LNG動力郵輪研發(fā)動向

中船郵輪科技發(fā)展有限公司 馬網(wǎng)扣 黃雪忠 楊陸峰

相比傳統(tǒng)燃油，LNG可有效減少90%～99%的硫氧化物和微小顆粒物、80%左右的氮氧化物等污染物排放，以及20%～25%的二氧化碳溫室氣體排放，滿足IMO的0.5%限硫令和Tier Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)，被航運(yùn)界視為未來一段時間內(nèi)的主要清潔能源。

LNG在郵輪上的應(yīng)用主要有兩種途徑：一是用作雙燃料主機(jī)的燃料；二是用作燃料電池的燃料。目前前者技術(shù)相對成熟，后者尚處于研究示范應(yīng)用階段。

LNG動力“AIDAnova”號

全球首艘完全采用LNG動力的郵輪“AIDAnova”號于2018年12月在德國邁爾船廠完工交付，開啟了LNG郵輪的新時代。“AIDAnova”號是嘉年華集團(tuán)18萬噸級“Excellence-Helios”系列LNG動力郵輪的首制船，也是嘉年華集團(tuán)迄今為止最大的郵輪。此前嘉年華擁有“AIDAprima”號和“AIDAperla”號兩艘LNG郵輪，這兩艘郵輪由日本三菱重工建造，均配備了Cartepillar的MaK雙燃料發(fā)動機(jī)，可在停泊時使用LNG燃料，但船上沒有LNG儲存裝置，無法在航行和進(jìn)出港時使用LNG動力，因此不是真正意義的LNG動力郵輪。

“AIDAnova”號配備4臺MaK 16M-46DF雙燃料發(fā)電機(jī)組，總功率61.76 MW；安裝3個LNG儲罐，總?cè)莘e3570m3，足夠支撐其航行2周；其中2個大型儲罐長35m，直徑7.75m，容積152m3；1個小型儲罐長28m，直徑5m，容積520m3。罐體采用Ilsenburger Grobblech公司的X8Ni9鎳合金鋼，可承受-196℃的低溫，最大板厚50mm，最小抗拉強(qiáng)度640 MPa，鋼板總重308噸。此外該船還配有3000m3的MGO儲存艙。

2019年年底，“Excellence-Helios”級系列二號船，同時也是世界第二艘LNG動力郵輪“Costa Smeralda”號在邁爾圖庫船廠完工交付。

LNG動力大型郵輪新造船情況

LNG動力大型郵輪（＞70000 GT）訂單占比逐年穩(wěn)步上升，2020年～2025年間將交付48艘大型郵輪，其中20艘為LNG動力，占比高達(dá)42%。表1為LNG動力大型郵輪新造船的概況，地中海、皇家加勒比、嘉年華、迪斯尼都已訂購了LNG動力大型郵輪。

表1 2020年～2025年交付的LNG動力大型郵輪新造船情況

總體上，LNG動力郵輪新造船的總噸位要大于常規(guī)電力推進(jìn)郵輪。除迪斯尼的3艘郵輪為14萬總噸外，其余17艘均為超大型郵輪。訂單顯示，新造的LNG動力郵輪總噸位均值為18.1萬，遠(yuǎn)大于常規(guī)動力郵輪14.6萬總噸的均值。究其原因在于LNG動力郵輪需要較大的空間來布置LNG儲罐，這也進(jìn)一步推動了船型的大型化趨勢。

LNG動力郵輪在乘客空間比、乘客船員比和每客位造價三項(xiàng)指標(biāo)上，與常規(guī)動力郵輪相差不大。LNG動力郵輪的每客位造價均值為22.8萬美元，甚至小于后者的24.9萬美元。其主要原因是前者船型偏大，標(biāo)準(zhǔn)床位相對多，進(jìn)而攤薄了建造單價。相應(yīng)地由于尺寸的增加，LNG動力郵輪的整體造價也高出許多。

圖1 “AIDAnova”號的LNG儲罐位置示意

圖2 “AIDAnova”號的LNG儲罐外形

LNG動力探險郵輪新造船情況

近年來LNG探險郵輪呈爆發(fā)式增長，2019～2023年的探險郵輪新造船共有47艘，年均約10艘，而2017年、2018年僅交付2艘和4艘。這波行情主要是由南極、北極探險旅游升溫帶動的。

