大型甲醇雙燃料散貨船設(shè)計(jì)研究

蒯晶晶 盧 華

（上海外高橋造船有限公司 上海 200137）

0 引 言

隨著世界各國(guó)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，國(guó)際海事組織（international maritime organization, IMO）要求：到2030 年，船舶的碳排放量比2008 年至少減少40%；到2050 年實(shí)現(xiàn)溫室氣體“凈零排放”。目前，LNG 燃料只被視為過(guò)渡燃料，IMO 的雄心最終將通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新的研發(fā)應(yīng)用和引進(jìn)新的替代燃料實(shí)現(xiàn)。中國(guó)的目標(biāo)是到2030 年使CO2排放量達(dá)到峰值，到2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和，因此船舶行業(yè)脫碳刻不容緩。

甲醇燃料正在迅速發(fā)展成為目前最可行、排放最少且成本更為合理的船用燃料替代品。與常規(guī)船用燃料相比，甲醇不含硫、尾氣無(wú)腐蝕，還可減少95%以上的硫氧化物和顆粒物、60%的氮氧化物、約15%的CO2排放。因此，使用綠色甲醇燃料完全能滿足IMO 關(guān)于溫室氣體的減排戰(zhàn)略要求，實(shí)現(xiàn)船舶的“零碳”排放。

本文是在21 萬(wàn)t 常規(guī)燃料散貨船設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)MSC.1/Circ.1621、IGF Code 等規(guī)范規(guī)則的研究分析，開(kāi)展以甲醇燃料作為推進(jìn)動(dòng)力的關(guān)鍵技術(shù)研究，包括甲醇燃料儲(chǔ)存艙的布置、甲醇燃料注入和供給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、甲醇燃料應(yīng)用的安全防護(hù)要求等，從而開(kāi)發(fā)出某型21 萬(wàn)t 甲醇雙燃料散貨船，以滿足未來(lái)碳排放控制的要求。

1 大型甲醇雙燃料散貨船技術(shù)概況

該甲醇雙燃料散貨船是在原21 萬(wàn)t 常規(guī)燃料散貨船基礎(chǔ)上，采用傳統(tǒng)燃料和甲醇燃料作為動(dòng)力燃料。該船總長(zhǎng)299.88 m、設(shè)計(jì)吃水16.1 m、結(jié)構(gòu)吃水18.55 m、貨艙容積22 萬(wàn)m3，配置2 個(gè)3 300 m3容積的甲醇燃料儲(chǔ)存艙，分別布置在機(jī)艙棚和居住艙室兩側(cè)，并下沉至機(jī)艙二甲板上（如圖1 所示）。

圖1 21 萬(wàn)t 甲醇雙燃料散貨船模型圖

甲醇燃料艙的布置對(duì)船舶主尺度和船體結(jié)構(gòu)完整性無(wú)影響，既未減少貨艙容量，也未影響貨物裝卸。甲醇燃料續(xù)航力長(zhǎng)達(dá)20 000 n mile，可以滿足船舶從中國(guó)至澳大利亞航運(yùn)2 個(gè)來(lái)回，或者從中國(guó)至巴西航運(yùn)1 個(gè)來(lái)回[1]。

對(duì)21 萬(wàn)t 常規(guī)燃料散貨船進(jìn)行雙燃料改型后，船舶主尺度和貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)完整性基本不變，盡量減少改型對(duì)船體設(shè)計(jì)和建造的影響。21 萬(wàn)t甲醇雙燃料散貨船與21 萬(wàn)t 常規(guī)燃料散貨船的主要參數(shù)對(duì)比詳見(jiàn)表1，其中燃料續(xù)航力是基于船舶設(shè)計(jì)吃水下，主機(jī)以持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)功率（continuous service rating, CSR）工況不間斷運(yùn)行，船舶服務(wù)航速14 kn 且考慮15%海上裕度的情況下計(jì)算得出的理論值。

表1 21 萬(wàn)t 甲醇雙燃料散貨船與21 萬(wàn)t 常規(guī)燃料散貨船的主要參數(shù)對(duì)比

船上配置了1 臺(tái)型號(hào)為MAN 6G70ME-C10.5-LGIM 的甲醇雙燃料二沖程低速柴油機(jī)，甲醇燃料供給壓力約1.3 MPa?？紤]到輸出功率為1 000 kW ～1 600 kW 的甲醇雙燃料主發(fā)電機(jī)組和甲醇雙燃料鍋爐技術(shù)尚不成熟，故主發(fā)電機(jī)組和鍋爐仍選用常規(guī)燃料設(shè)備。船舶動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)系數(shù)參見(jiàn)表2。

