來源：能源情報，ID:eipress
文/田宇忠 劉宇，中國船級社武漢規範研究所 中國船級社江蘇分社
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、燃燒產物對環境汙染少等優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。據統計，2015 年國內 LNG 市場消費量1076 萬噸，較 2014年增長 37.56%。LNG 的下游消費市場主要分佈於工業用（41.26%）、車船用（36.30%）、城市燃氣用（17.25%）及發電用（5.19%）。（2017年進口LNG就達到近3900萬噸，發電用比例上升，以上數據略顯陳舊。2014年、2015年是國內天然氣消費增速放緩的月份，2016年起再次進入高速增長軌道。——編者）
然而，由於 LNG 產業高昂的固定投資成本所造成的行業壁壘，催生了國有資本在行業內的壟斷地位，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勢。部分國內外科研機構及企業在 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、標準及行業認識等幾方面的限制，使其未能得到有效應用和大規模發展。
為此，本文將從安全控制體系相關限制要求出發，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已經得到了實際應用。在美國，Clean Energy Fuels公司通過傳統的集裝箱船裝載 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後注入到夏威夷氣體公司的供氣管道；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，罐箱通過集裝箱港口裝卸，然後通過卡車、鐵路和駁船等多式聯運送到小型氣化站。
在葡萄牙，Sousa集團於 2014 年 3 月將首批 40 ft（12.192 m）LNG罐箱在錫尼什港充裝 LNG，並於一週內運輸到1 900 km 之外的馬德拉島上衛星儲備氣化站，供給島上的燃氣電廠。裝運時，LNG 罐箱與其他低溫罐箱混裝併疊加在運輸船上。根據罐內 LNG 液體溫度壓力的不同，現場每隻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 個多月順利運行後，成功突破1000 箱充裝記錄。在北歐，挪威 Liquiline 公司是最早使用罐箱運輸 LNG 的。該公司於 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。
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，並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託，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，然後經公路運輸到廣州黃埔新港碼頭並直接吊裝上船，經水路運輸到上海軍工路碼頭並直接卸船，最後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，但仍處於安全範圍內（低於 0.74 MPa），故罐體未出現損壞、腐蝕、變形等現象。
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，每週從海口裝載 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。
自那次試驗之後，在大連海事大學課題組的主持下，由東莞到海口的實船試驗運輸從 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，後續試驗航次還在進行中，目前已基本形成常態。
在工業製造方面，2002 年 10 月，張家港中集聖達因低溫裝備有限公司製造出我國第一臺高真空多層絕熱 LNG 罐箱，並進行了堆碼試驗，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。
2 LNG 罐箱運輸的優勢
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、建設週期長、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運、促進市場自由化以及資源被充分利用等優勢。
2.1 多式聯運
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、製造和認證標準同集裝箱一樣，具有全球統一的標準，至少滿足近 20 個國際、國家或地區規範的相關要求。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、水運之間無中間環節的便利國際聯運模式，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。海港卸貨後，罐箱被直接運送至客戶終端現場，並可以在現場停留數日等待使用。通過多式聯運，LNG 罐箱實現了“一罐到底”和“門到門”運輸，可滿足偏遠地區、山區、島嶼等區域的能源需求。
同時，LNG 罐箱多式聯運對於國家所倡導的分佈式能源供給有著非常重要的促進作用，搭建了分佈式能源從理想概念到具體實現的中間橋樑。
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，建設週期長（通常為 5~6 年），需要數個乃至數十個專業的管理和營運單位為之服務，以及佔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，並且僅適用於管道源頭及沿線附近天然氣資源豐富的區域 ；此外，在終端需要通過二級管網或槽車進行分銷。
所以，LNG 運輸船及天然氣管道運輸均需要國家的戰略性投資，並且通常由國有大型石油公司主要控股，並由其承擔關鍵環節的管理和營運。普通中小型企業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商，難以形成穩定的供應鏈。這必然導致國有大型石油公司的壟斷地位的形成，不僅制約中小企業發展，同時也造成鉅額資源的低效利用。
2.2.2 打破壟斷
如果採取 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，可以利用現有集裝箱碼頭卸貨，然後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 罐箱得到規模化應用，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 15 美元的 LNG 長期協議價格大幅降低，整體成本下降 1/3。
罐箱的價格並不昂貴。在北美地區，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。採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勢。
另外，由於採用常規貨船運輸，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進行交易，這種靈活性是管道氣和傳統 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，也利於形成中國乃至亞洲區域的天然氣期貨價格基準。
2.3 資源的充分利用
對於一個新的 LNG 生產設施來說，以 25 年的週期計算，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。這就使一些較小的天然氣田開發價值不大，處於閒置狀態 ；部分油田伴生氣由於產量較低或不穩定，不能形成穩定供給，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，則可以節省開採環節固定設施的投資成本，降低了這些氣田開發風險和成本，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，雖然發現了可開採天然氣，但產量較低，若按常規方式配套管道輸送，或通過液化站液化後經 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罐箱設計製造與檢驗、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的危險貨物並無區別，LNG 罐箱水路運輸則需要突破傳統方式，通過普通集裝箱運輸船整船運輸 LNG，但傳統的控制體系尚不完全適用於該種運輸模型。
