对发展液化气船的分析

1、摘 要本文从实用出发, 较详细地分析了发展 l n g 船的液货舱和 l p g 船型等技术要点, 并展望了发展趋势。关键词: l n g 船 船舶市场 市场分析一、引言液化气船技术发展的关键。为此, 本文对液化天然气(l n g) 船的液货舱和液化石油气 (l p g) 船等技术要 点进行分述之。(一)l n g 运输船液货舱的技术要点l n g 船目前大致分两大类约 6 种舱型, 但现有 的 大 型 l n g 船 主 要 有 3 种 舱 型: 其 中, 采 用 挪 威 (m rv )m o ss r o senbe rg 式球型舱者最多, 约占总 数的 37% ; 采用 (法国 (gt

2、) gaz t ran spo r t 式薄膜型 舱者约占总数的 35% , 采用法国 (t g ) t ech n igaz 式 i 型薄膜型舱者约占总数的 17% , 三者合计约占总 数的 90% 左右。当前, 液货舱系统的发展重点包括两个方面: 一 是降低建造成本; 二是减少蒸发率 (bo r )。1. 对于薄膜型, 重点放在改进隔热的构造上。因 为对薄膜型而言, 薄膜仅起到保证液密性、热伸缩性的作用, 而液货舱的强度则要由隔热材和船体来保 证。(1) 就 t ech n igaz 薄膜型而言, 采用波纹薄膜舱 型, 具有由薄膜波纹部分的变形来吸收伸缩的特点;液货舱材料采用厚 1. 2m

3、m 的不锈钢。 目前, 已开发 了三种低蒸发率 (bo r ) 型式。i 型和 型相似, 采用的是同波纹钢第一保护层和胶合板第二保护层相连接的“巴尔沙”轻质材料第一和第二层隔热; 而新颖 的? 型把隔热材料改为泡沫塑料 ( 聚氯乙烯泡沫) , 用玻璃纤维增强, 以提高强度和疲劳寿命, 第二保护 层 改 为 由 强 纤 维 布 粘 接 层 压 板 和 铝 构 成 的“三 层 式”, 以降低造价。? 型尚未用于实船。i 型和? 型的 第一保护层波纹不锈钢涉及到采用钨极惰性气体保所谓液化气运输船 ( 以下简称液化气船) , 其实是指一些气态碳氢化合物 ( 通常是从原油精炼过程 中或石脑油等分解过程中

4、制取, 同时也可通过油井 和气井中直接提取的天然气中经分离而取得) , 以及 其他一些特殊气体 (如氯、氙、氧、氩、氮等) 经液化后 在一定温度和一定压加下而进行运输的船舶, 一般 可分为特定液化气专用船、混载式液化气船以及特 殊液化气船等。一般来 说, 气 体 液 化 的 目 的, 主 要 在 于 压 缩 体 积, 加大密度, 增大装载量。 因为, 在常温、常压下的 气体状态运输需要庞大的运输设备, 这既不方便又 不经济。 因此, 为能装载并输送更多的气体物质, 一 般对气体物质用如下四种方法处理: ( 1) 使之溶解于 液体 (如水等) 中; (2) 使之变成压缩气体; ( 3) 使之变

5、成液化气; (4) 使之冷却成固体。经上述 (1) 处理后, 实际上为液体货物, 即是化 学品运输船的对象; 而用 (2)、( 4) 的方法, 很不经济。因此, 只有采用 ( 3) 的方法, 即设法将气体物质液化使之缩小体积, 增大密度并贮藏运输。如甲烷液化后 的体积仅为气态时的 1585; 乙烷是 1406; 丙烷是1260, 而丁烷则是 1230 等等。 因此, 实践证明, 将 气体液化后进行运输是很经济的。大力发展水上运输液化气体, 大量建造液化气 船的目的, 是因为水运比陆用装载量大、经济、安全、 可靠等。二、发展液化气船的技术要点大量实践证明, 搞好液化气船的液货舱设计, 是张松鹤杨

