馬士基零碳航運中心CTO談大型氨燃料集裝箱船安全

馬士基·麥克-凱尼·穆勒零碳航運中心首席技術官Claus Winter Graugaard

繼北歐綠色氨動力船舶（NoGAPS）項目取得積極進展之后，馬士基·麥克-凱尼·穆勒零碳航運中心（Mærsk Mc-Kinney Møller Center for Zero Carbon Shipping，MMMCZCS）又在推動氨燃料船舶應用方面邁出了新的重要一步。近日，在與本刊記者的對話中，馬士基·麥克-凱尼·穆勒零碳航運中心首席技術官Claus Winter Graugaard將這艘15000TEU氨燃料集裝箱船如何從設計上確保能效和安全向我們娓娓道來，并通過氨燃料集裝箱船設計項目與新加坡氨燃料加注可行性研究項目（SABRE）在構建氨供應鏈方面的內在聯系以及馬士基·麥克-凱尼·穆勒零碳航運中心的深度風險評估工作如何促成新的概念設計、解決關鍵難題，展示了中心在與知識淵博的行業利益相關方攜手開展各類項目時的合作理念。

問：相比“NoGAPS”號氨動力氣體運輸船，最新推出的15,000 TEU氨燃料集裝箱船在設計有哪些新的因素需要考慮？

答：我們通過NoGAPS概念設計積累了大量經驗，許多解決方案可以在該項目的設計過程中得到借鑒。在研究大型集裝箱船如何應用氨氣雙燃料解決方案時，我認為，首先應當考慮15,000TEU大型集裝箱船的特性，這為此類船舶的航程和續航力設定了預期。因此，我們首先需要解決的一大關鍵難題就是確定這類船舶會部署在哪種典型貿易航線上，然后確定其續航里程和航速，進而了解這些因素對大型船舶上的氨氣儲存有何影響，以及船舶儲罐結構儲存大量氨氣時的靈活性。這是我們從技術和商業靈活性相結合的角度進行研究的第一步。在我們最近發布的報告中，大家可以看到，我們設定了幾種標準或情景來確定船舶在不同貿易模式以及18000海里全航程與12000海里續航選項對比之下的貿易靈活性表現。我們得出的結論是，對于這艘集裝箱船而言，12000海里的續航效果非常好，對貨物裝載能力的影響也有限，而選擇18000海里全航程續航則可將氨氣儲罐設計在住宿區下方，從而盡可能減少集裝箱貨位損失。

其次，如何將氨燃料加注上船也是一個非常具有考驗性的問題，這與NoGAPS 項目中的LPG運輸船情況大為不同。在燃料加注站的位置與船上集裝箱貨物裝卸活動的協調上，我們也花了大量時間來討論和研究，力求將其設置在安全、合適的位置。我們將其放置在船上相對靠前的位置，靠近氨氣儲罐，以便最大限度地減少從加注站到儲罐之間燃料及供應管線的暴露，使管線盡可能簡單、短距，同時將加注站設計成一個封閉的空間，周圍有各類安全機制和保障措施。我們找到了一種可行的解決方案，即盡可能減少對集裝箱運力的影響，同時簡化儲罐連接空間（TCS）和儲罐的安全設計。

另一個考慮因素是儲罐的位置。在這種雙島式（twin-island）設計概念中，將儲罐置于住宿區下方，遠離機艙，就意味著氨燃料的主要消耗者（主機和輔機）與儲罐隔著相對較長的距離。我們也開展了大量討論，探索如何從風險評估的角度以安全的方式確定從儲罐到機艙之間的燃料輸送管路的最佳路線，機艙內的主機和輔機將放置在靠近燃料準備室的處所。我們實際上是將燃料準備室與機艙連接了起來。如此，所有的氨處理系統，包括大量的閥門、法蘭連接、管線和其他設備，都被放置在距離住宿區相當遠的機艙處所內。我們通過風險評估工作和氨燃料安全研究項目了解到這些設備對船員來說存在很大風險，因此我們將這些設備放置在人員較少的空間附近。

此外，氨燃料供應管路的布局也是我們重點考慮的因素。我們發現在龍骨內的管道（keel duct）中鋪設供應管路將氨燃料輸送到燃料準備室是一種相當安全的方案。我們也研究了將供應管路設置在主甲板下方管道的可行性，但集裝箱裝卸作業也在此空間進行，有受到作業現場影響的潛在風險。最終，我們確定可將燃料供應管路放置在龍骨內的管道中。從擱淺等事故的統計數據來看，龍骨內的管道發生破裂的可能性非常小。因此，風險評估證明這是氨燃料供應管路布局的可行路線。

最后，在通風桅桿（vent mast）的布置上，每艘船都面臨著獨有的挑戰。通風桅桿可以讓船舶排出潛在的未處理蒸發氣體或其他特定情形（如緊急情況）中可能需要釋放的氣體。因此，我們對該船通風桅桿的位置進行了研究，氣體擴散研究證明，將通風桅桿放置在船舶最前端實際上是一種比較可行的解決方案。如果船舶高度合適，從風險評估的角度來看，這樣的布置有利于控制氣體釋放，方便其向大氣中擴散，同時能夠保持通風桅桿不受貨物操作的影響。替代燃料船舶通風桅桿的位置設計比較敏感，需要避免物體掉落和起重機之類的操作帶來的風險。

