液化天然氣載運船（英語：LNG Carrier），簡稱LNG船，是一種設計用來運送液化天然氣（LNG）的液貨船。LNG船技術要求高，建造難度大，目前只有少數幾個國家的船廠能夠建造[1]。隨著液化天然氣市場的成長，LNG船的數量也在快速增加[2]。
| 「液化天然氣載運船」的各地常用名稱 | |
|---|---|
| 中國大陸 | 液化天然氣船 |
| 臺灣 | 液化天然氣載運船 |
發展歷史
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天然氣液化後體積可以縮小至原來的1/600，但是溫度需要維持在-163℃以下。要想獲得如此的低溫並非易事，因此早期有設計師設計建造一種能耐受100倍大氣壓的容器，利用這種容器將天然氣體積壓縮至1/100。採用這種方式運輸天然氣的船舶就稱為CNG（壓縮天然氣）船。CNG船操作相對簡單，不需要液化、再氣化等步驟，也不需要專門的靠泊裝置。然而CNG船天然氣體積大，空船重量大，空載返程的成本幾乎與滿載時一樣，導致其長途運輸經濟性不高。目前CNG船有一定的發展，但造價高昂，單艘CNG船造價可達2億美元，裝載量低（相對的，這個價格可以建造一艘超過20萬立方米的LNG船）；500海里內的短距離運輸經濟性又比不過管道運輸；加之目前尚未有大量應用，業界對此尚有疑慮。[1][3]
球罐式圍護系統最早由挪威的莫斯-羅森伯格造船公司（Moss Rosenberg）於1970年提出。其後另一家挪威公司克瓦納集團（Kvaerner）收購了該公司，因此球罐式系統也稱為Kvaerner-Moss式[4]。球罐式圍護系統在20世紀一度占據主流地位，2000年全球正在營運的LNG船中，球罐式約占50%，薄膜型占46%。但隨著LNG船大型化的勢頭越來越迅猛，2003年在建的新LNG船中僅有32%使用了球罐型系統，而薄膜型則占到了62%。球罐式系統的優點是壽命長，沒有晃蕩問題，結構較強，可以進行應急卸載，發生碰撞時不易損壞液艙；缺點是船艙利用率低，船舶體積大，建造成本高，對於大容量液艙要更新全部製造和模具等，導致成本進一步攀升[5]。
1963年，法國燃氣和日本郵船聯合成立Technigaz，專攻LNG運輸方面的研發。1964年，Technigaz申請了薄膜型液貨圍護系統的專利，後來改進成為Mark I型液貨圍護系統。另一邊法國Worms & Cie集團的皮埃爾·讓（Pierre Jean）在1963年開發出了基於殷瓦鋼的薄膜型圍護系統，也就是日後的NO型液貨圍護系統的鼻祖。1965年Worms & Cie成立了Gaztransport公司，專門做液貨圍護系統。1969年菲利浦石油與馬拉松石油向Gaztransport訂購了兩艘LNG船阿拉斯加極地號（Polar Alaska）和北極東京號（Arctic Tokyo），兩者貨艙容量均為71500立方米，在瑞典Kockums船廠開工建造。1994年，Gaztransport和Technigaz合併成GTT公司。2011年，GTT研發出Mark III型系統，由兩層薄膜和一層保溫層構成，主要薄膜為波紋型的不鏽鋼薄膜，次要薄膜使用複合材料，直接由船體結構支撐；2012年，NO系列最新的NO96型號面世：其雙層薄膜材質均為殷瓦鋼，主要薄膜由主保溫層和次保溫層共同支撐。兩種最新型號的圍護系統均達到了日蒸發率0.07%的水平。[6][7][8][9]
目前GTT的兩種薄膜系統占據了世界上90%以上的圍護系統份額。但因為GTT公司對採用其技術的公司收取不菲的專利費，因此也有其他的圍護系統在繼續使用。這些替代方案主要包括：
- 挪威Moss型球罐系統：船體重心高，而且如前文所述，建造費用高、營運費用高；
- 日本IHI SPB型：費用同樣較高，而且未有大規模運用，可靠性有待驗證；
- 韓國三星SCA薄膜型：基於GTT的Mark III型進行小幅度改進，重點改進晃蕩衝擊對薄膜型圍護系統的損傷。但有可能存在與GTT的專利糾紛。