6、政吴宇(上海 708 所)(中华造船厂)(江南造船厂)对 发 展 液 化 气 船 的 分 析世 界海 运1996, n o. 641力高, 液舱总容量若超过 3 000m 3 , 将使液舱的结构型式和布置等都变得相当困难, 所以液舱的大小得 到限制, 总容量 4 000m 3 是最高极限。对于船长小于90m 的小船, 通常采用单层船底和单层舷侧结构, 较 大的则需设双层船底结构。(2) 液舱采用一般钢材, 且不设再液化装置 由于该船是将加压液化的液货装载于耐压容器内, 且在常温下运输。故一般不设置舱盖和防热设施 的。但在液舱的突出裸露部分可以涂上反光材料, 也 可敷设一层薄的防热材料, 一般无

7、需特别采用低温材料。整个液货舱结构的材料选用一般钢材, 其承压 部分按计算由壁厚给予保证。同时, 船上也无需设置 再液化装置 (因为是按环境温度载运液化的, 故液舱内液货一般不再蒸发, 可不设再液化设备)。此外, 液 舱和液货管的外表面也均可不敷设绝热层, 即在整个载运过程中可不消耗功率等等。2. 全冷 (低温) 式采用低温 ( - 50)、常压 ( 最大 0. 13m p a ) 方式 贮送, 必须设置货物温度、压力控制与液舱防热等设 施。这种船舶, 适用于大批量的 l n g 和 l p g 等货 物的海上运输。按其运载货物的不同, 一般又可分为 以下三种类型。(1)l n g 运输船,

8、又可分为:l n g 专用船。液舱采用压力容量方式或隔板 方式, 其贮藏压力接近大气压, 设计蒸汽压力一般为0. 025m p a 0. 7m p a。当采用独立型 c 种液舱, 并采 用压力装卸货物时, 还可采用较高的蒸汽压力。液舱的 材 料 是 铝 合 金, 9% 镍 钢 和 奥 氏 体 系 不 锈 钢 及36% 镍钢。 液舱要防热, 液舱周围的船体结构, 因要 考虑到通常状态和液舱的泄漏状态, 故要选用低温 材料。 对于方形液舱, 舱与舱之间还要设置隔离舱。l n gl p g 兼用船。 这种船舶除了具有 l p g再液化装置外, 其他与 l n g 专用船的相同。l n g其他货物多用

9、途船。 这种船舶除主运 输 l n g 外, 还可装运乙烯、l p g 和氨等。 它的液舱容量, 一般是 5 000m 3 左右。船底和舷侧都是双层结 构, 若采用独立型 c 种液舱时, 则无此限制。 液舱需用甲板、围罩或舱盖覆盖; 同机舱及其他火源区域之间, 均要用隔离舱或围堰来隔离。(2) 低温式乙烯船该船的液舱采用与 l n g 专用船相同的结构方 式, 但有以下不同点:护焊。 据说日本 n kk 公司目前已开发成功了一种自动焊机, 可用来进行任何位置的垂直焊, 从而可望 解决问题。( 2 ) 就 gaz t ran spo r t 薄 膜 型 而 言, 采 用 殷 钢 ( inve r

10、) 薄膜舱型, 无需采用措施防止形状热伸缩的 特点。其低蒸发率 (bo r ) 的液货舱的组合结构, 由第一保护层和殷钢 (36% 镍钢)、厚 0. 7mm 的第二保护 层以及胶合板箱第一和第二层隔热组成, 内部增强并充填珍珠岩。第二层隔热采用二层胶合板箱。法国的 ga s t ran spo r t 公司和美国 的 m ac d o nne lla s 公 司 (m d c ) 共同开发了 gt dm c 式薄膜型。 它由原 型殷钢薄膜与m d c 开发的增强塑料隔热材料组合 而成, 目的在于降低造价和蒸发率。2. 对于m rv 式球型舱, 采用独立球型舱, 具有 形状简单、应力分析的精确度

11、可以提高等特点; 液货 舱材料采用铝合金或 9% 镍钢。 下一代船重点将放 在降低蒸发率上, m rv 式隔热层设置于舱外, 不承 受液压, 易于增厚。同时也可把舱裙上部的一部分低 温材料改为不锈钢, 以进一步降低 bo r ; 另一重要 改进措施是减少舱数 ( 如将原来 5 舱改为 4 舱) , 这 样舱的液货表面积与舱容之比减小, bo r 也随之下 降, 且建造费用也可随之降低。l n g 形管子材料应是耐深冷的, 其在液舱内的 为铝管, 在液舱外的管子, 与阀件则用不锈钢。(二)l p g 运输船的的技术要点l p g 船的液货舱大致有两大类约 5 种型式, 而 主要可分为全压式、全冷

