圖為NASSCO交付的首艘LNG動力集裝箱船“Isla Bella”

氣體燃料在航運業(yè)的應用將是大勢所趨。未來，船舶設計、建造、操作乃至航運企業(yè)的管理與航線分布都將隨著新型能源的應用而發(fā)生實質性改變

去年10月16日，美國NASSCO船廠建造的全球首艘LNG動力集裝箱船“Isla Bella”號比預定交付日期提前兩個月向TOTE海運公司交付。“Isla Bella”號船設計載箱量為3100 TEU，型長232.8米，是目前世界上最大的LNG動力集裝箱船。“Isla Bella”號船的交付標志著以LNG為代表的氣體燃料在船舶應用上成功地從理論研究轉化為實踐。

船舶動力裝置多元化

氣體燃料將取代石油

據預測，目前全球已探明的石油儲量僅可供人類再使用40～60年，每年石油消費量是新勘探石油儲量的4～5倍，且這些新勘探的油田多位于深海，開采難度和成本都很高，傳統(tǒng)石油資源的枯竭迫使人類開始尋找新能源。目前，人類已成功掌握氣體燃料、生物柴油、海洋風能、太陽能、燃料電池等新能源技術。與傳統(tǒng)的石油相比，這些新能源普遍具有供應充足、低碳環(huán)保、價格適中的特點，不僅可基本滿足人類對于能源的需求，還能有效減少能源使用過程中造成的污染與碳排放。對于高度依賴能源的航運業(yè)而言，如何利用新能源為船舶提供動力是整個行業(yè)發(fā)展過程中亟待解決的問題。隨著國際海事組織對污染物排放要求的不斷提高，航運業(yè)對新能源的需求將越來越迫切。

與石油相比，氣體燃料的儲存量相當豐富。以天然氣為例，目前已探明的人類能夠開采的天然氣總量就足夠使用百年以上，這還不包括深海可燃冰及頁巖氣等受目前技術手段限制難以大規(guī)模開采的天然氣資源。更為重要的是，氣體燃料所具有的環(huán)保優(yōu)勢是石油所不具備的——理論上絕大部分氣體燃料在燃燒過程中不會產生硫氧化物，氣體燃燒所產生的氮氧化物與二氧化碳數(shù)量也遠低于其他類型的燃料。因此，采用LNG為燃料的船舶可以輕而易舉地滿足國際海事組織關于船用發(fā)動機排放指標及船舶能效的嚴苛要求。隨著海運環(huán)保要求日趨嚴格，在不遠的將來以LNG為代表的氣體燃料完全有可能取代石油成為船舶最主要的能源。

氣體燃料發(fā)動機受寵

氣體燃料發(fā)動機的問世使船舶采用氣體燃料作為主推進能源成為可能。氣體燃料發(fā)動機的工作原理與柴油機相似，由于著火溫度比燃油高，這類發(fā)動機在使用電火花點火時，因電火花釋放的能量偏小，一次性點燃大量燃料可能致燃料著火情況不穩(wěn)定；且電火花點火時發(fā)動機的壓縮比必須適當降低，否則氣體容易產生爆燃現(xiàn)象。由于這些原因，早期的氣體燃料發(fā)動機無法單獨用于船舶主推進，只能采用電力推進的模式，即由多臺氣體燃料發(fā)動機驅動發(fā)電機組提供電能，再由電動機驅動船舶推進器以解決氣體燃料發(fā)動機單機功率不足的問題。然而電力推進的船舶輸配電系統(tǒng)非常復雜，推進電機等關鍵設備采購與維護費用很高。同時，中高速氣體燃料發(fā)動機的實際熱效率并不高，因此這類動力裝置目前僅在豪華郵輪和海洋工程船等對電力負荷有特殊要求的船舶上應用。

隨著近年來稀薄燃燒、多點均勻點火以及雙燃料燃燒等關鍵技術的突破，氣體燃料發(fā)動機單機功率開始增加，使船舶單獨采用氣體燃料發(fā)動機作為動力裝置成為可能。此類船舶動力裝置與目前主流的低速柴油機推進裝置非常相似。采用這種動力裝置無需改變現(xiàn)有船舶機艙布局，且原來已熟悉柴油機操作的船員稍加培訓即可適應相關的操作，因此低速氣體燃料發(fā)動機和雙燃料發(fā)動機的概念一經推出就受到國際航運界的高度重視，一度被視為未來氣體燃料動力裝置的首選形式。

氣燃動力裝置布局難題

“Isla Bella”號船設計理念

“Isla Bella”號船問世前已有氣體燃料動力裝置在油輪、海洋平臺、沿海渡輪以及內河船舶上成功應用的案例，然而氣體燃料應用于集裝箱船對全球海運業(yè)的意義更為重大。長期以來，如何布置氣體燃料儲罐一直是船舶設計中的難題。盡管在總燃燒熱值相同的情況下燃油體積較大，但燃油艙可見縫插針地布置在船舶的大部分位置，氣體燃料儲罐體積雖小，但其本身有一定的幾何形狀，對于集裝箱船等空間本已十分緊張的船舶而言布置難度很大。與此同時，無論采用何種儲存方法，氣體燃料相對燃油都具有更高的潛在風險，這將進一步增加氣體燃料在集裝箱船上布置的難度。

