来源：能源情报，ID:eipress
文/田宇忠 刘宇，中国船级社武汉规范研究所 中国船级社江苏分社
面对日益严苛的排放标准，新能源的利用越来越广泛。液化天然气（LNG）以其热值高、燃烧产物对环境污染少等优势逐渐成为绿色能源的首选，伴随而来是国内LNG市场迅猛增长。据统计，2015 年国内 LNG 市场消费量1076 万吨，较 2014年增长 37.56%。LNG 的下游消费市场主要分布于工业用（41.26%）、车船用（36.30%）、城市燃气用（17.25%）及发电用（5.19%）。（2017年进口LNG就达到近3900万吨，发电用比例上升，以上数据略显陈旧。2014年、2015年是国内天然气消费增速放缓的月份，2016年起再次进入高速增长轨道。——编者）
然而，由于 LNG 产业高昂的固定投资成本所造成的行业壁垒，催生了国有资本在行业内的垄断地位，限制了市场的自由竞争和竞价机制的形成，同时也制约了市场规模的快速增长。而 LNG 罐式集装箱（以下简称“罐箱”）整船运输所具备的灵活、低成本及标准化等特点，使其在降低行业门槛消除垄断、拓展 LNG 中小型用户、促进资源的充分利用等方面具有其他运输方式不可比拟的优势。部分国内外科研机构及企业在 LNG 罐箱运输方面已经有一定的试验及实例应用。但 LNG 罐箱整船运输主要受到公约、标准及行业认识等几方面的限制，使其未能得到有效应用和大规模发展。
为此，本文将从安全控制体系相关限制要求出发，分析 LNG罐箱整船运输过程中所遇到的关键技术问题，探讨相关应对措施和解决方案。
1 LNG 罐箱运输现状
1.1 国外应用
目前，LNG 罐箱整船运输在北美及欧洲地区已经得到了实际应用。在美国，Clean Energy Fuels公司通过传统的集装箱船装载 LNG 罐箱，从美国西海岸运抵欧胡岛（夏威夷群岛的主岛）。每个ISO 罐箱装有大约 38 m3的LNG，这些LNG将通过可移动的气化装置再气化后注入到夏威夷气体公司的供气管道；佛罗里达州的 Carib 能源公司将LNG预装在ISO罐箱中，通过该公司设计的一种可载运 100 多个 LNG 罐箱的船舶，从美国的东南沿海通过水路运往百慕大群岛、加勒比海地区，罐箱通过集装箱港口装卸，然后通过卡车、铁路和驳船等多式联运送到小型气化站。
在葡萄牙，Sousa集团于 2014 年 3 月将首批 40 ft（12.192 m）LNG罐箱在锡尼什港充装 LNG，并于一周内运输到1 900 km 之外的马德拉岛上卫星储备气化站，供给岛上的燃气电厂。装运时，LNG 罐箱与其他低温罐箱混装并叠加在运输船上。根据罐内 LNG 液体温度压力的不同，现场每只罐箱的签收记录表记载的 LNG 冷液不排放时间从 89~90 天不等。
2014 年12 月 18 日，在历经 9 个多月顺利运行后，成功突破1000 箱充装记录。在北欧，挪威 Liquiline 公司是最早使用罐箱运输 LNG 的。该公司于 2010年9月通过滚装船装载 40 ft 罐箱，从挪威运往丹麦；2013 年 7 月通过集装箱船装载 LNG 罐箱，从英国运往瑞典 ；2014 年 6 月与 LNG America 公司合作，从西雅图和塔科马市港口，使用 ISO 罐箱运输LNG 到夏威夷和阿拉斯加。
1.2 国内试点
虽然国内 LNG 罐箱整船运输还没有实际应用，但国内相关部门及单位已在积极参与 LNG 罐箱整船运输的筹备工作，并已进行了两次海上运输试验。
1.2.1 第一次试验
