天然气燃料动力船燃料加注模式研究

天然气燃料动力船燃料加注模式研究石国政，张晖，范洪军（中国船级社武汉规范研究所，武汉４３００２２）摘要：针对天然气燃料加注方案，分析国内外船舶天然气燃料加注的现状、主要加注模式及其特点。结合我国内河水域的特点，提出适合我国天然气燃料动力船加注模式的建议。关键词：液化天然气；ＬＮＧ加注；加注模式；趸船加注；岸站加注中图分类号：Ｕ６７４．１３文献标志码：Ａ文章编号：１６７１-７９５３（２０１３）０６-００５７-０４随着“气化长江”、“长江绿色物流创新工程”等内河船舶“油改气”项目的逐步推进，液化天然气（ＬＮＧ）作为一种经济、绿色、安全的新型能源逐渐为人们所熟知，并成为业内公认的未来船舶绿色能源的首选［１］。水上ＬＮＧ加注站对ＬＮＧ燃料动力船发展的重要性不言而喻。基础设施缺乏，加注站点不足，严重阻碍了ＬＮＧ水上应用的发展和推广［２］。为推动ＬＮＧ在内河船舶上的应用，应逐步规划和开展内河ＬＮＧ加气站点的建设，以保障未来内河船舶ＬＮＧ燃料供应，因此开展我国内河水域天然气燃料动力船舶加注模式研究就显得非常必要和紧迫。1、国内外船舶天然气燃料加注现状国外，ＬＮＧ用作船用燃料最早起源于北欧，其主要目的是应对排放控制区（ＥＣＡ）的排放要求。挪威船级社（ＤＮＶ）的统计资料显示，截止２０１３年，北欧正在营运及新建的ＬＮＧ燃料动力船共３８艘，拟进行ＬＮＧ燃料动力改造的船舶共２艘，其中车客渡船占５０％。欧盟委员会（ＥＣ）于２０１３年１月通过了“清洁燃料战略”，其中提出“欧盟船用ＬＮＧ综合框架行动方案”，方案计划至２０１４年底，ＥＣ与欧盟海事局（ＥＭＳＡ）将联合提出一整套关于ＬＮＧ水上供应、加注和使用的综合性规范、标准和指南。至２０２０年１月，所有跨欧交通网工程（ＴＥＮ-Ｔ）的核心港口必须建成ＬＮＧ加注站，提供ＬＮＧ加注服务［３］。主要加注模式如下。１）小型内河ＬＮＧ加注船对小型内河船舶加注。荷兰Ｖｅｋａ-Ｇｒｏｕｐ正在建造世界首艘内河ＬＮＧ加注船，该船总长８６ｍ，型宽１１．４５ｍ，型深３．６ｍ，吨位２０５０ｔ，ＬＮＧ储罐：４×２００ｍ３。２）大型ＬＮＧ加注船对海船加注。３）ＬＮＧ罐车对小型船舶加注。４）ＬＮＧ加注趸船对小型船舶加注。５）由大型ＬＮＧ加注船对小型ＬＮＧ加注船补给。荷兰鹿特丹港提出，根据市场的需求，每条加注趸船的容量可分３个阶段发展。第一阶段在２５０ｍ３以内；第二阶段在７５０ｍ３以内；第三阶段达到１５００ｍ３。国内，ＬＮＧ燃料动力船舶的研究和应用始于２０１０年，至２０１１年底先后完成了苏宿货１２６０号、长迅３号、芜湖红日１６６号等船舶的ＬＮＧ-柴油双燃料动力改造工作，并在京杭运河和长江航线进行了试验示范运行。目前，长江、运河等内河水域的ＬＮＧ燃料动力船的试点工作已全面铺开。该批ＬＮＧ-柴油双燃料动力船舶的加注主要是靠岸后依靠ＬＮＧ罐车进行补给燃料。这种加注模式加注作业随意性较大，具有较大风险。目前，天然气燃料动力船规范和法规即将生效，天然气燃料动力船舶将大量出现，国内关于水上ＬＮＧ加注的需求将变得强烈，对此，主管机关、行业内相关企业以及中国船级社（ＣＣＳ）已投入较大精力进行相关研究。２天然气燃料动力船舶主要加注方案及特点2．1加注方案分类目前，根据文献［４］分类，给天然气燃料动力船舶进行加注总体上可分为如下五类。１）气体燃料储罐整体更换（ＯＴＳ）。该种模式由于操作复杂，风险较大，经济性较差，不适于我国ＬＮＧ燃料动力船舶加注。２）罐车加注方案（ｔａｎｋｔｒｕｃｋ-ｔｏ-ｓｈｉｐｂｕｎｋｅｒｉｎｇ，ＴＴＳ）。与其它加注方案相比，ＬＮＧ罐车成本低廉，加注方案灵活，适合加注少量ＬＮＧ。但罐车受国内运输规范、车辆规范以及道路设施的影响，罐车的最大容量也有所不同。罐车容量取决于储罐的设计和规范要求，目前国内最大的ＬＮＧ储罐罐容约６０ｍ３。