 “Isla Bella”號船采用在船尾設置一個專用的開敞空間布置LNG燃料儲罐的方案。由于船舶尾部通常具有一定的型線，用以布置LNG燃料儲罐對載貨量的犧牲不會太大；通過限制在船舶尾部的甲板區(qū)域載運危險品的方法可以將LNG儲罐與船上載運的危險品有效隔離；將燃料儲罐布置在自然通風良好的甲板開敞位置可盡最大可能避免可燃氣體在船上聚集，特別是一旦發(fā)生事故時不易發(fā)生大量可燃氣體泄漏到船員生活區(qū)。另外，由于船舶尾部結構的損壞一般不會引起船舶結構總體失效，一旦發(fā)生LNG泄漏對船舶總體結構的危害也會非常有限。將LNG燃料儲罐布置在船尾還能有效防止因碰撞而導致的LNG儲罐損壞，將風險降到最低。

總體而言，“Isla Bella”號船是一個很好的支線集裝箱船設計案例。與尺度相似的同級別集裝箱船相比，“Isla Bella”號船的建造成本增長30%～35%，且由于LNG燃料儲罐的應用而損失約200～250TEU的載貨量。但是，船舶設計與建造方NASSCO稱這艘船能減少排放氮氧化物98%、硫氧化物97%、二氧化碳72%和顆粒物60%，相當于減少1.57萬輛汽車的排放量。從長遠角度看，“Isla Bella”號船較那些采用柴油機動力裝置的船舶潛在的綜合經濟與環(huán)保效益將非�？捎^。

相對那些主尺度較大，從事遠洋航行的大型船舶而言，類似“Isla Bella”號的中型支線集裝箱船對于船舶航速與續(xù)航力的需求并不高；相對載貨量在2000TEU以下型船而言，該類船舶對于因布置LNG燃料儲罐及相應的動力裝置而犧牲的載貨量并不敏感。因此，氣體燃料動力裝置率先在“Isla Bella”號這類中型支線集裝箱船上應用并非偶然。

然而受目前技術條件限制，低速氣體燃料發(fā)動機高壓縮比時的爆燃問題目前依然無法解決，而采取對燃氣本身加壓將會導致燃料噴射口位置的壓力很高而增加額外的風險。雖然應用雙燃料可以有效避免這些問題，但燃油和天然氣同時燃燒會產生一種酸性物質，從而發(fā)生燃燒室位置腐蝕。因此雙燃料發(fā)動機每運行2～3個月就須停機維護，而這必將增加船舶營運管理難度。由于目前的氣體燃料發(fā)動機或雙燃料發(fā)動機尚不足以滿足大型船舶對于推進動力的需求，未來的大型遠洋船舶可能會傾向于選擇另一種形式的氣體燃料動力裝置。

PERFECt設計理念

從目前公布的設計方案來看，由達飛輪船與挪威船級社聯(lián)合發(fā)布Piston Engine Room Free Efficient Containership（PERFECt）設計理念所采用的是一種類似電力推進的動力裝置，即通過蒸汽輪機與燃氣輪機聯(lián)合動力裝置（COGAS）組成的原動機組驅動發(fā)電機向中央電站供電，而船舶推進器采用3臺電動機聯(lián)合驅動。從GTT公司參與這一項目的分析來看，船上燃料儲存艙很可能會采用薄膜型燃料艙作為LNG燃料維護系統(tǒng)，這對于氣體燃料發(fā)動機動力裝置而言又是一個跨越式的發(fā)展。相對于具有一定幾何形狀的壓力容器與隔熱儲罐而言，薄膜型LNG維護系統(tǒng)在船上的布置更為靈活，理論上其布置與傳統(tǒng)的燃油艙相比沒有太大的區(qū)別，船上空間利用率方面更具優(yōu)勢。從目前公布的方案分析，采用薄膜型燃料艙的2萬TEU型船能夠攜帶約10960m3LNG燃料，這些燃料足以滿足在歐亞航線班輪對于燃料的需求。從這個角度來看，PERFECt設計理念成功地解決了氣體燃料動力裝置以往固有的續(xù)航力問題。從理論上來看，這類動力裝置相對于“Isla Bella”號船而言更具發(fā)展?jié)摿Γ�也更適合于遠洋船舶。

PERFECt設計理念中COGAS的采用在顛覆傳統(tǒng)船舶設計理念的同時也給未來大型船舶的設計帶來了意外驚喜。與功率相同的柴油機相比，COGAS中的蒸汽輪機和燃氣輪機的體積要小很多，使得在船舶上層建筑這類狹小的區(qū)域布置船舶機械設備成為了可能，意味著采用PERFECt設計理念的船舶機艙將比傳統(tǒng)的柴油機和氣體燃料發(fā)動機小很多。機艙空間的減少意味著船舶可以裝載更多的貨物，這對船舶總體經濟性的提升具有非常重要的意義。