2006 年，交通部科学研究院受中海石油广东液化天然气公司委托，开展 LNG 罐箱满罐运输和空罐运输的安全评估试验。满罐运输路线为 ：LNG罐箱在广西涠洲岛完成充装，经滚装船运输到广西北海，然后经公路运输到广州黄埔新港码头并直接吊装上船，经水路运输到上海军工路码头并直接卸船，最后经公路运输到达浙江海宁进行卸液（如图 1 所示）；空罐运输则按原路线返回。根据文献得知，LNG 罐箱在水路运输过程中，罐内压力缓慢增长，但仍处于安全范围内（低于 0.74 MPa），故罐体未出现损坏、腐蚀、变形等现象。
1.2.2 第二次试验
2012 年，大连海事大学、江苏海事局、海南海事局、南通海事局、洋浦海事局、海南中油深南石油技术开发有限公司、石家庄安瑞科气体机械有限公司和大连因泰集团有限公司组成 LNG 联合研究项目组，开展了 LNG 罐箱水路运输试验。同年4 月 13 日，两个 LNG 罐箱从南通集装箱码头，吊装进集装箱船“金银达 2”号上。4 月 17 日，该船在东莞虎门港成功卸下 LNG 罐箱。目前，大连因泰集团仍在开展 LNG 罐箱海运试验研究，每周从海口装载 40 ft 标准罐箱，通过海运至虎门港口，再经公路运至东莞工厂。
自那次试验之后，在大连海事大学课题组的主持下，由东莞到海口的实船试验运输从 2013 年 11月至 2014 年 8 月共完成约 30 个航次，共运输 LNG罐箱 300 个左右。此项运输试验取得圆满成功，后续试验航次还在进行中，目前已基本形成常态。
在工业制造方面，2002 年 10 月，张家港中集圣达因低温装备有限公司制造出我国第一台高真空多层绝热 LNG 罐箱，并进行了堆码试验，纵向 /横向栓固试验，传递、吊顶及撞击试验，试验结果获得中国船级社、法国船级社及英国船级社的检验认可。
2 LNG 罐箱运输的优势
目前，天然气水上运输方式主要有 LNG 运输船、天然气海底管道以及 LNG 罐箱运输三种。其中，LNG 运输船和天然气海底管道均具有投资巨大、建设周期长、维护成本高和地域性限制等问题，而 LNG 罐箱运输则具有多式联运、促进市场自由化以及资源被充分利用等优势。
2.1 多式联运
LNG 罐箱就是把储罐安装固定在标准集装箱外部框架上，其产品设计、制造和认证标准同集装箱一样，具有全球统一的标准，至少满足近 20 个国际、国家或地区规范的相关要求。它在起吊、堆存、运输时也同集装箱一样便利，可实现公路、铁路、水运之间无中间环节的便利国际联运模式，无需换装设备，也无需准备 LNG 槽车或运输船，更不必兴建大型接收装置，可利用现有的集装箱码头。海港卸货后，罐箱被直接运送至客户终端现场，并可以在现场停留数日等待使用。通过多式联运，LNG 罐箱实现了“一罐到底”和“门到门”运输，可满足偏远地区、山区、岛屿等区域的能源需求。
同时，LNG 罐箱多式联运对于国家所倡导的分布式能源供给有着非常重要的促进作用，搭建了分布式能源从理想概念到具体实现的中间桥梁。
2.2 打破垄断，促进市场自由化
2.2.1 市场垄断的成因
当前国内进口天然气运输方式为 LNG 运输船及天然气管道两种。其中，通过 LNG 运输船运输，需建立大型液化站、接收站、气化站、码头、LNG专运船和二级分销系统等设施，一般的投资额度都以百亿甚至千亿计算，存在初期投资高，风险难以承受，建设周期长（通常为 5~6 年），需要数个乃至数十个专业的管理和营运单位为之服务，以及占地面积大且选址困难。通过天然气管道运输同样也存在上述问题，并且仅适用于管道源头及沿线附近天然气资源丰富的区域 ；此外，在终端需要通过二级管网或槽车进行分销。
所以，LNG 运输船及天然气管道运输均需要国家的战略性投资，并且通常由国有大型石油公司主要控股，并由其承担关键环节的管理和营运。普通中小型企业若想从国外进口天然气必须租用相关设施，且存在窗口期和最低货量要求，还需要定期与国有大型石油公司进行协商，难以形成稳定的供应链。这必然导致国有大型石油公司的垄断地位的形成，不仅制约中小企业发展，同时也造成巨额资源的低效利用。
