近年來，隨著環(huán)保理念深入人心、國際海事法規(guī)不斷升級，推進(jìn)綠色航運(yùn)的步伐不斷加快，液化天然氣(LNG)船市場持續(xù)升溫，LNG船也呈現(xiàn)出節(jié)能、安全、設(shè)備創(chuàng)新等發(fā)展新特點(diǎn)。
適度大型化
根據(jù)對1945—2022年全球754艘LNG船(包括已退出或拆解船舶)艙容變化的統(tǒng)計(jì)，我們可以大體判斷LNG船的艙容總體從20世紀(jì)60年代75000立方米發(fā)展到20世紀(jì)80年代至90年代初的120000—130000立方米，然后從20世紀(jì)90年代末到2006年發(fā)展到140000立方米左右,再從2007—2010年最大艙容迅速提高到200000立方米，甚至高達(dá)260000立方米，即QMAX型，2011—2022年艙容逐步回歸到主流的150000—175000立方米，整體看平均艙容呈現(xiàn)大型化趨勢，但是這種大型化是有限度的，即200000—260000立方米的超大型LNG船在市場的熱度目前是有限的，除了2007—2010年長度較為突出之外，總體表現(xiàn)平穩(wěn)向上。此外，120000—170000立方米的LNG船是全球船東青睞的主流船型。
節(jié)能化明顯
現(xiàn)代重工2018年交付給挪威Hoegh公司一艘LNG船/FSRU“Hoegh Gannet”號，該船總長294.7米，寬46米，型深26米, 吃水11.6米，船型尺度屬于現(xiàn)代重工的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。該船的特點(diǎn)是杰出的再氣化能力，它具備10億萬立方英尺/日的再氣化能力，顯著高于常規(guī)LNG船的7.5億萬立方英尺/日的再氣化能力。據(jù)了解，就艙容而言,“Hoegh Gannet”號是目前在建的最大LNG船/FSRU。艙容170000立方米,安裝有4個(gè)GTT MARKII薄膜型貨艙，配備有8個(gè)Shinko貨泵，處理能力為1000立方米/小時(shí)，4個(gè)噴霧泵的單泵能力為50立方米/小時(shí),每個(gè)貨艙設(shè)有1個(gè)能力為550立方米/小時(shí)的再氣化給料泵。
該船采用雙燃料電力推進(jìn)，安裝有4臺單機(jī)功率7800千瓦(KW)的瓦錫蘭50DF柴油機(jī)，以及4臺單機(jī)功率5850千瓦的6L50DF柴油機(jī)。與其他FSRU工作時(shí)，該船在每套再氣化裝置中設(shè)有1臺再冷凝器，用于將多余的蒸發(fā)氣輸入到LNG貨艙，能夠在開環(huán)模式運(yùn)行時(shí)節(jié)省費(fèi)用。
2018年三星重工交付給日本郵船公司一艘174000立方米的LNG船“Marvel Falcon”號，用于三井公司在美國路易斯安那州LNG輸出終端運(yùn)輸天然氣。
該型船共3艘，“Marvel Falcon”號為第二艘。該船總長293.3米，船寬45.8米，吃水12米，采用2臺Wind GD 6X62DF型雙燃料低速兩沖程柴油機(jī)，單機(jī)功率為12540千瓦，螺旋槳轉(zhuǎn)速為90轉(zhuǎn)/分;推進(jìn)和操舵布置采用三星重工自主開發(fā)的節(jié)能設(shè)備，包括全鏟形舵、三星斜削翼尖(STAR)、三星非對稱舵球艏(SARB)共計(jì)節(jié)能3%;服務(wù)航速為15節(jié);主機(jī)可以使用自貨艙蒸發(fā)出的天然氣，也可以燃燒重油或輕柴油;采用GTT Mark III薄膜型貨艙，可以將LNG日蒸發(fā)率降至0.09%，而之前建造的類似船型的蒸發(fā)率達(dá)0.15%。
日本川崎重工于2016年交付一艘164700立方米型的LNG船“LNG Fukurokuju”號，該船適用于新拓寬的巴拿馬運(yùn)河。該船采用LNG標(biāo)準(zhǔn)船型，能夠在全球主要LNG終端停泊，但是貨艙容量更大。
該船總長293米，型寬48.9米，型深27米，設(shè)計(jì)吃水11.9米，設(shè)計(jì)吃水80400噸，結(jié)構(gòu)吃水87200噸。采用4個(gè)獨(dú)立的Moss貨艙，最大艙容達(dá)到165134立方米。LNG貨艙的熱絕緣系統(tǒng)由川崎重工自主開發(fā)，隔熱性能極佳, 日蒸發(fā)率約為0.08%。貨艙部分由雙殼和雙層底設(shè)計(jì)保護(hù)，即使船殼破損, LNG貨艙仍不破損，確保安全。
