氣體燃料在航運(yùn)業(yè)的應(yīng)用將是大勢所趨。未來，船舶設(shè)計、建造、操作乃至航運(yùn)企業(yè)的管理與航線分布都將隨著新型能源的應(yīng)用而發(fā)生實質(zhì)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(yù)定交付日期提前兩個月向TOTE海運(yùn)公司交付。“Isla Bella”號船設(shè)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(biāo)志著以LNG為代表的氣體燃料在船舶應(yīng)用上成功地從理論研究轉(zhuǎn)化為實踐。
船舶動力裝置多元化 氣體燃料將取代石油
據(jù)預(yù)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(fèi)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(fēng)能、太陽能、燃料電池等新能源技術(shù)。與傳統(tǒng)的石油相比，這些新能源普遍具有供應(yīng)充足、低碳環(huán)保、價格適中的特點(diǎn)，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(yùn)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(yùn)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(dāng)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?？扇急绊搸r氣等受目前技術(shù)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(chǎn)生硫氧化物，氣體燃燒所產(chǎn)生的氮氧化物與二氧化碳數(shù)量也遠(yuǎn)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(guān)于船用發(fā)動機(jī)排放指標(biāo)及船舶能效的嚴(yán)苛要求。隨著海運(yùn)環(huán)保要求日趨嚴(yán)格，在不遠(yuǎn)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(jī)受寵
氣體燃料發(fā)動機(jī)的問世使船舶采用氣體燃料作為主推進(jìn)能源成為可能。氣體燃料發(fā)動機(jī)的工作原理與柴油機(jī)相似，由于著火溫度比燃油高，這類發(fā)動機(jī)在使用電火花點(diǎn)火時，因電火花釋放的能量偏小，一次性點(diǎn)燃大量燃料可能致燃料著火情況不穩(wěn)定；且電火花點(diǎn)火時發(fā)動機(jī)的壓縮比必須適當(dāng)降低，否則氣體容易產(chǎn)生爆燃現(xiàn)象。由于這些原因，早期的氣體燃料發(fā)動機(jī)無法單獨(dú)用于船舶主推進(jìn)，只能采用電力推進(jìn)的模式，即由多臺氣體燃料發(fā)動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)組提供電能，再由電動機(jī)驅(qū)動船舶推進(jìn)器以解決氣體燃料發(fā)動機(jī)單機(jī)功率不足的問題。然而電力推進(jìn)的船舶輸配電系統(tǒng)非常復(fù)雜，推進(jìn)電機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備采購與維護(hù)費(fèi)用很高。同時，中高速氣體燃料發(fā)動機(jī)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(fù)荷有特殊要求的船舶上應(yīng)用。
隨著近年來稀薄燃燒、多點(diǎn)均勻點(diǎn)火以及雙燃料燃燒等關(guān)鍵技術(shù)的突破，氣體燃料發(fā)動機(jī)單機(jī)功率開始增加，使船舶單獨(dú)采用氣體燃料發(fā)動機(jī)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(jī)推進(jìn)裝置非常相似。采用這種動力裝置無需改變現(xiàn)有船舶機(jī)艙布局，且原來已熟悉柴油機(jī)操作的船員稍加培訓(xùn)即可適應(yīng)相關(guān)的操作，因此低速氣體燃料發(fā)動機(jī)和雙燃料發(fā)動機(jī)的概念一經(jīng)推出就受到國際航運(yùn)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(shè)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(nèi)河船舶上成功應(yīng)用的案例，然而氣體燃料應(yīng)用于集裝箱船對全球海運(yùn)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(shè)計中的難題。盡管在總?cè)紵裏嶂迪嗤那闆r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(fēng)險，這將進(jìn)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(shè)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(yùn)危險品的方法可以將LNG儲罐與船上載運(yùn)的危險品有效隔離；將燃料儲罐布置在自然通風(fēng)良好的甲板開敞位置可盡最大可能避免可燃?xì)怏w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?xì)怏w泄漏到船員生活區(qū)。另外，由于船舶尾部結(jié)構(gòu)的損壞一般不會引起船舶結(jié)構(gòu)總體失效，一旦發(fā)生LNG泄漏對船舶總體結(jié)構(gòu)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(dǎo)致的LNG儲罐損壞，將風(fēng)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(shè)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(yīng)用而損失約200～250TEU的載貨量。但是，船舶設(shè)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(dāng)于減少1.57萬輛汽車的排放量。從長遠(yuǎn)角度看，“Isla Bella”號船較那些采用柴油機(jī)動力裝置的船舶潛在的綜合經(jīng)濟(jì)與環(huán)保效益將非?？捎^。
相對那些主尺度較大，從事遠(yuǎn)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(yīng)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(yīng)用并非偶然。
然而受目前技術(shù)條件限制，低速氣體燃料發(fā)動機(jī)高壓縮比時的爆燃問題目前依然無法解決，而采取對燃?xì)獗旧砑訅簩?dǎo)致燃料噴射口位置的壓力很高而增加額外的風(fēng)險。雖然應(yīng)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(chǎn)生一種酸性物質(zhì)，從而發(fā)生燃燒室位置腐蝕。因此雙燃料發(fā)動機(jī)每運(yùn)行2～3個月就須停機(jī)維護(hù)，而這必將增加船舶營運(yùn)管理難度。由于目前的氣體燃料發(fā)動機(jī)或雙燃料發(fā)動機(jī)尚不足以滿足大型船舶對于推進(jìn)動力的需求，未來的大型遠(yuǎn)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(shè)計理念