３）岸站加注方案（ＬＮＧｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｒｙｔｅｒｍｉｎａｌｔｏ-ｓｈｉｐｖｉａｐｉｐｅｌｉｎｅ，ＴＰＳ）。适合航道狭窄、岸线整齐的水域，如我国的京杭运河。ＴＰＳ也可结合趸船使用。４）趸船加注方案（ｐｏｎｔｏｏｎ-ｔｏ-ｓｈｉｐｂｕｎｋｅｒｉｎｇ，ＰＴＳ）。适用于内河，目前较适合洪水期与枯水期水位变化较大的内河水域。同时，趸船相对固定，利于风险控制。５）加注船加注方案（ｓｈｉｐ-ｔｏ-ｓｈｉｐｂｕｎｋｅｒｉｎｇ，ＳＴＳ）。可以沿码头进行加注，也可在船舶运行时在锚点或海上进行加注，但不适合大风、大浪、能见度低、暴风雪、急流和强海潮等恶劣天气。加注船停泊时须把握好停泊时机，还应配置适当的护舷材和充足、牢靠的锚绳／锚索。加注系统的设计应保证加注船和接收船均能安全、有效地移动。加注船的系泊时间应根据接收船的周转时间决定。ＳＴＳ可能成为ＬＮＧ燃料动力船的主要加注方案，主要是因为船对船加注具有高度灵活性，可以在码头和海上对各种类型的船舶进行加注；另外，船对船加注的装载率高、加注容量大。见图１。2．2各加注模式特点１）罐车加注方案。是目前对于国内的ＬＮＧ燃料动力船最常用的方式。但该种加注方案随意性大，监管多头，难以管理，存在一定风险。２）岸站加注。对于码头条件有要求，选址受限制。３）趸船加注方案。目前较适合我国长江、珠江等水位变化较大的水域。４）加注船加注方案。带有加注设备的小型ＬＮＧ运输加注船，机动，灵活，服务范围广，但目前对其研究较少，存在一定的风险，适于沿海水域或者锚地加注。各种加注方案的优缺点、各种船舶的适用方案，以及在安全性、环保性上的考虑，见表１～４［４］。表1LNG加注方案的优缺点表1LNG加注方案的优缺点加注方案优点缺点TTS机动性好投资和操作成本低适合于小型船舶加注加注量小加注效率低TPS实用性好适合大型船舶加注适合快速加注需固定在某些码头占用岸站空间PTS适用于内河相对固定，利于风险控制加注量小需要水上补给STS机动性好加注效率高适合大型船舶加注可海上加注港池内操作性差投资和操作成本高OTS适用于远洋船舶适合大量加注可与ＬＮＧ-ＦＰＳＯ结合投资和操作成本高需要再液化装置表2LNG加注方案对各种船型的适用性船型加注方案ＴＴＳＴＰＳＰＴＳＳＴＳＯＴＳ客滚船／滚装船×211×拖轮111××海岸油轮／散货船×××11集装箱船22111ＬＮＧ补给船×1×11ＬＮＧ加注船21×22ＬＮＧ运输船×1×22海军／海岸警卫船12×22平台供应船12×22小型客船1122×大型渔船21×11巨型油船（ＶＬＣＣ）×2×11注：１表示最优，２表示次优，×表示不适用表3LNG加注安全性方面考虑项目细节考虑活动区划分明确危险活动区禁区／安全区航道和港口交通控制岸站位置考虑局部布局、安全区等航道合适性结合吨位考虑拖船和引航船通道ＬＮＧ操作和乘客上下同时安全措施系泊布置结合港区布来布置应急准备不同的船有不同的要求安全措施考虑ＬＮＧ泄漏后果人员培训风险包括靠近公共区域的ＬＮＧ操作，人为因素和加注过程本身表4LNG加注关注的环境方面项目细节考虑敏感区野生动、植物保护和生态系统的保护噪音等级与人口稠密地区的距离控制甲烷排放甲烷排放对环境有重大的影响渔业／土地利用港口和ＬＮＧ岸站的扩大不能影响已存在的渔业水域或矿产资源水域３适合我国水域的加注方案对于我国内河水域，加注方案的选择应适应两个方面：①我国内河船舶燃料加注的实际情况；②我国内河水域实际情况。另外，选择合适的加注方案尚需要考虑若干因素，如水域特点、输送距离、交通状况、容量、加注频次、安全性、周边其它加注站以及岸上ＬＮＧ需求等。我国的地域广大，水域情况复杂，也各具特点，可分为天然河道、渠化河道、湖泊和库区等，从而也决定了我国水上ＬＮＧ加注站的方案的多样化。因此，对我国内河水域加注方案选择建议如下。