龐洛郵輪的“Le Commandant Charcot”號是高端奢侈探險郵輪的代表，是全球首艘，也是目前唯一一艘LNG動力探險郵輪新造船。該船裝有4臺瓦錫蘭14V31DF和2臺10V31DF雙燃料發(fā)電機(jī)組，總功率40MW；采用法國GTT公司的“MARK III”薄膜型LNG儲存艙，艙容4500m3，是世界上第一艘采用薄膜型LNG儲存艙，而非C型罐的郵輪；乘客空間比高達(dá)117，每床位造價高達(dá)120萬美元，兩項(xiàng)指標(biāo)均為探險郵輪新造船之最。

LNG燃料電池應(yīng)用情況

燃料電池具有能量轉(zhuǎn)化效率高、無環(huán)境污染物排放、可低溫快速啟動、振動和噪聲等級低等優(yōu)點(diǎn)，是頗具潛力的船舶動力裝置。燃料電池按其電解質(zhì)不同，可分為質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、磷酸燃料電池（PAFC）和堿性燃料電池（AFC）等幾種。理論上燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率可高達(dá)90%，由于受工作條件限制，目前燃料電池的實(shí)際能量轉(zhuǎn)化效率僅為40%～60%。

LNG可直接用作固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池的燃料氣，也可作為原料加熱制氫后作為氫燃料電池。

圖3 大型郵輪新造船的兩項(xiàng)指標(biāo)

瓦錫蘭比較關(guān)注燃用LNG的船用固體氧化物燃料電池的開發(fā)，WFC20 20kW燃料電池已實(shí)現(xiàn)客船的示范應(yīng)用。該電池采用模塊化設(shè)計(jì)，可以采用多個燃料電池單元構(gòu)建成大型系統(tǒng)。目前瓦錫蘭正致力于50 kW以上燃料電池的商業(yè)化產(chǎn)品開發(fā)。

預(yù)定于2022年5月交船的地中海“歐羅巴”號LNG動力郵輪將示范安裝一套50 kW的固體氧化物燃料電池。該燃料電池由法國Entrepose公司設(shè)計(jì)，使用LNG作為燃料，工作溫度約750度，最高電能轉(zhuǎn)化效率60%；能同時消除硫氧化物、氮氧化物和微小顆粒物的排放；與常規(guī)雙燃料主機(jī)相比，能減少30%的溫室氣體排放。

總體上，目前燃料電池技術(shù)還不成熟，功率小，壽命短，燃料儲存難度大，離大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用還有較大差距。

表2 2020年～2025年交付的LNG動力探險郵輪新造船情況

LNG郵輪的熱潮需理性看待

LNG動力是郵輪，特別是大型郵輪的重要發(fā)展趨勢。我國正致力于郵輪設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的技術(shù)攻關(guān)，不能忽視這一發(fā)展趨勢。采用LNG動力，勢必增加郵輪的開發(fā)設(shè)計(jì)和建造難度，我們必須立即著手建立相關(guān)技術(shù)儲備，但也需理性看待LNG在郵輪上的應(yīng)用前景。

1、LNG是解決溫室氣體零排放的過渡解決方案

環(huán)保主義組織“航運(yùn)清潔聯(lián)盟”在一份提交給IMO的技術(shù)報(bào)告中聲稱，LNG中的主要成分甲烷本身就是一種溫室氣體。以100年時間計(jì)算，每克化石甲烷對氣候造成的直接影響是等量二氧化碳的30倍。而在LNG的生產(chǎn)、運(yùn)輸、加注、使用的整個周期中，存在大量“甲烷逃逸”。造船和航運(yùn)界比較關(guān)注發(fā)動機(jī)工作時的“甲烷逃逸”，但據(jù)稱LNG生產(chǎn)過程中的“甲烷逃逸”更為嚴(yán)重。從這個角度看，廣泛采用LNG反而可能加快溫室氣體排放總量的增長。因此，該組織呼吁IMO的溫室氣體減排戰(zhàn)略應(yīng)當(dāng)關(guān)注“真正的”低碳燃料，將LNG從低碳替代燃料的名單中剔除，但目前各界鮮有響應(yīng)。

