LNG运输船突围

本刊记者 王思佳

国际领先的动力系统解决方案提供商瓦锡兰（Wartsila）近日公开表示，公司正在与其他机构合作开发一种新型多燃料电力推进液化天然气（LNG）运输船，该设计评估脱碳、节能技术来减少温室气体排放，旨在助力业界实现国际海事组织（IMO）2050碳排放目标。

LNG船推进系统的演进

LNG运输船需在-162摄氏度的低温下运输液化气，其建造技术复杂，造价昂贵，且具有巨大的潜在风险，因此被喻为世界造船“皇冠上的明珠”，目前仅有中国、日本、韩国和欧洲的少数几个国家的少数船厂能够建造。

回顾LNG运输船的历史，最早可追溯到1959年（业界普遍认为）。那年，一艘二战时期的补给船经改装并重新命名为“Methane Pioneer”号，从美国Lake Charles载运了5000立方米LNG横渡大西洋到达英国Canvey Island，从而正式拉开了LNG海上运输的序幕。随后60年间，LNG运输船技术迅速发展并不断革新，其推进系统的发展也历经了好几代。最早期使用的蒸汽透平发动机一直作为LNG运输船的标准动力装置在LNG运输船诞生后的近50年里独霸一方。其易于维护保养、维修频次低等优点一直备受业界认可。此外，其在供给燃料的同时还可以100%处理多余的BOG（蒸发气），有效提高了船舶运行安全。

据瓦锡兰海洋动力部市场创新总经理周继红介绍，最早的一批LNG运输船是以蒸汽透平作为推进方式，之后四冲程双燃料电力推进（DFDE）进入LNG船主推进装置市场，改变了蒸汽轮机近50年独占鳌头的传统局面，自2004年起之后的十年，四冲程双燃料电力推进进入黄金十年。2014前后，随着二冲程双燃料发动机的面世，由于其在能效方面的显著优势，取得了绝对优势的市场份额。近年来，在原有的基础上，越来越多的设计，配备了轴带发电机、气泡减阻等节能技术。当然，高冰区的LNG运输船还是DFDE的配置。

随着船舶大型化的发展，受码头水深限制、保证高服务航速等原因，超大型浅吃水高服务航速船舶一般选择双桨和双尾鳍的布置，双套推进系统既满足较大推进功率又增加了冗余度提高了航行安全性，带再液化装置的二冲程低速柴油机推进系统（DRL）应运而生。

2005年，法国大西洋船厂为法国天然气公司建造的世界第一艘最大的采用双燃料电力推进系统的LNG船“GAZ DE FRANCEEN ERGY”号交付使用。之后，这项新技术迅速发展开来。双燃料电力推进系统两项核心技术在于双燃料四冲程中速发动机和电力推进系统，运行方式是由多台双燃料四冲程中速发动机带动发电机组产生电能。全球各大发动机供应商如曼恩柴油机公司（MAN）、ABB、瓦锡兰等都已推出相关产品。

超级蒸汽透平装置（UST），由日本三菱重工（MHI）研制。2011年三菱重工接获日本邮船一份LNG船订单，该船是首艘采用了UST装置的LNG船，该UST装置的燃油效率比当时常规的蒸汽轮机装置高15%，通过再加热系统实现热能的高效利用。

双燃料二冲程低速主机，该主机的热效率更高，主机通过传动轴直接连接螺旋桨，降低了中间能量损耗，相比DFDE，初始投资和营运成本降低。代表产品包括曼恩柴油机公司的二冲程发动机技术——M型电控气体喷射(MEGI)推进系统。2016年投入运营的首艘配备MEGI的LNG船“Creole Spirit”号日燃料消耗仅为100吨，相比之下当时最高效的双燃料柴电推进系统的日燃料消耗也高达125～130吨，显然安装了MEGI的船舶燃料消耗非常具有竞争力。除了主机，气缸数量减少、电气系统尺寸减小以及增加一个再液化系统，使得整体能效得到提高，减少成本，这也让该船成为全球单位运价最低、最高效的LNG船。

CII下LNG船困境

2018年4月，IMO通 过 了 航运业减少二氧化碳排放的“初步战略”，设定了主要目标，包括到2030年，全球海运每单位运输活动的平均二氧化碳排放与2008年相比平均至少降低40%，并努力争取到2050年降低70%。国际海运温室气体排放尽快达到峰值，到2050年，温室气体年度总排放量与2008年相比至少减少50%，并努力通过愿景中提出的与《巴黎协定》温控目标一致的减排路径逐步消除海运温室气体排放。为了有效提高船舶能效以促进船舶碳强度的下降，除了此前的船舶能效设计指数（EEDI）外，在今年召开的IMO第76届海洋环境保护委员会会议(MEPC 76)上新通过的现有船舶能效设计指数(EEXI)和碳强度指数(CII)——所有船舶都必须计算其EEXI，超过5000总吨的船舶将建立其年度运营CII和CII评级——对航运业的未来减排路带来了不小影响，尤其是CII。