2.2.2 打破垄断
如果采取 LNG 罐箱进行运输，理论上可以直接利用现有的集装箱船，而不用新建或者租用LNG 专用运输船。目前，建造一艘 LNG 船的费用在 10 亿元人民币以上，在市场上租用一艘 LNG 运输船的费用约 10 万美元 / 天。同时，LNG 集装箱运输也无需建设专用的 LNG 码头、接收站及二级分销系统，可以利用现有集装箱码头卸货，然后通过集装箱车辆直接运输到用户。据 2014 年 LNG 贸易价格估算，如果 LNG 罐箱得到规模化应用，亚洲从北美进口 LNG 的到岸成本将降至 10 美元，比目前亚洲地区 15 美元的 LNG 长期协议价格大幅降低，整体成本下降 1/3。
罐箱的价格并不昂贵。在北美地区，一个罐箱的价格约 30 万美元，一个罐箱可以容纳 43.5 m3（即18 t）LNG。采用集装箱的运输方式，降低了参与 LNG 贸易的门槛，使更多中小企业参与 LNG 的进口成为可能，从而打破大型石油公司通过 LNG专用码头、LNG 接收站及 LNG 运输船所形成的贸易壁垒和垄断优势。
另外，由于采用常规货船运输，无需在沿海卸货，因此可由沿海进入内河逆流而上，在内河沿岸需要天然气的地区进行交易，这种灵活性是管道气和传统 LNG 贸易无法比拟的。而新的贸易方式在增加更多交易主体的同时，也扩大了 LNG现货的交易量，为期货价格提供了支撑。这种利用 LNG 罐箱开展的 LNG 现货贸易不仅打破了LNG 进口的垄断，而且在更深层面上促进 LNG 市场自由竞争化，也利于形成中国乃至亚洲区域的天然气期货价格基准。
2.3 资源的充分利用
对于一个新的 LNG 生产设施来说，以 25 年的周期计算，即使按最小处理量（每天 1 400 万 m3，每年 360 万 t），也需要保证 1.2 万亿 m3的天然气探明储量。这就使一些较小的天然气田开发价值不大，处于闲置状态 ；部分油田伴生气由于产量较低或不稳定，不能形成稳定供给，而被白白烧掉，造成资源浪费。而通过灵活机动的 LNG 罐箱运输，则可以节省开采环节固定设施的投资成本，降低了这些气田开发风险和成本，充分利用油田伴生气，使其达到 LNG 生产经济性，国家也会因此掌握更多的可利用资源。
例如，我国东南沿海的某些岛屿，虽然发现了可开采天然气，但产量较低，若按常规方式配套管道输送，或通过液化站液化后经 LNG运输船输送，则不具备经济价值。但是，根据实际天然气产量配置小型的液化站，液化天然气通过罐箱由普通运输船输送至中小型用户，则可产生可观的经济效益。
3 LNG 罐箱整船运输所面临的问题
3.1 安全控制体系的限制
3.1.1 LNG 罐箱整船运输安全控制体系
LNG 罐箱整船运输安全控制体系涵盖了 LNG罐箱设计制造与检验、LNG 罐箱码头装卸与存放以及 LNG 罐箱水路运输三个主要过程。目前，前两者在具体的管理及技术要求方面与传统的危险货物并无区别，LNG 罐箱水路运输则需要突破传统方式，通过普通集装箱运输船整船运输 LNG，但传统的控制体系尚不完全适用于该种运输模型。
LNG 罐箱水上运输安全控制体系根据责任主体的不同，可分为三个层次，分别是国际公约规则、国家或地区法律法规以及行业规范标准。从本质上讲，国际公约规则既是最高层次，也是最基本的要求，是缔约国必须遵守的要求 ；国家或地区法律法规是缔约国根据国际公约规则转化的结果，通常其相关要求等效于国际公约规则，或在国际公约规则的基础上有所提高 ；行业规范标准是为实施国际公约或法律法规的相关要求而制定的具体技术要求。
所以，该控制体系居于核心地位的是国际公约规则，其他层次均为该层次的衍生和细化。表 1 是 LNG 罐箱水上运输安全控制体系的主要分类和内容。
