Vista級(jí)郵輪燃用液化天然氣可行性分析

陳 熙，譚躍鱗，李 鑫

（中船郵輪科技發(fā)展有限公司，上海 200137）

0 引言

根據(jù)國(guó)際海事組織（International Maritime Organization，IMO）海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（Marine Environment Protection Committee，MEPC）制定的MARPOL Annex Ⅵ（MEPC.251(66)）的相關(guān)要求，在全球范圍內(nèi)執(zhí)行0.50%的硫氧化物排放限制標(biāo)準(zhǔn)，在排放限制區(qū)內(nèi)更是低至0.10%。對(duì)于氮氧化物，2021年1月1日起在排放控制區(qū)內(nèi)執(zhí)行第三級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)（Tier Ⅲ）。此外，為限制溫室氣體排放，將于2025年1月1日起實(shí)施船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)第三階段標(biāo)準(zhǔn)（EEDI Phase 3）。相較于傳統(tǒng)燃油，采用液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）燃料可大幅減少硫氧化物和氮氧化物的排放，有效減少CO的排放。作為應(yīng)對(duì)新排放法規(guī)的可選方案之一，本文對(duì) Vista級(jí)大型郵輪燃用天然氣進(jìn)行全面評(píng)估，分析采用LNG動(dòng)力的可行性。

1 船型參數(shù)

目前，Vista級(jí)郵輪可滿足能效設(shè)計(jì)指數(shù)第二階段標(biāo)準(zhǔn)（EEDI Phase 2），在無(wú)尾氣處理系統(tǒng)的情況下，無(wú)法滿足硫氧化物和氮氧化物現(xiàn)行排放法規(guī)的相應(yīng)要求。本文研究的Vista級(jí)郵輪船型參數(shù)見表1。

表1 Vista級(jí)郵輪船型參數(shù)

續(xù)表1 Vista級(jí)郵輪船型參數(shù)

2 動(dòng)力方案設(shè)計(jì)

原船采用2套動(dòng)力系統(tǒng)為整船供能，動(dòng)力系統(tǒng)的主機(jī)分別為 MAN 8L48/60CR（3臺(tái)）和 MAN 14V48/60CR（2臺(tái)）。在選用替代的LNG燃料主機(jī)時(shí)，重點(diǎn)考慮主機(jī)的能耗和環(huán)保排放指標(biāo)。為布置及維護(hù)簡(jiǎn)便，通常選用相同型號(hào)的主機(jī)作為動(dòng)力源，同時(shí)為保證系統(tǒng)擁有適當(dāng)?shù)脑６?，單機(jī)標(biāo)定最大輸出功率在0.9～1.8 MW范圍內(nèi)。目前市場(chǎng)上可選用的LNG大功率主機(jī)主要包括2種：1）雙燃料主機(jī)，主要包括W?rtsil? 14V46DF、MaK 16VM46DF等主流型號(hào)；2）單一燃?xì)庵鳈C(jī)，可選型號(hào)為Rolls Royce B36:45V16P。不同的燃燒特性給2類主機(jī)帶來(lái)不同的熱效率和排放性能，進(jìn)而對(duì)后續(xù)運(yùn)營(yíng)和環(huán)境產(chǎn)生不同的影響。

2.1 能耗效率

通常情況下，郵輪在港工況和航行工況的時(shí)間占比分別為34%和59%。對(duì)于Vista級(jí)郵輪，在考慮 80%裕度的情況下，全航速需求總功率約為49 920 kW，在港工況的瞬時(shí)輸出功率約為12 480 kW。由于每個(gè)機(jī)型均可選擇多個(gè)功率點(diǎn)，需分析各機(jī)型的平均有效能耗（Average Specific Fuel Consumption，ASFC），計(jì)算公式為

式中：BSEC（Brake Specific Energy Consumption）為備選LNG機(jī)型的有效能耗效率；P為在港工況下主機(jī)的輸出功率；P為在港工況下主機(jī)的需求功率；P為航行工況下主機(jī)的輸出功率；P為航行工況下主機(jī)的需求功率；i為在港工況的時(shí)間占比；i為航行工況的時(shí)間占比。