節(jié)能方面，該船的船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，減少船舶總重，達(dá)到更優(yōu)的水下線型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)性能的最優(yōu)。該船還配備有川崎開發(fā)的先進(jìn)再加熱渦輪裝置作為主機(jī)，這種再加熱蒸汽輪機(jī)可以確保該船與147000立方米LNG船相比，運(yùn)輸效率提高幅度超過25%。
此外, 該船橋樓采用先進(jìn)的電子導(dǎo)航設(shè)備，集中在一個(gè)位置便于操作，全景窗戶能夠?qū)崿F(xiàn)360°了望視野。
注重安全優(yōu)化評估
由于LNG船裝有易燃易爆的天然氣，因此設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮各種可能存在的風(fēng)險(xiǎn)。例如：LNG船液貨艙布置在有限的鋼板結(jié)構(gòu)的船體空間內(nèi)，存在低溫泄漏對主船體造成破壞的風(fēng)險(xiǎn);透氣桅釋放的天然氣濃度過高及天然氣泄漏到雙燃料柴油機(jī)的排氣管或曲軸箱中，存在爆炸的風(fēng)險(xiǎn)等。國內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)正不斷加強(qiáng)LNG船的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)等方面的仿真評估與優(yōu)化。
在薄膜型LNG船的砰擊和旋渦研究方面,日本橫濱大學(xué)研究人員采用數(shù)值方法估算了船舶和內(nèi)部貨艙之間的耦合行為，認(rèn)為液體運(yùn)動(dòng)對船舶運(yùn)動(dòng)的主要影響包括：自由表面效應(yīng)引起的橫搖固有周期更長;貨艙固有周期附近容易出現(xiàn)局部橫搖峰值，該值較大;由于船舶運(yùn)動(dòng)和液體運(yùn)動(dòng)之間存在相位差，當(dāng)接近貨艙橫搖固有周期時(shí),將在橫蕩時(shí)發(fā)生較小的局部峰值;垂蕩和縱搖未觀察到顯著的效應(yīng);貨艙內(nèi)的液體運(yùn)動(dòng)表明測量值與計(jì)算力之間存在顯著差異，這意味著較小的運(yùn)動(dòng)預(yù)測值變化將會產(chǎn)生液體運(yùn)動(dòng)預(yù)測值的顯著變化。
此外，隨著LNG船向冰區(qū)發(fā)展，與LNG船相關(guān)的冬化、破冰船型等安全優(yōu)化評估越來越多。
船型創(chuàng)新加快
豌豆莢貨艙LNG船
三菱重工于2014年向Trans太平洋航運(yùn)公司交付一艘LNG船“Seishu Maru”號, 據(jù)了解，該型船共訂購8艘。采用三菱重工自主的豌豆莢型設(shè)計(jì)，具有環(huán)保特性，能夠減少運(yùn)營和維護(hù)成本。
該船垂線間長為275.0米，型寬48.94米，型深26.0米，設(shè)計(jì)吃水為11.55米，艙容為155696立方米，擁有一個(gè)連續(xù)貨艙蓋，內(nèi)置4個(gè)球形艙，由三菱重工和Aker北極公司共同開發(fā)。該船貨艙蓋為船體加強(qiáng)部分，具有更高的總強(qiáng)度，并減輕了船重量。此外，該型設(shè)計(jì)使得該船比一般的147000立方米船舶的艙容大8000立方米，而不需增加船寬;采用縱向延伸的球型貨艙可以保持相同的貨艙直徑;通過這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)，獲得更大貨艙容量，同時(shí)滿足巴拿馬運(yùn)河最新要求。