根据MARPOL修正案草案，5000总吨及以上的船舶(目前约有30000艘船舶符合船舶燃油消耗数据收集系统的要求)必须确定其所需的年度运行CII。CII确定了在特定等级水平内确保持续提高船舶运行碳强度所需年度减排系数。2021年船舶运行碳强度等级指南草案(CII评级指南，G4)规定了确定评级边界的方法。共分为A、B、C、D或E五个等级，表明优、小优、中等、小劣或低性能水平。性能水平将记录在船舶的船舶能源效率管理计划(SEEMP)中。尽管目前CII为非惩罚性评级，但随着环保法规的逐步收紧，未来是否还会有变数，不得而知。但可以肯定的是，提前做好准备，以确保船舶能够应对未来市场是提高自身竞争力的不二选择。

针对CII大背景下的现有LNG船设计所面临的困境，周继红认为，LNG运输船由于其本身的特性，在运输及装卸货过程中持续不断的产生BOG（蒸发气）。必须得以安全、及时有效的处理才能保证船舶的安全，同时兼作船舶燃料。这本身是一个相当理想的状态。相比燃油，LNG在SOx、NOx、CO等尾气排放方面都有着显著的改善，但是，不可否认的是，LNG本身还是属于化石燃料。结合其它手段，满足2030年的CII（降低40%）要求是可以实现的，但要满足2050年的CII（降低70%）要求便是一个不可能完成的任务了。

那么，要满足IMO 2050碳规则需要具备哪些要素呢？分析清楚这个问题，想必定将为全航运业未来的减排行动具有较大参考价值。

2050如何突围

经过多年努力，航运业的减排路径逐渐清晰，全行业也逐步清晰认识到实现2050终极目标的紧迫性。因此，认真分析清楚满足IMO 2050碳规则的关键要素，才能做到有效突围。

据瓦锡兰介绍，本次推出的新型LNG运输船将被设计成“高度灵活”，紧凑、电气化、集成和高效的推进动力解决方案通过优化，将显著减少二氧化碳排放。周继红表示：“新型多燃料电力推进液化天然气运输船设计最主要特点便是其灵活性、模块化和紧凑。我们可以按照船东各自的商业模式进行灵活的配置船舶和改装船舶，帮助船东实现以最经济、最合适的方式去应对IMO设定的碳强度指标（CII）逐年下降的严峻挑战。”

IMO设定的CII将于2023年1月生效。瓦锡兰海洋动力公司副总裁Stefan Nysjo说，船东面临着前所未有的挑战和不确定性，他们必须从现在就开始规划，以确保拥有经得起未来考验的新船设计，以满足国际海事组织的CII要求。本次推出的新设计通过围绕紧凑、电气化和混合推进系统优化船舶设计方案，将在各航速和符合区间内保持显著的高效率，以适应未来变化莫测的市场对于船舶营运的需求。模块化的混合智能推进系统也为引入新的、低碳能源和推进节能设备提供了基础，可以在新造船阶段，也可以作为以后潜在的改造解决方案。ABS负责全球工程和技术的高级副总裁Patrick Ryan说，CII指数要求船舶不断采取措施，以保证其在服役期间一直保持、甚至提升CII评级，才能确保船舶的合规和活力。先进的多物理场建模和模拟技术将确保新开发的船型在交船时具备出色的CII指标成为可能，同时随着未来脱碳技术的不断成熟并加以利用，进而在全生命周期内得以持续满足。沪东中华造船研发部副主任宋炜(Song Wei)表示，我们开发的新船型将使用最先进的混合解决方案，这将使得多燃料发动机始以最佳效率运行，并提供灵活的电源供应模式以适应各种负载需求。

目前，瓦锡兰的集成系统与解决方案的专家们正与ABS位于新加坡、休斯顿和雅典的全球模拟中心和全球可持续发展中心的专家团队，以及沪东中华造船集团的LNG船设计开发团队通力合作，通过使用先进的多物理场模型，对应用各种降碳技术的不同设计方案和船舶运营模式进行模拟，评估各方案的碳强度指标（CII）直至2050年的表现。该项目评估包括使用先进的多物理模型与仿真技术，将各种脱碳技术和解决方案应用于船舶设计和运营模型中。未来，瓦锡兰还准备与合作方一起高效整合新技术，以保持新一代船舶设计能领先于IMO设定的CII的要求。

那么，新型LNG运输船设计与现有LNG运输船设计又有何不同及优势呢？对此，周继红表示：“现有的主流设计是二冲程低速双燃料发动机直接驱动，该设计只有在经济航速下能耗水平最优。而本次推出的新一代电力推进设计的核心，发动机的燃料灵活性是实现碳减排的关键。不仅可以燃烧天然气和燃油，还可以燃烧多种碳中和燃料（生物燃油、生物甲烷、合成甲烷）和零碳燃料（氨和氢）。多台发动机的配置可以使得船舶多种运营模式下都能取得理想的能耗和排放水平。”