1  前言

随着全球海上贸易量的蓬勃发展，船舶造成的污染（空气和海洋）越来越引起国际社会的关注。据国际海事组织（IMO）调查报告称，全球海运船舶年排放二氧化碳量2007年达11.2亿吨，占全球年二氧化碳排放总量的3.5%。如果船舶运输业是一个国家，它会是第六大排放国。

低碳节能环保是当前船舶技术进步的主题，人们正在从各个方面努力寻求解决方案，更流畅的线型，更高效的推进系统，更合理的结构，更清洁的能源，更经济的航速，等等。其中液化天然气（LNG）的应用技术又是其中受到关注最多的一个方面。越来越多的基于LNG燃料的全新设计或是LNG概念船舶在市场中出现。

本文将探讨LNG作为船舶燃料使用的环保优势、经济优势、技术可行性和实际应用的局限性。并将以一条LNG燃料港作拖轮做实例分析。

2  天然气主导未来能源新格局

2.1 天然气是安全环保的能源

天然气是以碳氢化合物为主的气体混合物，无味、无色、无毒、无腐蚀性。天然气的组分是以甲烷为主，其含量一般都在90%以上；另外，还含有少量乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等低碳烷烃以及二氧化碳、硫化氢、氮和微量的氦、氖、氩等稀有气体。其气态比重0.7~0.75 kg/Nm3，液态比重43~470 kg/m3，低位热值35~50 MJ/Nm3，单位体积的液态天然气完全汽化（0℃，1个标准大气压）体积膨胀600倍。

表1. 几种常用燃料的特性比较表

LNG的燃点随组份的变化而变化，甲烷的燃点为650℃，重烃含量的增加使燃点略有下降。LNG的燃点比汽柴油和LPG的燃点都要高，点火能也高于汽柴油和LPG，所以更难点燃。LNG的爆炸极限为5~15%，且汽化后的密度很低，0.73Kg/Nm3，因而稍有泄漏即挥发扩散，且可看到明显的结霜。LPG的燃点为466℃，爆炸极限为2.4~9.5%，且密度大于空气，2.48Kg/Nm3，泄漏后不易挥发扩散。汽油燃点为427℃，爆炸极限为1~7%；柴油燃点为260℃，爆炸极限为0.5~4.1%。由此可见，LNG比汽柴油和LPG更安全。

天然气的热值高，常用的低位热值38 MJ/Nm3，也即52 MJ/kg；LPG的热值为46MJ/kg；93号汽油的热值为43.6 MJ/kg，0#柴油的热值为42.6 MJ/kg。在国际原油价格的高涨背景下，同等热值的LNG对比LPG和柴油具备明显的价格优势。

天然气素有绿色能源之称，以天然气为能源有利于环保，可减少温室气体排放。根据Rolls-Royce的产品手册，与使用常规燃油的内燃机相比以LNG为燃料的内燃机的减排效果与环保性能十分显著，其中CO2排放降低约22％；SOx排放降低约～100％；颗粒物排放降低～100％；NOx排放降低约92％。在发生泄漏的情况下，天然气会迅速汽化扩散，不会对水体或土壤造成污染。

图1.天然气和MDO的废气排放对比（资料来源：Rolls-Royce）

2.2 天然气资源的具有广阔的利用空间

美国《OilandGasJournal》发布的2009年世界油气资源储产量年终统计显示，全球石油探明剩余储量为1855.23亿吨；天然气探明剩余储量187.76万亿立方米，相当于1695亿吨石油当量。石油探明储量略增、天然气储量增幅较大。 

世界天然气资源十分丰富，而且资源探明程度较低。世界天然气资源量估计约4192亿吨油当量，略高于石油资源量。截至2008年底，天然气累积探明可采储量近2695.4亿吨油当量，资源探明程度约64.3%，远低于石油资源探明程度。石油在未来能源结构中将保持稳定，天然气将大幅增长。世界能源格局将逐步进入以天然气为主导，其他传统能源和新能源并存、相互补充的多元时代。（美国《OilandGasJournal》）

