【行业观察】气体燃料和船用燃气轮机应用将引发航运革命

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导读

气体燃料在航运业的应用将是大势所趋。未来，船舶设计、建造、操作乃至航运企业的管理与航线分布都将随着新型能源的应用而发生实质性改变，气体燃料加上船用燃气轮机应用将引发航运革命。

去年10月16日，美国NASSCO船厂建造的全球首艘LNG动力集装箱船“Isla Bella”号比预定交付日期提前两个月向TOTE海运公司交付。“Isla Bella”号船设计载箱量为3100 TEU，型长232.8米，是目前世界上最大的LNG动力集装箱船。“Isla Bella”号船的交付标志着以LNG为代表的气体燃料在船舶应用上成功地从理论研究转化为实践。

船舶动力装置多元化气体燃料将取代石油

据预测，目前全球已探明的石油储量仅可供人类再使用40～60年，每年石油消费量是新勘探石油储量的4～5倍，且这些新勘探的油田多位于深海，开采难度和成本都很高，传统石油资源的枯竭迫使人类开始寻找新能源。目前，人类已成功掌握气体燃料、生物柴油、海洋风能、太阳能、燃料电池等新能源技术。与传统的石油相比，这些新能源普遍具有供应充足、低碳环保、价格适中的特点，不仅可基本满足人类对于能源的需求，还能有效减少能源使用过程中造成的污染与碳排放。对于高度依赖能源的航运业而言，如何利用新能源为船舶提供动力是整个行业发展过程中亟待解决的问题。随着国际海事组织对污染物排放要求的不断提高，航运业对新能源的需求将越来越迫切。

与石油相比，气体燃料的储存量相当丰富。以天然气为例，目前已探明的人类能够开采的天然气总量就足够使用百年以上，这还不包括深海可燃冰及页岩气等受目前技术手段限制难以大规模开采的天然气资源。更为重要的是，气体燃料所具有的环保优势是石油所不具备的——理论上绝大部分气体燃料在燃烧过程中不会产生硫氧化物，气体燃烧所产生的氮氧化物与二氧化碳数量也远低于其他类型的燃料。因此，采用LNG为燃料的船舶可以轻而易举地满足国际海事组织关于船用发动机排放指标及船舶能效的严苛要求。随着海运环保要求日趋严格，在不远的将来以LNG为代表的气体燃料完全有可能取代石油成为船舶最主要的能源。

气体燃料发动机受宠

气体燃料发动机的问世使船舶采用气体燃料作为主推进能源成为可能。气体燃料发动机的工作原理与柴油机相似，由于着火温度比燃油高，这类发动机在使用电火花点火时，因电火花释放的能量偏小，一次性点燃大量燃料可能致燃料着火情况不稳定；且电火花点火时发动机的压缩比必须适当降低，否则气体容易产生爆燃现象。由于这些原因，早期的气体燃料发动机无法单独用于船舶主推进，只能采用电力推进的模式，即由多台气体燃料发动机驱动发电机组提供电能，再由电动机驱动船舶推进器以解决气体燃料发动机单机功率不足的问题。然而电力推进的船舶输配电系统非常复杂，推进电机等关键设备采购与维护费用很高。同时，中高速气体燃料发动机的实际热效率并不高，因此这类动力装置目前仅在豪华邮轮和海洋工程船等对电力负荷有特殊要求的船舶上应用。

随着近年来稀薄燃烧、多点均匀点火以及双燃料燃烧等关键技术的突破，气体燃料发动机单机功率开始增加，使船舶单独采用气体燃料发动机作为动力装置成为可能。此类船舶动力装置与目前主流的低速柴油机推进装置非常相似。采用这种动力装置无需改变现有船舶机舱布局，且原来已熟悉柴油机操作的船员稍加培训即可适应相关的操作，因此低速气体燃料发动机和双燃料发动机的概念一经推出就受到国际航运界的高度重视，一度被视为未来气体燃料动力装置的首选形式。

气燃动力装置布局难题

“Isla Bella”号船设计理念

“Isla Bella”号船问世前已有气体燃料动力装置在油轮、海洋平台、沿海渡轮以及内河船舶上成功应用的案例，然而气体燃料应用于集装箱船对全球海运业的意义更为重大。长期以来，如何布置气体燃料储罐一直是船舶设计中的难题。尽管在总燃烧热值相同的情况下燃油体积较大，但燃油舱可见缝插针地布置在船舶的大部分位置，气体燃料储罐体积虽小，但其本身有一定的几何形状，对于集装箱船等空间本已十分紧张的船舶而言布置难度很大。与此同时，无论采用何种储存方法，气体燃料相对燃油都具有更高的潜在风险，这将进一步增加气体燃料在集装箱船上布置的难度。