表2 船舶動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)

2 甲醇燃料特性

甲醇燃料是一種易燃、易爆、易揮發(fā)，有腐蝕性并且沸點(diǎn)低（約65 ℃）、閃點(diǎn)低（約12 ℃）的揮發(fā)性溶劑和輕質(zhì)燃料[2]。它具有毒性，對(duì)人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)有危害，大量攝入可能會(huì)導(dǎo)致失明、昏迷甚至死亡[2]。由于甲醇蒸氣比空氣重，因此也增加了船員吸入甲醇蒸氣的風(fēng)險(xiǎn)。如果在密閉空間或甲板上發(fā)生泄漏，應(yīng)小心處理。

甲醇主要特性見(jiàn)表3。其燃燒時(shí)，火焰在白天幾乎看不見(jiàn)而且沒(méi)有煙霧，所以不易被察覺(jué)。

表3 甲醇主要特性

甲醇燃料雖然具有一定的危險(xiǎn)性，但其可以在常溫下儲(chǔ)存，目前已經(jīng)在全球100 多個(gè)港口運(yùn)輸。與液化天然氣（liquefied natural gas, LNG）等同類(lèi)替代產(chǎn)品相比，甲醇的成本和安全優(yōu)勢(shì)顯著；而且，由于其在環(huán)境溫度和壓力下為無(wú)色液體，比LNG、氨燃料和氫燃料更易于儲(chǔ)存和處理，故用作船用燃料的挑戰(zhàn)也相對(duì)較小。此外，從環(huán)境角度來(lái)看，由于甲醇在有氧和水生環(huán)境中易于生物降解，在地表水中的半衰期也最多一周，因此即使發(fā)生泄漏或溢出，對(duì)海洋環(huán)境的影響也相對(duì)較小[2]。而當(dāng)甲醇是由CO2和綠色能源電解水產(chǎn)生的氫所合成的綠色甲醇時(shí)，作為燃料燃燒后便產(chǎn)生CO2和水，從而實(shí)現(xiàn)了碳中和。

與傳統(tǒng)燃料重燃油（heavy fuel oil, HFO）進(jìn)行對(duì)比，液化天然氣（LNG）、甲醇燃料（CH3OH）、氨燃料（NH3）、氫燃料（H2）的特性對(duì)比如下頁(yè)表4 所示。

表4 LNG、甲醇、氨、氫等燃料與HFO 特性對(duì)比表

3 甲醇燃料散貨船的設(shè)計(jì)研究

3.1 甲醇燃料艙的選型與布置

21 萬(wàn)t 甲醇雙燃料散貨船的開(kāi)發(fā)以常規(guī)燃料散貨船為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，保持船舶主尺度不變，僅對(duì)水線以上部分機(jī)艙區(qū)域的線形進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以便布置甲醇燃料儲(chǔ)存艙和甲醇燃料供給設(shè)備。貨艙段線形和分艙方案保持不變，從而最大限度地利用常規(guī)燃料船型的優(yōu)良線形。為滿足該船完成中國(guó)至澳大利亞航線往返2 次或者中國(guó)至巴西航線往返1 次，續(xù)航力需達(dá)到20 000 n mile。經(jīng)過(guò)估算，甲醇燃料艙的艙容總計(jì)約6 600 m3。

近年來(lái)，為了進(jìn)一步提高船舶的水動(dòng)力性能和推進(jìn)效率，21萬(wàn)t常規(guī)燃料散貨船尾部水下線形日益收窄，尾部甲板線形隨著水線不斷收縮，寬度也隨之減小，如圖2所示。

圖2 21萬(wàn)t常規(guī)燃料散貨船尾部甲板布置

此外，由于常規(guī)燃料散貨船的上層建筑寬度較大，因此上層建筑（簡(jiǎn)稱(chēng)“上建”）兩側(cè)沒(méi)有足夠的空間布置2×3 300 m3的甲醇燃料艙。

