為了實現(xiàn) IMO 制定的海運業(yè)減排中遠期目標(biāo)，船用清潔能源的利用成為船舶行業(yè)減排的重要手段。

　　本文針對甲醇與 LNG 燃料在船舶上的應(yīng)用，基于規(guī)范要求從燃料特性、加注、燃料艙布置、燃料供應(yīng)系統(tǒng)、防火防爆、氣體探測等多方面進行了對比，可為綠色能源實船設(shè)計提供參考。

　　

　　一、引言

　　國際海事組織(IMO)提出了在 2050 年前后實現(xiàn)國際海運溫室氣體凈零排放的遠期目標(biāo)，我國政府也承諾會為此目標(biāo)貢獻自己的一份力量。

　　為了實現(xiàn) IMO減排目標(biāo)，船用清潔能源的利用就是船舶行業(yè)在節(jié)能減排上集思廣益的成果。

　　船用替代清潔能源種類很多，形態(tài)各異。

　　液態(tài)的主要有液化石油氣(LPG)、甲醇及液態(tài)氨;氣態(tài)的主要有 LNG 等為代表。

　　據(jù)克拉克森2024年上半年對業(yè)內(nèi)的調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，新增的新能源船舶訂單達到了總訂單的 33%，其中 LNG船訂單高達 49.7%;

　　甲醇燃料船占據(jù)第二，為 22.4%;LPG 燃料船占 19.1%;氨燃料也有一席之地，為 6.8%。

　　與其他替代燃料相比，目前 LNG 燃料在港口加注的基礎(chǔ)設(shè)施最為完備，全球目前有 200 多個港口已經(jīng)布置了 LNG 加注系統(tǒng)。

　　操作技術(shù)和規(guī)范也相對成熟，這是其成為目前應(yīng)用規(guī)模最大的船用替代燃料的主要原因。

　　但 LNG 燃料也有令人不可忽視的缺陷：

　　CO₂減排量僅能達到約 24%，這對于實現(xiàn) IMO 制定的 2030年碳強度降低 40% 和 2050 年碳排放總量降低 50% 的目標(biāo)存在很大差距。

　　各新型清潔能源的減排情況見表 1。

　　

　　從表 1 數(shù)據(jù)看，甲醇燃料進入了我們的視線：

　　甲醇的 CO₂減排優(yōu)于 LNG，氮氧化物、硫氧化物、PM 減排能力與 LNG 基本相當(dāng)。

　　甲醇燃料的出現(xiàn)令人對實現(xiàn)中期減排目標(biāo)充滿信心。

　　

　　CCS 提供的數(shù)據(jù)(見表 2)顯示：

　　甲醇的含碳量明顯低于 LNG、LPG、乙醇等同類型的新型替代燃料，其產(chǎn)生的 CO₂ 量明顯小于其他替代燃料。

　　隨著技術(shù)的發(fā)展，通過綠色甲醇制法產(chǎn)生的綠色甲醇更是使 CO₂的減排量達到 90%。

　　相信綠色甲醇會成為未來 CO₂零排放的理想能源。

　　二、燃料特性對比

　　甲醇化學(xué)分子式為 CH₃OH，常溫下即可儲存，是一種無色、透明、有毒、易揮發(fā)的易燃液體[2]。

　　LNG是指液化天然氣，在常壓、-162 ℃溫度下以液態(tài)形式儲存，主要成分是甲烷 (CH4)。

　　甲醇、LNG 和柴油的物理性質(zhì)對比如表 3 所示。

　　

　　甲醇的熱值明顯較低，只能達到 LNG 熱值的 0.41。

　　這說明在船舶設(shè)計考慮燃料容積時，同主機功率下，船舶用于存儲甲醇燃料的艙容要遠大于 LNG 燃料的儲存空間，會犧牲較多的載貨空間。

　　在同等熱值下，甲醇燃料艙艙容是 MGO 的 2.1 倍，而 LNG 則是 MGO的 0.86 倍。

　　

　　三、兩種船用替代燃料的關(guān)鍵技術(shù)

　　1、燃料系統(tǒng)

　　典型的甲醇及 LNG 燃料系統(tǒng)處理模塊類似，包含了如圖 1 所示的五大模塊。

　　