12、 ( 低温) 式与半冷半压式三种。 但当前世界各国大型液化气船的发展重点都采 用全冷 (低温) 式。1. 全压式(1) 仅适用于小型 l p g 船采 用 常 温 ( 0 45)、高 压 ( 最 大 1. 7m p a2. 0m p a) 方 式 运 输, 仅 适 用 于 贮 运 临 界 温 度 高 于45的液化气。这种船舶的液舱采用独立式。一般都 是水平纵向位置的圆筒形, 也有垂直设置的圆筒形,现在还出现多个 (3 5 个) 球形液舱的结构。由于全 压式运载时的液货是不加以冷却的, 故密度小, 造成液舱的装载率低, 仅适用于小型 l p g 船。 这种耐高 压厚壁的筒形或球形液舱, 从其结构

13、强度考虑, 每个容器的尺度有限, 且自重与载货重量大体相同。 同 时为了检查液舱, 在液舱与船体之间、液舱与液舱间还须留有间隙, 从而增大了船的无用空间, 与船体的 尺度相比, 液化气的装载量较少。 此外, 由于设计压世 界海 运421996, n o. 6需要货物冷却装置, 但不需要热废气燃料装加显著。低温液化气船, 由于液舱内的压力是常压或 近似常压, 故液舱壁可减寿, 自重可减轻而有利于增 加液化气的装载量。此外, 采用方形液舱较能吻合船 体形状, 可较合理地利用船内空间。相对于同一载货 量, 全压式液化敢船的船体尺度, 一般为油船的 34 倍, 造价为油船的 4 5 倍; 而低温式液化

14、气船的 尺度, 一般仅为油船的 1. 5 2 倍, 造价也只有油船 的 2 2. 5 倍左右。低温液化气船的装卸基地所需的建设费用也 比全压式的低。但它的主要缺点是液舱必须用耐低温材料并采 取相应绝热措施, 液化设备必须保持液货的低温, 液 货舱周围需用惰性气体保护, 而且液舱内液货因采 用低温运输与外界环境温度之间存在明显的温差需 设再液化装置。并且当环境温度越高, 液舱内大气压 力下液货蒸发温度越低时则液舱内的气体蒸发压力 越高, 气体蒸发量也越多 ( 见表 1)。 因此, 低温液化 气船, 在液舱、管系和装卸设备的材料、保冷功能及 船体结构和使用操作方面的技术问题都需认真考 虑。 此外,

15、 全冷 (低温) 式载运还应注意以下问题:a. l n g 将只在大气压下的全冷方式载运;b. 乙烯一般在半冷半压方式下 l p g 船上载运;c. 正丁烷、丁二烯等即可在大气压力下的全冷(低温) 式载运, 也可在环境温度下全压式载运, 在较 大载运量时, 以全冷 (低温) 式载运具有优点;d. 无水氨可在 l p g 船上的 1 个大气压下全冷( 低温) 式载运, 也可在半 冷 半 压 式 的 l p g 船 上 载 运, 在较大载运量时, 以全冷 ( 低温) 式载运具有 优点。e. 绝大部分的 l p g 均可在半冷半压式的 l p g船上载运。置;船型小, 液舱容量一般在 500m 3

16、4 000m 3 左右;根据设计温度不同, 所使用的材料与防热性能也有所差异。 作为液舱及液货管系的材料, 除和 l n g 船相同外, 液舱还可使用 5% 镍钢, 液货管装置 可使用 3. 5% 镍钢。(3) 低温式 l p g 船液舱容量一般在 5 000m 3 100 000m 3 的范围 内。 这种船的液舱, 主要是采用独立型方形液舱结 构, 但也有压力容器式、隔板式、半隔板方式和整体 型方式的液舱。 其中, 整体型液舱作为丁烷专用舱, 其设计温度一般是- 10, 其液舱采用低温碳素钢 制造。其他配置与其他液化气船相同, 但采用隔板方 式或半隔板方式液舱的船舶, 其舷侧和船底, 也有不