根据上述分析可知，对于大规模发展 LNG 罐箱运输的限制主要在于 LNG 罐箱的水上运输环节，该环节所涉及的国际公约规则是《国际海上人命安全公约》（SOLAS 公约）。SOLAS 公约涉及海上安全的各个方面，涉及 LNG 罐箱运输的要求列于公约第 VII 章 A 部分。该部分是关于包装危险货物或固体散装危险货物运输的强制规定，危险货物的运输必须依照相关条款实施。其具体技术要求指向了《国际海运危险货物规则》（IMDG规则），IMDG 规则基于相关条款作了进一步的详细规定。
3.1.2 IMDG 规则对 LNG 罐箱运输的限制
IMDG 是一部关于包装危险货物或固体散装危险货物运输的强制性国际规则，其涉及货物分类、包装、托运程序及运输作业等相关规定。通过梳理，涉及 LNG 罐箱运输的要求如表 2 所示。
表 2 中 ：2.1 类表示为易燃气体；E0 代表不准免除 ；P203、T75 和 TP5 是罐箱的设计、制造、检验和试验要求 ；D 类代表仅限于舱面积载并需要避开生活居住处所。其中，D 类积载要求不允许 LNG罐箱舱内积载，是限制普通集装箱运输船整船运输LNG 的关键性要求。
3.2 安全系固
由于 LNG 罐箱较重，通常 40 m3的 LNG 罐箱重约 30 t，已达上限。并且，由于 LNG 罐箱的充装率小于 90%，在自由液面晃荡的作用下会产生额外的晃荡载荷，故 LNG 罐箱多层积载对相关构件强度要求较高。此外，普通集装箱船在运输过程中存在掉箱，因此相关方面对 LNG 罐箱通过集装箱船大规模运输也存在顾虑。
3.3 行业限制
目前，LNG 罐箱整船运输还属于新型事物，对其风险的认识还不够透彻，前期小规模的试点应用尚难以凸显其经济性。从起步到形成规模经济效益还需要政府的政策支持，规划和引导中小型企业以协会或集团的形式与上游的天然气生产企业进行谈判协商，落实气源的进口渠道。
同时，船舶行业本身是一个较为保守的行业，对新型事物和技术的接纳需要一个渐进的认识过程，并需要有成功的先例来佐证。
4 解决措施
上述三个限制条件的关键在于第一个（即IMDG 规则）不允许 LNG 罐箱舱内积载的限制。该限制条件源自国际强制性规则，在各国的法律法规及行业规范标准内均有体现。为实现大规模的LNG 罐箱整船运输，必须首先突破 IMDG 的限制要求。深入分析发现，该限制条件的目的在于防止可燃气体在围蔽空间内的积聚，并进一步形成可燃环境，从而导致火灾爆炸的发生。
因此针对上述问题，其解决方法主要有以下几个途径 ：可燃气体排放控制、低温液体泄漏防护及安全系固。相应的解决措施应从罐箱、船舶及管理三个方面着手，具体措施应该包括 ：分级运输与物联网结合、BOG 排放控制、探测报警、船体防护及泄漏液体控制。
4.1 分级运输与物联网结合
建立智能物流 LNG 罐箱管理系统，将超高频RFID 技术能应用于 LNG 罐箱堆场和运输过程中，对 LNG 罐箱、托运船舶、车辆、火车进行实时追踪，实现对 LNG 罐箱、托运船舶、车辆、火车和堆场相关信息采集，实时监测 LNG 罐箱的存放状态（罐箱内部温度、压力、液位、绝热层真空度、系固强度及各参数的额定设计值），自动计算 LNG 罐箱的零排放可维持时间，根据托运船舶、车辆、火车信息及相应运输距离和时间，基于整个物流系统统筹安排罐箱的运输，保证罐箱在正常运输状态下，在抵达目的地之前 BOG 零排放（或保证罐箱在堆场及船舶运输期间的 BOG 零排放）。
4.2 BOG的逸散控制
