85kDWT双燃料散货船LNG作为主燃料与续航力的影响分析

黄深 杨泽滨 刘益平 段仲兵 周崇冠 中船黄埔文冲船舶有限公司技术中心

国际海事组织（IMO）为了进一步控制船舶CO的排放，在《国际防止船舶造成污染公约》（MARPOL）附则VI中要求到2025年新建的散货船需要满足船舶能效设计指数（EEDI）第三阶段的要求，即计算值要低于EEDI基线值30%，85kDWT散货船采用LNG燃料的技术达到EEDI第三阶段的设计要求，其技术路径有两种：LNG燃料作为主燃料使用或LNG燃料作为非主燃料使用。

本文从笔者所在公司自主研发设计的85kDWT双燃料散货船的液化天然气（LNG）储存舱容积的选型研究，分析85kDWT散货船在LNG储存舱容积选型过程中与满足EEDI第三阶段气体燃料作为“主燃料”和“非主燃料”之间要求的影响。

1.船舶能效设计指数（EEDI）LNG主燃料的确定

新巴拿马型LNG双燃料散货船的能效设计指数将燃料储存分为LNG燃料作为主燃料和常规燃料作为主燃料两种情况，对于选取不同燃料作为主燃料设计的新巴拿马型散货船的能效设计指数（EEDI）计算公式也分为了两种不同的计算方法，因此确认哪种燃料作为主燃料使用，首先要确认f值的大小:

（1）若气体燃料总热值至少是双燃料发动机专用燃料总热值的50%，即f≥0.5，则视气体燃料为“主燃料”，且对于每台双燃料发动机，f=1，f=0；

（2）若f＜0.5，则气体燃料为非“主燃料”。

根据能效设计指数EEDI的要求，其fDFgas的计算公式如公式（1）所示：

其中：

f— 系指为燃气发动机与总发动机的功率比修正的气体燃料的可获得性，f应不大于1；

V— 系指船上总净气体燃料容积，m。如使用其他布置，例如可更换（专用）LNG罐和/或允许频繁重新注入燃气的布置，V应使用整个LNG注入系统的容积。如果气体货物舱与燃气供应系统（FGSS）相连，可计算气体货物舱的蒸发率（BOR），并将其计入V；

V— 系指船上与船舶燃料系统固定连接的液体燃料舱的总净液体燃料容积，m。如果一个燃料舱通过固定密封阀断开连接，可忽略该燃料舱的V；

ρ—— 系指气体燃料的密度，kg/m；

ρ—— 系指每种液体燃料的密度，kg/m；

LCV—— 系指气体燃料的低热值，kJ/kg；

LCV—— 系指液体燃料的低热值，kJ/kg；

K—— 系指气体燃料舱的充装率；

K—— 系指液体燃料舱的充装率；

P— 系指发动机总安装功率，P和P，kW；

P— 系指双燃料发动机的安装功率，P和P，kW。

2.新巴拿马型散货船的LNG作为主燃料的设计

新巴拿马型散货船当采用双燃料主机或辅机，针对气体燃料的CF系数和针对燃油的CF系数应适用，并应在相关的EEDI负荷点乘上每一燃料的单位燃油消耗量。可以简化公式（1），并按下式（2）确定气体燃料是否应被视为“主要燃料”：

其中：

f— 系指为燃气发动机与总发动机的功率比修正的气体燃料可获得性，f应不大于1；

P— 主机功率，0.75×MCR，kW；

P— 辅机功率，其中P=5%xP，kW；

V—船上LNG舱容积，m；

V— 船上重燃油舱容积，m；

V— 船上船用柴油舱容积，m；

ρ— LNG的密度，取450 kg/m；

ρ— 重燃油的密度，991kg/m；

ρ— 船用柴油的密度，900 kg/m；

LCV— L NG 的低热值，48000 kJ/kg；

LCV— 重燃油的低热值，40200 kJ/kg；

LCV—船用柴油的低热值，42700 kJ/kg；

K—LNG舱充装率，取0.95；

K—重燃油舱充装率，取0.98；

K— 船用柴油舱充装率，取0.98。

代入上述数值，简化公式（2）得到公式（3）和公式（4）如下所示：

以LNG作为主燃料，f临界值0.5代入公式（4）中，简化得公式（5）：

而以液体燃料作为主燃料，f按照下述公式（6）计算：

从上述公式中可见，当新巴拿马型散货船气体燃料总热值至少是双燃料发动机专用燃料总热值的50%以上，即f≥0.5，而f等于0.5是LNG作为主燃料和燃油作为主燃料的临界分界值。