各型號(hào)主機(jī)對(duì)應(yīng)的MCR、BSEC和ASFC情況見表2。由于Rolls Royce B36:45V16P主機(jī)的MCR值較低，需配置6臺(tái)才能滿足整船的最大電力負(fù)荷需求。此外，Rolls Royce B36:45V16P主機(jī)的單缸缸徑較小，導(dǎo)致其BSEC相較其余2型主機(jī)較高。在 3型主機(jī)的電力負(fù)荷相匹配時(shí)，Rolls Royce B36:45V16P主機(jī)的功率冗余最大，這就導(dǎo)致其ASFC大幅增高。在同缸徑情況下，MaK 16VM46DF主機(jī)的BSEC低于W?rtsil? 14V46DF主機(jī)，且其在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行情況下的性能更優(yōu)。相較于其他2種主機(jī)，W?rtsil? 14V46DF主機(jī)具有最大的MCR值，選用該機(jī)型時(shí)，選擇85%功率點(diǎn)可使功率匹配更加合理。若對(duì)特定功率點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，則能耗率還會(huì)進(jìn)一步降低。

表2 各型號(hào)主機(jī)對(duì)應(yīng)的MCR、BSEC和ASFC情況

2.2 排放指標(biāo)

減少排放是選用 LNG作為燃料的重要目的之一。備選主機(jī)均為 LNG大功率中速機(jī)，熱力循環(huán)采用奧拓循環(huán)，可滿足船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)第三階段（EEDI Phase 3）標(biāo)準(zhǔn)，并能將硫氧化物和氮氧化物的排放值控制在限值之內(nèi)。各型號(hào)主機(jī)的排放值見表3，由于Rolls Royce B36:45V16P主機(jī)采用火花塞點(diǎn)火，而 MaK 16VM46DF主機(jī)和 W?rtsil? 14V46DF主機(jī)采用壓燃技術(shù)，不同的燃燒策略會(huì)導(dǎo)致排放值的差異。

表3 各型號(hào)主機(jī)的排放值（單位：g/(kW·h)）

Rolls Royce B36:45V16P主機(jī)使用單一LNG燃料，該燃料含硫量很低，故相對(duì)于其他兩型主機(jī)的硫氧化物排放量會(huì)低很多。點(diǎn)火油的硫含量對(duì)MaK 16VM46DF主機(jī)和W?rtsil? 14V46DF主機(jī)硫氧化物的排放量影響很大，當(dāng)使用含硫量 1%的輕柴油作為點(diǎn)火油時(shí)，硫氧化物的排放值比 Rolls Royce B36:45V16P主機(jī)高約50%。

氮氧化物的排放值與主機(jī)燃燒室的有效燃燒壓力相關(guān)。LNG比燃油的燃點(diǎn)高，Rolls Royce B36:45V16P主機(jī)的火花塞點(diǎn)火方式適用于更低的燃燒室壓力，因此，Rolls Royce B36:45V16P主機(jī)的氮氧化物排放值低于其他兩型主機(jī)約46%。

值得注意的是，甲烷逃逸效應(yīng)會(huì)大幅降低LNG主機(jī)的溫室氣體減排性能。相較于其他兩型主機(jī)，Rolls Royce B36:45V16P主機(jī)對(duì)空燃比的控制更加有效，可將甲烷逃逸降到最低，CO排放值低于燃油主機(jī) 22%。同樣作為雙燃料主機(jī)，W?rtsil? 14V46DF主機(jī)相較MaK 16VM46DF主機(jī)燃燒壓力更高、甲烷逃逸和CO排放值更低。

3 燃料系統(tǒng)

LNG船舶必須滿足《使用氣體或其他低閃點(diǎn)燃料船舶國(guó)際安全規(guī)則》（IGF規(guī)則）的要求，由于郵輪的安全性要求高，其燃料艙保護(hù)和供氣系統(tǒng)的安全標(biāo)準(zhǔn)也比普通貨船高。

3.1 燃料艙設(shè)計(jì)

為防止船舶碰撞或擱淺導(dǎo)致的燃料艙泄漏，IGF規(guī)則要求計(jì)算客船的燃料艙雙殼保護(hù)距離，常用的計(jì)算方法有確定性方法和概率性方法。設(shè)定Vista級(jí)郵輪以中、日、韓地區(qū)為主要航線，續(xù)航力為2 000 n mile，考慮海上裕度和航程儲(chǔ)備，所需燃料艙的艙容為2 630 m。設(shè)計(jì)燃料艙處所（Fuel storage Hold Space，F(xiàn)HS）占用2層甲板空間，在燃料艙接頭處所（Tank Connection Space，TCS）設(shè)置在燃料艙上層的情況下，保證總層高與機(jī)艙一致。

