賀明鳴，劉晶晶

（中船郵輪科技發(fā)展有限公司，上海 200137）

0 引言

2016年起，進入排放控制區(qū)的船舶，需滿足國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）Tier Ⅲ排放標準的要求，排放控制區(qū)外的船舶需滿足Tier Ⅱ排放標準的要求。由于大部分郵輪市場位于排放控制區(qū)內(nèi)，因此IMO新規(guī)對新造郵輪的影響非常明顯。2020年起，排放限制區(qū)內(nèi)船用燃料的含硫量（質(zhì)量分數(shù)，下同）不得超過0.1%，排放限制區(qū)外含硫量不得超過 0.5%。2020年，IMO海洋環(huán)境保護委員會（Marine Environment Protection Committee，MEPC）第75屆會議指出：船舶能效設(shè)計指數(shù)（Energy Efficiency Design Index，EEDI）第3階段（Phase 3）對于集裝箱船、大型氣體運輸船、普通貨船、液化天然氣運輸船和具有非常規(guī)推進的郵輪客船的生效日期從2025年1月1日提前至2022年4月1日。國際郵輪協(xié)會（Cruise Lines International Association，CLIA）承諾：到2030年，全球郵輪船隊的碳排放率在2008年的基礎(chǔ)上降低40%，各大郵輪公司也紛紛響應(yīng)，相繼出臺各自的節(jié)能減排目標。

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）作為一種重要的清潔能源，受到越來越多的青睞，大部分大型郵輪新訂單采用LNG動力船型。本文對LNG動力郵輪的研究現(xiàn)狀進行介紹，并對LNG動力郵輪的主要技術(shù)特點進行詳細分析。

1 LNG動力郵輪概況

各項排放要求及應(yīng)對方案見表1。由表1可知，采用 LNG燃料可同時滿足所有排放要求，故越來越多的郵輪船東選擇 LNG作為燃料。相較于傳統(tǒng)燃油，LNG燃料具有熱值高、含硫量極低、氮氧化物和顆粒物排放少等優(yōu)點，是一種重要的清潔能源。與燃油船舶相比，LNG動力船的硫排放降低100%、氮排放降低85%、顆粒物排放降低98%、CO排放降低30%。據(jù)相關(guān)研究，相比于25～50 MW柴油發(fā)動機，LNG低壓雙燃料發(fā)動機及C型燃料罐僅需增加成本1 500萬～3 000萬美元。對于一艘造價近10億美元的郵輪來說，采用LNG燃料是滿足排放要求的最低成本方案。

表1 各項排放要求及應(yīng)對方案

相比于重油和柴油等傳統(tǒng)燃料，LNG對加注方式、儲存條件和發(fā)動機技術(shù)的要求均更為嚴格。LNG加注對安全性的要求非常高，目前主流的LNG加注方式包括岸站對船加注、槽車對船加注和船對船加注。LNG需要儲存在-163 ℃的低溫儲存艙內(nèi)，儲存難度較大。由于現(xiàn)階段LNG雙燃料發(fā)動機的技術(shù)限制，LNG燃燒過程會產(chǎn)生較嚴重的甲烷逃逸，若考慮到LNG從開采到燃燒的整個階段，則逃逸的甲烷量更多。甲烷屬于溫室氣體，其溫室效應(yīng)是CO的20倍以上。

相較于普通燃油，LNG的密度更低，在保持船舶續(xù)航力不變的前提下，LNG所需的艙容是燃油艙容的2倍左右。從郵輪總布置來看，燃油動力郵輪的油艙通常布置在雙層底，而LNG則需要布置在船中區(qū)域，并占據(jù)很大空間。由于C型儲罐空間利用率較低，替代2 000 m的燃油，需要約7 000 m的空間來布置C型儲罐，這對本來空間就很緊張的郵輪提出了新的挑戰(zhàn)。為騰出C型儲罐布置空間，往往采取增加船舶總噸位的方式，這也將進一步促進郵輪向大型化發(fā)展。

大型郵輪的 LNG化是未來的發(fā)展趨勢，根據(jù)2020—2027年的訂單數(shù)據(jù)，2020年之后交船的14萬總噸以上的大型郵輪中，LNG郵輪有22艘，占比約6成。截至2020年底，嘉年華郵輪集團共訂造了11艘LNG動力郵輪，地中海郵輪公司也訂造了4艘新一代“世界級”LNG動力郵輪。