3.85kDWT新巴拿马型LNG双燃料散货船主要技术参数

新巴拿马型双燃料散货船的主要参数，具体见表1。

表1 新巴拿马型双燃料散货船的主要参数表

4.85kDWT新巴拿马型LNG双燃料散货船轻柴油舱总容积

双燃料散货船的轻柴油的总容积设置较燃油和LNG的舱容较小，其设计主要考虑在废气排放控制区域（ECA）区域的船舶燃料使用量和LNG点火油消耗的总量，其舱柜设置包括轻柴油储存舱、轻柴油日用舱和LNG点火油舱。

4.1 LNG点火油舱舱容的计算

LNG点火油舱的舱容计算要满足主机和辅机在ECA区域航行、系泊和装卸货时间内的消耗用量，具体见表2所示。

表2 LNG点火油舱的舱容计算表

4.2 轻柴油日用舱容的计算

主机和辅机采用单一燃料燃烧时，轻柴油日用柜要满足船级社要求无人机舱操作的8或者是12小时的消耗量的容积计算，具体如表3所示。

表3 轻柴油日用舱舱容计算表

4.3 轻柴油储存舱容的计算

船舶轻柴油舱的总容量要满足在ECA区域内航行、停泊、装卸货、航行时采用点火用轻柴油和无人机舱船级社的规范要求，因此轻柴油储存舱的最小容积应不小于62.43m，而轻柴油舱总舱容（V）不小于：124.86m。

5.85kDWT新巴拿马型LNG双燃料散货船重油舱容积和LNG总容积

根据计算公式（5），燃油舱和L NG 储存舱的容积形成一次线性关系的公式，假定轻柴油舱总容积V取值：150、200、250和300m，代入公式（5）中。

其LNG和HFO舱容的数值分别见表4至表7。

表4 轻柴油舱总舱容（VMDO）取150m3

表5 轻柴油舱总舱容（VMDO）取200m3

表6 轻柴油舱总舱容（VMDO）取250m3

表7 轻柴油舱总舱容（VMDO）取300m3

分别假定该新巴拿马型散货船的续航力为L，L NG 燃料的舱容为V，燃油的总舱容为V，船舶在航行过程中，可以考虑分为燃用LNG燃料和燃用重燃油（HFO）两个阶段。首先在燃用LNG燃料阶段时，主机、辅机和锅炉都采用LNG燃用模式；其次在燃用HGO燃料阶段时，因此在考虑双燃料散货船的续航力时，核算船舶燃料消耗量时，以船舶正常航行工况下单台辅机85%负荷、单台主机以CSR工况负荷和1台组合锅炉24小时不间断运行为燃料消耗基准[5]，可以通过下列公式（7）得到LNG的储存舱和燃油储存舱的理论舱容：

L— 船舶的续航力；

γ— 船舶的设计吃水主机CSR航速，取14.2kn；

N— 船舶的主机CSR功率，取6750kW；

N— 船舶的柴油发电机组85%工况柴油机功率，取680kW；

g— 船舶的设计吃水主机CSR的单位气耗，取138.12g/kWh；

g— 船舶的设计吃水主机CSR的单位油耗，取164.94g/kWh；

g— 船舶的设计吃水柴油发电机组85%工况时的单位气耗，取217.8g/kWh；

g— 船舶的设计吃水柴油发电机组85%工况时的单位油耗，取218.4g/kWh；

G— 船舶航行时的锅炉每小时消耗的总气耗，取104000g/h；

G— 船舶航行时的锅炉每小时消耗的总油耗，取112000g/h；

V'— 船舶进出港、装卸货和停泊时的消耗的总气耗容积，单位m；

将所选型主机MANB&W-6S60ME-C10.5-GI的CSR功率点的主机单位油耗和单位LNG气耗和点火油耗，以及选型辅机MANB&W-7L23/30H-DF的85%MCR功率的单位油耗和单位LNG气耗和点火油耗，代入公式（7）中，即得到下述公式（8）：