若采用確定性方法進(jìn)行計(jì)算，燃料艙邊界距舷側(cè)外板的距離為B/5，即7.44 m，艙長(zhǎng)L約為19 m。

若采用概率性方法進(jìn)行計(jì)算，破損概率計(jì)算公式為

式中：f為破損概率，對(duì)于客船，f＜0.02；f為計(jì)算一個(gè)艙或艙組破損概率的因數(shù)；：f反映破損穿透燃料艙外層限界面的概率；：f反映損傷未垂直擴(kuò)展至燃料艙最下部限界面以上的概率。

概率性方法計(jì)算結(jié)果：燃料艙雙殼保護(hù)距離為3.72 m，艙長(zhǎng)L為1.3 m，破損概率為1.28%。2種方法計(jì)算得到的燃料艙布置情況見圖 1，概率性方法可使艙長(zhǎng)L縮短約25%，更有效地利用了舷側(cè)空間，有利于防火分割、水密分艙和設(shè)備的橫向布置。

圖1 燃料艙布置情況

3.2 供氣系統(tǒng)布置

供氣系統(tǒng)是天然氣動(dòng)力系統(tǒng)的重要組成部分，《國(guó)際海上人命安全公約》（International Convention for the Safety of Life at Sea，SOLAS）安全返港的要求中對(duì)主機(jī)的燃料供應(yīng)安全有相應(yīng)的描述，而IGF規(guī)則從防火、防爆、通風(fēng)和監(jiān)測(cè)等多方面對(duì)供氣系統(tǒng)安全進(jìn)行了更詳盡的限制和規(guī)定，供氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需同時(shí)考慮SOLAS公約和IGF規(guī)則兩方面的要求。

供氣系統(tǒng)布置情況見圖 2，為保證燃?xì)夤?yīng)不受突發(fā)事故或加注操作而中斷，將燃料艙、燃料接頭處所和燃?xì)夤苈贩譃閮蓚€(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)A和B，兩系統(tǒng)間進(jìn)行A級(jí)防火分割。燃料管路在為A系統(tǒng)的主機(jī)進(jìn)行供氣時(shí)，不可避免地需要穿過(guò)B系統(tǒng)，此時(shí)需設(shè)置A級(jí)分割通道，以保證B系統(tǒng)機(jī)艙處所失效后不會(huì)對(duì)通過(guò)此處的A系統(tǒng)燃?xì)夤苈吩斐捎绊憽?/p>

圖2 供氣系統(tǒng)布置情況

為滿足IGF規(guī)則對(duì)氣體安全機(jī)艙的要求，燃料接頭處所需設(shè)置空氣閘，燃料接頭處所通過(guò)燃?xì)忾y組單元連接至主機(jī)，此部分燃?xì)夤苈芬O(shè)計(jì)為雙壁管。燃料接頭處所與機(jī)艙區(qū)域盡量靠近布置，縮短間隔距離，減少雙壁管長(zhǎng)度。燃料艙與機(jī)艙不能直接接觸，需要有隔離空艙將其隔開。IGF規(guī)則要求燃?xì)夤懿荒苤苯油ㄟ^(guò)SOLAS公約定義的起居處所、服務(wù)處所、電氣設(shè)備間或控制站，若燃?xì)夤芡ㄟ^(guò)了上述場(chǎng)所，則需對(duì)通過(guò)區(qū)域的艙室（特別是船員艙室）進(jìn)行重新布置。

4 加注安全評(píng)估

加注作業(yè)的安全不僅與受注船本身相關(guān)，也關(guān)系到加注設(shè)施和港口管理等多方面。通常情況下，項(xiàng)目初期會(huì)對(duì)加注作業(yè)可能對(duì)人員和環(huán)境帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，制定相應(yīng)的加注限制區(qū)域和警戒區(qū)域，并提供技術(shù)支持。大型郵輪等客船載有大量普通乘客，其引發(fā)事故和受到傷害的風(fēng)險(xiǎn)均高于貨船，需要特別關(guān)注特定危險(xiǎn)場(chǎng)景下的風(fēng)險(xiǎn)，如加注作業(yè)過(guò)程中乘客登乘的同步作業(yè)等。