即使不考慮“甲烷逃逸”，LNG還是會有二氧化碳排放，只是解決零碳排放的過渡解決方案。

2、LNG碼頭加注設(shè)施不完善影響郵輪運(yùn)營

正所謂“理想豐滿，現(xiàn)實(shí)骨感”，目前LNG碼頭加注設(shè)施尚不完善，大多依靠槽罐車加注，加載速度慢，影響郵輪運(yùn)營調(diào)度。在歐洲這樣LNG碼頭加注設(shè)施相對完善的地區(qū)尚且如此，不難想象在其它地區(qū)的狀況。

3、推高建造成本，增加運(yùn)營壓力

若要維持同等規(guī)模的公共區(qū)域和居住區(qū)域，采用LNG動力，必將增大船體規(guī)模，與雙燃料發(fā)動機(jī)、燃料供氣系統(tǒng)等設(shè)備一起推高建造成本。采用LNG動力，也將增加設(shè)計(jì)難度和成本。LNG動力裝置的維護(hù)成本也要高于常規(guī)動力，相應(yīng)的船員素質(zhì)也要高些。理論上，LNG具有成本優(yōu)勢，但這是長期行為。設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營成本的增加，不可避免地給郵輪公司帶來經(jīng)濟(jì)壓力，如果轉(zhuǎn)嫁給消費(fèi)者必將增加運(yùn)營的難度。

圖4 豐田開發(fā)的250 kW LNG燃料電池樣機(jī)

4、LNG是郵輪的重要選擇，但并非唯一選擇

截至目前，諾唯真郵輪集團(tuán)和云頂香港郵輪集團(tuán)都沒有訂造LNG動力郵輪。正如商船領(lǐng)域一樣，郵輪使用LNG燃料是一種重要的選擇，但不是唯一的選擇。至少短期內(nèi)低硫油、脫硫塔兩種減排方案仍具有不小的吸引力，船東需要綜合政策法規(guī)、安全性、配套供應(yīng)設(shè)施、品牌效應(yīng)，特別是經(jīng)濟(jì)性分析作出決策。LNG不可能在短期內(nèi)完全取代常規(guī)燃油能源。

5、LNG雙 燃 料 發(fā) 電 機(jī) +LNG燃料電池較具潛力

現(xiàn)階段，在燃料電池尚不成熟的情況下，采用LNG雙燃料發(fā)電機(jī)為主，LNG燃料電池為輔的組合方式，不失為一種節(jié)能減排的優(yōu)化方案，值得探討。使用LNG燃料電池，起碼不需要擔(dān)心燃料的儲存問題。目前，氫燃料電池研究走在前列。但綜合多方信息來看，造船界更看好固體氧化物燃料電池的潛力，但這種電池的積碳問題依舊棘手。

十一所研制成功船用肋板自由邊智能打磨裝備

近日，由中國船舶集團(tuán)第十一研究所自主研制的船用肋板自由邊智能打磨裝備成功試件打磨。該裝備主要由打磨裝備地面支撐平臺、打磨設(shè)備龍門傳動系統(tǒng)、打磨數(shù)控系統(tǒng)等組成。整個裝備長8米、寬6.5米、高3米，體現(xiàn)了集約、緊湊、環(huán)保、高效等特點(diǎn)。系統(tǒng)由4個自由度組成，由橫梁-滑板-滑枕移動，從而實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的移動。裝備主要用于肋板自由邊的智能打磨，突破了復(fù)雜工件打磨力恒定、多類型肋板機(jī)器視覺識別與定位等關(guān)鍵核心技術(shù)，具備肋板打磨軌跡智能生成、打磨工藝智能匹配、打磨路徑智能跟蹤等功能，無需翻面即可實(shí)現(xiàn)典型肋板結(jié)構(gòu)人孔、減輕孔、貫穿孔、流水孔等非焊接邊的上下面打磨，以及保證圓弧倒角加工過程中受力方向始終垂直于銑削方向和自動進(jìn)行作業(yè)補(bǔ)償，打磨速度達(dá)到30毫米/秒，打磨效率較人工提高近50%，打磨質(zhì)量完全滿足涂裝規(guī)范PSPC要求，真正實(shí)現(xiàn)了替代人工作業(yè)的目標(biāo)。