将公式（5）代入公式（8）,得下述公式（9）：

船舶进出港、装卸货和停泊时的消耗的总气耗容积V'包括进出港主机、辅机和锅炉燃气的消耗量获得，可通过表8进行计算：

表8 船舶进出港、装卸货和停泊时的消耗的总气耗容积V'LNG计算表

分别取L为18000海里、20000海里、22000海里、24000海里和25000海里，取V舱的总容积为150m、200m、250m和300m，取V'为205.9m，代入公式（5）和公式（9）进行求解，得到LNG作为主燃料使用的舱容表（表9-13）。

表9 18000海里续航力LNG储气舱和HFO储存舱的舱容最低配置表

表10 20000海里续航力的LNG储气舱和HFO储存舱的舱容最低配置表

表11 22000海里续航力的LNG储气舱和HFO储存舱的舱容最低配置表

表12 24000海里续航力的LNG储气舱和HFO储存舱的舱容最低配置表

表13 25000海里续航力的LNG储气舱和HFO储存舱的舱容最低配置表

从图1获悉，在气体燃料作为主燃料时，不同轻柴油舱容积的配置和需求，燃油舱和LNG储存舱的容积成一次线性关系，轻柴油舱的容积越大，燃油舱和LNG储存舱的容积也越大。当轻柴油舱容积一定时，不同的船舶续航力要求，燃油舱和LNG储存舱的容积也成一次线性关系，LNG储存舱容积越大，燃油舱容积就越小。

当续航力取18000海里时，如表9和图1的k1点所示，所需要的LNG储存舱的设计容积为1910.53m，容积最小，只有LNG容积超过该值时，f计算值≥0.5，LNG才有可能作为主燃料进行EEDI计算。如要同时考虑主柴油发电机组和组合锅炉在排放区域内使用轻柴油，同时满足f计算值≥0.5情况下，还要考虑在排放区域外轻柴油的使用，V轻柴油舱的舱容进一步加大，在保证续航力不变的同时，LNG的总容积也要进一步的增加，如图1的k至k点的18000kn续航力LNG储气舱和HFO储存舱的最小舱容配置斜线所示，此时的f计算值才能≥0.5。因此，在LNG作为主燃料计算时，应尽量考虑采用较小的轻柴油舱舱容，相应的LNG的总容积才能够尽可能的小，这样才能更加方便LNG储存舱的布置以及更容易满足《使用气体或其他低闪点燃料船舶国际安全规则》（IGF code）的FN的计算。

图1 新巴拿马型双燃料散货船LNG储气舱和HFO燃油舱选型区域图

目前，新巴拿马型散货船的续航力普遍要求达到22000海里及以上，从表11和图1的k点所示，LNG的总容积至少要满足2281.64m的容积要求，如选择V轻柴油舱的总舱容为150m时，可按照图1的k1至k4的线型值，适当的增加LNG储存舱容积至2559.96m，提高船舶的续航力至25000海里。此时f计算值才能大于0.5，LNG作为主燃料，进行EEDI第三阶段的计算。

当然，我们也可通过提高LNG的热值或者密度等客观因素来增加船舶LNG储存的总热值的方法进行设计，达到降低LNG作为主燃料使用时的LNG储存舱的舱容的目的。但是这种制定特定限制条件的设计，会导致船舶以后使用过程中，需要至特定的港口进行LNG燃料的加注，不方便船东的使用和船舶的运营。或者通过优化双燃料主机和辅机的选型，降低燃油和LNG的消耗量，使得船舶配置更小的LNG储存舱，满足EEDI的要求。

6.结论

85kDWT散货船作为市场上运营良好的新巴拿马型散货船或者说卡萨尔型散货船，该船型既能通过新巴拿马运河，又拥有比巴拿马型散货船更大的载货量，运力强，航线广，受到船东青睐。IMO EEDI第三阶段、四阶段的排放要求的执行迫在眉睫，许多船东也在咨询该船型能否增加LNG燃料的设计满足EEDI第三阶段和四阶段的要求，设计院所和船厂都相应的推出了85kDWT散货船的双燃料船型方案，但是大多数方案都是以LNG作为辅燃料进行设计的，市场影响力和竞争力不大，本文以85kDWT散货船选用LNG作为主燃料为案例，通过对LNG作为主燃料的计算方法和船舶续航力的设计方法进行分析和研究，得出满足船舶能效设计指数（EEDI）第三阶段主燃料为LNG时所配置燃油舱、轻柴油舱和LNG舱的舱容最小参数，以提高船舶的载货能力，为设计人员设计类似船舶的LNG储存舱容积计算提供参考和借鉴。