17、 少采用双层结构; 而采用压力容器方式液舱的 l p g 船, 则类似于低液压力式液化气船的船体结构布置。 这种船舶的货物装卸装置, 基本上同 l n g 船。 材料的设计温度为- 50, 一般用低温碳素钢且管系要防热。全冷 (低温) 式液化气船, 比全压式的具有更多 的优越性, 归纳起来主要具有以下优点。低温液化气船是在大气压力下将丙烷等冷却 到沸点而液化, 它的容积为 15时容积的 1297, 而 全压式液化的丙烷容积仅是 15时的 1259。同样, 丁 烷 在 大 气 压 力 下 冷 却 到 沸 点 而 液 化 的 容 积 是15时的 1232, 而全压式液化的丁烷仅是 15时 的 12

18、26。由此可知, 由于低温使液货容积的压缩比 增大, 故液体的密度增大, 船舶的载货量可增加, 从 而提高其经济效益, 这是一方面; 另一方面, 液化气 船, 以低温式为最有利, 尤其运输丙烷其经济效果更表 1(部分) 液化气体的温度与压力间关系大气压力下 沸点温度( )温度( )- 505101520304045蒸 发 压 力 (m p a)丙烷- 42 丙烯- 48 正丁烷- 1 丁二烯- 4氨- 330. 40. 50. 0860. 10. 340. 490. 590。 1020. 120。 440. 580. 690. 1220. 1420. 510. 630. 780. 140. 1

19、70. 610. 720. 880. 170. 20. 730. 841. 000. 210. 240. 831. 031. 280. 30. 331. 151. 321. 580. 360. 421. 51. 411. 780. 40. 491. 72世 界海 运1996, n o. 643不过, 尽管如此, 由于这种船舶的 优 点 是 主 要的, 它已被公认为是当前世界上运输液化气的最为 经济的一种方法, 所以世界各国的大型液化气船都 采用低温式。3. 半冷半压式表 2 主要国家或地区 l p g 的海上进口量 (f t)采用低温 ( -50 + 50)、中 压 ( 0. 294m p a

20、 0. 785m p a) 方式贮送。 这种船舶必须控制货物的温度和压力, 同时往往还要设置液舱防热以及液货 的冷却装置。 该船型又可分特定货物专用船和多用途船两种。前者, 一般是将温度和压力限定在某一小范围内, 如乙烯和氨等运输船就是一例。 多用途半冷半压式液化气船, 运载的货物种类较多, 并可作为全冷 (低温) 式和全压式使用。其最低 设 计 温 度 为 - 106左 右, 但 多 数 是 - 104或 -40, 设计蒸汽压力为 0. 294m p a 0. 785m p a 的占 了这种船舶总数的一半之多。半冷半压液化气船, 其液舱容量一般是 1 000m 3 2 000m 3。 这种船

21、舶一般是采用独立式 c 种液舱, 大多为圆筒形, 毋需采用两层防壁, 但液舱要设置舱 盖和防热措施 (这一点与全压式的两样)。 船底结构 是单层或双层结构, 对于大型船舶和全压式的相同。 为了控制液货温度和压力, 必须设置货物冷却装置, 此外必要时根据使用要求, 还可设置加热装置。由于 这种船舶是全压式和全冷 (低温) 式两种方法的折衷 方法, 故其特点是兼有全压式液舱, 不需耐低温材料 和全冷 ( 低温) 式液舱不需耐高压厚舱壁的优点, 通 常可使用碳素钢、低温碳素钢、镍钢和铝合金等材料 制造。 关于各种货物装置的材料, 按设计温度要求, 除可用和液舱相同的材料外, 还可采用奥氏体不锈 钢,

22、 并设计温度在- 40以下时, 管子要防热等等。 此外, 因半冷半压液化气船有时尚需载运低温液货, 从而使液舱内外存在明显的温差 ( 这一点与全冷式 相似) 需设再液化装置。 且再液化设备的大小, 应按 最低载货温度考虑。三、液化气船的发展分析近年来, 国内外石油气生产与运输处于供不应求的状态, 这给液化气船的发展带来了生机。1. 国外l p g 的 生 产 国 大 多 是 产 油 国、产 气 国 和 l p g 消费量大的国家, 1990 的时 l p g 的主要进口国或 地区是日本、美国和西欧, 他们 l p g 的海上进口量 可见表 2 所列。随着 l p g 海上贸易量的逐年增长, 对