為提高環(huán)保性，該船對船型進(jìn)行了環(huán)保優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少了燃料消耗，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)可以減少船舶5%—10%的重量,采用連續(xù)貨艙蓋和高效率的超蒸汽輪機(jī)(UTS)可以減小縱向風(fēng)阻，提高推進(jìn)效能。UST具有燃料選擇靈活性，可以降低成本。三菱重工稱，該船采用豌豆莢設(shè)計(jì)后，二氧化碳排放相比于常規(guī)的14000立方米LNG船有望減少25%。由于球形艙系統(tǒng)具有良好的特性，熱絕緣厚度可以進(jìn)行改變，因此LNG自然日蒸發(fā)率從常規(guī)船舶的0.15%下降到0.08%。其他船型設(shè)計(jì)包括：獨(dú)立型貨艙系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠承受局部冰塊沖擊;總縱強(qiáng)度加強(qiáng)，可以使得該船能夠承受總的冰載荷沖擊。
破冰型LNG船
大宇造船海洋于2017年向俄羅斯SCF公司交付一艘破冰型LNG船“克里斯托弗·德·馬哲?！碧?Christophe de Margerie)。該船船模試驗(yàn)是在AARC和SSPA開展的。
該船是亞馬爾LNG項(xiàng)目中15艘破冰型LNG船的首艘。能夠在環(huán)境極具挑戰(zhàn)性的喀拉海和鄂畢灣全年運(yùn)輸LNG，堪稱“亞馬爾最大型”LNG船，該船榮獲2017年度普氏全球能源獎(jiǎng)。該船的冰級符號為Arc7,是目前全球商船最高冰級，能夠獨(dú)立破2.1米厚冰。其總長299米，型寬50.0米，型深26.5米，設(shè)計(jì)吃水11.7米，艙容172600立方米;采用4臺12V50DF柴油機(jī)和2臺9L50DF柴油機(jī)，總功率為45兆瓦(MW)，相當(dāng)于一型中型破冰船;配備有3個(gè)吊艙，具有極優(yōu)的破冰能力和操縱性。
新巴拿馬型LNG船
大宇造船海洋于2018年交付給英國BP航運(yùn)公司一艘LNG船“British Partner”號。該船的模型試驗(yàn)在KRISO、SSPA和Force技術(shù)公司完成。這是6艘同型船中的第一艘。
該船總長294.9米，型寬46.4米，型深26.5米，設(shè)計(jì)吃水11.5米，艙容173400立方米。相比于BP公司之前的LNG船舶，該型船充分按照巴拿馬運(yùn)河新尺度進(jìn)行設(shè)計(jì)。這意味著該型船能夠在大多數(shù)的LNG港口和浮式設(shè)施進(jìn)行裝卸貨。
該船配備有2臺斗山發(fā)動(dòng)機(jī)制造的MAN B&W 5G70ME-C9.5-GI發(fā)動(dòng)機(jī)。該型船安裝有1個(gè)五級壓縮機(jī)，當(dāng)采用氣體運(yùn)行時(shí)(非蒸發(fā)氣)，可以將氣體從標(biāo)準(zhǔn)氣壓提高到300 巴(bar)，然后將其注入到發(fā)動(dòng)機(jī)作為燃料，或者注入到貨物再液化系統(tǒng)。在使用再液化裝置時(shí)，壓縮機(jī)排出的最多70%氣體被冷卻、液化和泵送回貨艙。
船體的設(shè)計(jì)經(jīng)過優(yōu)化改善了燃油效率和操縱性，燃油效率相比于之前的船舶可以提高25%。其他環(huán)保系統(tǒng)包括一套復(fù)雜的垃圾處理系統(tǒng)，可以盡量減少和壓縮船上各種垃圾。
雙工作模式LNG船
三星重工于2018年交付給英國Golar LNG公司一艘LNG/FSRU“Golar Nanook”號。該型船既可以作為LNG運(yùn)輸船使用，又可以作為儲存和再氣化船使用。該型船將用于1份長達(dá)26年的合同，為巴西電力項(xiàng)目提供能源。
該船是Golar公司第八艘FSRU，同時(shí)也是技術(shù)最先進(jìn)的一艘。該船型長305.8米，型寬43.4米，型深26.6米，結(jié)構(gòu)吃水12.9米，擁有4個(gè) GTT Mark II貨艙，總艙容為170000立方米;擁有一個(gè)海水直接型的再氣化系統(tǒng)，最大能力為750百萬標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/日，流量變動(dòng)為24%—100%，運(yùn)行壓力為50—100巴。
作為FSRU使用時(shí)，該船配備有1套剛臂系泊系統(tǒng)、1個(gè)快速釋放鉤、4個(gè)護(hù)舷，用于船對船進(jìn)行LNG輸送，以及牽引設(shè)備。該船采用4臺瓦錫蘭8L50DF型四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，單機(jī)功率為7800千瓦，雖然該船擁有2個(gè)螺旋槳可以自航，但大部分時(shí)間保持固定。
