诘膶嵈囼炦\輸從2013年11月至2014年8月共完成約30個航次，共運輸LNG罐箱300個左右。此項運輸試驗取得圓滿成功，后續(xù)試驗航次還在進行中，目前已基本形成常態(tài)［5-8］。

在工業(yè)制造方面，2002年10月，張家港中集圣達因低溫裝備有限公司制造出我國第一臺高真空多層絕熱LNG罐箱，并進行了堆碼試驗，縱向/橫向栓固試驗，傳遞、吊頂及撞擊試驗，試驗結果獲得中國船級社、法國船級社及英國船級社的檢驗認可［9］。

2 LNG罐箱運輸的優(yōu)勢

目前，天然氣水上運輸方式主要有LNG運輸船、天然氣海底管道以及LNG罐箱運輸三種。其中，LNG運輸船和天然氣海底管道均具有投資巨大、建設周期長、維護成本高和地域性限制等問題，而LNG罐箱運輸則具有多式聯(lián)運、促進市場自由化以及資源被充分利用等優(yōu)勢。

2.1 多式聯(lián)運

LNG罐箱就是把儲罐安裝固定在標準集裝箱外部框架上，其產品設計、制造和認證標準同集裝箱一樣，具有全球統(tǒng)一的標準，至少滿足近20個國際、國家或地區(qū)規(guī)范的相關要求［10］。它在起吊、堆存、運輸時也同集裝箱一樣便利，可實現公路、鐵路、水運之間無中間環(huán)節(jié)的便利國際聯(lián)運模式，無需換裝設備，也無需準備LNG槽車或運輸船，更不必興建大型接收裝置，可利用現有的集裝箱碼頭。海港卸貨后，罐箱被直接運送至客戶終端現場，并可以在現場停留數日等待使用。通過多式聯(lián)運，LNG罐箱實現了“一罐到底”和“門到門”運輸，可滿足偏遠地區(qū)、山區(qū)、島嶼等區(qū)域的能源需求。同時，LNG罐箱多式聯(lián)運對于國家所倡導的分布式能源供給有著非常重要的促進作用，搭建了分布式能源從理想概念到具體實現的中間橋梁。

2.2 打破壟斷，促進市場自由化

2.2.1 市場壟斷的成因

當前國內進口天然氣運輸方式為LNG運輸船及天然氣管道兩種。其中，通過LNG運輸船運輸，需建立大型液化站、接收站、氣化站、碼頭、LNG專運船和二級分銷系統(tǒng)等設施，一般的投資額度都以百億甚至千億計算，存在初期投資高，風險難以承受，建設周期長（通常為5～6年），需要數個乃至數十個專業(yè)的管理和營運單位為之服務，以及占地面積大且選址困難。通過天然氣管道運輸同樣也存在上述問題，并且僅適用于管道源頭及沿線附近天然氣資源豐富的區(qū)域；此外，在終端需要通過二級管網或槽車進行分銷。［11-15］

所以，LNG運輸船及天然氣管道運輸均需要國家的戰(zhàn)略性投資，并且通常由國有大型石油公司主要控股，并由其承擔關鍵環(huán)節(jié)的管理和營運。普通中小型企業(yè)若想從國外進口天然氣必須租用相關設施，且存在窗口期和最低貨量要求，還需要定期與國有大型石油公司進行協(xié)商，難以形成穩(wěn)定的供應鏈。這必然導致國有大型石油公司的壟斷地位的形成，不僅制約中小企業(yè)發(fā)展，同時也造成巨額資源的低效利用。

2.2.2 打破壟斷

如果采取LNG罐箱進行運輸，理論上可以直接利用現有的集裝箱船，而不用新建或者租用LNG專用運輸船。目前，建造一艘LNG船的費用在10億元人民幣以上，在市場上租用一艘LNG運輸船的費用約10萬美元/天。同時，LNG集裝箱運輸也無需建設專用的LNG碼頭、接收站及二級分銷系統(tǒng)，可以利用現有集裝箱碼頭卸貨，然后通過集裝箱車輛直接運輸到用戶。據2014年LNG貿易價格估算，如果LNG罐箱得到規(guī)?；瘧?，亞洲從北美進口LNG的到岸成本將降至10美元，比目前亞洲地區(qū)15美元的LNG長期協(xié)議價格大幅降低，整體成本下降 1/3［4］。