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，分別是國際公約規則、國家或地區法律法規以及行業規範標準。從本質上講，國際公約規則既是最高層次，也是最基本的要求，是締約國必須遵守的要求 ；國家或地區法律法規是締約國根據國際公約規則轉化的結果，通常其相關要求等效於國際公約規則，或在國際公約規則的基礎上有所提高 ；行業規範標準是為實施國際公約或法律法規的相關要求而制定的具體技術要求。
所以，該控制體系居於核心地位的是國際公約規則，其他層次均為該層次的衍生和細化。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，對於大規模發展 LNG 罐箱運輸的限制主要在於 LNG 罐箱的水上運輸環節，該環節所涉及的國際公約規則是《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 罐箱運輸的要求列於公約第 VII 章 A 部分。該部分是關於包裝危險貨物或固體散裝危險貨物運輸的強制規定，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則》（IMDG規則），IMDG 規則基於相關條款作了進一步的詳細規定。
3.1.2 IMDG 規則對 LNG 罐箱運輸的限制
IMDG 是一部關於包裝危險貨物或固體散裝危險貨物運輸的強制性國際規則，其涉及貨物分類、包裝、託運程序及運輸作業等相關規定。通過梳理，涉及 LNG 罐箱運輸的要求如表 2 所示。
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、製造、檢驗和試驗要求 ；D 類代表僅限於艙面積載並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。
3.2 安全系固
由於 LNG 罐箱較重，通常 40 m3的 LNG 罐箱重約 30 t，已達上限。並且，由於 LNG 罐箱的充裝率小於 90%，在自由液麵晃盪的作用下會產生額外的晃盪載荷，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模運輸也存在顧慮。
3.3 行業限制
目前，LNG 罐箱整船運輸還屬於新型事物，對其風險的認識還不夠透徹，前期小規模的試點應用尚難以凸顯其經濟性。從起步到形成規模經濟效益還需要政府的政策支持，規劃和引導中小型企業以協會或集團的形式與上游的天然氣生產企業進行談判協商，落實氣源的進口渠道。
同時，船舶行業本身是一個較為保守的行業，對新型事物和技術的接納需要一個漸進的認識過程，並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於第一個（即IMDG 規則）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則，在各國的法律法規及行業規範標準內均有體現。為實現大規模的LNG 罐箱整船運輸，必須首先突破 IMDG 的限制要求。深入分析發現，該限制條件的目的在於防止可燃氣體在圍蔽空間內的積聚，並進一步形成可燃環境，從而導致火災爆炸的發生。
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、低溫液體洩漏防護及安全系固。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 ：分級運輸與物聯網結合、BOG 排放控制、探測報警、船體防護及洩漏液體控制。
4.1 分級運輸與物聯網結合
建立智能物流 LNG 罐箱管理系統，將超高頻RFID 技術能應用於 LNG 罐箱堆場和運輸過程中，對 LNG 罐箱、託運船舶、車輛、火車進行實時追蹤，實現對 LNG 罐箱、託運船舶、車輛、火車和堆場相關信息採集，實時監測 LNG 罐箱的存放狀態（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，根據託運船舶、車輛、火車信息及相應運輸距離和時間，基於整個物流系統統籌安排罐箱的運輸，保證罐箱在正常運輸狀態下，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，還應採取“第二道防火牆”，即設置 BOG 統一處理系統，將其排放至安全區域或進行循環利用，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，並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，規定其使用壽命，對其進行定期檢查和更換。
4.3 探測報警
對於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，並根據艙室或處所的最大可承受爆炸衝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，優化探測裝置的數量和佈置位置。此外，應設置強制通風系統，在探測到氣體洩漏（30% 爆炸下限）後啟動強制通風，防止可燃氣體的形成和積聚。
4.4 船體保護措施
對於多層積載，首先罐箱從其設計上應採用上出液形式，從而降低根部接頭破損導致 LNG 大量洩漏的可能性。然而，即使 LNG 罐箱採用上出液形式，也不能防止罐箱在跌落傾翻時低溫液體的洩漏。因此，對於多層積載情況，為防止上部罐箱發生洩漏對下部罐箱造成損傷從而產生連鎖反應，LNG 罐箱的外殼、框架及角件應採用耐低溫材料，如不鏽鋼。
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，避免洩漏的 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，將洩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域。
4.5 洩漏LNG控制
由於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 洩漏後可長時間（15 天）維持低溫不擴散狀態，故運輸 LNG 罐箱的船舶應設置洩漏 LNG 的應急措施。如可設置高倍數的泡沫滅火系統，利用在圍蔽處所易於泡沫覆蓋的特點，通過高倍泡沫覆蓋洩漏的 LNG 液體，在減緩其蒸發速率的同時，通過緊急投棄系統將洩漏的 LNG液體投棄到船體之外。
4.6 系固加強
由於 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，考慮液體晃盪載荷對甲板強度及其他構件和設備的影響，並考慮強度加強。
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並改善。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境和條件，對罐箱相關參數進行監控，明確其運輸作業的相關限制要求 ；然後，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 運輸一個新的發展方向，理論上可以藉助現有集裝箱船實現LNG 的大批量運輸，降低行業門檻消除壟斷；同時，通過 LNG 罐箱多式聯運，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於未來分佈式能源的發展。另外，利用 LNG 罐箱運輸可降低油氣田天然氣開採的配套成本，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於對 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模發展。為解決上述矛盾，可以通過分級運輸與物聯網結合，以及 BOG 排放控制、探測報警、船體防護和洩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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