“Isla Bella”号船采用在船尾设置一个专用的开敞空间布置LNG燃料储罐的方案。由于船舶尾部通常具有一定的型线，用以布置LNG燃料储罐对载货量的牺牲不会太大；通过限制在船舶尾部的甲板区域载运危险品的方法可以将LNG储罐与船上载运的危险品有效隔离；将燃料储罐布置在自然通风良好的甲板开敞位置可尽最大可能避免可燃气体在船上聚集，特别是一旦发生事故时不易发生大量可燃气体泄漏到船员生活区。另外，由于船舶尾部结构的损坏一般不会引起船舶结构总体失效，一旦发生LNG泄漏对船舶总体结构的危害也会非常有限。将LNG燃料储罐布置在船尾还能有效防止因碰撞而导致的LNG储罐损坏，将风险降到最低。

总体而言，“Isla Bella”号船是一个很好的支线集装箱船设计案例。与尺度相似的同级别集装箱船相比，“Isla Bella”号船的建造成本增长30%～35%，且由于LNG燃料储罐的应用而损失约200～250TEU的载货量。但是，船舶设计与建造方NASSCO称这艘船能减少排放氮氧化物98%、硫氧化物97%、二氧化碳72%和颗粒物60%，相当于减少1.57万辆汽车的排放量。从长远角度看，“Isla Bella”号船较那些采用柴油机动力装置的船舶潜在的综合经济与环保效益将非常可观。

相对那些主尺度较大，从事远洋航行的大型船舶而言，类似“Isla Bella”号的中型支线集装箱船对于船舶航速与续航力的需求并不高；相对载货量在2000TEU以下型船而言，该类船舶对于因布置LNG燃料储罐及相应的动力装置而牺牲的载货量并不敏感。因此，气体燃料动力装置率先在“Isla Bella”号这类中型支线集装箱船上应用并非偶然。

然而受目前技术条件限制，低速气体燃料发动机高压缩比时的爆燃问题目前依然无法解决，而采取对燃气本身加压将会导致燃料喷射口位置的压力很高而增加额外的风险。虽然应用双燃料可以有效避免这些问题，但燃油和天然气同时燃烧会产生一种酸性物质，从而发生燃烧室位置腐蚀。因此双燃料发动机每运行2～3个月就须停机维护，而这必将增加船舶营运管理难度。由于目前的气体燃料发动机或双燃料发动机尚不足以满足大型船舶对于推进动力的需求，未来的大型远洋船舶可能会倾向于选择另一种形式的气体燃料动力装置。

PERFECT设计理念

从目前公布的设计方案来看，由达飞轮船与挪威船级社联合发布Piston Engine Room Free Efficient Containership（PERFECt）设计理念所采用的是一种类似电力推进的动力装置，即通过蒸汽轮机与燃气轮机联合动力装置（COGAS）组成的原动机组驱动发电机向中央电站供电，而船舶推进器采用3台电动机联合驱动。从GTT公司参与这一项目的分析来看，船上燃料储存舱很可能会采用薄膜型燃料舱作为LNG燃料维护系统，这对于气体燃料发动机动力装置而言又是一个跨越式的发展。相对于具有一定几何形状的压力容器与隔热储罐而言，薄膜型LNG维护系统在船上的布置更为灵活，理论上其布置与传统的燃油舱相比没有太大的区别，船上空间利用率方面更具优势。从目前公布的方案分析，采用薄膜型燃料舱的2万TEU型船能够携带约10960m3LNG燃料，这些燃料足以满足在欧亚航线班轮对于燃料的需求。从这个角度来看，PERFECt设计理念成功地解决了气体燃料动力装置以往固有的续航力问题。从理论上来看，这类动力装置相对于“Isla Bella”号船而言更具发展潜力，也更适合于远洋船舶。

PERFECt设计理念中COGAS的采用在颠覆传统船舶设计理念的同时也给未来大型船舶的设计带来了意外惊喜。与功率相同的柴油机相比，COGAS中的蒸汽轮机和燃气轮机的体积要小很多，使得在船舶上层建筑这类狭小的区域布置船舶机械设备成为了可能，意味着采用PERFECt设计理念的船舶机舱将比传统的柴油机和气体燃料发动机小很多。机舱空间的减少意味着船舶可以装载更多的货物，这对船舶总体经济性的提升具有非常重要的意义。

