LNG动力邮轮技术特点及现状分析

贺明鸣，刘晶晶

（中船邮轮科技发展有限公司，上海 200137）

0 引言

2016年起，进入排放控制区的船舶，需满足国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）Tier Ⅲ排放标准的要求，排放控制区外的船舶需满足Tier Ⅱ排放标准的要求。由于大部分邮轮市场位于排放控制区内，因此IMO新规对新造邮轮的影响非常明显。2020年起，排放限制区内船用燃料的含硫量（质量分数，下同）不得超过0.1%，排放限制区外含硫量不得超过 0.5%。2020年，IMO海洋环境保护委员会（Marine Environment Protection Committee，MEPC）第75届会议指出：船舶能效设计指数（Energy Efficiency Design Index，EEDI）第3阶段（Phase 3）对于集装箱船、大型气体运输船、普通货船、液化天然气运输船和具有非常规推进的邮轮客船的生效日期从2025年1月1日提前至2022年4月1日。国际邮轮协会（Cruise Lines International Association，CLIA）承诺：到2030年，全球邮轮船队的碳排放率在2008年的基础上降低40%，各大邮轮公司也纷纷响应，相继出台各自的节能减排目标。

液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）作为一种重要的清洁能源，受到越来越多的青睐，大部分大型邮轮新订单采用LNG动力船型。本文对LNG动力邮轮的研究现状进行介绍，并对LNG动力邮轮的主要技术特点进行详细分析。

1 LNG动力邮轮概况

各项排放要求及应对方案见表1。由表1可知，采用 LNG燃料可同时满足所有排放要求，故越来越多的邮轮船东选择 LNG作为燃料。相较于传统燃油，LNG燃料具有热值高、含硫量极低、氮氧化物和颗粒物排放少等优点，是一种重要的清洁能源。与燃油船舶相比，LNG动力船的硫排放降低100%、氮排放降低85%、颗粒物排放降低98%、CO排放降低30%。据相关研究，相比于25～50 MW柴油发动机，LNG低压双燃料发动机及C型燃料罐仅需增加成本1 500万～3 000万美元。对于一艘造价近10亿美元的邮轮来说，采用LNG燃料是满足排放要求的最低成本方案。

表1 各项排放要求及应对方案

相比于重油和柴油等传统燃料，LNG对加注方式、储存条件和发动机技术的要求均更为严格。LNG加注对安全性的要求非常高，目前主流的LNG加注方式包括岸站对船加注、槽车对船加注和船对船加注。LNG需要储存在-163 ℃的低温储存舱内，储存难度较大。由于现阶段LNG双燃料发动机的技术限制，LNG燃烧过程会产生较严重的甲烷逃逸，若考虑到LNG从开采到燃烧的整个阶段，则逃逸的甲烷量更多。甲烷属于温室气体，其温室效应是CO的20倍以上。

相较于普通燃油，LNG的密度更低，在保持船舶续航力不变的前提下，LNG所需的舱容是燃油舱容的2倍左右。从邮轮总布置来看，燃油动力邮轮的油舱通常布置在双层底，而LNG则需要布置在船中区域，并占据很大空间。由于C型储罐空间利用率较低，替代2 000 m的燃油，需要约7 000 m的空间来布置C型储罐，这对本来空间就很紧张的邮轮提出了新的挑战。为腾出C型储罐布置空间，往往采取增加船舶总吨位的方式，这也将进一步促进邮轮向大型化发展。

大型邮轮的 LNG化是未来的发展趋势，根据2020—2027年的订单数据，2020年之后交船的14万总吨以上的大型邮轮中，LNG邮轮有22艘，占比约6成。截至2020年底，嘉年华邮轮集团共订造了11艘LNG动力邮轮，地中海邮轮公司也订造了4艘新一代“世界级”LNG动力邮轮。