根据工信部的数据，2011年我国原油对外依存度达55.2%，已超过美国（53.5%）。扩大天然气消费，可以有助于摆脱我国对石油的过度依赖，保障国家能源安全。

不断增长的LNG需求，必将刺激国内LNG接收终端、LNG运输船及相关配套基础设施的建设。

3  船舶营运排放的环保新要求

环境保护已经成为全球发展所共同关注的重中之重。节能减排、绿色低碳也已经是船舶行业发展的大势所趋、必经之路。

国际海事组织的《国际防止船舶造成环境污染公约》附则IV的Reg.13和规则14确定了船舶氮氧化物和硫氧化物减排目标以及实施时间窗口。根据公约的要求，到2016年，在指定的排放控制区，船舶氮氧化物的排放将要比2011年的排放值下降约75%。针对硫氧化物的减排目标，公约要求到2012年1月1日，在全球范围内，船舶使用燃料的硫含量从目前的4.5% m/m降低到3.5% m/m；到2020年1月1日，参考达标燃油的可获得性，该指标降低要求到0.5% m/m；而在排放控制区内，从2010年7月1日起，船舶燃料油的硫含量已采用1% m/m的标准，到2015年1月1日，该标准要达到0.1% m/m。目前已设定的排放控制区为波罗的海和北海，北美沿海以及夏威夷海域有望成为新的排放控制区。在控制氮氧化物和硫氧化物排放方面，欧盟走在最前面，自2010年1月1日起，在欧盟港口停泊超过2小时的船舶不得使用硫含量超过0.1% m/m 的燃油。

国际海事组织第62届会议通过了包括能效设计指数(EEDI)在内的《国际防止船舶造成环境污染公约》附IV有关船舶能效规则的修正案，并将于2013年1月1日正式生效。这是第一个专门针对国际海运温室气体（CO2）减排的强制性法律文件。

在碳排放交易方面，欧盟可能采取单边行动，提早将海运业纳入其排放交易机制。届时，昂贵的排放交易费用将迫使船舶必须满足环保和排放的最高要求。

在我国能源供应中，天然气份额从2005年的3%升至2010年的8%，在全球节能减排的大背景下，中国政府对外承诺到2020年单位GDP碳排放比2005年减少40%至45%。

减少温室气体和污染物的排放是不可阻挡的潮流，必须采取新的技术，新的设备，新的手段来适应这一潮流。推广使用清洁高效的燃料将成为一个重要的手段。

4  LNG是最理想的船舶清洁燃料 

为满足日益严格的减排指标，各种各样的新技术方案应运而生，归纳起来主要有7种。

1）废气洗涤器。这是利用化学品或海水除去发动机废气中的硫，这一工艺需要对船舶进行大规模的改造，费用高，洗涤污水还需要另行处理。

2）低硫燃油。低硫燃油能直接减少二氧化硫排放。但高品质的低硫燃油供应非常紧张，且油价昂贵；采用低硫燃油还需要对内燃机及辅助燃油系统加以改造以适应低硫燃油的低粘度和高磨损性，费用也较高。

3）燃料电池。它是一种将燃料所具有的化学能直接变为电能的发电装置，但目前该技术仍处于测试阶段，距离船舶应用还较为遥远。

4）生物柴油。生物柴油大多由玉米、小麦、甘蔗等经济作物提炼，加工成本远高于传统石化燃料，还会造成全球粮食供应短缺。

5）可再生能源。主要是利用风能、太阳能等可再生能源提供船舶航行时所需要的动力，但这些新能源依赖于天气条件，且难以布置，制造成本高昂，大规模应用于船舶动力的可行性尚不具备。

6）核能。核能利用始终是个太过敏感的政治话题，涉及核安全问题，在运输船舶上使用的可能性还没有看到。

7）液化天然气（LNG）。LNG能有效降低氮氧化物、硫化物、二氧化碳和烟尘的排放量。天然气储量丰富，开采成本低。按当前市场价格计，在提供相同热值情况下，使用LNG可减少近30%~50%的燃料成本支出。LNG无色、无味、无毒、无腐蚀性，密度也比空气轻，发生泄漏事故时会很快自然气化，不会对水体产生污染。LNG应用于船舶动力的相关技术、设备和标准较为完整，且已有一些实船在运营。

