LNG運輸船突圍

本刊記者 王思佳

國際領先的動力系統解決方案提供商瓦錫蘭（Wartsila）近日公開表示，公司正在與其他機構合作開發一種新型多燃料電力推進液化天然氣（LNG）運輸船，該設計評估脫碳、節能技術來減少溫室氣體排放，旨在助力業界實現國際海事組織（IMO）2050碳排放目標。

LNG船推進系統的演進

LNG運輸船需在-162攝氏度的低溫下運輸液化氣，其建造技術復雜，造價昂貴，且具有巨大的潛在風險，因此被喻為世界造船“皇冠上的明珠”，目前僅有中國、日本、韓國和歐洲的少數幾個國家的少數船廠能夠建造。

回顧LNG運輸船的歷史，最早可追溯到1959年（業界普遍認為）。那年，一艘二戰時期的補給船經改裝并重新命名為“Methane Pioneer”號，從美國Lake Charles載運了5000立方米LNG橫渡大西洋到達英國Canvey Island，從而正式拉開了LNG海上運輸的序幕。隨后60年間，LNG運輸船技術迅速發展并不斷革新，其推進系統的發展也歷經了好幾代。最早期使用的蒸汽透平發動機一直作為LNG運輸船的標準動力裝置在LNG運輸船誕生后的近50年里獨霸一方。其易于維護保養、維修頻次低等優點一直備受業界認可。此外，其在供給燃料的同時還可以100%處理多余的BOG（蒸發氣），有效提高了船舶運行安全。

據瓦錫蘭海洋動力部市場創新總經理周繼紅介紹，最早的一批LNG運輸船是以蒸汽透平作為推進方式，之后四沖程雙燃料電力推進（DFDE）進入LNG船主推進裝置市場，改變了蒸汽輪機近50年獨占鰲頭的傳統局面，自2004年起之后的十年，四沖程雙燃料電力推進進入黃金十年。2014前后，隨著二沖程雙燃料發動機的面世，由于其在能效方面的顯著優勢，取得了絕對優勢的市場份額。近年來，在原有的基礎上，越來越多的設計，配備了軸帶發電機、氣泡減阻等節能技術。當然，高冰區的LNG運輸船還是DFDE的配置。

隨著船舶大型化的發展，受碼頭水深限制、保證高服務航速等原因，超大型淺吃水高服務航速船舶一般選擇雙槳和雙尾鰭的布置，雙套推進系統既滿足較大推進功率又增加了冗余度提高了航行安全性，帶再液化裝置的二沖程低速柴油機推進系統（DRL）應運而生。

2005年，法國大西洋船廠為法國天然氣公司建造的世界第一艘最大的采用雙燃料電力推進系統的LNG船“GAZ DE FRANCEEN ERGY”號交付使用。之后，這項新技術迅速發展開來。雙燃料電力推進系統兩項核心技術在于雙燃料四沖程中速發動機和電力推進系統，運行方式是由多臺雙燃料四沖程中速發動機帶動發電機組產生電能。全球各大發動機供應商如曼恩柴油機公司（MAN）、ABB、瓦錫蘭等都已推出相關產品。

超級蒸汽透平裝置（UST），由日本三菱重工（MHI）研制。2011年三菱重工接獲日本郵船一份LNG船訂單，該船是首艘采用了UST裝置的LNG船，該UST裝置的燃油效率比當時常規的蒸汽輪機裝置高15%，通過再加熱系統實現熱能的高效利用。

雙燃料二沖程低速主機，該主機的熱效率更高，主機通過傳動軸直接連接螺旋槳，降低了中間能量損耗，相比DFDE，初始投資和營運成本降低。代表產品包括曼恩柴油機公司的二沖程發動機技術——M型電控氣體噴射(MEGI)推進系統。2016年投入運營的首艘配備MEGI的LNG船“Creole Spirit”號日燃料消耗僅為100噸，相比之下當時最高效的雙燃料柴電推進系統的日燃料消耗也高達125～130噸，顯然安裝了MEGI的船舶燃料消耗非常具有競爭力。除了主機，氣缸數量減少、電氣系統尺寸減小以及增加一個再液化系統，使得整體能效得到提高，減少成本，這也讓該船成為全球單位運價最低、最高效的LNG船。

CII下LNG船困境

2018年4月，IMO通 過 了 航運業減少二氧化碳排放的“初步戰略”，設定了主要目標，包括到2030年，全球海運每單位運輸活動的平均二氧化碳排放與2008年相比平均至少降低40%，并努力爭取到2050年降低70%。國際海運溫室氣體排放盡快達到峰值，到2050年，溫室氣體年度總排放量與2008年相比至少減少50%，并努力通過愿景中提出的與《巴黎協定》溫控目標一致的減排路徑逐步消除海運溫室氣體排放。為了有效提高船舶能效以促進船舶碳強度的下降，除了此前的船舶能效設計指數（EEDI）外，在今年召開的IMO第76屆海洋環境保護委員會會議(MEPC 76)上新通過的現有船舶能效設計指數(EEXI)和碳強度指數(CII)——所有船舶都必須計算其EEXI，超過5000總噸的船舶將建立其年度運營CII和CII評級——對航運業的未來減排路帶來了不小影響，尤其是CII。