23、 l p g 船的需求量也随之增加。据分析, 2010 年前, 要建造 29 75 艘 13 万m 3 的大型l n g 船。此外, 可能还要建 造一些 1. 8 万 5 万 m 3 的 l n g 船。预计, 在今后的20 年内, 世界 l n g 船队的船舶将增长 1 2 倍, 达 到 1 500 万 m 3 至 2 000 万 m 3 左右。2. 国内1993 年, 大连、营口输出的液化气为 10 000m 3 左右, 到 1994 年减少到 5 000m 3 左右, 预计今后还 会下降; 南京港 1993 年输出液 化 气 为 5 000m 3 , 到1994 年降到 1 200m 3

24、; 上海港 1993 年国家计划出口 到 香 港 地 区 液 化 气 为 5 000m 3 , 而 1994 年 降 为 3000m 3; 广 东 汕 头 一 直 是 我 国 液 化 气 销 售 量 的“大 户”, 但近年来汕头市及附近地区年销售液化气也只3有 20 万m 左右, 大多都需依靠进口。从液化石油气开发以来, 我国输出港主要是大连与福州炼油厂等 专用码头, 但液化气输出量也不多。 此外, 1994 年, 我国已从韩国等进口一定数量的液化石油气以缓和 供求矛盾。据了解造成这些问题的主要原因, 一方面 是当地生产发展与民用液化气的需求量逐年增加, 而产量却不能满足需要, 从而使液化气出

25、口量减少; 另一方面是水上运输不够, 更使液化气出口量逐年 减少。 为此, 今后除了增加液化气的生产量外, 还要 不断强化发展运输工具的力度, 特别像 l p g 船能尽 快跟上。 而目前国内仅有为数不多的一些小吨位的 l p g 船, 大多亦已显得陈旧与力不从心。 但国内有 不少船厂完全有能力制造这方面的船舶, 如江南造 船厂为德国 l g i 公司设计建成的液化石油气船“华3奥”号, 已于 1990 年年底完成, 它具有 2 只 1 500m的贮槽。又如, 中德合资上海爱德华造船有限公司为3德国建造的一艘3 750m 的 l p g 船早在 1993 年年底完工。 该船是按挂德国旗和德国海

26、员劳动保护公年份日本美国西欧其他地区总计1990199119921993199419951 4601 5101 5401 5801 6101 6402803003203604004807107207307407607904704905105305606202 9203 0203 1103 2103 3303 530世 界海 运441996, n o. 6约 (sb g) 的要求, 以及满足 im o - 2g 型液化气船有关规定建造的。这就足以说明, 我国早已具备建造这 类船舶的能力。 此外, 上海第 708 研究所设计的 16500m 3 液化气船, 由江南造船厂建造, 1997 年内完工(

27、 船东为德国) , 以及大连造船厂近期接获马来西亚 船东的 2 艘46 000dw t化学品成品油船的订单并计 划分别于 1998 年 3 月与 9 月交船, 则也更能说明这 些问题。四、液化气船动力节能观念的发展(1)l n g 船不宜采用蒸汽轮机作为推进装置 以往的 l n g 船把蒸发气引入锅炉与重油一起混烧, 其所产生的蒸汽来驱动推进船舶行进的蒸汽轮机。 但蒸汽轮机的燃油耗率 285. 5g(kw h ) 比 低速柴油机 163g(kw h ) 要高, 不经济。(2)l n g 船柴油机推进方案的分析采用烧重油柴油机+ 再液化装置的方案, 选 用高效柴油机作为推进装置, 蒸发气经再液化

28、后回 液货舱使经济性有了提高。但是, 增加了再液化设备的投资, 且燃油耗量也增加了, 使航运 费 用 随 之 增加。 故对此方案目前尚无定论;采用燃气柴油机方案, 燃气柴油机与通用柴 油机不同, 利用高压气体喷射方式可使它与普通烧 重油柴油机有相同的输出功率和效率, 相关设备毋 需增加, 经济性也很好。但液货舱控制和燃烧控制需 很好匹配, 此外为了处理过剩的蒸发气, 尚需追加投 资费用等等;采用带再液化装置的双燃料柴油机方案。 为 了有效地使用蒸发气作为推进燃料, 可使用双燃料 柴油机。 在船航行时可单独利用蒸发气作为柴油机 的燃料; 当蒸发气不足时, 则柴油机能同时燃用液体燃料与蒸发气的任何比例混合而成的燃料; 当船停航时, 则柴油机也能够只燃用单一的液体燃料运行。 这样, 非但主机省油, 而且航行期间也无需计及蒸发 气的再液