為了獲得足夠的空間來(lái)布置甲醇燃料艙，一方面參考集裝箱船的甲板邊線，將此散貨船的尾部甲板改為全寬型甲板；另一方面，將甲醇燃料艙下沉布置到機(jī)艙二甲板，同時(shí)收縮上層建筑的寬度，以確保能夠布置甲醇燃料艙。為彌補(bǔ)上層建筑收縮帶來(lái)的上建面積損失，對(duì)層高和艙室布置進(jìn)行優(yōu)化，增加一層上建，既保證了各功能艙室齊全，又使居住艙室達(dá)到傳統(tǒng)散貨船同等的舒適度。

2 個(gè)甲醇燃料艙均為普通鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)艙柜（內(nèi)表面噴涂特殊涂料），露天布置在船舶尾部上建艙室兩側(cè)，并嵌入主甲板面下（如下頁(yè)圖3 所示），四周以空艙圍隔[3]。

圖3 大型甲醇雙燃料散貨船總布置圖

此布置不影響裝卸貨操作與貨艙容量，也不影響船舶駕駛視線，還減少了替代燃料的應(yīng)用改型對(duì)船體設(shè)計(jì)和建造帶來(lái)的巨大成本影響。為保證甲板面上的通道空間，甲醇燃料艙與上建外壁之間距離約為2 m。甲醇燃料艙前端的極限位置不超過(guò)上建前壁，以避免裝卸貨時(shí)掉落貨物而對(duì)燃料艙造成損傷。

3.2 甲醇燃料設(shè)備間的布置

甲醇燃料設(shè)備間主要用于放置甲醇燃料供應(yīng)單元（包括供給泵、循環(huán)泵、換熱器）、主機(jī)甲醇燃料供給閥組單元，以及甲醇燃料相關(guān)的監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)、設(shè)備等[4]，如下頁(yè)圖4 所示。

圖4 甲醇燃料設(shè)備間布置圖

本船的甲醇燃料設(shè)備間布置在機(jī)艙棚后方開(kāi)敞的主甲板上，并位于2 個(gè)甲醇燃料艙中間（參見(jiàn)圖3），以便于甲醇燃料管路的布置。設(shè)備間的前壁與機(jī)艙棚后壁共用1 道“A-60”級(jí)防火分隔艙壁。甲醇燃料日用艙也布置在燃料設(shè)備間內(nèi)，艙容滿足使用8 h 的需求。若燃料設(shè)備間因尺寸受限而無(wú)法容納燃料供應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的所有配套設(shè)備，可以將水乙二醇單元、氮?dú)庀到y(tǒng)等輔助設(shè)備布置于燃料設(shè)備間外的處所（如舵機(jī)間或者機(jī)艙等安全區(qū)域）。

3.3 甲醇燃料加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

甲醇燃料系統(tǒng)包括甲醇燃料加注系統(tǒng)、供給系統(tǒng)，以及為這2 個(gè)系統(tǒng)提供功能支持的輔助系統(tǒng)。其中甲醇燃料加注系統(tǒng)包括加注站、燃料注入管、蒸發(fā)氣返回管、手動(dòng)/遙控關(guān)閉裝置、應(yīng)急切斷系統(tǒng)等，如圖5 所示。其中，甲醇燃料加注站是加注系統(tǒng)的重要組成部分。加注時(shí)，液體燃料通過(guò)液相總管進(jìn)入甲醇燃料艙內(nèi)，加注過(guò)程中產(chǎn)生的蒸發(fā)氣通過(guò)氣相總管回至岸上加注終端或加注船（參見(jiàn)圖5）。

圖5 甲醇燃料加注系統(tǒng)

考慮到大型散貨船充裝的靈活性，需在船舶主甲板左右兩側(cè)各布置1 個(gè)甲醇燃料加注站，使船舶在多種靠泊狀態(tài)下，兩側(cè)均可進(jìn)行甲醇燃料補(bǔ)給[5]。為保證加注效率，甲醇燃料加注站需盡量靠近甲醇燃料艙。由于散貨船尾部水線以下線形較窄，若加注站布置在船舶尾部，當(dāng)甲醇燃料加注船?？繒r(shí)，會(huì)處于尾部全寬主甲板下方，既不利于加注管路布置，也不利于加注過(guò)程中的觀察和控制[1]。所以，需將甲醇燃料加注站布置在線形平緩的平行中體區(qū)域內(nèi)。經(jīng)綜合考慮后，將加注站布置在8 號(hào)貨艙之前的主甲板兩側(cè)，如上頁(yè)圖3 所示。