罐箱的價格并不昂貴。在北美地區(qū)，一個罐箱的價格約30萬美元，一個罐箱可以容納43.5 m3（即18 t）LNG［4］。采用集裝箱的運輸方式，降低了參與LNG貿易的門檻，使更多中小企業(yè)參與LNG的進口成為可能，從而打破大型石油公司通過LNG專用碼頭、LNG接收站及LNG運輸船所形成的貿易壁壘和壟斷優(yōu)勢。

另外，由于采用常規(guī)貨船運輸，無需在沿海卸貨，因此可由沿海進入內河逆流而上，在內河沿岸需要天然氣的地區(qū)進行交易，這種靈活性是管道氣和傳統(tǒng)LNG貿易無法比擬的。而新的貿易方式在增加更多交易主體的同時，也擴大了LNG現貨的交易量，為期貨價格提供了支撐。這種利用LNG罐箱開展的LNG現貨貿易不僅打破了LNG進口的壟斷，而且在更深層面上促進LNG市場自由競爭化，也利于形成中國乃至亞洲區(qū)域的天然氣期貨價格基準。

2.3 資源的充分利用

對于一個新的LNG生產設施來說，以25年的周期計算，即使按最小處理量（每天1 400萬m3，每年360萬t），也需要保證1.2萬億m3的天然氣探明儲量［16］。這就使一些較小的天然氣田開發(fā)價值不大，處于閑置狀態(tài)；部分油田伴生氣由于產量較低或不穩(wěn)定，不能形成穩(wěn)定供給，而被白白燒掉，造成資源浪費。而通過靈活機動的LNG罐箱運輸，則可以節(jié)省開采環(huán)節(jié)固定設施的投資成本，降低了這些氣田開發(fā)風險和成本，充分利用油田伴生氣，使其達到LNG生產經濟性，國家也會因此掌握更多的可利用資源。例如，我國東南沿海的某些島嶼，雖然發(fā)現了可開采天然氣，但產量較低，若按常規(guī)方式配套管道輸送，或通過液化站液化后經LNG運輸船輸送，則不具備經濟價值。但是，根據實際天然氣產量配置小型的液化站，液化天然氣通過罐箱由普通運輸船輸送至中小型用戶，則可產生可觀的經濟效益。

3 LNG罐箱整船運輸所面臨的問題

3.1 安全控制體系的限制

3.1.1 LNG罐箱整船運輸安全控制體系

LNG罐箱整船運輸安全控制體系涵蓋了LNG罐箱設計制造與檢驗、LNG罐箱碼頭裝卸與存放以及LNG罐箱水路運輸三個主要過程。目前，前兩者在具體的管理及技術要求方面與傳統(tǒng)的危險貨物并無區(qū)別，LNG罐箱水路運輸則需要突破傳統(tǒng)方式，通過普通集裝箱運輸船整船運輸LNG，但傳統(tǒng)的控制體系尚不完全適用于該種運輸模型。

LNG罐箱水上運輸安全控制體系根據責任主體的不同，可分為三個層次，分別是國際公約規(guī)則、國家或地區(qū)法律法規(guī)以及行業(yè)規(guī)范標準。從本質上講，國際公約規(guī)則既是最高層次，也是最基本的要求，是締約國必須遵守的要求；國家或地區(qū)法律法規(guī)是締約國根據國際公約規(guī)則轉化的結果，通常其相關要求等效于國際公約規(guī)則，或在國際公約規(guī)則的基礎上有所提高；行業(yè)規(guī)范標準是為實施國際公約或法律法規(guī)的相關要求而制定的具體技術要求。所以，該控制體系居于核心地位的是國際公約規(guī)則，其他層次均為該層次的衍生和細化。

下頁表1是LNG罐箱水上運輸安全控制體系的主要分類和內容。

根據上述分析可知，對于大規(guī)模發(fā)展LNG罐箱運輸的限制主要在于LNG罐箱的水上運輸環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)所涉及的國際公約規(guī)則是《國際海上人命安全公約》（SOLAS公約）。SOLAS公約涉及海上安全的各個方面，涉及LNG罐箱運輸的要求列于公約第VII章A部分。該部分是關于包裝危險貨物或固體散裝危險貨物運輸的強制規(guī)定，危險貨物的運輸必須依照相關條款實施。其具體技術要求指向了《國際海運危險貨物規(guī)則》（IMDG規(guī)則），IMDG規(guī)則基于相關條款作了進一步的詳細規(guī)定［17］。

