知名船舶设计专家谈大型氨燃料船舶设计难点如何突破
△ Foreship英国总经理Shaun White先生
今年7月，由全球最大独立集装箱船船东/运营商塞斯潘(Seaspan Corporation)和马士基·麦克-凯尼·穆勒零碳航运中心(MMMCZCS)共同发起，与芬兰船舶设计公司Foreship合作开展的15000TEU氨燃料集装箱船概念设计获得了船级社的原则性认可(AIP)。凭借这一突破性的创新氨燃料船舶概念设计，Foreship也成为了2023年GREEN4SEA EUROPORT船舶设计大奖的得主。近日，Foreship英国总经理Shaun White接受本刊记者专访，向我们介绍了更多有关这艘15000TEU氨燃料集装箱船概念设计的技术细节，并展示了Foreship在绿色船舶设计、现有船替代燃料动力改装以及支持船舶合规等方面的专业经验。
问：氨动力集装箱船设计过程中面临的主要挑战有哪些？是如何克服的？
答：要实现氨燃料船舶的广泛应用，业界还有大量的工作需要做。氨用作为船舶燃料会带来许多挑战、危险和机遇，这些因素都必须在船舶设计过程中加以考虑。相关危害包括氨的特性及其对人类健康(毒性)和环境的影响、易燃性、爆炸性和腐蚀性。
作为总体设计目标的一部分，项目组基于氨燃料船舶的各种要求，确定了3大主要安全目标。这些安全目标旨在设定一种基线假设或初始位置，以便评估和验证概念设计是否满足氨用作燃料的所有目标和功能要求。这些安全目标包括：限制氨气有毒区域和危险区域，尽量减少在这些区域内工作的船员的暴露时间，从而将可能影响船上人员、船舶和设备安全的潜在风险降至最低；确保安全、适当的氨燃料供应、储存和加注布置，使其能够在所需状态下接收和容纳氨燃料，避免发生泄漏；船舶设计要防止在所有正常和异常运行条件下(包括闲置期)进行氨气排放，只有在紧急情况下才允许排气。
此外，海事领域对氨的了解和经验大多来自岸基应用或者将氨作为货物运输的实践。本次项目应用了IGC/IGF规则、监管指南和相关行业文件，确保船舶概念设计将氨用作船舶燃料所面临的独特挑战全都考虑到位。这些考虑因素包括为确定的危险区域提供足够的空间、为氨相关设备提供单独空间以及设置多个出入口等。
问：应用氨燃料给集装箱船性能带来了什么样的影响？对船舶运营提出了哪些新的要求？
答：氨用作船舶燃料时，在相同航程内需要用到比燃料油更大的燃油舱容积(按净容积算，通常是后者的三倍以上)。再加上与传统或其他替代燃料不同的储存要求，氨燃料的应用的确为船舶带来了一些挑战和影响，必须在概念设计研究中加以考虑和克服。
在评估工作中，为了确定最佳的住宿区-氨储罐组合，我们考虑了前部住宿区的不同位置。将住宿区前移意味着降低集装箱舱位损失。
按照最佳舱位成本(吨/TEU)效益，我们主要考虑分析了两种氨储罐位置方案，一是将氨储罐置于住宿区下方，二是将其放在机舱前部。最终方案一被选中了，因为这样的布置能够带来最理想的名义运力，而且氨储罐位于住宿区下方也能更好地防止储罐渗漏。我们还对住宿区长度进行了调整，确保储罐的容积足够大。
评估氨用作燃料对集装箱船运营的影响还需要完成氨燃料相关的HAZID定性风险评估，包括燃料加注站的布置、燃料储罐、燃料系统/准备室、燃料再液化/蒸气管理、机舱布置/安全概念、通风口/通风管路/通风桅杆、火灾和气体探测、消防与水雾等安全系统，等等方面。
从储罐连接空间(TCS)到燃料准备室(FPR)的燃料管线出现破裂、船舶碰撞引发储罐渗漏以及船舶搁浅导致氨燃料管线损坏等情况会造成最严重的后果，也具有最高的风险评级。这些灾难性事件很少发生，但其影响可能非常严重。为减轻这些后果，我们对船舶布置进行了仔细考虑。
根据对 HAZID分析结果和建议的审核，我们确定了适当的设计改进措施来确保船员和船舶的安全。这些建议或被纳入最终概念设计，或被列入下一设计阶段的考虑事项清单。
问：Foreship在船舶设计中应用了哪些创新技术？
