1 前言
天然气是一种优质高效洁净的绿色能源，用途较石油和煤炭更为广泛，90％以上的能源领域都可使用。当被冷却至－160℃～－163℃（110K～113K）时，天然气会液化，其体积只有气态的1/600，可由装备有绝热气柜储槽的LNG槽船进行运输，在到达终点口岸后通过终端再汽化装置液货汽化，通过输气管道或其它方式供应给用户。LNG船解决了LNG资源分布不均的问题，使远洋贸易成为可能。LNG船的技术开发对于发展LNG能源具有举足轻重的意义。

2 LNG船输运的历史和发展及我国发展LNG船的必要性
1999年底世界主要地区天然气蕴藏量达146.43万亿立方米，当年世界天然气贸易量为4847亿立方米，其中有四分之一以LNG方式运输。2002年世界LNG贸易增长率为10.1％，达1369亿立方米，占国际天然气贸易量26％，占全球天然气消费总量的5.7％。
LNG船是高技术、高难度、高附加值的船舶。世界第一艘LNG船问世于60年代，1969年世界共有LNG船5艘，舱容量为8.5万立方米。1980年8艘，1990年75艘，到2001年6月已增至128艘，舱容量1420.2万立方米。随着世界各国LNG需求量的增加，新建的LNG船趋向大型化。LNG船单船平均舱容量已由1970年的3.3万立方米增大到2001年的11.1万立方米。90年代LNG船建造国有近10个，由法国、日本、美国三国鼎立，现在则是日、韩称雄世界。韩国大宇造船公司是目前LNG船建造能力最强的，到2001年7月已拥有LNG船订单37艘，占世界手持订单的46.8％。韩国开发的新一代LNG船，是以自身LNG舱汽化形成的天然气为燃料发电，再以电能为推进动力，比传统柴油机系统提高效率30％以上，一年节省燃料费用100万美元以上，此外机舱布局合理话，推进装置所占空间缩小，承载容量比传统同型船增加9000立方米，达14.7万立方米。LNG船运技术已经相当成熟。
当前在世界LNG贸易中日本（占55.8％）、韩国（占14.1％）和台湾省（占4.3％）占四分之三。1998年10月起我国开始进口LNG，当年中国LNG的消费量为220万立方米，预计2010年的消费量将增至800万立方米。LNG已成为我国本世纪初能源开发利用的重点，虽然国内LNG产量会有很大增长，但据预测，2005年和2010年我国天然气供求缺口将达173亿立方米和337亿立方米（约为1300万吨和2450万吨），再者从能源市场变化的战略考虑，将需要进口数以千万吨的LNG。为了提高天然气供气的可靠性和降低天然气的最终消费价格，我国应拥有自己的LNG船队，这样在日益加剧的能源争夺站中才能保证LNG海上运输的主动权。我国LNG船队的建立应借鉴其他国家的经验立足于自行研究和建造，发展造船业，提升造船技术。能源部门已把大力发展LNG船运技术确立为“十五”发展之重点。

3 液化天然气槽船的结构
目前所有的液化天然气槽船都是双层壳体设计，从而在船舶的外壳体和货柜间形成了一个保护空间，减轻了槽船碰撞货柜意外破裂的危险性。在LNG及LPG的液货运输时，槽船可采用全冷式或半冷半压式储柜，在大型天然气液货运输时，一般采用全冷式储槽。天然气液货状态保持在1.0atm，－163℃（～110K），其低温液态由储槽外的绝热层和LNG的蒸发维持，储槽内的压力由抽去蒸发的气态组份来控制，蒸发的天然气还可应用于轮船的推进系统。
目前所使用的液化天然气槽船的低温储槽结构形式可分为“薄膜式(Membrane)”储槽和“自支承式(Self-supporting)”储槽技术两种：
“薄膜式”储槽技术，由Gaz. Transport Technigaz S. A., Trappes, France发展。采用船体的内壳体作为货柜的整体部分。货柜第一层为薄膜层结构，其材料采用不锈钢或高镍不锈钢，第二层由刚性的绝热支撑层支承。货柜被安装在船壳内，液货和货柜的载荷直接传递到船壳的结构；
“自支承式”储槽技术的货柜是独立的，它不是船壳体的任何一部分，在货柜的外表面是没有承载能力的绝热层。由于“自支承式”储槽的设计和结构特点，它只需要部分的第二层。储槽的整体或部分被装配或安装在船体中，最常见的即是球形(Spherical)储槽，由Kvaerner Moss Roscnbry, Oslo提出。其材料可采用9%镍钢或铝合金，槽体由裙座水平支承，这样可以吸收储槽处于低温而船体处于常温而产生的不同热收缩。最近，Ishikawajima-Harima Heavy Industries SPB Co. Ltd. Tokyo. 设计了一种采用铝合金材料的棱柱形(Prismatic)“自支承式”储槽。
以1999年为例，国际航运市场上共活跃着99艘大型液化天然气槽船，其运输能力为1.07千万立方米，合450万吨，其中13艘为<5万立方米级别，71艘为>10万立方米级别；99艘中的40艘采用“薄膜式”储槽结构，50艘采用球形“自支承式”储槽结构，2艘采用棱柱形“自支承式”储槽结构，7艘采用其它结构形式。目前，发达国家的技术能力已可保证20万立方米级别大型液化天然气槽船的制造。