COGAS相對于大型低速柴油機而言工作的可靠性更高，總體保養(yǎng)周期也更長，裝置系統(tǒng)也更為簡單，這將為船東節(jié)約大量的船舶維護保養(yǎng)時間和成本，提升船舶在航率。采用這類動力裝置的船舶的航速選擇更為靈活，船東可以根據市場需求靈活地調整船舶航速，從而大大提高這類船舶在航運市場上的競爭力。相對具有最低穩(wěn)定轉速的活塞式發(fā)動機而言，采用電力推進的船舶不存在最低穩(wěn)定轉速的概念，船舶低速操縱性更好，這將為船東節(jié)約靠泊過程中租用港口拖輪的費用。

PERFECt設計理念對于現(xiàn)代航運業(yè)最大的貢獻在于成功解決了蒸汽輪機熱效率過低和燃氣輪機燃料成本過高的難題。盡管蒸汽輪機可以燃燒煤炭、渣油等劣質燃料，但由于熱效率太低，在民船實際使用中存在“省錢不省油”的問題；與蒸汽輪機相比，燃氣輪機的熱效率可達40%，與中速柴油機相當，然而燃氣輪機燃燒所需的高品質燃油價格昂貴，對于民用船舶而言“省油不省錢”。因此長期以來，除少數(shù)超級油輪、LNG運輸船外，絕大部分民用運輸船舶采用的都是柴油機動力裝置。PERFECt設計理念的提出使蒸汽輪機和燃氣輪機這兩類動力裝置重新回歸航運業(yè)成為可能，未來的船舶動力裝置供應市場將呈現(xiàn)一種更多元化的發(fā)展。

船管和船員培訓的變革

未來氣體燃料在航運業(yè)的廣泛應用也將引發(fā)船舶管理和船員培訓方面的變革。與傳統(tǒng)的燃油相比，氣體燃料在具有環(huán)保優(yōu)勢的同時也具有更高的風險性，因此使用氣體燃料的船舶需要采取更多的風險控制措施。對于采用壓縮方式儲存的氣體燃料而言，存有高壓可燃氣體的壓力容器一旦發(fā)生爆炸其后果將是災難性；相對而言采用低溫液化方式儲存氣體燃料相對安全，然而這些液化后的氣體燃料溫度非常低，一旦發(fā)生泄漏必將導致其周邊鋼材韌性下降，進而嚴重危害船舶航行安全。另外，液化氣體燃料一旦泄漏也存在爆炸的風險。與燃油相比，氣體燃料儲存、裝卸與處理過程中需要更多的專業(yè)知識以及安全意識，這對未來的船舶管理和船員的操作技能都提出了更高的要求。

未來的船員培訓體系將隨著氣體燃料的應用而發(fā)生變化。國際知名咨詢機構SIGTTO為在LNG船舶上工作的不同級別的高級海員制訂了一套完整的適任標準，并分別為各個級別的海員規(guī)定最低經驗接受標準。根據SIGTTO的標準培養(yǎng)一名LNG船船長或輪機長理論上至少需要10年的時間。為此，國際通行的船員培訓體系，特別是輪機員培訓體系將會隨著氣體燃料的廣泛應用而發(fā)生顯著變化。

輪機部或將取消

PERFECt設計理念的提出可能導致未來的船舶完全取消輪機部，進而大幅降低海運人力資源成本。自從輪船全面取代帆船以來，船舶操作團隊中就開始出現(xiàn)輪機部以處理船舶航行過程中可能發(fā)生的機械故障，確保船舶航行安全。然而蒸汽輪機和燃氣輪機的工作原理比柴油機簡單，實現(xiàn)遙控操作也更為容易。因此采用類似PERFECt設計理念中COGAS的船舶，其動力設備連續(xù)無故障運行的時間更長，這類船舶上所需配備的輪機部船員有望進一步減少，在岸基保障能力良好的短途航線上可能無需配備輪機部船員，船東在雇傭船員方面的開支也將顯著下降。

盡管近期國際能源市場的低油價為未來氣體燃料在航運業(yè)的進一步推廣應用增加了不少懸念，然而從長遠的角度來看全球石油資源的日趨枯竭必將導致油價上漲，日趨提高的環(huán)保意識將進一步提升未來燃油的使用成本。與此同時，隨著開采技術的不斷進步，以LNG為代表的氣體燃料在未來的應用成本有望進一步下降。從這個角度來看，未來氣體燃料在航運業(yè)的應用將是大勢所趨。未來的船舶設計、建造、操作乃至航運企業(yè)的管理和航線分布都將隨著新型能源的應用而發(fā)生實質性的轉變，氣體燃料的應用必將引發(fā)航運業(yè)的新一輪革命。