　　▲圖 1 替代燃料供應(yīng)模塊圖

　　2、加注

　　甲醇與 LNG 的加注系統(tǒng)組成類似，都包含了加注站、加注管系、加注接頭和惰化、吹掃管路。

　　但考慮到甲醇的低閃點和毒性，加注站的位置、構(gòu)造、通風(fēng)、探測、消防、人員防護等都需要特別考慮。

　　關(guān)于甲醇加注站的要求，中國船級社《船舶應(yīng)用甲醇乙醇燃料指南 2022》已經(jīng)做了明確的規(guī)定。

　　3、儲存燃料艙布置對比

　　對甲醇燃料艙主要應(yīng)考慮其艙型、位置、燃料艙保護、透氣、環(huán)境控制等方面。

　　從布置的復(fù)雜程度考慮：

　　與 LNG 相比，甲醇最大的優(yōu)勢在于其不需要低溫儲存和絕熱，可以常溫載運。

　　因而燃料艙的設(shè)計和建造非常簡單，儲存艙制造成本大大降低。

　　對于船東來說，船舶的改造成本也大幅降低，日常維護成本也有所降低 [3]。

　　但規(guī)范關(guān)于甲醇燃料艙隔艙要求相對復(fù)雜，兩種燃料各有利弊。

　　甲醇和 LNG 燃料艙要求如下表 4。

　　

　　燃料艙布置燃料艙不能布置在 A 類機器處所(海船)，可移式燃料艙應(yīng)布置在特定區(qū)域。

　　內(nèi)河船獨立燃料艙距離船體外板應(yīng)不少于 760 mm[6]。

　　燃料艙應(yīng)位于自舷側(cè)向內(nèi)沿垂直于夏季載重線處的中線量取至少 B/5 或 11.5 m 處，取小者 [5]。

　　燃料艙隔艙整體式燃料艙的周圍應(yīng)設(shè)置隔離空艙，除非其表面被最輕載水線以下船體外板或其他甲醇燃料艙或燃料準(zhǔn)備間環(huán)圍。

　　與較大失火危險區(qū)域設(shè)至少900 mm 隔離空艙;

　　對于 C 型獨立燃料艙，燃料艙外殼或燃料艙接頭處所的限界面(如有時)距離 A-60 級防火分隔的最小間距不小于 900 mm 時，燃料艙處所可視作隔離空艙燃料艙惰化所有燃料艙在實用期間應(yīng)能一直維持惰化。

　　設(shè)置防止燃料蒸氣倒流至惰性氣體系統(tǒng)的裝置在使用干燥空氣進行透氣前，應(yīng)用惰性氣體進行惰化，以避免燃料艙和燃料管路中出現(xiàn)爆炸危險環(huán)境。

　　燃料艙透氣燃料艙采用控制式透氣。

　　每個燃料艙上都設(shè)置壓力 / 真空釋放閥。

　　LNG 儲罐的安全閥應(yīng)與透氣系統(tǒng)相連接，且需引到高出露天甲板、工作區(qū)域和走道≥ B/3 或 6 m 處(取大值)。

　　四、燃料供應(yīng)系統(tǒng)

　　甲醇供應(yīng)系統(tǒng)包括 FVT、甲醇供應(yīng)單元(LFSS)、水噴射單元、甲醇燃料日用艙等組成部分。

　　LNG 供應(yīng)系統(tǒng)包含了 LFSS、GVT 等兩個主要單元。

　　甲醇供應(yīng)系統(tǒng)與 LNG 燃料供氣系統(tǒng)類似，但又各有特點。

　　以下我們以典型的 MAN 的主機為例分別展示甲醇供應(yīng)系統(tǒng)和LNG 燃料供氣系統(tǒng)。

　　1、甲醇燃料供應(yīng)系統(tǒng)

　　甲醇供應(yīng)系統(tǒng)主要是指甲醇燃料艙到發(fā)動機之間的所有的系統(tǒng)和部件。

　　根據(jù)各主機廠家的不同需求，甲醇供應(yīng)系統(tǒng)各不相同。

　　

　　▲圖 2 甲醇燃料供應(yīng)系統(tǒng)圖

　　由于甲醇燃料的自身特性，此系統(tǒng)需要設(shè)置一個燃料日用艙用于主機的日常供料及燃料和水的分離。

　　水噴射單元用于將水噴入 FVT 單元，與甲醇充分混合后進機。

　　日用柜除了為主機供應(yīng)燃料，還用于主機甲醇回收及水分離。

　　2、 LNG 燃料供應(yīng)系統(tǒng)

　　LNG 供應(yīng)系統(tǒng)分為高低壓兩套系統(tǒng)，分別用于適應(yīng) ME-GI 高壓機型和 ME-GA 低壓機型(如圖 3)。

　　

　　▲圖 3 高低壓供氣系統(tǒng)圖

　　這兩套系統(tǒng)各有利弊，高壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性要高于低壓系統(tǒng)，但初期投入和運行成本要遠高于低壓系統(tǒng)。

　　所以高壓系統(tǒng)作為一套成熟的 LNG 供應(yīng)系統(tǒng)已經(jīng)在多個項目上得到了運用。

　　3、燃料系統(tǒng)的惰化和吹掃

　　甲醇和 LNG 燃料惰氣系統(tǒng)的目的和要求類似，但甲醇燃料艙在操作期間要求一直維持惰化;