- 韓國燃氣公司KC-1型：改進自韓國燃氣公司自有的陸地LNG儲存艙，僅建造了兩艘LNG船，建造過程延誤達五個月；其中一艘首次營運即發生結冰故障。
- 江南造船廠BrilliancE型：目前發展到第二代，已應用於乙烷運輸船和LNG運輸船。[10][11]
除了大型LNG船以外，還有採用半冷半壓方式控制、儲存的中小型LNG船。半冷半壓式LNG船結構較為簡單，投資較低，通常採用C型獨立液貨艙，單船艙容一般在3萬立方米以下。這種設計方式建造的LNG船可以用於支線運輸，便於向小型城市、島嶼和鄉村地區供應天然氣，或者是為1000海里以內的短途運輸。[12]
1959年1月25日，世界上第一艘LNG船甲烷先行者號（Methane Pioneer）載著世界上第一座遠洋LNG儲存倉，離開路易斯安那灣駛向英國。甲烷先行者號實際上是一艘為了運輸LNG而改裝的貨船，因其運行良好，天然氣協會和國際甲烷公司訂購了兩艘新船專門用於LNG運輸。這兩艘新船分別命名為甲烷公主號（Methane Princess）和甲烷促進號（Methane Progress），均配備康奇獨立鋁質貨艙，容積27000立方米，於1964年投入阿爾及利亞天然氣運輸航線中使用。
20世紀末，LNG船已經普遍達到125000立方米的水平；到2000年前後，LNG船容積普遍提高到了14萬立方米以上[13]。近年來LNG船的大小和載貨量都得到了大幅度的增長。2005年卡達燃氣（Qatargas）率先使用了Q-Flex型和Q-Max型LNG船，容積分別達到210,000立方公尺（7,400,000立方英尺）和266,000立方公尺（9,400,000立方英尺）。
2017年新增訂單裡大部分LNG船容積都是12-14萬立方米，但也有部分訂單採用了超過26萬立方米的Q-Max船型[14]。同年大宇造船海洋建造了克里斯多福·德·瑪格麗號（Christophe de Margerie），採用了破冰船型，載重噸80200噸，容積172600立方米，可以提供瑞典一個月的消耗量[15]，而船台上還有14艘訂單在排隊等待建造[16]。
至2005年，世界上一共建造了203艘LNG船，其中193艘依舊在營運當中。至2016年底，全球LNG船數量呈現爆發性增長，總數達到了439艘[17]。在2017年全年，據估計每一時刻都有至少170艘LNG船在運作[18]。至2018年底，全球大約共有550艘LNG船[19]。
建造能力
目前市場上除了大宇、現代、三星等三家韓國造船巨頭外，還有一些別的造船企業涉足LNG船建造行業，相對重要的包括韓國STX造船，和韓進集團下屬的韓進重工。
截至2018年11月，韓國造船企業掌握了全球LNG船最近三年新訂單的絕大多數。全球LNG相關訂單中，有78%由韓國奪得，日本占據14%，中國占有8%的市場份額。全球所有的LNG船里，2/3由韓國建造，日本占22%，中國為7%，還有少量是由法國、西班牙和美國建造。韓國造船企業掌握了訂單絕對多數的原因在於韓國企業持之以恆的創新，以及適中的價格。韓國企業曾在LNG船引入破冰船型，後來又積極向客戶推薦Q-Max船型以替代Moss型。[20]
中國雖然是造船大國，但長期以來缺乏建造LNG船的能力。直到2008年，滬東中華建造的第一艘LNG船才下水，採用薄膜式圍護系統，容積147000立方米[13]。至2018年，中國依然只有滬東中華一家造船廠擁有有限的LNG船建造能力。由於產能有限，滬東中華的船台排期已經很長，在訂單井噴式增多的2018年全年也未有任何新訂單。在2017、2018年行業空前繁榮的刺激下，中國另一家船廠大船集團在2018年開始了Mark III型模擬艙的建造，準備加入LNG船的建造者行列[21]。
到了2021年，中國企業在全球新建LNG船的市占率就達到10%，2022年更是快速擴大到25%，滬東中華，江南造船，大船重工等企業在111艘LNG船訂單中占28艘。日本份額已經降到零。[22]