为控制 LNG 罐箱在船舶运输或堆场堆码期间产生意外的 BOG 排放，在提高罐箱的绝热性能的基础上，还应采取“第二道防火墙”，即设置 BOG 统一处理系统，将其排放至安全区域或进行循环利用，其有效措施之一就是设置共管透气装置。为提高运输效率，共管透气装置应装设在 LNG 罐箱箱体上，并且在满足罐箱设计标准的基础上应具有自动脱离功能或增加自动对称功能。另外，为保证可靠性，对共管透气装置的易损部位应设置成可拆卸式，规定其使用寿命，对其进行定期检查和更换。
4.3 探测报警
对于舱内或其他围蔽处所的积载，应在相应位置设置气体探测装置，并根据舱室或处所的最大可承受爆炸冲击压力确定最大可接受爆炸体积，以此来确定探测装置的数量和位置。此外，可根据通风条件，通过气体扩散仿真分析，优化探测装置的数量和布置位置。此外，应设置强制通风系统，在探测到气体泄漏（30% 爆炸下限）后启动强制通风，防止可燃气体的形成和积聚。
4.4 船体保护措施
对于多层积载，首先罐箱从其设计上应采用上出液形式，从而降低根部接头破损导致 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倾翻时低温液体的泄漏。因此，对于多层积载情况，为防止上部罐箱发生泄漏对下部罐箱造成损伤从而产生连锁反应，LNG 罐箱的外壳、框架及角件应采用耐低温材料，如不锈钢。
另外，为防止低温液体对船体造成损伤，还可参考 LNG 运输船 B 型舱的设计理念，对船体设置部分次屏蔽或围堰，对船舶底部易遭受低温液体损伤的部位进行防护，避免泄漏的 LNG 对船舶安全性能造成影响。同时，可以参考 SPB 型LNG 运输船，在船舶底部设置积液井，将泄漏的低温液体收集起来，通过紧急投弃装置将其投弃到船体外部的安全区域。
4.5 泄漏LNG控制
由于集装箱船的船体不具有保温绝热性能，不像 LNG 运输船在产生 LNG 泄漏后可长时间（15 天）维持低温不扩散状态，故运输 LNG 罐箱的船舶应设置泄漏 LNG 的应急措施。如可设置高倍数的泡沫灭火系统，利用在围蔽处所易于泡沫覆盖的特点，通过高倍泡沫覆盖泄漏的 LNG 液体，在减缓其蒸发速率的同时，通过紧急投弃系统将泄漏的 LNG液体投弃到船体之外。
4.6 系固加强
由于 LNG 罐箱较普通集装箱重，且安全性问题突出，故必须在普通集装箱船系固标准的基础上，考虑液体晃荡载荷对甲板强度及其他构件和设备的影响，并考虑强度加强。
4.7 试验及试点
任何安全措施都必须通过试验和试运行来进行验证并改善。通过试验对不同充装率的罐箱进行实船试运行，分析、对比不同充装率下的罐箱内部温度及压力随时间上升的速率，选定最佳充装率及对应的温度和压力随时间上升的速率 ；同时模拟不同载运环境和条件，对罐箱相关参数进行监控，明确其运输作业的相关限制要求 ；然后，根据最终试验结果向 IMO 提交公约的修改建议。
5 结 论
LNG 罐箱整船运输作为未来 LNG 运输一个新的发展方向，理论上可以借助现有集装箱船实现LNG 的大批量运输，降低行业门槛消除垄断；同时，通过 LNG 罐箱多式联运，可实现“一罐到底”和“门到门”运输，在提高运输效率的同时有助于未来分布式能源的发展。另外，利用 LNG 罐箱运输可降低油气田天然气开采的配套成本，促进资源充分利用。对此，国外已获得实际应用，国内也开展了大量研究试验工作。
然而，相关安全控制体系出于对 LNG 罐箱 BOG 排放的安全考虑，国际公约及标准不允许舱内积载，使 LNG 罐箱整船运输未能得到有效应用和大规模发展。为解决上述矛盾，可以通过分级运输与物联网结合，以及 BOG 排放控制、探测报警、船体防护和泄漏液体控制等多项措施确保 LNG 罐箱在舱内积载的安全性，实现普通集装箱船舶整船运输 LNG 罐箱的目标。
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