根據MARPOL修正案草案，5000總噸及以上的船舶(目前約有30000艘船舶符合船舶燃油消耗數據收集系統的要求)必須確定其所需的年度運行CII。CII確定了在特定等級水平內確保持續提高船舶運行碳強度所需年度減排系數。2021年船舶運行碳強度等級指南草案(CII評級指南，G4)規定了確定評級邊界的方法。共分為A、B、C、D或E五個等級，表明優、小優、中等、小劣或低性能水平。性能水平將記錄在船舶的船舶能源效率管理計劃(SEEMP)中。盡管目前CII為非懲罰性評級，但隨著環保法規的逐步收緊，未來是否還會有變數，不得而知。但可以肯定的是，提前做好準備，以確保船舶能夠應對未來市場是提高自身競爭力的不二選擇。

針對CII大背景下的現有LNG船設計所面臨的困境，周繼紅認為，LNG運輸船由于其本身的特性，在運輸及裝卸貨過程中持續不斷的產生BOG（蒸發氣）。必須得以安全、及時有效的處理才能保證船舶的安全，同時兼作船舶燃料。這本身是一個相當理想的狀態。相比燃油，LNG在SOx、NOx、CO等尾氣排放方面都有著顯著的改善，但是，不可否認的是，LNG本身還是屬于化石燃料。結合其它手段，滿足2030年的CII（降低40%）要求是可以實現的，但要滿足2050年的CII（降低70%）要求便是一個不可能完成的任務了。

那么，要滿足IMO 2050碳規則需要具備哪些要素呢？分析清楚這個問題，想必定將為全航運業未來的減排行動具有較大參考價值。

2050如何突圍

經過多年努力，航運業的減排路徑逐漸清晰，全行業也逐步清晰認識到實現2050終極目標的緊迫性。因此，認真分析清楚滿足IMO 2050碳規則的關鍵要素，才能做到有效突圍。

據瓦錫蘭介紹，本次推出的新型LNG運輸船將被設計成“高度靈活”，緊湊、電氣化、集成和高效的推進動力解決方案通過優化，將顯著減少二氧化碳排放。周繼紅表示：“新型多燃料電力推進液化天然氣運輸船設計最主要特點便是其靈活性、模塊化和緊湊。我們可以按照船東各自的商業模式進行靈活的配置船舶和改裝船舶，幫助船東實現以最經濟、最合適的方式去應對IMO設定的碳強度指標（CII）逐年下降的嚴峻挑戰。”

IMO設定的CII將于2023年1月生效。瓦錫蘭海洋動力公司副總裁Stefan Nysjo說，船東面臨著前所未有的挑戰和不確定性，他們必須從現在就開始規劃，以確保擁有經得起未來考驗的新船設計，以滿足國際海事組織的CII要求。本次推出的新設計通過圍繞緊湊、電氣化和混合推進系統優化船舶設計方案，將在各航速和符合區間內保持顯著的高效率，以適應未來變化莫測的市場對于船舶營運的需求。模塊化的混合智能推進系統也為引入新的、低碳能源和推進節能設備提供了基礎，可以在新造船階段，也可以作為以后潛在的改造解決方案。ABS負責全球工程和技術的高級副總裁Patrick Ryan說，CII指數要求船舶不斷采取措施，以保證其在服役期間一直保持、甚至提升CII評級，才能確保船舶的合規和活力。先進的多物理場建模和模擬技術將確保新開發的船型在交船時具備出色的CII指標成為可能，同時隨著未來脫碳技術的不斷成熟并加以利用，進而在全生命周期內得以持續滿足。滬東中華造船研發部副主任宋煒(Song Wei)表示，我們開發的新船型將使用最先進的混合解決方案，這將使得多燃料發動機始以最佳效率運行，并提供靈活的電源供應模式以適應各種負載需求。

目前，瓦錫蘭的集成系統與解決方案的專家們正與ABS位于新加坡、休斯頓和雅典的全球模擬中心和全球可持續發展中心的專家團隊，以及滬東中華造船集團的LNG船設計開發團隊通力合作，通過使用先進的多物理場模型，對應用各種降碳技術的不同設計方案和船舶運營模式進行模擬，評估各方案的碳強度指標（CII）直至2050年的表現。該項目評估包括使用先進的多物理模型與仿真技術，將各種脫碳技術和解決方案應用于船舶設計和運營模型中。未來，瓦錫蘭還準備與合作方一起高效整合新技術，以保持新一代船舶設計能領先于IMO設定的CII的要求。

那么，新型LNG運輸船設計與現有LNG運輸船設計又有何不同及優勢呢？對此，周繼紅表示：“現有的主流設計是二沖程低速雙燃料發動機直接驅動，該設計只有在經濟航速下能耗水平最優。而本次推出的新一代電力推進設計的核心，發動機的燃料靈活性是實現碳減排的關鍵。不僅可以燃燒天然氣和燃油，還可以燃燒多種碳中和燃料（生物燃油、生物甲烷、合成甲烷）和零碳燃料（氨和氫）。多臺發動機的配置可以使得船舶多種運營模式下都能取得理想的能耗和排放水平。”