Vista级邮轮燃用液化天然气可行性分析

陈 熙，谭跃鳞，李 鑫

（中船邮轮科技发展有限公司，上海 200137）

0 引言

根据国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）海洋环境保护委员会（Marine Environment Protection Committee，MEPC）制定的MARPOL Annex Ⅵ（MEPC.251(66)）的相关要求，在全球范围内执行0.50%的硫氧化物排放限制标准，在排放限制区内更是低至0.10%。对于氮氧化物，2021年1月1日起在排放控制区内执行第三级排放标准（Tier Ⅲ）。此外，为限制温室气体排放，将于2025年1月1日起实施船舶能效设计指数第三阶段标准（EEDI Phase 3）。相较于传统燃油，采用液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）燃料可大幅减少硫氧化物和氮氧化物的排放，有效减少CO的排放。作为应对新排放法规的可选方案之一，本文对 Vista级大型邮轮燃用天然气进行全面评估，分析采用LNG动力的可行性。

1 船型参数

目前，Vista级邮轮可满足能效设计指数第二阶段标准（EEDI Phase 2），在无尾气处理系统的情况下，无法满足硫氧化物和氮氧化物现行排放法规的相应要求。本文研究的Vista级邮轮船型参数见表1。

表1 Vista级邮轮船型参数

续表1 Vista级邮轮船型参数

2 动力方案设计

原船采用2套动力系统为整船供能，动力系统的主机分别为 MAN 8L48/60CR（3台）和 MAN 14V48/60CR（2台）。在选用替代的LNG燃料主机时，重点考虑主机的能耗和环保排放指标。为布置及维护简便，通常选用相同型号的主机作为动力源，同时为保证系统拥有适当的裕度，单机标定最大输出功率在0.9～1.8 MW范围内。目前市场上可选用的LNG大功率主机主要包括2种：1）双燃料主机，主要包括Wärtsilä 14V46DF、MaK 16VM46DF等主流型号；2）单一燃气主机，可选型号为Rolls Royce B36:45V16P。不同的燃烧特性给2类主机带来不同的热效率和排放性能，进而对后续运营和环境产生不同的影响。

2.1 能耗效率

通常情况下，邮轮在港工况和航行工况的时间占比分别为34%和59%。对于Vista级邮轮，在考虑 80%裕度的情况下，全航速需求总功率约为49 920 kW，在港工况的瞬时输出功率约为12 480 kW。由于每个机型均可选择多个功率点，需分析各机型的平均有效能耗（Average Specific Fuel Consumption，ASFC），计算公式为

式中：BSEC（Brake Specific Energy Consumption）为备选LNG机型的有效能耗效率；P为在港工况下主机的输出功率；P为在港工况下主机的需求功率；P为航行工况下主机的输出功率；P为航行工况下主机的需求功率；i为在港工况的时间占比；i为航行工况的时间占比。

各型号主机对应的MCR、BSEC和ASFC情况见表2。由于Rolls Royce B36:45V16P主机的MCR值较低，需配置6台才能满足整船的最大电力负荷需求。此外，Rolls Royce B36:45V16P主机的单缸缸径较小，导致其BSEC相较其余2型主机较高。在 3型主机的电力负荷相匹配时，Rolls Royce B36:45V16P主机的功率冗余最大，这就导致其ASFC大幅增高。在同缸径情况下，MaK 16VM46DF主机的BSEC低于Wärtsilä 14V46DF主机，且其在低转速运行情况下的性能更优。相较于其他2种主机，Wärtsilä 14V46DF主机具有最大的MCR值，选用该机型时，选择85%功率点可使功率匹配更加合理。若对特定功率点进行优化，则能耗率还会进一步降低。

表2 各型号主机对应的MCR、BSEC和ASFC情况

2.2 排放指标

减少排放是选用 LNG作为燃料的重要目的之一。备选主机均为 LNG大功率中速机，热力循环采用奥拓循环，可满足船舶能效设计指数第三阶段（EEDI Phase 3）标准，并能将硫氧化物和氮氧化物的排放值控制在限值之内。各型号主机的排放值见表3，由于Rolls Royce B36:45V16P主机采用火花塞点火，而 MaK 16VM46DF主机和 Wärtsilä 14V46DF主机采用压燃技术，不同的燃烧策略会导致排放值的差异。