另外值得关注的是，国际上早已开展碳排放当量交易，国内一些省市也已开展排污权的交易试点。如果采用LNG作为燃料，则具有很大的环保优势，通过参与排污权交易，可以获取相当的收益；反之，则需要付出高昂的排污成本。

综上所述，LNG具备清洁环保、使用安全、成本经济、供应方便、技术成熟的特点，在当前的技术条件和市场条件下，是最理想的船舶替代燃料。

5   LNG燃料船舶的应用与发展

以天然气作为动力的船舶早已在挪威面世，当地现时约有20艘渡轮航行于挪威沿海和峡湾水域。“Vikjng Energy”号是世界首艘安装天然气/柴油双燃料主机的海洋平台供应船，作业于挪威的北海油田。

2010年，NSK航运公司（挪威）在土耳其Tersan船厂订购了一艘以液化天然气为燃料的杂货船船，预计将在2012年交付使用；

Wärtsilä公司和瑞典的Tarbit航运公司合作将一艘25,000吨化学品船（Bit Viking）的重油动力系统改造为LNG-FO双燃料动力系统，计划于2011年改造完毕。

德国航运公司Reederei Stefan Patjens与DNV和其他伙伴合作，准备改装2艘5000TEU的集装箱船，安装LNG装置为发电机组和锅炉提供燃料。

2010年1月29日，长江航运船舶柴油—天然气双燃料改造项目启动。一期投资1.5亿美元，计划每年改造 360艘千吨级运输船舶，在沿江的主要港口建设31座LNG加气站。

北京油陆集团成立江苏船舶新能（燃气）有限公司，计划投资3亿元人民币在700多公里的苏北沿运河两岸建20座加气站，并改造1万条船舶投入运输。

2009年2月17日，由张家港韩中深冷科技有限公司研发的全球第一套LNG船用燃料系统，通过验收。这套LNG船用燃料系统将应用于北欧海域的大型滚装船舶，进而提高船舶运输的经济性和环保性。（资料来源：《我国全球首制船用LNG燃料系统》，国际船舶网。） 

2010年8月3日，我国内河第一艘由燃油主机改造而成的LNG柴油双燃料拖轮“武拖302”成功下水试航。使用混合燃料，0#柴油和LNG的比例为30%∶70%。二氧化碳排放量比改造前减少约20%，氮氧化物排放量减少90%，硫排放量可降至零，可节能25%。（数据来源：《发展气体燃料动力船舶是大势所趋》，经济参考报。）

2010年8月另一艘双燃料改造试验船——3000吨级“苏宿货1260”号船在京杭运河苏北段进行实船试航。

2011年3月，长航凤凰属下的2500吨散货船――“长迅三号”双燃料系统改装完毕，燃料系统平均替代率达到70%以上。

以LNG作为内燃机燃料的技术到今天已有30多年的历史了，技术相对是成熟的。一些知名的内燃机厂家都已有成熟的气体燃料发动机产品，部分机型都已获得主流船级社的认可，且有装船实例。其他内燃机厂家也在积极开发气体燃料发动机。

一些长期从事液化气生产运输相关设备生产的厂家，可以为燃料系统从压力燃料罐，管路设备，到控制系统提供设备配套。

在规则规范和标准方面，各主流船级社都有相关指南和规范，且在该领域有较长时间的研究和技术积累，CCS也颁布了《气体燃料动力船检验指南》，国际海事组织也正在根据行业的最新发展技术动态，修订IGF规则（国际气体燃料规则）。