3.4 甲醇燃料供給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

甲醇燃料供給系統(tǒng)的功能是將甲醇燃料日用艙內(nèi)的液體燃料經(jīng)過(guò)加壓、換熱等步驟，為雙燃料主機(jī)提供具有合適溫度、壓力和流量的甲醇燃料。甲醇燃料供給系統(tǒng)主要是由甲醇燃料輸送泵、甲醇燃料循環(huán)泵、水乙二醇換器單元、監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)、相關(guān)閥件和儀器儀表組成。

主機(jī)在甲醇燃料進(jìn)機(jī)前需配置甲醇燃料供給閥組單元（fuel valve train, FVT），目的是將進(jìn)機(jī)前的燃料進(jìn)行最后的過(guò)濾，以及溫度和壓力的調(diào)整，以供主機(jī)使用。本船的閥組單元為開(kāi)敞式結(jié)構(gòu)，布置在燃?xì)馓幚黹g內(nèi)。甲醇燃料供應(yīng)系統(tǒng)管路采取雙壁管，外管內(nèi)保持恒定的通風(fēng)氣流，并配置液體泄漏探測(cè)傳感器和甲醇?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)[6]。

甲醇燃料供給系統(tǒng)如圖6 所示。

圖6 甲醇燃料供給系統(tǒng)

3.5 甲醇燃料應(yīng)用的安全消防系統(tǒng)

為保證甲醇燃料的穩(wěn)定應(yīng)用，除了甲醇燃料供給系統(tǒng)本身外，船上還需為供給系統(tǒng)配置相應(yīng)的安全消防系統(tǒng)，包括氣體探測(cè)系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、應(yīng)急切斷系統(tǒng)、消防滅火系統(tǒng)等。

甲醇是可燃、易燃液體，甲醇水溶液即使在水的比例很高的情況下也能保持易燃性，25%體積的甲醇混合75%體積的水所形成的溶液仍舊屬于易燃液體。甲醇燃料消防系統(tǒng)除了為甲醇燃料艙及附近的上建艙壁配置水噴淋系統(tǒng)，還應(yīng)為加注站配置干粉滅火系統(tǒng)，并配置特殊的抗醇類(lèi)固定式泡沫滅火系統(tǒng)[3]，如下頁(yè)圖7 所示。

由于甲醇蒸汽的分子量略大于空氣、密度也相對(duì)較大，因此一旦機(jī)艙內(nèi)甲醇發(fā)生泄漏，液體會(huì)向機(jī)艙底部流動(dòng)，甲醇揮發(fā)氣也會(huì)向低洼地區(qū)聚集，所以機(jī)艙底層花鋼板以下也需配置抗醇類(lèi)泡沫噴嘴。

甲醇有毒但易溶于水，若有人員不小心暴露于甲醇揮發(fā)氣中，可立即使用足量清水進(jìn)行沖洗[7]。本船在左右加注站附近和甲醇設(shè)備間門(mén)外各設(shè)置了1 套緊急淋浴和沖眼設(shè)備，以備應(yīng)急之需。

4 對(duì)設(shè)計(jì)、建造、成本的影響分析

4.1 設(shè)計(jì)方面

（1）甲醇燃料動(dòng)力船舶方案是未來(lái)解決“雙碳”目標(biāo)的最可行方案之一。要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離航行，在加注設(shè)施不完善的條件下，需要較大的燃料儲(chǔ)罐，若布置在貨艙區(qū)，可能會(huì)降低貨艙容量，影響貨物裝卸。

（2）本船選擇常規(guī)鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)艙作為甲醇燃料儲(chǔ)存艙，容積約為傳統(tǒng)燃油艙的2.4 倍，四周布置隔離空艙，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需合理選擇空艙的尺寸，使之既滿足強(qiáng)度要求，又便于現(xiàn)場(chǎng)焊接施工。

（3）在裝載方面，相比常規(guī)21 萬(wàn)t 散貨船，甲醇燃料船計(jì)算的強(qiáng)度包絡(luò)值在中拱方面要大很多，如何降低中拱彎矩是進(jìn)一步深化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

（4）甲醇燃料有毒，在應(yīng)用時(shí)需要特別注意動(dòng)力系統(tǒng)和甲醇燃料存放系統(tǒng)的安全性。

（5）MAN 公司的G70 系列甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃于2024 年推出，輸出功率為1 000 kW ～ 1 600 kW的甲醇雙燃料主發(fā)電機(jī)組也尚在研發(fā)過(guò)程中。因?yàn)榧状既剂蠎?yīng)用設(shè)備的不確定性，所以目前相關(guān)的設(shè)計(jì)還未深入開(kāi)展，待相關(guān)設(shè)備的開(kāi)發(fā)研究逐漸完善后，將會(huì)進(jìn)一步深化相關(guān)設(shè)計(jì)。

