大型甲醇雙燃料散貨船設計研究

蒯晶晶 盧 華

（上海外高橋造船有限公司 上海 200137）

0 引 言

隨著世界各國環(huán)保意識的增強，國際海事組織（international maritime organization, IMO）要求：到2030 年，船舶的碳排放量比2008 年至少減少40%；到2050 年實現溫室氣體“凈零排放”。目前，LNG 燃料只被視為過渡燃料，IMO 的雄心最終將通過技術創(chuàng)新的研發(fā)應用和引進新的替代燃料實現。中國的目標是到2030 年使CO2排放量達到峰值，到2060 年實現碳中和，因此船舶行業(yè)脫碳刻不容緩。

甲醇燃料正在迅速發(fā)展成為目前最可行、排放最少且成本更為合理的船用燃料替代品。與常規(guī)船用燃料相比，甲醇不含硫、尾氣無腐蝕，還可減少95%以上的硫氧化物和顆粒物、60%的氮氧化物、約15%的CO2排放。因此，使用綠色甲醇燃料完全能滿足IMO 關于溫室氣體的減排戰(zhàn)略要求，實現船舶的“零碳”排放。

本文是在21 萬t 常規(guī)燃料散貨船設計經驗基礎上，通過對MSC.1/Circ.1621、IGF Code 等規(guī)范規(guī)則的研究分析，開展以甲醇燃料作為推進動力的關鍵技術研究，包括甲醇燃料儲存艙的布置、甲醇燃料注入和供給系統(tǒng)的設計、甲醇燃料應用的安全防護要求等，從而開發(fā)出某型21 萬t 甲醇雙燃料散貨船，以滿足未來碳排放控制的要求。

1 大型甲醇雙燃料散貨船技術概況

該甲醇雙燃料散貨船是在原21 萬t 常規(guī)燃料散貨船基礎上，采用傳統(tǒng)燃料和甲醇燃料作為動力燃料。該船總長299.88 m、設計吃水16.1 m、結構吃水18.55 m、貨艙容積22 萬m3，配置2 個3 300 m3容積的甲醇燃料儲存艙，分別布置在機艙棚和居住艙室兩側，并下沉至機艙二甲板上（如圖1 所示）。

圖1 21 萬t 甲醇雙燃料散貨船模型圖

甲醇燃料艙的布置對船舶主尺度和船體結構完整性無影響，既未減少貨艙容量，也未影響貨物裝卸。甲醇燃料續(xù)航力長達20 000 n mile，可以滿足船舶從中國至澳大利亞航運2 個來回，或者從中國至巴西航運1 個來回[1]。

對21 萬t 常規(guī)燃料散貨船進行雙燃料改型后，船舶主尺度和貨艙區(qū)結構完整性基本不變，盡量減少改型對船體設計和建造的影響。21 萬t甲醇雙燃料散貨船與21 萬t 常規(guī)燃料散貨船的主要參數對比詳見表1，其中燃料續(xù)航力是基于船舶設計吃水下，主機以持續(xù)運轉功率（continuous service rating, CSR）工況不間斷運行，船舶服務航速14 kn 且考慮15%海上裕度的情況下計算得出的理論值。

表1 21 萬t 甲醇雙燃料散貨船與21 萬t 常規(guī)燃料散貨船的主要參數對比

船上配置了1 臺型號為MAN 6G70ME-C10.5-LGIM 的甲醇雙燃料二沖程低速柴油機，甲醇燃料供給壓力約1.3 MPa。考慮到輸出功率為1 000 kW ～1 600 kW 的甲醇雙燃料主發(fā)電機組和甲醇雙燃料鍋爐技術尚不成熟，故主發(fā)電機組和鍋爐仍選用常規(guī)燃料設備。船舶動力系統(tǒng)相關系數參見表2。

表2 船舶動力系統(tǒng)參數

2 甲醇燃料特性

甲醇燃料是一種易燃、易爆、易揮發(fā)，有腐蝕性并且沸點低（約65 ℃）、閃點低（約12 ℃）的揮發(fā)性溶劑和輕質燃料[2]。它具有毒性，對人體中樞神經系統(tǒng)有危害，大量攝入可能會導致失明、昏迷甚至死亡[2]。由于甲醇蒸氣比空氣重，因此也增加了船員吸入甲醇蒸氣的風險。如果在密閉空間或甲板上發(fā)生泄漏，應小心處理。