表1 LNG罐箱水上運輸的安全控制體系

3.1.2 IMDG規(guī)則對LNG罐箱運輸的限制

IMDG是一部關于包裝危險貨物或固體散裝危險貨物運輸的強制性國際規(guī)則，其涉及貨物分類、包裝、托運程序及運輸作業(yè)等相關規(guī)定。通過梳理，涉及LNG罐箱運輸的要求如表2所示。

表2 IMDG涉及LNG罐箱運輸的要求

表2中：2.1類表示為易燃氣體；E0代表不準免除；P203、T75和TP5是罐箱的設計、制造、檢驗和試驗要求；D類代表僅限于艙面積載并需要避開生活居住處所。其中，D類積載要求不允許LNG罐箱艙內積載，是限制普通集裝箱運輸船整船運輸LNG 的關鍵性要求［18］。

3.2 安全系固

由于LNG罐箱較重，通常40 m3的LNG罐箱重約30 t，已達上限。并且，由于LNG罐箱的充裝率小于90%，在自由液面晃蕩的作用下會產生額外的晃蕩載荷，故LNG罐箱多層積載對相關構件強度要求較高。此外，普通集裝箱船在運輸過程中存在掉箱，因此相關方面對LNG罐箱通過集裝箱船大規(guī)模運輸也存在顧慮。

3.3 行業(yè)限制

目前，LNG罐箱整船運輸還屬于新型事物，對其風險的認識還不夠透徹，前期小規(guī)模的試點應用尚難以凸顯其經濟性。從起步到形成規(guī)模經濟效益還需要政府的政策支持，規(guī)劃和引導中小型企業(yè)以協(xié)會或集團的形式與上游的天然氣生產企業(yè)進行談判協(xié)商，落實氣源的進口渠道。

同時，船舶行業(yè)本身是一個較為保守的行業(yè)，對新型事物和技術的接納需要一個漸進的認識過程，并需要有成功的先例來佐證。

4 解決措施

上述三個限制條件的關鍵在于第一個（即IMDG規(guī)則）不允許LNG罐箱艙內積載的限制。該限制條件源自國際強制性規(guī)則，在各國的法律法規(guī)及行業(yè)規(guī)范標準內均有體現。為實現大規(guī)模的LNG罐箱整船運輸，必須首先突破IMDG的限制要求。深入分析發(fā)現，該限制條件的目的在于防止可燃氣體在圍蔽空間內的積聚，并進一步形成可燃環(huán)境，從而導致火災爆炸的發(fā)生。

因此針對上述問題，其解決方法主要有以下幾個途徑：可燃氣體排放控制、低溫液體泄漏防護及安全系固。相應的解決措施應從罐箱、船舶及管理三個方面著手，具體措施應該包括：分級運輸與物聯(lián)網結合、BOG排放控制、探測報警、船體防護及泄漏液體控制。

4.1 分級運輸與物聯(lián)網結合

建立智能物流LNG罐箱管理系統(tǒng)，將超高頻RFID技術能應用于LNG罐箱堆場和運輸過程中，對LNG罐箱、托運船舶、車輛、火車進行實時追蹤，實現對LNG罐箱、托運船舶、車輛、火車和堆場相關信息采集，實時監(jiān)測LNG罐箱的存放狀態(tài)（罐箱內部溫度、壓力、液位、絕熱層真空度、系固強度及各參數的額定設計值），自動計算LNG罐箱的零排放可維持時間，根據托運船舶、車輛、火車信息及相應運輸距離和時間，基于整個物流系統(tǒng)統(tǒng)籌安排罐箱的運輸，保證罐箱在正常運輸狀態(tài)下，在抵達目的地之前BOG零排放（或保證罐箱在堆場及船舶運輸期間的BOG零排放）。

4.2 BOG的逸散控制

為控制LNG罐箱在船舶運輸或堆場堆碼期間產生意外的BOG排放，在提高罐箱的絕熱性能的基礎上，還應采取“第二道防火墻”，即設置BOG統(tǒng)一處理系統(tǒng)，將其排放至安全區(qū)域或進行循環(huán)利用，其有效措施之一就是設置共管透氣裝置。為提高運輸效率，共管透氣裝置應裝設在LNG罐箱箱體上，并且在滿足罐箱設計標準的基礎上應具有自動脫離功能或增加自動對稱功能。另外，為保證可靠性，對共管透氣裝置的易損部位應設置成可拆卸式，規(guī)定其使用壽命，對其進行定期檢查和更換。