2 LNG动力邮轮主要技术特点

2.1 LNG安全

LNG的燃点很高，不容易被直接点燃，其属于深冷液体，常压下的储存温度为-163 ℃，若在船上发生泄漏，会造成船体结构脆断、人员低温冻伤等严重事故。LNG气化后的天然气属于易燃易爆气体，且闪点低，易造成爆炸事故。因此，LNG动力船应为LNG系统配备合适的泄漏保护、安全监控和紧急切断等防护措施。

相较于普通邮轮，LNG动力邮轮需要具备更高的安全防护等级。船舶在设计时应充分考虑危险区域的划分，尽量避免LNG泄漏到乘客区域。对LNG系统设计进行风险评估是必不可少的程序。迄今为止，LNG动力船舶的事故率非常低，安全性很高，可满足邮轮的安全要求。

2.2 双燃料发动机

目前LNG动力邮轮均采用LNG和燃油的双燃料模式，双燃料使运营更灵活，能适应邮轮全球航行的特点。在排放限制区内，使用LNG作为燃料；在排放限制区之外，若LNG获得性较差，则可以切换为燃油。此外，邮轮需满足安全返港的要求，在紧急情况下使用燃油，可避免配备2套冗余LNG系统，显著降低建造成本。

双燃料发动机可在燃油模式和LNG模式间自由切换：在燃油模式下的双燃料发动机与普通燃油发动机类似；在LNG模式下，由于天然气的燃点比燃油高，需在喷入燃气的同时喷入少量燃油作为点火油，燃油压缩自燃后引燃天然气。

按照冲程数量，双燃料发动机可分为二冲程发动机和四冲程发动机；按照循环形式，双燃料发动机可分为狄塞尔发动机和奥托发动机。

狄塞尔双燃料发动机的优点是燃烧充分、热效率高、甲烷逃逸少。但由于燃烧温度高，不论燃料是柴油还是天然气，都会排放出氮氧化物，为满足IMO Tier Ⅲ对氮氧化物的排放要求，狄塞尔双燃料发动机需要配备脱硝装置，这会增加成本。目前市场上，狄塞尔双燃料发动机只有二冲程的，四冲程狄塞尔双燃料发动机还在研发之中。二冲程发动机是油船、散货船和集装箱船的首选发动机类型。与四冲程发动机相比，二冲程发动机功率较大，且单位油耗略低，但二冲程发动机对船内高度要求较高，成本更高，且噪声较大。考虑到空间限制和噪声因素，邮轮一般不会采用二冲程发动机。

在奥托双燃料发动机中，天然气是在低压下注入的。奥托双燃料发动机的氮氧化物排放很低，不需经过额外处理就能满足IMO Tier Ⅲ的相关要求，但该发动机天然气燃料燃烧不充分，甲烷逃逸较为严重。低压双燃料四冲程中速机是当前销量最高的机型，全球约有300艘LNG动力船采用这种机型，其中包括13艘邮轮。LNG动力邮轮大多采用该机型：在燃气模式时，采用奥托循环；在燃油模式时，切换为狄塞尔循环。

2.3 LNG系统布置

LNG燃料舱可分为独立舱和薄膜舱。独立舱主要形式为C型舱。LNG动力船大多采用C型舱，部分小型邮轮采用薄膜舱。

C型舱属于独立型燃料舱，耐压能力强，技术成熟，且罐体与船体分开建造，建造难度和成本较低。由于C型舱的罐体为桶形，与船体结构舱壁之间的无效空间较大，因此，C型舱的利用率较低。薄膜舱对施工工艺的要求较为严格，建造难度大，成本也相对较高。薄膜舱的形状设计较为灵活，可根据船体结构布置屏蔽膜和保温层，因此薄膜舱的利用率较高。在装载量方面，C型舱与薄膜舱也有区别。C型舱垫底液位不能太低，防止热胀冷缩导致过大的罐体变形，进而造成外部保温层开裂。C型舱最小装载量为5%，实际运营最大装载量为89%，可使用的净容积为 84%。薄膜舱的主屏蔽膜很薄，且有褶皱，可在热胀冷缩情况下实现不泄漏，因此，薄膜舱允许较低的垫底液位。由于不需要保持气相压力，薄膜舱的最大装载量可达97%，可使用的净容积为95%。