甲醇主要特性見表3。其燃燒時，火焰在白天幾乎看不見而且沒有煙霧，所以不易被察覺。

表3 甲醇主要特性

甲醇燃料雖然具有一定的危險性，但其可以在常溫下儲存，目前已經在全球100 多個港口運輸。與液化天然氣（liquefied natural gas, LNG）等同類替代產品相比，甲醇的成本和安全優(yōu)勢顯著；而且，由于其在環(huán)境溫度和壓力下為無色液體，比LNG、氨燃料和氫燃料更易于儲存和處理，故用作船用燃料的挑戰(zhàn)也相對較小。此外，從環(huán)境角度來看，由于甲醇在有氧和水生環(huán)境中易于生物降解，在地表水中的半衰期也最多一周，因此即使發(fā)生泄漏或溢出，對海洋環(huán)境的影響也相對較小[2]。而當甲醇是由CO2和綠色能源電解水產生的氫所合成的綠色甲醇時，作為燃料燃燒后便產生CO2和水，從而實現了碳中和。

與傳統(tǒng)燃料重燃油（heavy fuel oil, HFO）進行對比，液化天然氣（LNG）、甲醇燃料（CH3OH）、氨燃料（NH3）、氫燃料（H2）的特性對比如下頁表4 所示。

表4 LNG、甲醇、氨、氫等燃料與HFO 特性對比表

3 甲醇燃料散貨船的設計研究

3.1 甲醇燃料艙的選型與布置

21 萬t 甲醇雙燃料散貨船的開發(fā)以常規(guī)燃料散貨船為設計基礎，保持船舶主尺度不變，僅對水線以上部分機艙區(qū)域的線形進行適當調整，以便布置甲醇燃料儲存艙和甲醇燃料供給設備。貨艙段線形和分艙方案保持不變，從而最大限度地利用常規(guī)燃料船型的優(yōu)良線形。為滿足該船完成中國至澳大利亞航線往返2 次或者中國至巴西航線往返1 次，續(xù)航力需達到20 000 n mile。經過估算，甲醇燃料艙的艙容總計約6 600 m3。

近年來，為了進一步提高船舶的水動力性能和推進效率，21萬t常規(guī)燃料散貨船尾部水下線形日益收窄，尾部甲板線形隨著水線不斷收縮，寬度也隨之減小，如圖2所示。

圖2 21萬t常規(guī)燃料散貨船尾部甲板布置

此外，由于常規(guī)燃料散貨船的上層建筑寬度較大，因此上層建筑（簡稱“上建”）兩側沒有足夠的空間布置2×3 300 m3的甲醇燃料艙。

為了獲得足夠的空間來布置甲醇燃料艙，一方面參考集裝箱船的甲板邊線，將此散貨船的尾部甲板改為全寬型甲板；另一方面，將甲醇燃料艙下沉布置到機艙二甲板，同時收縮上層建筑的寬度，以確保能夠布置甲醇燃料艙。為彌補上層建筑收縮帶來的上建面積損失，對層高和艙室布置進行優(yōu)化，增加一層上建，既保證了各功能艙室齊全，又使居住艙室達到傳統(tǒng)散貨船同等的舒適度。

2 個甲醇燃料艙均為普通鋼質結構艙柜（內表面噴涂特殊涂料），露天布置在船舶尾部上建艙室兩側，并嵌入主甲板面下（如下頁圖3 所示），四周以空艙圍隔[3]。

圖3 大型甲醇雙燃料散貨船總布置圖

此布置不影響裝卸貨操作與貨艙容量，也不影響船舶駕駛視線，還減少了替代燃料的應用改型對船體設計和建造帶來的巨大成本影響。為保證甲板面上的通道空間，甲醇燃料艙與上建外壁之間距離約為2 m。甲醇燃料艙前端的極限位置不超過上建前壁，以避免裝卸貨時掉落貨物而對燃料艙造成損傷。

3.2 甲醇燃料設備間的布置

甲醇燃料設備間主要用于放置甲醇燃料供應單元（包括供給泵、循環(huán)泵、換熱器）、主機甲醇燃料供給閥組單元，以及甲醇燃料相關的監(jiān)測和報警系統(tǒng)、設備等[4]，如下頁圖4 所示。

圖4 甲醇燃料設備間布置圖

本船的甲醇燃料設備間布置在機艙棚后方開敞的主甲板上，并位于2 個甲醇燃料艙中間（參見圖3），以便于甲醇燃料管路的布置。設備間的前壁與機艙棚后壁共用1 道“A-60”級防火分隔艙壁。甲醇燃料日用艙也布置在燃料設備間內，艙容滿足使用8 h 的需求。若燃料設備間因尺寸受限而無法容納燃料供應系統(tǒng)內的所有配套設備，可以將水乙二醇單元、氮氣系統(tǒng)等輔助設備布置于燃料設備間外的處所（如舵機間或者機艙等安全區(qū)域）。