4.2 建造方面

（1）由于甲醇是有毒化學(xué)品，因此在建造調(diào)試階段如何安全加注到所需的甲醇，還有待進(jìn)一步調(diào)研。

（2）甲醇對(duì)人體有毒，少量攝入即會(huì)導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的失明甚至死亡，所以調(diào)試過(guò)程中的安全問(wèn)題非常重要。由于目前沒(méi)有甲醇燃料加注和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，因此也需要進(jìn)行更深入的研究。

（3）本船選擇常規(guī)鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)艙作為甲醇燃料艙，內(nèi)部需采用無(wú)機(jī)硅酸鋅油漆特涂，對(duì)于結(jié)構(gòu)處理和漆膜厚度的要求較高且必須一次成型，故涂裝作業(yè)難度較大。

（4）由于甲醇燃燒火焰不產(chǎn)生煙霧或煙灰，因此煙霧探測(cè)器難以探測(cè)識(shí)別出因甲醇而引發(fā)的火災(zāi)。另外，由于火焰溫度較低，熱探測(cè)器式火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)對(duì)甲醇的探測(cè)也可能不可靠，所以需選擇合適的火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。

4.3 成本方面

由于目前只有少數(shù)極具實(shí)力的廠家進(jìn)行了甲醇燃料主機(jī)、主發(fā)電機(jī)組和鍋爐等設(shè)備的開(kāi)發(fā)，成本控制比較困難故當(dāng)甲醇燃料動(dòng)力船推向市場(chǎng)時(shí)，不利于接單。為了控制甲醇雙燃料船舶的建造成本，對(duì)于甲醇燃料的主機(jī)、發(fā)電機(jī)、鍋爐等設(shè)備，建議引入多家相關(guān)廠家進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)；供給系統(tǒng)在掌握其控制原理后，盡量從核心設(shè)備廠家直接購(gòu)買(mǎi)，避免采購(gòu)包過(guò)大。對(duì)于船廠來(lái)說(shuō)，甲醇燃料艙的涂裝及甲醇燃料系統(tǒng)安裝調(diào)試的工作量均會(huì)較常規(guī)燃料船舶有較大增加，故船塢和碼頭周期也需相應(yīng)增長(zhǎng)。

5 結(jié) 語(yǔ)

甲醇的閃點(diǎn)雖略低于柴油[8]，但其自燃點(diǎn)遠(yuǎn)高于柴油，故仍可視作船用內(nèi)燃機(jī)的安全燃料。而且甲醇在常溫、常壓下均為液態(tài)，安全易儲(chǔ)存，著火后用水撲滅即可，并且燃燒排放污染物中顆粒物和氮氧化物含量相對(duì)較低。

21 萬(wàn)t 甲醇燃料散貨船采用兼容傳統(tǒng)燃油和甲醇燃料的雙燃料動(dòng)力系統(tǒng)，不僅能夠大幅減少船舶碳氧化物、硫氧化物、氮氧化物、顆粒物、油渣等污染物的排放，而且可以進(jìn)一步降低船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)。

甲醇燃料與其他替代燃料相比，成本更為合理，但其供應(yīng)問(wèn)題卻是個(gè)挑戰(zhàn)。雖然如馬士基這樣的大企業(yè)可以通過(guò)采購(gòu)獲得持續(xù)的甲醇燃料供應(yīng)，但對(duì)于整個(gè)行業(yè)來(lái)說(shuō)，甲醇燃料供應(yīng)目前難度較大；而且除非以綠色方式生產(chǎn)甲醇，否則使用甲醇對(duì)于脫碳目標(biāo)并無(wú)實(shí)際意義。

在21 萬(wàn)t 散貨船上應(yīng)用甲醇燃料作為推進(jìn)動(dòng)力能源，可以滿足日益嚴(yán)苛的環(huán)保規(guī)范要求，增加其船舶市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。21 萬(wàn)t 甲醇雙燃料散貨船的研制成功將使我國(guó)設(shè)計(jì)建造超大型散貨船的水平提高到一個(gè)新高度，對(duì)擴(kuò)大我國(guó)在世界散貨船市場(chǎng)份額產(chǎn)生積極影響，同時(shí)帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其社會(huì)效益不可小覷。