C型LNG储罐在船上的布置分为2种形式：布置于开敞甲板上或围蔽处所内。开敞甲板布置方式需要主甲板具备足够的空间，适合于油船和化学品船等。考虑到安全和美观原因，邮轮的LNG储罐布置在主甲板以下的独立舱室内。储罐处所应进行通风处理，并设有固定式灭火装置，以及可燃气体和火灾探测系统。薄膜舱需利用船体结构作为支撑，因而只能布置在船体内。

LNG动力船除LNG储罐外还需配备LNG气化系统、加热循环系统、LNG加注站、供气管路和安全系统等。

2.4 大型邮轮和小型邮轮

大型邮轮的主流船型都在向LNG动力船转变，而小型邮轮仍在寻求其他更环保的燃料，其中也有少量小型邮轮采用 LNG作为燃料。大型邮轮一般采用C型舱，而中小型邮轮一般采用薄膜舱。这种差异主要是因为中小型邮轮的空间更紧凑，且对造价敏感度较低，因而选择空间利用率更高但造价更贵的薄膜舱。

2.5 LNG加注

目前主流的LNG加注方式包括岸站对船加注、槽车对船加注和船对船加注，其中最具发展前景的是通过加注船进行加注。加注船一般通过柔性管和快速接头与受注船相连，该加注方式机动性好、受码头限制少、加注效率高、加注时不影响码头上下客和货物装卸、不需要对码头进行大规模改造。因此，邮轮大多通过加注船进行加注。至2021年初，全球运营的LNG加注船共有22艘。为保证安全稳定的LNG供应，嘉年华邮轮集团与荷兰皇家壳牌石油公司签订LNG加注协议，后者将配备2艘LNG加注船为嘉年华邮轮集团的邮轮提供服务。

2.6 LNG冷能

LNG冷能属于高品质低温冷能，某13万吨的LNG动力邮轮的冷库总制冷量约为600 kW，每日LNG消耗量约为100 t，每日LNG气化释放的冷量约为8.41×10kJ，制冷功率为973 kW，其冷能完全满足冷库的制冷需求，并能将剩余的冷能供给空调系统。

2.7 甲烷逃逸

天然气的主要成分为甲烷。据研究，甲烷的温室效应比CO更为明显。从100年的时间范围来看，甲烷的增温潜力值是CO的28～36倍；从20年的短期范围看，甲烷的增温潜力值是CO的84～87倍。

IMO研究报告表明：2012—2018年期间，航运业的甲烷排放量增长了 150%，这主要是由于以LNG为燃料的船舶数量增加。

LNG的开采、运输及燃烧过程会造成大量的甲烷逃逸。现阶段，LNG动力船舶虽可满足 EEDI的相关要求，但无法限制温室气体的排放。这是因为IMO规范仅考虑了CO，并未将逃逸的甲烷考虑在温室气体的范围内。据研究，低压四冲程 LNG双燃料发动机温室气体的排放量相当于普通柴油机的1.55倍。因此，现阶段的LNG动力船舶并不能真正减少温室气体的排放。

3 结论

LNG是一种热值高、含硫量极低、氮氧化物和颗粒物排放少的清洁能源。大型邮轮向LNG动力邮轮方向发展是未来的主要趋势。本文对LNG动力邮轮的研究现状进行介绍，并对 LNG动力邮轮的主要技术特点进行详细分析。研究表明：LNG动力邮轮可轻松满足EEDI Phase 3的排放要求；LNG的开采、运输和燃烧过程会产生大量的甲烷逃逸，虽然发动机产生的CO减少了，但逃逸的甲烷会造成更严重的温室效应。