3.3 甲醇燃料加注系統(tǒng)設計

甲醇燃料系統(tǒng)包括甲醇燃料加注系統(tǒng)、供給系統(tǒng)，以及為這2 個系統(tǒng)提供功能支持的輔助系統(tǒng)。其中甲醇燃料加注系統(tǒng)包括加注站、燃料注入管、蒸發(fā)氣返回管、手動/遙控關閉裝置、應急切斷系統(tǒng)等，如圖5 所示。其中，甲醇燃料加注站是加注系統(tǒng)的重要組成部分。加注時，液體燃料通過液相總管進入甲醇燃料艙內，加注過程中產生的蒸發(fā)氣通過氣相總管回至岸上加注終端或加注船（參見圖5）。

圖5 甲醇燃料加注系統(tǒng)

考慮到大型散貨船充裝的靈活性，需在船舶主甲板左右兩側各布置1 個甲醇燃料加注站，使船舶在多種靠泊狀態(tài)下，兩側均可進行甲醇燃料補給[5]。為保證加注效率，甲醇燃料加注站需盡量靠近甲醇燃料艙。由于散貨船尾部水線以下線形較窄，若加注站布置在船舶尾部，當甲醇燃料加注船停靠時，會處于尾部全寬主甲板下方，既不利于加注管路布置，也不利于加注過程中的觀察和控制[1]。所以，需將甲醇燃料加注站布置在線形平緩的平行中體區(qū)域內。經綜合考慮后，將加注站布置在8 號貨艙之前的主甲板兩側，如上頁圖3 所示。

3.4 甲醇燃料供給系統(tǒng)設計

甲醇燃料供給系統(tǒng)的功能是將甲醇燃料日用艙內的液體燃料經過加壓、換熱等步驟，為雙燃料主機提供具有合適溫度、壓力和流量的甲醇燃料。甲醇燃料供給系統(tǒng)主要是由甲醇燃料輸送泵、甲醇燃料循環(huán)泵、水乙二醇換器單元、監(jiān)測控制系統(tǒng)、相關閥件和儀器儀表組成。

主機在甲醇燃料進機前需配置甲醇燃料供給閥組單元（fuel valve train, FVT），目的是將進機前的燃料進行最后的過濾，以及溫度和壓力的調整，以供主機使用。本船的閥組單元為開敞式結構，布置在燃氣處理間內。甲醇燃料供應系統(tǒng)管路采取雙壁管，外管內保持恒定的通風氣流，并配置液體泄漏探測傳感器和甲醇氣體探測系統(tǒng)[6]。

甲醇燃料供給系統(tǒng)如圖6 所示。

圖6 甲醇燃料供給系統(tǒng)

3.5 甲醇燃料應用的安全消防系統(tǒng)

為保證甲醇燃料的穩(wěn)定應用，除了甲醇燃料供給系統(tǒng)本身外，船上還需為供給系統(tǒng)配置相應的安全消防系統(tǒng)，包括氣體探測系統(tǒng)、火災報警系統(tǒng)、應急切斷系統(tǒng)、消防滅火系統(tǒng)等。

甲醇是可燃、易燃液體，甲醇水溶液即使在水的比例很高的情況下也能保持易燃性，25%體積的甲醇混合75%體積的水所形成的溶液仍舊屬于易燃液體。甲醇燃料消防系統(tǒng)除了為甲醇燃料艙及附近的上建艙壁配置水噴淋系統(tǒng)，還應為加注站配置干粉滅火系統(tǒng)，并配置特殊的抗醇類固定式泡沫滅火系統(tǒng)[3]，如下頁圖7 所示。

由于甲醇蒸汽的分子量略大于空氣、密度也相對較大，因此一旦機艙內甲醇發(fā)生泄漏，液體會向機艙底部流動，甲醇揮發(fā)氣也會向低洼地區(qū)聚集，所以機艙底層花鋼板以下也需配置抗醇類泡沫噴嘴。

甲醇有毒但易溶于水，若有人員不小心暴露于甲醇揮發(fā)氣中，可立即使用足量清水進行沖洗[7]。本船在左右加注站附近和甲醇設備間門外各設置了1 套緊急淋浴和沖眼設備，以備應急之需。