從目前公布的設(shè)計方案來看，由達(dá)飛輪船與挪威船級社聯(lián)合發(fā)布Piston Engine Room Free Efficient Containership（PERFECt）設(shè)計理念所采用的是一種類似電力推進(jìn)的動力裝置，即通過蒸汽輪機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合動力裝置（COGAS）組成的原動機(jī)組驅(qū)動發(fā)電機(jī)向中央電站供電，而船舶推進(jìn)器采用3臺電動機(jī)聯(lián)合驅(qū)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(hù)系統(tǒng)，這對于氣體燃料發(fā)動機(jī)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(hù)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(shè)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?，也更適合于遠(yuǎn)洋船舶。
PERFECt設(shè)計理念中COGAS的采用在顛覆傳統(tǒng)船舶設(shè)計理念的同時也給未來大型船舶的設(shè)計帶來了意外驚喜。與功率相同的柴油機(jī)相比，COGAS中的蒸汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)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(jī)械設(shè)備成為了可能，意味著采用PERFECt設(shè)計理念的船舶機(jī)艙將比傳統(tǒng)的柴油機(jī)和氣體燃料發(fā)動機(jī)小很多。機(jī)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(jīng)濟(jì)性的提升具有非常重要的意義。
COGAS相對于大型低速柴油機(jī)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(hù)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(jù)市場需求靈活地調(diào)整船舶航速，從而大大提高這類船舶在航運(yùn)市場上的競爭力。相對具有最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的活塞式發(fā)動機(jī)而言，采用電力推進(jìn)的船舶不存在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)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(fèi)用。
PERFECt設(shè)計理念對于現(xiàn)代航運(yùn)業(yè)最大的貢獻(xiàn)在于成功解決了蒸汽輪機(jī)熱效率過低和燃?xì)廨啓C(jī)燃料成本過高的難題。盡管蒸汽輪機(jī)可以燃燒煤炭、渣油等劣質(zhì)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(jī)相比，燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率可達(dá)40%，與中速柴油機(jī)相當(dāng)，然而燃?xì)廨啓C(jī)燃燒所需的高品質(zhì)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(yùn)輸船外，絕大部分民用運(yùn)輸船舶采用的都是柴油機(jī)動力裝置。PERFECt設(shè)計理念的提出使蒸汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)這兩類動力裝置重新回歸航運(yùn)業(yè)成為可能，未來的船舶動力裝置供應(yīng)市場將呈現(xiàn)一種更多元化的發(fā)展。
船管和船員培訓(xùn)的變革
未來氣體燃料在航運(yùn)業(yè)的廣泛應(yīng)用也將引發(fā)船舶管理和船員培訓(xùn)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(fēng)險性，因此使用氣體燃料的船舶需要采取更多的風(fēng)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?xì)怏w的壓力容器一旦發(fā)生爆炸其后果將是災(zāi)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(dǎo)致其周邊鋼材韌性下降，進(jìn)而嚴(yán)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(fēng)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(xùn)體系將隨著氣體燃料的應(yīng)用而發(fā)生變化。國際知名咨詢機(jī)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)，并分別為各個級別的海員規(guī)定最低經(jīng)驗接受標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)SIGTTO的標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)一名LNG船船長或輪機(jī)長理論上至少需要10年的時間。為此，國際通行的船員培訓(xùn)體系，特別是輪機(jī)員培訓(xùn)體系將會隨著氣體燃料的廣泛應(yīng)用而發(fā)生顯著變化。
輪機(jī)部或?qū)⑷∠?br /> PERFECt設(shè)計理念的提出可能導(dǎo)致未來的船舶完全取消輪機(jī)部，進(jìn)而大幅降低海運(yùn)人力資源成本。自從輪船全面取代帆船以來，船舶操作團(tuán)隊中就開始出現(xiàn)輪機(jī)部以處理船舶航行過程中可能發(fā)生的機(jī)械故障，確保船舶航行安全。然而蒸汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理比柴油機(jī)簡單，實現(xiàn)遙控操作也更為容易。因此采用類似PERFECt設(shè)計理念中COGAS的船舶，其動力設(shè)備連續(xù)無故障運(yùn)行的時間更長，這類船舶上所需配備的輪機(jī)部船員有望進(jìn)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(jī)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(yùn)業(yè)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用增加了不少懸念，然而從長遠(yuǎn)的角度來看全球石油資源的日趨枯竭必將導(dǎo)致油價上漲，日趨提高的環(huán)保意識將進(jìn)一步提升未來燃油的使用成本。與此同時，隨著開采技術(shù)的不斷進(jìn)步，以LNG為代表的氣體燃料在未來的應(yīng)用成本有望進(jìn)一步下降。從這個角度來看，未來氣體燃料在航運(yùn)業(yè)的應(yīng)用將是大勢所趨。未來的船舶設(shè)計、建造、操作乃至航運(yùn)企業(yè)的管理和航線分布都將隨著新型能源的應(yīng)用而發(fā)生實質(zhì)性的轉(zhuǎn)變，氣體燃料的應(yīng)用必將引發(fā)航運(yùn)業(yè)的新一輪革命。