COGAS相对于大型低速柴油机而言工作的可靠性更高，总体保养周期也更长，装置系统也更为简单，这将为船东节约大量的船舶维护保养时间和成本，提升船舶在航率。采用这类动力装置的船舶的航速选择更为灵活，船东可以根据市场需求灵活地调整船舶航速，从而大大提高这类船舶在航运市场上的竞争力。相对具有最低稳定转速的活塞式发动机而言，采用电力推进的船舶不存在最低稳定转速的概念，船舶低速操纵性更好，这将为船东节约靠泊过程中租用港口拖轮的费用。

PERFECt设计理念对于现代航运业最大的贡献在于成功解决了蒸汽轮机热效率过低和燃气轮机燃料成本过高的难题。尽管蒸汽轮机可以燃烧煤炭、渣油等劣质燃料，但由于热效率太低，在民船实际使用中存在“省钱不省油”的问题；与蒸汽轮机相比，燃气轮机的热效率可达40%，与中速柴油机相当，然而燃气轮机燃烧所需的高品质燃油价格昂贵，对于民用船舶而言“省油不省钱”。因此长期以来，除少数超级油轮、LNG运输船外，绝大部分民用运输船舶采用的都是柴油机动力装置。PERFECt设计理念的提出使蒸汽轮机和燃气轮机这两类动力装置重新回归航运业成为可能，未来的船舶动力装置供应市场将呈现一种更多元化的发展。

船管和船员培训的变革

未来气体燃料在航运业的广泛应用也将引发船舶管理和船员培训方面的变革。与传统的燃油相比，气体燃料在具有环保优势的同时也具有更高的风险性，因此使用气体燃料的船舶需要采取更多的风险控制措施。对于采用压缩方式储存的气体燃料而言，存有高压可燃气体的压力容器一旦发生爆炸其后果将是灾难性；相对而言采用低温液化方式储存气体燃料相对安全，然而这些液化后的气体燃料温度非常低，一旦发生泄漏必将导致其周边钢材韧性下降，进而严重危害船舶航行安全。另外，液化气体燃料一旦泄漏也存在爆炸的风险。与燃油相比，气体燃料储存、装卸与处理过程中需要更多的专业知识以及安全意识，这对未来的船舶管理和船员的操作技能都提出了更高的要求。

未来的船员培训体系将随着气体燃料的应用而发生变化。国际知名咨询机构SIGTTO为在LNG船舶上工作的不同级别的高级海员制订了一套完整的适任标准，并分别为各个级别的海员规定最低经验接受标准。根据SIGTTO的标准培养一名LNG船船长或轮机长理论上至少需要10年的时间。为此，国际通行的船员培训体系，特别是轮机员培训体系将会随着气体燃料的广泛应用而发生显著变化。

轮机部或将取消

PERFECt设计理念的提出可能导致未来的船舶完全取消轮机部，进而大幅降低海运人力资源成本。自从轮船全面取代帆船以来，船舶操作团队中就开始出现轮机部以处理船舶航行过程中可能发生的机械故障，确保船舶航行安全。然而蒸汽轮机和燃气轮机的工作原理比柴油机简单，实现遥控操作也更为容易。因此采用类似PERFECt设计理念中COGAS的船舶，其动力设备连续无故障运行的时间更长，这类船舶上所需配备的轮机部船员有望进一步减少，在岸基保障能力良好的短途航线上可能无需配备轮机部船员，船东在雇佣船员方面的开支也将显著下降。

尽管近期国际能源市场的低油价为未来气体燃料在航运业的进一步推广应用增加了不少悬念，然而从长远的角度来看全球石油资源的日趋枯竭必将导致油价上涨，日趋提高的环保意识将进一步提升未来燃油的使用成本。与此同时，随着开采技术的不断进步，以LNG为代表的气体燃料在未来的应用成本有望进一步下降。从这个角度来看，未来气体燃料在航运业的应用将是大势所趋。未来的船舶设计、建造、操作乃至航运企业的管理和航线分布都将随着新型能源的应用而发生实质性的转变，气体燃料的应用必将引发航运业的新一轮革命。

来源：中国海事服务网

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