智能型LNG船
川崎重工于2018年交付給商船三井一艘LNG船“Marvel Eagle”號。該船是4艘同型船舶中的首艘，配備有一套高性能船舶運(yùn)營數(shù)據(jù)搜集系統(tǒng)，將用于商船三井自有船隊(duì)優(yōu)化控制統(tǒng)一系統(tǒng)(FOCUS)項(xiàng)目的基礎(chǔ)。
該船總長299.9米，型寬48.9米，型深27米，設(shè)計(jì)吃水11.05米，艙容156059立方米;采用4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)型球形MOSS貨艙，用于三井支持的美國路易斯安那州的LNG項(xiàng)目;采用4臺瓦錫蘭50DF雙燃料推進(jìn)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)1臺11980千瓦通用電氣(GE)電動(dòng)機(jī);每臺電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)自制的螺旋槳，雙槳布置使得該船航速達(dá)到19.5節(jié)。
據(jù)了解，商船三井FOCUS項(xiàng)目是三井造船和Weathernews公司聯(lián)合項(xiàng)目，計(jì)劃搜集和應(yīng)用船舶運(yùn)行數(shù)據(jù)，確保航行安全和更環(huán)保。預(yù)計(jì)150艘船舶將加入該項(xiàng)目。詳細(xì)的航程、發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)將在運(yùn)營時(shí)進(jìn)行搜集，儲存云平臺，用于開發(fā)先進(jìn)船舶運(yùn)營監(jiān)測和推進(jìn)性能分析的應(yīng)用軟件。該數(shù)據(jù)還可以用于狀態(tài)監(jiān)測，將船舶運(yùn)營的語音和視頻信息傳輸至岸基中心，并通過人工智能技術(shù)優(yōu)化運(yùn)營，通過數(shù)字雙胞胎技術(shù)優(yōu)化船舶管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“海上視覺化”。
系統(tǒng)自主創(chuàng)新凸顯
動(dòng)力電力系統(tǒng)創(chuàng)新
根據(jù)IHS統(tǒng)計(jì)，全球從上世紀(jì)至2018年全球共訂購了754艘LNG船，其中40%采用蒸汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，31%采用柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng), 24%采用柴電驅(qū)動(dòng)。
但從近10年(2010—2022年)來看，新建造或未來將建造的LNG船采用蒸汽輪機(jī)動(dòng)力的只有7%，45%的LNG船采用柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，39%的LNG船采用柴電推進(jìn)。出現(xiàn)這種巨大差異的原因，就是LNG動(dòng)力電力系統(tǒng)的創(chuàng)新。2004年荷蘭Bjsma Lemmer船廠建造世界首艘柴電推進(jìn)LNG船和2006—2007年法國大西洋造船建造3艘柴電推進(jìn)LNG船之后，韓國船廠全力建造柴電推進(jìn)LNG船，建造了世界上78.6%的柴電推進(jìn)LNG船，日本船廠僅建造10.1%的柴電推進(jìn)LNG船。
大批雙燃料和三燃料發(fā)動(dòng)機(jī)LNG船訂單結(jié)束了過去30年蒸氣推進(jìn)時(shí)代。而現(xiàn)在，雙燃料和三燃料LNG船正被ME-GI+全部再液化系統(tǒng)或X-DF低壓推進(jìn)系統(tǒng)取代。例如大宇造船采用ME-GI發(fā)動(dòng)機(jī)和完全再液化系統(tǒng)的推進(jìn)方式，建造的174000立方米LNG船的蒸發(fā)率僅為0.035%。
圍護(hù)系統(tǒng)創(chuàng)新