１）对于天然河流。如长江干流，由于丰枯水位落差较大，推荐趸船-船加注方案。长江上游，三峡库区蓄水坝前水位可达１７２ｍ，大坝洪水期前泄洪后，坝前水位１４５ｍ，三峡库区有些地区在丰枯水期间水位落差达几十米，如库区建设ＬＮＧ加注站，ＬＮＧ加注趸船是比较合理和合适的一种方案；在长江中游水域，洪水期与枯水期水位变化时岸堤与航道之间距离可达１００余米，利用加注趸船的形式对于ＬＮＧ动力船进行加注是比较合适的方式；长江下游，是我国经济发展水平最高的区域，船舶航行密度高，加注的业务量也大，但经济发达的同时，也带来了长江岸线的充分利用，能用于ＬＮＧ加注站的岸线非常稀少，布置于江中心的加注趸船是经济合理的加注站方案。从目前长江上船用燃油的加注方案来看，几乎都为加注趸船加注方案。珠江水域水文、航道条件与长江类似，推荐趸船-船加注方案。２）对于渠化河道。如京杭运河，采用岸站加注方案是较适宜的方式。由于京杭运河河道宽度有限，船舶航行密集度高，岸线较整齐，水位变化不大，为江杭运河航行船舶提供ＬＮＧ加注，如使用加注趸船，将占用航道，对本就拥挤的京杭运河不适用。相对来说，采用岸站方案是非常适宜的方式。３）湖泊、库区或其他水域。建议根据具体岸线、水文、航道条件选取岸站加注方案、趸船-船加注方案或其他加注方案。４对我国天然气燃料动力船舶加注方案的建议在水上ＬＮＧ加注方面，根据目前ＬＮＧ在我国船舶上的应用、试点现状以及未来发展需求和趋势来看，对我国天然气燃料动力船舶加注方案有如下建议。１）长江。目前阶段适用加注方案为加注趸船-船加注（ＰＴＳ），最急需的就是ＬＮＧ加注趸船的有关技术法规和规范的制定。建议对于ＬＮＧ加注趸船尽快推出有关技术法规和规范。２）京杭运河。推荐ＬＮＧ加注方案为岸站-船加注（ＴＰＳ）。目前，由于国内尚无ＬＮＧ岸站技术标准和相关管理规定，陆上已有现成的ＬＮＧ加气站的技术标准，建议ＬＮＧ岸站参照枟加油加气站设计与施工规范枠（ＧＢ／Ｔ５０１５６—２０１２）及相关标准进行建造。３）尽早规划我国水上ＬＮＧ加注站的布局。随着天然气燃料动力船的大量出现，水上ＬＮＧ加注站必将跟上，为合理引导和规范水上ＬＮＧ加注站的有序发展，政府主管部门应尽早规划加注站的布局。４）加快内河小型ＬＮＧ运输船的发展。目前水上ＬＮＧ加注站的补给方式主要依靠岸上ＬＮＧ罐车进行，这种补给方式随意性大，监管多头，难以管理，存在一定风险。特别是随着江中型水上ＬＮＧ加注站的出现，小型ＬＮＧ运输船是一个较好的补给方式。５）做好ＬＮＧ加注船技术储备。对于ＬＮＧ加注船加注的方式，由于加注船机动性好，适用性强，目前已出现需求，建议有关部门尽早规划有关研究项目，做好技术储备，以便尽快跟上ＬＮＧ应用的发展趋势，更好地规范和引导ＬＮＧ船用燃料清洁化的发展。参考文献［１］徐建勇．ＬＮＧ燃料动力船舶标准研发及试验研究［Ｒ］．北京：中国船级社，２０１３．［２］ＬＲ．ＬＮＧ-ｆｕｅｌｌｅｄｄｅｅｐｓｅａｓｈｉｐｐｉｎｇ［Ｒ］．２０１２．［３］张晖．ＬＮＧ燃料动力船舶加注方案及加注站研究［Ｒ］．北京：中国船级社，２０１３．［４］ＧＬ．Ｅｕｒｏｐｅａｎｍａｒｉｔｉｍｅｓａｆｅｔｙａｇｅｎｃｙ-ｓｔｕｄｙｏｎｓｔａｎｄａｒｄｓａｎｄｒｕｌｅｓｆｏｒｂｕｎｋｅｒｉｎｇｇａｓｆｕｅｌｌｅｄｓｈｉｐｓ［Ｒ］．２０１２．［５］ＤａｎｉｓｈＭａｒｉｔｉｍｅＡｕｔｈｏｒｉｔｙ．ＡｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｓｔｕｄｙｆｏｒａｎＬＮＧｆｉｌｌｉｎｇｓｔａｔｉｏｎｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｔｅｓｔｏｆｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓ［Ｒ］．２０１２．