4.3 探測報警

對于艙內或其他圍蔽處所的積載，應在相應位置設置氣體探測裝置，并根據艙室或處所的最大可承受爆炸沖擊壓力確定最大可接受爆炸體積，以此來確定探測裝置的數量和位置。此外，可根據通風條件，通過氣體擴散仿真分析，優(yōu)化探測裝置的數量和布置位置。此外，應設置強制通風系統(tǒng)，在探測到氣體泄漏（30%爆炸下限）后啟動強制通風，防止可燃氣體的形成和積聚。

4.4 船體保護措施

對于多層積載，首先罐箱從其設計上應采用上出液形式，從而降低根部接頭破損導致LNG大量泄漏的可能性。然而，即使LNG罐箱采用上出液形式，也不能防止罐箱在跌落傾翻時低溫液體的泄漏。因此，對于多層積載情況，為防止上部罐箱發(fā)生泄漏對下部罐箱造成損傷從而產生連鎖反應，LNG罐箱的外殼、框架及角件應采用耐低溫材料，如不銹鋼。另外，為防止低溫液體對船體造成損傷，還可參考LNG運輸船B型艙的設計理念，對船體設置部分次屏蔽或圍堰，對船舶底部易遭受低溫液體損傷的部位進行防護，避免泄漏的LNG對船舶安全性能造成影響。同時，可以參考SPB型LNG運輸船，在船舶底部設置積液井，將泄漏的低溫液體收集起來，通過緊急投棄裝置將其投棄到船體外部的安全區(qū)域。

4.5 泄漏LNG控制

由于集裝箱船的船體不具有保溫絕熱性能，不像LNG運輸船在產生LNG泄漏后可長時間（15天）維持低溫不擴散狀態(tài)，故運輸LNG罐箱的船舶應設置泄漏LNG的應急措施。如可設置高倍數的泡沫滅火系統(tǒng)，利用在圍蔽處所易于泡沫覆蓋的特點，通過高倍泡沫覆蓋泄漏的LNG液體，在減緩其蒸發(fā)速率的同時，通過緊急投棄系統(tǒng)將泄漏的LNG液體投棄到船體之外。

4.6 系固加強

由于LNG罐箱較普通集裝箱重，且安全性問題突出，故必須在普通集裝箱船系固標準的基礎上，考慮液體晃蕩載荷對甲板強度及其他構件和設備的影響，并考慮強度加強。

4.7 試驗及試點

任何安全措施都必須通過試驗和試運行來進行驗證并改善。通過試驗對不同充裝率的罐箱進行實船試運行，分析、對比不同充裝率下的罐箱內部溫度及壓力隨時間上升的速率，選定最佳充裝率及對應的溫度和壓力隨時間上升的速率；同時模擬不同載運環(huán)境和條件，對罐箱相關參數進行監(jiān)控，明確其運輸作業(yè)的相關限制要求；然后，根據最終試驗結果向IMO提交公約的修改建議。

5 結 論

LNG罐箱整船運輸作為未來LNG運輸一個新的發(fā)展方向，理論上可以借助現有集裝箱船實現LNG的大批量運輸，降低行業(yè)門檻消除壟斷；同時，通過LNG罐箱多式聯(lián)運，可實現“一罐到底”和“門到門”運輸，在提高運輸效率的同時有助于未來分布式能源的發(fā)展。另外，利用LNG罐箱運輸可降低油氣田天然氣開采的配套成本，促進資源充分利用。對此，國外已獲得實際應用，國內也開展了大量研究試驗工作。然而，相關安全控制體系出于對LNG罐箱BOG排放的安全考慮，國際公約及標準不允許艙內積載，使LNG罐箱整船運輸未能得到有效應用和大規(guī)模發(fā)展。為解決上述矛盾，可以通過分級運輸與物聯(lián)網結合，以及BOG排放控制、探測報警、船體防護和泄漏液體控制等多項措施確保LNG罐箱在艙內積載的安全性，實現普通集裝箱船舶整船運輸LNG罐箱的目標。

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