4.1 加注場(chǎng)景設(shè)定

在罐車加注作業(yè)的同時(shí)進(jìn)行乘客登乘，由于作業(yè)區(qū)域通常布置于船舶的同側(cè)，風(fēng)險(xiǎn)更高。加注安全評(píng)估需確定控制區(qū)域的范圍，本文采用基于后果的定量風(fēng)險(xiǎn)分析方法，對(duì)控制區(qū)域加以限定，分析加注作業(yè)與乘客登乘同步作業(yè)的可行性。罐車加注參數(shù)見表4，考慮到項(xiàng)目前期分析數(shù)據(jù)的通用性，加注參數(shù)取值較為保守。

表4 罐車加注參數(shù)

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，ISO）在ISO/TS 18683和ISO 20519中對(duì)2種最嚴(yán)重的天然氣泄漏事故場(chǎng)景進(jìn)行定義：

1）船舶碰撞或系泊系統(tǒng)失效的意外事故，導(dǎo)致加注軟管斷裂，緊急關(guān)閉裝置（Emergency Shutdown Device，ESD）和緊急釋放裝置（Emergency Release System，ERC）間的燃料完全泄漏，擴(kuò)散范圍由加注軟管中的殘存燃料量決定。

2）接口段破裂，ESD未啟動(dòng)，燃料氣體通過(guò)裂縫持續(xù)向外擴(kuò)散，擴(kuò)散范圍取決于加注壓力的大小。

圖3所示為上述2種事故場(chǎng)景最低燃燒極限距離與泄漏點(diǎn)壓力值關(guān)系曲線，在加注壓力為0.6 MPa的條件下，最低燃燒極限距離為56 m。

圖3 最低燃燒極限距離與泄漏點(diǎn)壓力值關(guān)系曲線

4.2 限制區(qū)域劃分

在天然氣加注作業(yè)控制區(qū)域中，危險(xiǎn)區(qū)域主要為加注罐車出口區(qū)域和加注站接口區(qū)域，根據(jù)IGF規(guī)則的要求，危險(xiǎn)區(qū)域的半徑為4.5 m。限制區(qū)域?yàn)榧幼⒐捃嚰败浌苓B接區(qū)域，區(qū)域半徑為最低燃燒極限距離，在本例中為一半徑56 m的圓形區(qū)域，該區(qū)域有一定風(fēng)險(xiǎn)，通常僅允許相關(guān)操作人員進(jìn)入。警戒區(qū)域需根據(jù)港口情況，由港口當(dāng)局確定，原則上不小于限制區(qū)域的范圍。罐車加注同步作業(yè)控制區(qū)域的劃分情況見圖4。

圖4 罐車加注同步作業(yè)控制區(qū)域劃分

4.3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

Vista級(jí)郵輪的加注區(qū)域布置于機(jī)艙前端的舯部位置，乘客和船員的登乘方式包括距艏部 0.22L和0.45L處的舷梯登乘，以及距艏部0.3L處的廊橋登乘。距艏部0.22L和0.3L處的登乘口，均在限制區(qū)域之外，加注與登乘同步作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)較小，可不額外增加安全措施。

對(duì)于距艏部0.45L處的舷梯登乘，乘客和船員會(huì)經(jīng)過(guò)限制區(qū)域內(nèi)部，存在一定風(fēng)險(xiǎn)，在使用該登乘口時(shí)，需采取封閉舷梯等安全措施以降低同步作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

Vista級(jí)郵輪是大型郵輪的典型代表，為滿足最新排放要求，本文從動(dòng)力方案、燃料艙布置和加注安全等方面分析采用天然氣燃料的可行性，結(jié)論如下：

1）以Vista級(jí)郵輪為基礎(chǔ)，雙燃料主機(jī)的較大額定功率特點(diǎn)更能滿足其電力負(fù)荷平衡需求，但能耗效率高于單一燃?xì)庵鳈C(jī)。

2）在環(huán)保性能上，單一燃?xì)庵鳈C(jī)更優(yōu)，但采用天然氣燃料的各型主機(jī)均能滿足目前法規(guī)的要求，當(dāng)前情況下采用雙燃料主機(jī)仍為該型郵輪主機(jī)的最佳選擇。

3）郵輪采用天然氣燃料的重要限制點(diǎn)在于燃料艙的艙容問(wèn)題，利用舷側(cè)空間可有效緩解該問(wèn)題。

4）供氣安全非常重要，需在方案制定前期考慮增加防火分割和結(jié)構(gòu)管弄等設(shè)計(jì)。

5）加注風(fēng)險(xiǎn)分析對(duì)采用天然氣燃料客船的前期方案設(shè)計(jì)至關(guān)重要。