表3 各型号主机的排放值（单位：g/(kW·h)）

Rolls Royce B36:45V16P主机使用单一LNG燃料，该燃料含硫量很低，故相对于其他两型主机的硫氧化物排放量会低很多。点火油的硫含量对MaK 16VM46DF主机和Wärtsilä 14V46DF主机硫氧化物的排放量影响很大，当使用含硫量 1%的轻柴油作为点火油时，硫氧化物的排放值比 Rolls Royce B36:45V16P主机高约50%。

氮氧化物的排放值与主机燃烧室的有效燃烧压力相关。LNG比燃油的燃点高，Rolls Royce B36:45V16P主机的火花塞点火方式适用于更低的燃烧室压力，因此，Rolls Royce B36:45V16P主机的氮氧化物排放值低于其他两型主机约46%。

值得注意的是，甲烷逃逸效应会大幅降低LNG主机的温室气体减排性能。相较于其他两型主机，Rolls Royce B36:45V16P主机对空燃比的控制更加有效，可将甲烷逃逸降到最低，CO排放值低于燃油主机 22%。同样作为双燃料主机，Wärtsilä 14V46DF主机相较MaK 16VM46DF主机燃烧压力更高、甲烷逃逸和CO排放值更低。

3 燃料系统

LNG船舶必须满足《使用气体或其他低闪点燃料船舶国际安全规则》（IGF规则）的要求，由于邮轮的安全性要求高，其燃料舱保护和供气系统的安全标准也比普通货船高。

3.1 燃料舱设计

为防止船舶碰撞或搁浅导致的燃料舱泄漏，IGF规则要求计算客船的燃料舱双壳保护距离，常用的计算方法有确定性方法和概率性方法。设定Vista级邮轮以中、日、韩地区为主要航线，续航力为2 000 n mile，考虑海上裕度和航程储备，所需燃料舱的舱容为2 630 m。设计燃料舱处所（Fuel storage Hold Space，FHS）占用2层甲板空间，在燃料舱接头处所（Tank Connection Space，TCS）设置在燃料舱上层的情况下，保证总层高与机舱一致。

若采用确定性方法进行计算，燃料舱边界距舷侧外板的距离为B/5，即7.44 m，舱长L约为19 m。

若采用概率性方法进行计算，破损概率计算公式为

式中：f为破损概率，对于客船，f＜0.02；f为计算一个舱或舱组破损概率的因数；：f反映破损穿透燃料舱外层限界面的概率；：f反映损伤未垂直扩展至燃料舱最下部限界面以上的概率。

概率性方法计算结果：燃料舱双壳保护距离为3.72 m，舱长L为1.3 m，破损概率为1.28%。2种方法计算得到的燃料舱布置情况见图 1，概率性方法可使舱长L缩短约25%，更有效地利用了舷侧空间，有利于防火分割、水密分舱和设备的横向布置。

图1 燃料舱布置情况

3.2 供气系统布置

供气系统是天然气动力系统的重要组成部分，《国际海上人命安全公约》（International Convention for the Safety of Life at Sea，SOLAS）安全返港的要求中对主机的燃料供应安全有相应的描述，而IGF规则从防火、防爆、通风和监测等多方面对供气系统安全进行了更详尽的限制和规定，供气系统的设计需同时考虑SOLAS公约和IGF规则两方面的要求。

供气系统布置情况见图 2，为保证燃气供应不受突发事故或加注操作而中断，将燃料舱、燃料接头处所和燃气管路分为两个独立的系统A和B，两系统间进行A级防火分割。燃料管路在为A系统的主机进行供气时，不可避免地需要穿过B系统，此时需设置A级分割通道，以保证B系统机舱处所失效后不会对通过此处的A系统燃气管路造成影响。