上述的国内外应用案例表明，无论是双燃料主机技术、燃气发动机技术，还是对于现有船舶的天然气双燃料发动机改造技术，其在船舶上推广应用的时机已经成熟。

6  LNG船舶燃料的适用性和局限性

从技术角度来说，LNG燃料可以适用于几乎所有的船型。另外，针对于特定的船型，还要根据船舶的运营特征、市场条件、政策环境等因素进行成本效益分析。

DNV对此有过详细分析。在分析中，DNV把世界船队分为59个细分市场，分别代表了构成世界船队的船型，针对59种不同船舶类型的25项减排措施加以分析。这一名为《通向低碳航运之路》的研究报告发现，在59种船型中有17种船型安装燃气型发动机是符合成本效益的。

虽然前景美好，但作为新兴绿色能源，LNG船用燃料的应用和推广依然有很多问题亟待解决，而且LNG船用燃料的应用也有一些局限性。 

首先，使用LNG燃料的船舶的续航能力弱。LNG燃料必须以低温压力容器的方式储存，船舶上能够用以存放燃料的空间有限，而LNG的密度是传统燃油的0.5~0.6倍，满足同样航程需要更大的燃料存储空间；LNG是低温（-164℃）易燃易爆物质，燃料系统需要布置在独立的空间，且与其它安全处所保持安全距离和隔离；还要采取足够的隔热措施，减缓汽化，并要防止低温传导到船体结构上造成损害，对船舶布置设计有更高的要求。因此，船舶能够携带的LNG燃料是有限的，达不到远洋航行的要求。目前来看，较为适合采用LNG燃料的船舶主要有：沿海、近海、内河航行等便于补充燃料的船舶；固定航线，且航程较短的船舶，如：平台供应船，渡船，小型支线集装箱船，补给船等；还有专门的LNG运输船，可以直接以货物作为燃料；另外，一些远洋船舶可以部分使用LNG燃料，以适应排放控制区和特定港口的排放限制。

其次，补给配套设施不足。目前仅在挪威沿海和峡湾水域有一定数量的LNG加气站，主要通过槽罐汽车完成船舶和加气站之间的驳运。在其它国家和地区还没有形成加气站覆盖网络。国内的LNG加气站网络正处在规划建设的初级阶段。槽罐汽车加注方式受限于运输量，一部槽罐汽车的可载量大约为50立方米，加注效率低，仅适用于小型船舶的燃料加注。还可以通过固定管路直接从加气站向船舶加注燃料，但是LNG输送管道均为低温管道，不易延展和伸缩，管道长度有限制，而且受涨潮落潮的影响；目前大多数LNG终端还不具备专门的船舶燃料加注设施。采取船对船加注燃料是另外一种可行的方式，服务范围广，效率高，目前尚未看到有关专用LNG燃料加注船的报道，但已经有业内相关方面（DNV，TGE等）开始了相关船舶对船舶加注设备、接口标准等的研发工作。

再者，缺失统一标准规范。虽然德国劳氏、DNV、法国BV和中国船级社等均发布了天然气用作船用燃料的临时指南，但这些指南还不够完备，且各家的指南也不统一。国际海事组织正在制定统一的《国际船舶气体燃料规则》—IGF CODE，但距离发布实施还有待时日。

另外，目前生产船用LNG燃料内燃机以及燃料系统的技术还仅仅掌握在很少数的设备生产厂家手中，国内还没有厂家可以生产符合国际标准的设备，因而相关设备价格高昂，初期投资大，限制了LNG燃料在船舶上的推广。

7  LNG燃料港作拖轮实例

2005年，国家发改委在青岛会议中批准中国三大石油公司在中国沿海建立23个LNG接收终端，其中中国海洋石油总公司油计划建设9座。在中海油已获批准的9座LNG接收终端中：深圳大鹏、福建湄洲湾、上海港LNG终端已经建成运营，年接收LNG超过1000万立方米；浙江和珠海终端在建；深圳、海南、粤西、粤东在规划中。