4 液货储槽的绝热技术
 应用于低温储槽的绝热方式一般有真空粉末、真空多层、高分子有机发泡材料等，需根据液货的状态及储槽的规格选择合适的保冷方式。真空粉末绝热，尤其是真空珠光砂绝热方式，具有对真空度要求不高、工艺简单、绝热效果较好的特点，在槽车和小型低温储槽上得到了广泛的应用。但在保证制造工艺的前提下，与真空粉末绝热相比，真空多层绝热具有以下优点：
1) 真空粉末绝热的夹层厚度要比真空多层绝热的夹层厚度厚一倍，这就意味着对于相同容积的外壳，真空多层绝热储槽的内容器的容积比真空粉末绝热储槽的内容器的容积大约27%。这样，在不改变储槽外形尺寸的前提下，可提供更大的载液容积；
2) 对于大型储槽来说，由于夹层空间较大，粉末的重量也相应增加，从而增加了储槽的装备重量，降低了载液能力，加大了运输能耗，这点在大型液化天然气槽船上尤其明显，而真空多层绝热方式具有这方面的显著优势；
3) 采用真空多层绝热方式可避免槽船航行过程中运动而产生的保冷层绝热材料沉降。
在液化天然气槽船上，也多采用轻质量的多层有机发泡材料结构以保证液货储槽的绝热，目前的LNG储槽日蒸发率已经可以保持在0.15%以下。另外，绝热层还充当了防止意外泄漏的LNG进入内层船体的屏障。同广泛应用在低温管道和容器上的绝热板结构一样，LNG储槽的绝热结构也是由内部核心绝热部分和外层覆壁组成。针对不同的储槽日蒸发率要求，内层核心绝热层的厚度和材料也不同，而且与一般低温容器上标准的有机发泡绝热层不同，LNG储槽的绝热板采用多层结构，由数层泡沫板组合而成。所采用的有机材料泡沫板需满足以下要求：
1) 低可燃性；
2) 良好的绝热性能；
3) 对LNG的不溶性。
内层核心有机材料泡沫板的材料选取一般为聚苯乙烯(PS)泡沫、强化玻璃纤维聚亚安酯泡沫或PVC泡沫材料。另外，LNG输运船上的绝热板还可以和内部核心绝热层第二层一起充当中间的LNG蒸汽保护屏，第三层由两层玻璃纤维布夹一层铝箔构成。
 外层覆壁一般由0.3mm的铝板、波纹不锈钢板(304L；1.2mm)或镍(36%)-钢合金(0.7mm)组成，它不但可应用在外层覆壁，也可应用于夹层，还可作为与LNG接触的第一道屏障。所有的金属板被焊接在一起，有机材料用2-K PU胶进行粘合。

5 再液化装置
 低温LNG槽船的再液化装置可以控制液货的压力和温度，有效的降低液货储槽保温层的厚度，进而降低船舶造价、增加货运量、提高航运经济性。
低温LNG槽船的再液化装置的基本类型可分为：
1. 逆布雷顿循环(Reverse-Brayton Cycle)制冷系统。一般采用氮系统，可采用多级增压透平膨胀机预冷以提高其经济性；
2. 单级或多级压缩制冷。一般采用以液货为工质的开式循环；
3. 复叠式制冷。包括以液货为工质的开式循环和以制冷剂为工质的闭式循环。
以自持式再液化装置为例，装置本身耗用1/3的蒸发气做为装置动力，可回收2/3的蒸发气，具有很高的节能价值。

6 LNG的储存分层现象
由于天然气的组成和温度随产地和运输时间的长短会发生变化，从而造成其密度差异，会在低温储槽内形成分层(Stratification)现象，包括：1）充注引起的分层；2）自动分层。对储槽内液体的分层处理不当会引起LNG的滚动(Rollover)，伴随LNG大量蒸发，舱内压力迅速升高，严重影响储槽的安全运行。通过测量LNG储槽内垂直方向上的温度和密度来确定是否存在分层，一般情况下，当温度差>0.2K，密度差>0.5kg/m3时，即认为发生了分层。专用的LNG储槽的分层探测器如美国科学仪器公司研制的Model6280LTD－MP型。探测到确已形成分层后，可采用内部搅拌或输出部分液体的方法来消除分层。采用分舱贮运，选择正确的冲注方法和合理的冲注设备以及采用内部搅拌等技术和结构措施，可有效防止并消除分层，进而避免LNG翻滚。

7 其它问题
1) 气化装置
根据加热源的使用方式的不同可分为：
利用海水（河水）加热的开架式气化器（ORV型）；
利用气化了的LNG燃烧加热，使管中流动的LNG气化的浸没燃烧式气化器（SMV型）；
利用中间热媒体式气化器；
利用空气作热源的气化器。
LNG蕴藏着大量的低温能量，利用其冷能可进行冷能发电、空气分离、超低温冷库、制造干冰、冷冻食品等。
2) 防泄露技术及密封
对LNG系统，泄漏是极易引发事故的因素，尤其是各种连接部位，很容易产生泄漏，实践证明采用凸缘密封型法兰来连接管路或设备有很好的气密性。在LNG系统中，有些设备是用铝合金制成的，对不同材料采用一种具有五层金属涂层的密封片的过渡密封接头通过爆炸焊来连接，确保LNG流过不通材料的连接处不泄漏。
3) 安全性设计
LNG是易燃的低温流体，在系统设计中，安全问题在各个环节都是要特别强调的，LNG船防火设备措施要充分且恰当。

8 结束语
随着我国经济迅速发展，能源需求不断增加，从1993年起中国成为石油净进口国。在下一轮世界范围的能源争夺战中，LNG海上运输将会扮演重要角色。为了提高天然气供气的可靠性和降低天然气的最终消费价格，为了我国的能源安全，作为世界造船大国，我们应该抓住机遇，引进消化并研究开发先进的LNG运输船，以期在世界LNG船市场中拥有一席之地。

作者:黑丽民

文章来源:《天然气工业》