法國GTT公司是全球圍護(hù)系統(tǒng)研發(fā)的最核心力量。GTT公司帶有縱向和橫向槽型不銹鋼板主屏蔽的Mark III薄膜艙設(shè)計(jì)，經(jīng)過發(fā)展升級為Mark III Flex和Mark III Flex型。Mark III Flex通過將絕緣層厚度從Mark II Flex400毫米增加到480毫米，降低了蒸發(fā)率。此外，F(xiàn)lex還通過增加一層剛性三層復(fù)合材料，在頂部橋墊下方增加次級屏蔽，提高了對熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷的屏蔽強(qiáng)度。GTT公司將其由來已久的NO 96設(shè)計(jì)以及與其獨(dú)特的36%鎳殷瓦鋼主層和次層屏蔽相結(jié)合，從而在改善熱力性能方面取得了進(jìn)一步發(fā)展。在NO 96GW系統(tǒng)中,絕緣箱內(nèi)兩層金屬屏障下覆有玻璃棉(GW)絕緣材料。
在L03和L03系統(tǒng)中，主絕緣箱所使用的絕緣也是玻璃棉，但次層絕緣分為兩層。L03系統(tǒng)中，一個(gè)使用玻璃棉的絕緣箱連接至膠合板和增強(qiáng)聚氨酯泡沫組成的絕緣板上(與Mark III類似);在L03系統(tǒng)中，兩層次屏蔽都由膠合板和聚氨酯泡沫制成。
韓國和中國船廠建造每艘LNG船時(shí)，都需要向GTT公司支付1000萬美元的專利費(fèi)用，約占LNG船總價(jià)值的5%，因?yàn)镚TT掌握著薄膜型LNG圍護(hù)系統(tǒng)的核心技術(shù)。為打破法國GTT公司的壟斷，目前韓國自主開發(fā)的LNG貨物圍護(hù)系統(tǒng)共有三種：韓國船廠與韓國天然氣公司合作研發(fā)的KC-1系統(tǒng);大宇造船海洋研發(fā)的Solidus系統(tǒng);以及三星重工研發(fā)的KCS系統(tǒng)。其中2018年KC-1系統(tǒng)在航運(yùn)過程中出現(xiàn)圍護(hù)系統(tǒng)結(jié)冰現(xiàn)象，無法運(yùn)輸LNG。2019年，大宇造船海洋研發(fā)的Solidus LNG貨物圍護(hù)系統(tǒng)獲得了設(shè)計(jì)認(rèn)可，目前該船廠正在積極開展圍護(hù)系統(tǒng)的營銷，GTT公司將面臨韓國船廠的威脅。
液化裝置發(fā)展
LNG裝置的液化工藝包括四個(gè)步驟，分別是預(yù)處理、除酸性氣體、脫水、液化。在LNG船領(lǐng)域，目前存在部分液化和全部液化兩種。例如，2018年大宇造船海洋交付的18萬立方米LNG船“Schneeweisschen”號是該船廠首艘配備完整再液化系統(tǒng)的雙燃料LNG船，這套完整的再液化工程包(即甲烷制冷系統(tǒng))完全再液化設(shè)計(jì)是對其早期部分再液化系統(tǒng)方案的補(bǔ)充，完全再液化技術(shù)可以優(yōu)化使用X-DF和ME-GI發(fā)動(dòng)機(jī)的LNG船再液化方案。通過部分再液化與完全再液化技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)所有運(yùn)營情境下(包括錨泊狀態(tài))的LNG船蒸發(fā)氣完全再液化：完全再液化技術(shù)只需在船速低于15節(jié)時(shí)運(yùn)行，因?yàn)椴糠衷僖夯瘞缀鹾w了更高船速下可能出現(xiàn)的所有再液化要求。
模擬器系統(tǒng)
由于LNG具有超低溫、高膨脹性、可燃可爆等危險(xiǎn)性，LNG船的安全運(yùn)營十分重要。例如貨物裝卸操作失誤所引發(fā)的事故占LNG船舶總事故的比重較大，因此對其貨物裝卸安全操作開展模擬訓(xùn)練對保證LNG船舶的安全運(yùn)營至關(guān)重要。康士伯格公司開發(fā)了一套貨物輸轉(zhuǎn)模擬器，能夠提供復(fù)雜的裝卸載操作訓(xùn)練，可以仿真不同貨物系統(tǒng)下的裝載條件，提供安全性。薄膜型模型基于實(shí)際LNG船，包括4個(gè)GTT設(shè)計(jì)的薄膜貨艙，能夠滿載貨物。壓縮機(jī)室配備有2臺重載壓縮機(jī)和2臺輕載壓縮機(jī)，不同的貨物加熱器/蒸發(fā)器安裝在壓縮機(jī)室。此外，還安裝有1套獨(dú)立的壓載水系統(tǒng)、1臺氮?dú)馍善鳌?臺惰性氣體生成器。貨物溫度和環(huán)境溫度獨(dú)立設(shè)置，貨艙空氣和溫度數(shù)據(jù)可以連續(xù)計(jì)算。據(jù)稱，模型庫基于實(shí)際的船舶規(guī)格和性能參數(shù)，包括成品油船、化學(xué)品船、LNG船和液化石油氣(LPG)船等。