图2 供气系统布置情况

为满足IGF规则对气体安全机舱的要求，燃料接头处所需设置空气闸，燃料接头处所通过燃气阀组单元连接至主机，此部分燃气管路要设计为双壁管。燃料接头处所与机舱区域尽量靠近布置，缩短间隔距离，减少双壁管长度。燃料舱与机舱不能直接接触，需要有隔离空舱将其隔开。IGF规则要求燃气管不能直接通过SOLAS公约定义的起居处所、服务处所、电气设备间或控制站，若燃气管通过了上述场所，则需对通过区域的舱室（特别是船员舱室）进行重新布置。

4 加注安全评估

加注作业的安全不仅与受注船本身相关，也关系到加注设施和港口管理等多方面。通常情况下，项目初期会对加注作业可能对人员和环境带来的风险进行评估，制定相应的加注限制区域和警戒区域，并提供技术支持。大型邮轮等客船载有大量普通乘客，其引发事故和受到伤害的风险均高于货船，需要特别关注特定危险场景下的风险，如加注作业过程中乘客登乘的同步作业等。

4.1 加注场景设定

在罐车加注作业的同时进行乘客登乘，由于作业区域通常布置于船舶的同侧，风险更高。加注安全评估需确定控制区域的范围，本文采用基于后果的定量风险分析方法，对控制区域加以限定，分析加注作业与乘客登乘同步作业的可行性。罐车加注参数见表4，考虑到项目前期分析数据的通用性，加注参数取值较为保守。

表4 罐车加注参数

国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）在ISO/TS 18683和ISO 20519中对2种最严重的天然气泄漏事故场景进行定义：

1）船舶碰撞或系泊系统失效的意外事故，导致加注软管断裂，紧急关闭装置（Emergency Shutdown Device，ESD）和紧急释放装置（Emergency Release System，ERC）间的燃料完全泄漏，扩散范围由加注软管中的残存燃料量决定。

2）接口段破裂，ESD未启动，燃料气体通过裂缝持续向外扩散，扩散范围取决于加注压力的大小。

图3所示为上述2种事故场景最低燃烧极限距离与泄漏点压力值关系曲线，在加注压力为0.6 MPa的条件下，最低燃烧极限距离为56 m。

图3 最低燃烧极限距离与泄漏点压力值关系曲线

4.2 限制区域划分

在天然气加注作业控制区域中，危险区域主要为加注罐车出口区域和加注站接口区域，根据IGF规则的要求，危险区域的半径为4.5 m。限制区域为加注罐车及软管连接区域，区域半径为最低燃烧极限距离，在本例中为一半径56 m的圆形区域，该区域有一定风险，通常仅允许相关操作人员进入。警戒区域需根据港口情况，由港口当局确定，原则上不小于限制区域的范围。罐车加注同步作业控制区域的划分情况见图4。

图4 罐车加注同步作业控制区域划分

4.3 风险评估

Vista级邮轮的加注区域布置于机舱前端的舯部位置，乘客和船员的登乘方式包括距艏部 0.22L和0.45L处的舷梯登乘，以及距艏部0.3L处的廊桥登乘。距艏部0.22L和0.3L处的登乘口，均在限制区域之外，加注与登乘同步作业的风险较小，可不额外增加安全措施。

对于距艏部0.45L处的舷梯登乘，乘客和船员会经过限制区域内部，存在一定风险，在使用该登乘口时，需采取封闭舷梯等安全措施以降低同步作业的风险。

5 结论

Vista级邮轮是大型邮轮的典型代表，为满足最新排放要求，本文从动力方案、燃料舱布置和加注安全等方面分析采用天然气燃料的可行性，结论如下：

1）以Vista级邮轮为基础，双燃料主机的较大额定功率特点更能满足其电力负荷平衡需求，但能耗效率高于单一燃气主机。

2）在环保性能上，单一燃气主机更优，但采用天然气燃料的各型主机均能满足目前法规的要求，当前情况下采用双燃料主机仍为该型邮轮主机的最佳选择。

3）邮轮采用天然气燃料的重要限制点在于燃料舱的舱容问题，利用舷侧空间可有效缓解该问题。

4）供气安全非常重要，需在方案制定前期考虑增加防火分割和结构管弄等设计。

5）加注风险分析对采用天然气燃料客船的前期方案设计至关重要。