4 對設計、建造、成本的影響分析

4.1 設計方面

（1）甲醇燃料動力船舶方案是未來解決“雙碳”目標的最可行方案之一。要實現遠距離航行，在加注設施不完善的條件下，需要較大的燃料儲罐，若布置在貨艙區(qū)，可能會降低貨艙容量，影響貨物裝卸。

（2）本船選擇常規(guī)鋼質結構艙作為甲醇燃料儲存艙，容積約為傳統(tǒng)燃油艙的2.4 倍，四周布置隔離空艙，結構設計需合理選擇空艙的尺寸，使之既滿足強度要求，又便于現場焊接施工。

（3）在裝載方面，相比常規(guī)21 萬t 散貨船，甲醇燃料船計算的強度包絡值在中拱方面要大很多，如何降低中拱彎矩是進一步深化設計的重點。

（4）甲醇燃料有毒，在應用時需要特別注意動力系統(tǒng)和甲醇燃料存放系統(tǒng)的安全性。

（5）MAN 公司的G70 系列甲醇燃料發(fā)動機計劃于2024 年推出，輸出功率為1 000 kW ～ 1 600 kW的甲醇雙燃料主發(fā)電機組也尚在研發(fā)過程中。因為甲醇燃料應用設備的不確定性，所以目前相關的設計還未深入開展，待相關設備的開發(fā)研究逐漸完善后，將會進一步深化相關設計。

4.2 建造方面

（1）由于甲醇是有毒化學品，因此在建造調試階段如何安全加注到所需的甲醇，還有待進一步調研。

（2）甲醇對人體有毒，少量攝入即會導致不可逆轉的失明甚至死亡，所以調試過程中的安全問題非常重要。由于目前沒有甲醇燃料加注和應用經驗，因此也需要進行更深入的研究。

（3）本船選擇常規(guī)鋼質結構艙作為甲醇燃料艙，內部需采用無機硅酸鋅油漆特涂，對于結構處理和漆膜厚度的要求較高且必須一次成型，故涂裝作業(yè)難度較大。

（4）由于甲醇燃燒火焰不產生煙霧或煙灰，因此煙霧探測器難以探測識別出因甲醇而引發(fā)的火災。另外，由于火焰溫度較低，熱探測器式火災探測系統(tǒng)對甲醇的探測也可能不可靠，所以需選擇合適的火災探測報警系統(tǒng)。

4.3 成本方面

由于目前只有少數極具實力的廠家進行了甲醇燃料主機、主發(fā)電機組和鍋爐等設備的開發(fā)，成本控制比較困難故當甲醇燃料動力船推向市場時，不利于接單。為了控制甲醇雙燃料船舶的建造成本，對于甲醇燃料的主機、發(fā)電機、鍋爐等設備，建議引入多家相關廠家進行競爭；供給系統(tǒng)在掌握其控制原理后，盡量從核心設備廠家直接購買，避免采購包過大。對于船廠來說，甲醇燃料艙的涂裝及甲醇燃料系統(tǒng)安裝調試的工作量均會較常規(guī)燃料船舶有較大增加，故船塢和碼頭周期也需相應增長。

5 結 語

甲醇的閃點雖略低于柴油[8]，但其自燃點遠高于柴油，故仍可視作船用內燃機的安全燃料。而且甲醇在常溫、常壓下均為液態(tài)，安全易儲存，著火后用水撲滅即可，并且燃燒排放污染物中顆粒物和氮氧化物含量相對較低。

21 萬t 甲醇燃料散貨船采用兼容傳統(tǒng)燃油和甲醇燃料的雙燃料動力系統(tǒng)，不僅能夠大幅減少船舶碳氧化物、硫氧化物、氮氧化物、顆粒物、油渣等污染物的排放，而且可以進一步降低船舶能效設計指數。

甲醇燃料與其他替代燃料相比，成本更為合理，但其供應問題卻是個挑戰(zhàn)。雖然如馬士基這樣的大企業(yè)可以通過采購獲得持續(xù)的甲醇燃料供應，但對于整個行業(yè)來說，甲醇燃料供應目前難度較大；而且除非以綠色方式生產甲醇，否則使用甲醇對于脫碳目標并無實際意義。

在21 萬t 散貨船上應用甲醇燃料作為推進動力能源，可以滿足日益嚴苛的環(huán)保規(guī)范要求，增加其船舶市場競爭力。21 萬t 甲醇雙燃料散貨船的研制成功將使我國設計建造超大型散貨船的水平提高到一個新高度，對擴大我國在世界散貨船市場份額產生積極影響，同時帶動相關產業(yè)的發(fā)展，其社會效益不可小覷。