答：在概念设计过程中，我们计算了该船的燃料消耗量和相关的温室气体排放量，并初步估算了其在船舶能效设计指数(EEDI)和碳强度指标(CII)下的评级。这些估算有助于了解船舶的燃料需求和潜在的燃料相关运营成本，以及船舶的预期环境影响和合规表现。
这艘氨双燃料船的初步EEDI评级为4.68，比目前集装箱船所需满足EEDI第三阶段水平低约44%。其在各种运营情景和航速下的CII评级均为A，这是可能实现的最高评级。应用氨燃料可使船舶CII评级达到A 级，这表明此概念设计最大限度地降低了合规风险，同时也为船东带来了商机。
Foreship在与船东客户和船厂合作伙伴的合作中使用了最先进的船舶设计软件和流程。在该船舶概念设计中，Foreship充分利用了其在船体线型开发方面的丰富经验，并通过业界领先的CFD分析对船体进行优化。另外，概念设计中还纳入了环保节能措施，进一步确保了船舶年度燃料消耗和排放情况的合规性。
经研究发现，还可以通过采用额外的能效技术措施进一步降低该船的排放和燃料消耗，这些措施包括进一步优化船体线型、应用空气润滑系统、安装挡风装置、采用轴带发电机和岸电等技术。
问：根据Foreship的经验，目前船东对船舶设计重点关注哪些方面？Foreship是如何满足这些需求的？
答：面对脱碳带来的挑战，航运业对独立技术咨询服务的需求可能更甚以往。除了为新造船和现有船改装提供核心的船舶设计和项目管理服务之外，Foreship的重点越来越偏向于开发航运业满足温室气体减排要求所需的替代能源和船用燃料解决方案。
此次与塞斯潘合作的15000TEU氨燃料船舶设计项目表明，凭借在低碳燃料、电池装置、氢燃料电池和岸电等方面的行业领先成果，Foreship已成为全球领先的航运脱碳技术合作伙伴。
问：除了氨燃料船舶之外，Foreship在绿色低碳船舶设计方面还取得了哪些成果？
答：随着脱碳目标在海事领域越来越受重视，Foreship所提供的咨询服务也覆盖了支持船东评估和做好替代燃料转型准备，以及提高船舶设计和运营能效等内容。Foreship正在参与多个行业领先的项目，旨在评估未来燃料(包括甲醇、氢和一系列生物燃料)应用对船舶设计和改装的影响。
此外，Foreship还实现了船载电池咨询、设计和安装的里程碑，累计开展了40多个船舶电池项目。在这当中，我们完成了有史以来船上最大的储能系统(ESS)连接，并开展了系统接口和安全考虑标准化方面的关键工作。
问：不久前召开的MEPC80会议为航运业设定了更高的脱碳目标，对于船舶面临的越来越严格的减排法规，您有何建议？Foreship在帮助船舶实现合规方面能够提供怎样的服务？
答：Foreship是一家专业的造船和海洋工程公司，我们的设计和项目管理服务为船东提供了值得信赖的合规依靠。就可持续发展服务而言，Foreship采用四步方法帮助客户实现温室气体和其他污染物减排的目标。这些服务覆盖了国际海事组织(IMO)的船舶能效设计指数(EEDI)、现有船舶能效指数(EEXI)、碳强度指标(CII)和年度能效比(AER)等法规要求。其中包括对船东整个船队进行初步计算，以便对其当前状况建立充分认知。我们通过与船东密切合作，找到合适的运营措施，确保其船舶资产符合相关法规和企业目标所限定的要求。
问：当前，越来越多船东开始尝试为船舶改装替代燃料动力，对于这种趋势您有何看法？
答：目前订造的船舶有望在IMO最新设定的2050年碳中和目标达成之后继续服务，但正在运营中的船舶也需要根据IMO 2030和2040年逐步消除二氧化碳排放的目标，为“脱碳轨迹”做好准备。
近来已经有越来越多船东要求Foreship提供有关新造船和现有船改装项目的脱碳建议，包括应用一系列替代燃料、集成零排放电池动力和碳捕集，以及实施节能解决方案等选项。
Foreship所提供的建议在很大程度上显然取决于船东的预期目标、船龄、投资回报率等多种因素，但未来燃料价格仍然存在不确定性，这就相当于增加了一个特别难以预测的变量。对此，Foreship的船舶设计思路是在最初的技术规格中重点考虑船舶整个服务期限内的燃料和技术就绪情况，并力求实现设备安装设计模块化，以便能够适应未来可能有的替代动力方案设计升级。