为这些LNG终端配套，需要提供相应的港作拖轮船队服务。这些港口终端的不断建成和投产，为以LNG作为燃料的港作拖轮提供了巨大的发展契机。

基于上述背景，中海油能源发展股份有限公司联合上海佳豪船舶工程设计股份有限公司共同开展LNG燃料全回转多功能港作拖轮的开发。

7.1 船型介绍

该拖轮为全回转多功能港作拖轮，将主要为Q-Flex、Q-max 大型LNG船进出港提供辅助服务，也可以为其它船只的进出港提供辅助服务。

该轮配置两台中速双燃料（LNG/FO）内燃机，驱动两套变螺距Z型全回转舵桨，总推进功率为6500Hp。

该拖轮具备两种燃料系统，柴油和LNG，主机可以在两种燃料模式之间实现平稳转换。

安装2套模块化LNG燃料存储供应系统，系统的工作压力不大于1MPa。

设计中考虑利用主机冷却水加热汽化LNG燃料，实现废热利用，并考虑利用LNG汽化过程中释放的大量冷能，用于舱室空调制冷。

该轮具备基本的对外消防功能，设置两台对外消防炮，消防泵由主机提供动力。对外消防系统设计符合FiFi-1的消防要求。

该轮具备基本的环保功能，拖轮两舷安装消油剂喷洒装置，并配备溢油探测雷达及移动式浮油回收系统。

图2. 双燃料（LNG/燃油）港作拖轮效果图

7.2 Ø燃料经济性分析

根据某港口的港作拖轮作业的统计数据，拖轮的平均工作时间大约12小时，其中备车时间大约占10%，顶拖作业时间大约占55%，移位时间占35%；其间的平均有效负荷约为30%MCR。

LNG消耗率按7800kJ/kWh计算，低位热值取38MJ/Nm3。一天的燃料消耗2.6吨。柴油油耗按190g/kWh计算，一天的柴油消耗为3.3吨。

参考目前的市场价格，轻质柴油约8500人民币/吨，LNG约5800人民币/吨。使用LNG时，一天的燃料成本可以节约1.3万元人民币。一年按330天计，可节约燃料成本430万元。

7.3 减排价值分析

国际上早已开展碳排放当量交易，国内一些省市也已开展排污权的交易试点。如果采用LNG作为燃料，则具有很大的环保优势，通过参与排污权交易，可以获取相当的收益。

排污权交易的价格为市场交易价格，随时间和地区的变化较大，我们参考了一些公开数据，作为分析基础，估算LNG燃料对比轻质柴油达成的减排成果所蕴涵的市场价值。

在同样的功率条件下，拖轮使用LNG燃料对比轻质柴油可以带来每年二氧化碳减排1300吨；氮氧化物减排900吨，硫氧化物10吨，潜在的市场交易价值可达100万元。

另外，值得一提的是，港作拖轮的作业工况多变，主机多数时间处于非最佳负荷区域，平均有效负荷大约在30%MCR，并且经常需要突加突卸负荷，使用常规柴油机作为原动机的港作拖轮时常会出现冒黑烟的景象；而以LNG作为船舶燃料，可以完全避免黑烟景象。

由此可见，使用清洁能源可以获得可观的经济回报；当然节能减排的意义不能仅仅用金钱来衡量，同时还有巨大的社会意义，天然气的应用对世界能源结构调整，保持可持续发展都具有重要的意义

8  结语

在全球节能减排的大背景下，同时又面临着日益高涨的石油价格的压力，寻求清洁替代能源是船舶行业发展的未来趋势，LNG具备清洁环保、使用安全、成本经济、供应方便、技术成熟的特点而成为在当前技术水平和市场条件下最为可行的，最易于实现的船舶替代能源，这也逐渐成为业内的共识。通过LNG港作拖轮的实例分析可以看到，使用LNG燃料不仅仅具有巨大的环境保护的社会意义，还可以通过节约燃料成本以及排污权交易获得可观的经济回报。随着越来越多的LNG燃料船舶的投入使用，技术会越来越成熟，规范和标准也将越来越完备，更多的设备会推向市场，产品价格回归合理，补给设施逐渐形成网络，在不远的将来，LNG燃料将在船舶运输行业得以实质性地推广使用。