2 LNG動力郵輪主要技術(shù)特點

2.1 LNG安全

LNG的燃點很高，不容易被直接點燃，其屬于深冷液體，常壓下的儲存溫度為-163 ℃，若在船上發(fā)生泄漏，會造成船體結(jié)構(gòu)脆斷、人員低溫凍傷等嚴重事故。LNG氣化后的天然氣屬于易燃易爆氣體，且閃點低，易造成爆炸事故。因此，LNG動力船應(yīng)為LNG系統(tǒng)配備合適的泄漏保護、安全監(jiān)控和緊急切斷等防護措施。

相較于普通郵輪，LNG動力郵輪需要具備更高的安全防護等級。船舶在設(shè)計時應(yīng)充分考慮危險區(qū)域的劃分，盡量避免LNG泄漏到乘客區(qū)域。對LNG系統(tǒng)設(shè)計進行風(fēng)險評估是必不可少的程序。迄今為止，LNG動力船舶的事故率非常低，安全性很高，可滿足郵輪的安全要求。

2.2 雙燃料發(fā)動機

目前LNG動力郵輪均采用LNG和燃油的雙燃料模式，雙燃料使運營更靈活，能適應(yīng)郵輪全球航行的特點。在排放限制區(qū)內(nèi)，使用LNG作為燃料；在排放限制區(qū)之外，若LNG獲得性較差，則可以切換為燃油。此外，郵輪需滿足安全返港的要求，在緊急情況下使用燃油，可避免配備2套冗余LNG系統(tǒng)，顯著降低建造成本。

雙燃料發(fā)動機可在燃油模式和LNG模式間自由切換：在燃油模式下的雙燃料發(fā)動機與普通燃油發(fā)動機類似；在LNG模式下，由于天然氣的燃點比燃油高，需在噴入燃氣的同時噴入少量燃油作為點火油，燃油壓縮自燃后引燃天然氣。

按照沖程數(shù)量，雙燃料發(fā)動機可分為二沖程發(fā)動機和四沖程發(fā)動機；按照循環(huán)形式，雙燃料發(fā)動機可分為狄塞爾發(fā)動機和奧托發(fā)動機。

狄塞爾雙燃料發(fā)動機的優(yōu)點是燃燒充分、熱效率高、甲烷逃逸少。但由于燃燒溫度高，不論燃料是柴油還是天然氣，都會排放出氮氧化物，為滿足IMO Tier Ⅲ對氮氧化物的排放要求，狄塞爾雙燃料發(fā)動機需要配備脫硝裝置，這會增加成本。目前市場上，狄塞爾雙燃料發(fā)動機只有二沖程的，四沖程狄塞爾雙燃料發(fā)動機還在研發(fā)之中。二沖程發(fā)動機是油船、散貨船和集裝箱船的首選發(fā)動機類型。與四沖程發(fā)動機相比，二沖程發(fā)動機功率較大，且單位油耗略低，但二沖程發(fā)動機對船內(nèi)高度要求較高，成本更高，且噪聲較大?？紤]到空間限制和噪聲因素，郵輪一般不會采用二沖程發(fā)動機。

在奧托雙燃料發(fā)動機中，天然氣是在低壓下注入的。奧托雙燃料發(fā)動機的氮氧化物排放很低，不需經(jīng)過額外處理就能滿足IMO Tier Ⅲ的相關(guān)要求，但該發(fā)動機天然氣燃料燃燒不充分，甲烷逃逸較為嚴重。低壓雙燃料四沖程中速機是當(dāng)前銷量最高的機型，全球約有300艘LNG動力船采用這種機型，其中包括13艘郵輪。LNG動力郵輪大多采用該機型：在燃氣模式時，采用奧托循環(huán)；在燃油模式時，切換為狄塞爾循環(huán)。

2.3 LNG系統(tǒng)布置

LNG燃料艙可分為獨立艙和薄膜艙。獨立艙主要形式為C型艙。LNG動力船大多采用C型艙，部分小型郵輪采用薄膜艙。

C型艙屬于獨立型燃料艙，耐壓能力強，技術(shù)成熟，且罐體與船體分開建造，建造難度和成本較低。由于C型艙的罐體為桶形，與船體結(jié)構(gòu)艙壁之間的無效空間較大，因此，C型艙的利用率較低。薄膜艙對施工工藝的要求較為嚴格，建造難度大，成本也相對較高。薄膜艙的形狀設(shè)計較為靈活，可根據(jù)船體結(jié)構(gòu)布置屏蔽膜和保溫層，因此薄膜艙的利用率較高。在裝載量方面，C型艙與薄膜艙也有區(qū)別。C型艙墊底液位不能太低，防止熱脹冷縮導(dǎo)致過大的罐體變形，進而造成外部保溫層開裂。C型艙最小裝載量為5%，實際運營最大裝載量為89%，可使用的凈容積為 84%。薄膜艙的主屏蔽膜很薄，且有褶皺，可在熱脹冷縮情況下實現(xiàn)不泄漏，因此，薄膜艙允許較低的墊底液位。由于不需要保持氣相壓力，薄膜艙的最大裝載量可達97%，可使用的凈容積為95%。