典型貨運循環
一個典型LNG貨運循環首先始於「無天然氣」狀態。此時貨艙內充滿空氣，可以讓人員對貨艙與泵進行維護。此時因為船艙內含有大量氧氣，天然氣不能直接裝入貨艙，否則會有爆炸的危險。同時，直接輸入-162°C的天然氣會使得船艙內溫度劇烈下降，一方面凝結會形成冰，也會損壞船艙。
維護完畢，開始加載天然氣時，首先貨艙必須用乾燥的惰性氣體實現惰性化，惰性氣體通常使用柴油機組產生（典型情況為13%二氧化碳，氧氣含量低於5%，剩下的為氮氣）。柴油機廢氣通入貨箱，直到氧氣低於4%。
接著，船舶入港進行氣化（"gas-up"）與冷卻（"cool-down"）。此時仍然不能直接裝載天然氣：二氧化碳會在這種低溫下凍結，損壞泵和輸氣管道。相反，LNG會先沿著蒸發管送到主蒸發器，在那裡進行氣化，再送至加熱器中加熱到大約20°C，然後再吹入貨艙，替換掉原來的惰性氣體。一開始吹出來的惰性氣體會直接排放到空氣當中；一旦碳氫成分達到5%（甲烷的燃燒下限），惰性氣體和天然氣的混合氣體將會改為通過管線與大功率壓縮器導向岸上並燒掉，以避免在船舶四周積累大量的有爆炸危險的可燃氣體。完成這一步後，船舶貨艙充滿了甲烷，但依然是常溫的。
下一步是冷卻。LNG通過噴頭（spray heads）噴入貨艙，然後氣化，同時冷卻貨艙。多餘的氣體會引上岸，要麼重新液化，要麼燒掉。當貨箱降溫到約−140°C，就可以大量裝入LNG了。LNG直接從岸上的存儲罐泵入船上的貨艙，會一直裝載到貨艙98.5%的容積為止（以留下貨艙熱脹冷縮的空間）。
裝載完成後，LNG船就可以出發前往目的地了。航行途中，LNG不可避免會有一些蒸發，根據船舶的具體設計，氣化的天然氣可以供給船舶的蒸汽輪機以提供動力，也可以重新液化後注入貨艙。
在卸載港，液化天然氣泵入岸上的儲存罐。在抽取的同時，會從岸上向貨艙注入天然氣，或者用船上的LNG蒸發器上進行氣化。有的船舶會抽出儘可能多的天然氣，有的則設計成留下一點作為剩餘液（heel）。如果船舶需要恢復到沒有天然氣的狀態，就必須先用氣態天然氣把貨艙加溫到常溫，然後用惰性氣體替換貨艙中的天然氣。船艙的升溫過程同樣不能過於劇烈，視具體船型需要10-20小時不等。留有一些剩餘液可以大大加快船隻的升溫速度。等到貨艙中排出所有天然氣，再用乾燥的空氣替換惰性氣體，直到恢復到人員可進入工作的條件。
LNG船運輸LNG和用管道輸送天然氣都會產生溫室氣體。管道運輸的溫室氣體主要來自於生產鋼管；此外日常營運時對管道維持壓力也會產生溫室氣體。至於LNG船，溫室氣體主要是LNG氣化；而船舶的引擎也會產生溫室氣體。[23]
洩漏的後果
比起原油洩漏而言，公眾對於LNG洩漏的注意力要小得多，這是因為在洩漏事故中LNG會快速汽化並成為大氣甲烷，使其不易留下可見的難以清理的殘餘[24]。而LNG業內也維持著一個比較良好的安全記錄，根據Pitblado的研究，業內已經有近8萬次成功裝載，而未有產生因液貨艙破損而造成的洩漏事故[25]。一艘LNG船在6.6節（12公里每小時）速度撞上另一艘差不多大小的LNG船，從而造成90度傾覆時，依然可以保證不會有LNG洩漏；而換成一艘載重噸30萬噸的油輪撞上LNG船的場景，速度就要下降到1.7節（3公里每小時）了[26]。碰撞事故的確偶有發生，不過非常罕見[25]。
根據Pitblado的估計，結合預警系統、規章制度、人員培訓以及科技進步，現代LNG船的洩漏概率應該能低至十萬分之一的級別。[25]
當真的有LNG船出現破損，洩漏出來的LNG有可能會燒起來，導致爆炸或者火災[27]。由於LNG的低溫，其本身不易燃，只有揮發產生的甲烷氣體才易燃，而在開放空間甲烷會快速分散到空氣中，使得爆炸較不易發生[24]。
引用
參考文獻
參見
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