　　LNG 燃料艙只要求進料前進行全艙惰化。

　　4、甲醇和 LNG 燃料適應(yīng)機型

　　為了與時俱進，各大設(shè)備廠研發(fā)了多種機型來適應(yīng)各種新型燃料的運用。

　　

　　五、管路設(shè)計

　　所有的甲醇燃料管路和獨立燃料艙均應(yīng)與船舶結(jié)構(gòu)采取電氣接地措施。

　　所有的接頭和附件均需進行電氣連接。

　　管道和船體之間的電阻應(yīng)不高于 1×106 歐姆。

　　加注站至燃料艙、機艙內(nèi)均采用雙壁管。

　　通過圍蔽處所的燃料管系應(yīng)設(shè)置為雙壁管，在燃料艙周圍的隔離空艙、燃料準(zhǔn)備間或獨立式燃料艙的空間可不設(shè)置雙壁管[6]。

　　對甲醇敏感的金屬材料，如鋁合金、鍍鋅鋼、鉛合金等，不應(yīng)用于含甲醇燃料的系統(tǒng)。

　　對甲醇敏感的非金屬材料，如丁腈橡膠，丁基橡膠等，也不應(yīng)用于甲醇燃料系統(tǒng)。

　　甲醇燃料系統(tǒng)可采用聚四氟乙烯、三元乙丙橡膠(EPDM)和氯丁橡膠。

　　甲醇和 LNG 燃料的管路設(shè)計的異同見表 6 所示。

　　

　　六、防火防爆安全設(shè)計

　　1、防火

　　根據(jù) IGF code 要求，船舶上甲醇 /LNG 燃料的儲存、整備、輸送及使用有關(guān)的所有系統(tǒng)部件都要考慮防火、探火和滅火。

　　甲醇和 LNG 燃料主要區(qū)域的滅火方式如表 7 所示。

　　

　　2、危險區(qū)域劃分

　　為了使船上的電氣設(shè)備能在特定的危險區(qū)域內(nèi)安全運行，各船級社對搭載甲醇、LNG 的船均有危險區(qū)域劃分相關(guān)規(guī)定，一般分為 0 類危險區(qū)域、1 類危險區(qū)域和 2 類危險區(qū)域。

　　這里就不用文字贅述，用一張簡圖 4 來說明燃料船的危險區(qū)域劃分，其中甲醇燃料船獨有的要求就是關(guān)于燃料艙壓力 / 真空閥出口危險區(qū)域的界定。

　　

　　▲圖 4 甲醇燃料船危險區(qū)域劃分

　　七、氣體、火災(zāi)和通風(fēng)探測

　　1、氣體探測

　　甲醇和 LNG 區(qū)域需要設(shè)定固定的燃料氣體探測器，但需要設(shè)定的點略有區(qū)別，見表 8 所示。

　　

　　2、火災(zāi)、通風(fēng)探測及報警

　　甲醇 /LNG 燃料發(fā)動機的機器處所和燃料艙處所內(nèi)的火災(zāi)探測裝置，均要求應(yīng)能在探測到火災(zāi)時，向駕駛室、連續(xù)有人值班的集控室或安全中心以及本地發(fā)出聲光報警;

　　此外，當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)能力下降時，兩種均要求應(yīng)在駕駛室、連續(xù)有人值班的集控室或安全中心和本地發(fā)出聲光報警。

　　八、結(jié)論

　　甲醇和 LNG 燃料作為新型的替代燃料，在減排方面，綠色甲醇的優(yōu)勢比較明顯，但其在船舶設(shè)計和運營中的劣勢也很明顯，較大的艙容需求會降低船舶載貨量，降低船舶的經(jīng)濟性。

　　根據(jù)實際的情況制定更適合船東的方案才能使船舶的設(shè)計更具有市場競爭力。

　　參考文獻

　　[1] 王東波 . 限硫令與碳中和對航運業(yè)的影響 [J]. 中國遠洋海運，2021(3)：28-31.

　　[2] 甘少煒，雷偉，周國強 . 甲醇：未來船用燃料 [J]. 中國船檢，2016(8)：90-94.

　　[3] 袁士春 . 甲醇燃料船試驗方案分析 [J]. 世界海運，2017,40(4)：28-32.

　　[4] 甲醇乙醇燃料動力船舶檢驗指南 [S]. 北京：人民交通出版社，2021.

　　[5] 船舶應(yīng)用天然氣燃料規(guī)范 [S]. 北京：人民交通出版社，2021.

　　[6] 船舶應(yīng)用甲醇 / 乙醇燃料指南 [S]. 北京：人民交通出版社，2022.

　　[7] 船舶應(yīng)用天然氣燃料規(guī)范 [S]. 北京：人民交通出版社，2024.

　　原創(chuàng)作者系：

　　上海佳豪船海工程研究設(shè)計有限公司

　　劉雅斐、劉森林