C型LNG儲罐在船上的布置分為2種形式：布置于開敞甲板上或圍蔽處所內(nèi)。開敞甲板布置方式需要主甲板具備足夠的空間，適合于油船和化學(xué)品船等?？紤]到安全和美觀原因，郵輪的LNG儲罐布置在主甲板以下的獨立艙室內(nèi)。儲罐處所應(yīng)進行通風(fēng)處理，并設(shè)有固定式滅火裝置，以及可燃氣體和火災(zāi)探測系統(tǒng)。薄膜艙需利用船體結(jié)構(gòu)作為支撐，因而只能布置在船體內(nèi)。

LNG動力船除LNG儲罐外還需配備LNG氣化系統(tǒng)、加熱循環(huán)系統(tǒng)、LNG加注站、供氣管路和安全系統(tǒng)等。

2.4 大型郵輪和小型郵輪

大型郵輪的主流船型都在向LNG動力船轉(zhuǎn)變，而小型郵輪仍在尋求其他更環(huán)保的燃料，其中也有少量小型郵輪采用 LNG作為燃料。大型郵輪一般采用C型艙，而中小型郵輪一般采用薄膜艙。這種差異主要是因為中小型郵輪的空間更緊湊，且對造價敏感度較低，因而選擇空間利用率更高但造價更貴的薄膜艙。

2.5 LNG加注

目前主流的LNG加注方式包括岸站對船加注、槽車對船加注和船對船加注，其中最具發(fā)展前景的是通過加注船進行加注。加注船一般通過柔性管和快速接頭與受注船相連，該加注方式機動性好、受碼頭限制少、加注效率高、加注時不影響碼頭上下客和貨物裝卸、不需要對碼頭進行大規(guī)模改造。因此，郵輪大多通過加注船進行加注。至2021年初，全球運營的LNG加注船共有22艘。為保證安全穩(wěn)定的LNG供應(yīng)，嘉年華郵輪集團與荷蘭皇家殼牌石油公司簽訂LNG加注協(xié)議，后者將配備2艘LNG加注船為嘉年華郵輪集團的郵輪提供服務(wù)。

2.6 LNG冷能

LNG冷能屬于高品質(zhì)低溫冷能，某13萬噸的LNG動力郵輪的冷庫總制冷量約為600 kW，每日LNG消耗量約為100 t，每日LNG氣化釋放的冷量約為8.41×10kJ，制冷功率為973 kW，其冷能完全滿足冷庫的制冷需求，并能將剩余的冷能供給空調(diào)系統(tǒng)。

2.7 甲烷逃逸

天然氣的主要成分為甲烷。據(jù)研究，甲烷的溫室效應(yīng)比CO更為明顯。從100年的時間范圍來看，甲烷的增溫潛力值是CO的28～36倍；從20年的短期范圍看，甲烷的增溫潛力值是CO的84～87倍。

IMO研究報告表明：2012—2018年期間，航運業(yè)的甲烷排放量增長了 150%，這主要是由于以LNG為燃料的船舶數(shù)量增加。

LNG的開采、運輸及燃燒過程會造成大量的甲烷逃逸?，F(xiàn)階段，LNG動力船舶雖可滿足 EEDI的相關(guān)要求，但無法限制溫室氣體的排放。這是因為IMO規(guī)范僅考慮了CO，并未將逃逸的甲烷考慮在溫室氣體的范圍內(nèi)。據(jù)研究，低壓四沖程 LNG雙燃料發(fā)動機溫室氣體的排放量相當(dāng)于普通柴油機的1.55倍。因此，現(xiàn)階段的LNG動力船舶并不能真正減少溫室氣體的排放。

3 結(jié)論

LNG是一種熱值高、含硫量極低、氮氧化物和顆粒物排放少的清潔能源。大型郵輪向LNG動力郵輪方向發(fā)展是未來的主要趨勢。本文對LNG動力郵輪的研究現(xiàn)狀進行介紹，并對 LNG動力郵輪的主要技術(shù)特點進行詳細分析。研究表明：LNG動力郵輪可輕松滿足EEDI Phase 3的排放要求；LNG的開采、運輸和燃燒過程會產(chǎn)生大量的甲烷逃逸，雖然發(fā)動機產(chǎn)生的CO減少了，但逃逸的甲烷會造成更嚴重的溫室效應(yīng)。