問：根據報告，項目組選擇將該船的氨燃料儲罐放置在住宿區下，這種設計是如何確保船員安全的？

答：有這樣的疑慮很正常，我們也會問自己，讓氨燃料儲罐遠離船員和住宿區會不會更好？但在最終采用的設計中，以冷藏狀態儲存氨燃料的B型儲罐結構也考慮到了B/5標準（即燃料艙與船殼外板的距離不少于B/5）以及國際海事組織有關如何布置此類儲罐的典型規范要求。如果大家了解一下針對這類儲罐破裂風險的評估，就會發現，儲罐結構本身發生破裂的可能性非常非常有限。而且，該船的儲罐結構還設有兩級屏蔽，這意味著，如果一級屏蔽發生泄漏，儲罐仍然有一層圍護系統，可以處理系統內的任何氨蒸氣泄漏，同時，船上還配備蒸發氣體再液化裝置。另外，還能通過透氣系統來加強安全屏蔽。

其實，當儲罐被放置在距離船殼外板相當遠的處所時，儲罐因撞擊而破裂的風險是非常有限的。我們認為最大的風險更多地存在于燃料準備室或機艙，定量風險評估研究也證明了這一點。因為這些處所每天都要處理氨燃料，有大量設備在各類燃料系統周圍傳輸、加壓泵送氨燃料。而儲罐中則沒有這些活動，儲罐結構實際上是一個非常簡單的存儲系統，內置了相當多的安全屏障。

問：從船東角度來說，您認為在開發氨動力船舶的過程中，他們最關注和想要解決哪些方面的問題？

答：在討論這類概念設計時，我們著重強調的一點是要從安全設計的理念出發來設計船舶，建立我們稱之為本質安全的解決方案。我們在船舶設計過程和安全項目中，建立了定量風險評估模型，深入研究具體設計特點，并結合船舶運營狀況，了解各種設計特點如何幫助我們降低風險水平，因此既有定性風險評估，也有定量風險評估。這使我們能夠真正確定最合適的本質安全設計方案，這種方案能夠最大程度地確保船舶設計不會給船員帶來任何危險。當然，這也是船東非常關心的問題，他們需要考慮如何在合理可行的情況下確保船舶本質安全（即最低合理可行），讓船員在開始接受針對各類緊急情況（例如發生泄漏）的培訓之前，就能對船舶安全非常放心，因為這些系統設計的初衷是為了保護他們。

其次，未來的海員們需要在這類雙燃料船舶上工作，不僅僅是氨燃料，還有甲醇或甲烷（LNG）等等，他們需要接受適當的培訓，確保能力得到提升，船上的安全管理系統以及技術管理人員駕駛船舶的方式都要隨著新的標準而更新。海員需要知道如何處理新的燃料系統，因為他們的操作會涉及到氨、甲醇或甲烷，這些與他們熟悉的、過去幾十年來船舶慣用的燃料油又有區別。順便一提，燃料油也并非毫無風險。這一點很值得注意，大家如今所熟知的單燃料船并不是完全沒有風險的船舶，但是人們可以通過適當的安全管理機制來管理風險，這也正是我們在此項目中所做的事。我們面臨的是一種不同類型的風險，以氨燃料為例，氨分子的性質與燃料油不同，而我們在工程設計中構建了能夠保護船上工作人員的本質安全解決方案，并采用正確的方式開展工作。除此之外，當然還需要對人員進行培訓，讓他們了解需要具備什么技能，在這類船舶的日常操作中如何反應和行事，以及如何進行燃料加注等等。另外，還有一個問題是，萬一發生事故，應該采取怎樣的緊急響應措施和應急計劃？如今所有船東和運營商都需要制定燃油泄漏或溢油應急計劃。因此，對于這類新型船舶設計而言，應急計劃也需要成為安全管理系統的一部分。

問：報告分析得出該船足以滿足EEDI第三階段要求，且CII評級可達到A級別，在實際運營中若要保持這樣的合規表現，船舶使用的氨燃料應符合什么樣的要求？氨燃料的生產和供應是否能夠滿足需求？

答：首先，當我們考慮未來船舶能效時，船上任何程度的能耗節約，只要可以實現，就都具有重要意義，這是實現船舶脫碳的第一步，也是最有效的一步。因此，現有船舶和新造船必須盡可能地提高能效。在相關法規即將出臺、替代燃料價格預期上漲的情況下，對船舶節能進行投資絕對不會讓人后悔。當船舶選擇使用替代燃料實現合規時，這些投資將在非常短的時間內得到豐厚的回報。我們的設計也在EEDI方面進行了優化。在項目第一階段，我們主要聚焦的是實現氨雙燃料解決方案，等項目進行到下一階段，進入船廠建造流程時，就將在最大程度上通過CFD對船體設計進行優化，并將評估空氣潤滑系統、軸帶發電機和其他節能裝置或者風力輔助方案等各類節能技術的應用。我們很清楚，在技術方面，市場上已經有很多工具可用，但它們需要成為一個系統，以最佳可行的方式集成到這種特定類型的船舶上，這一點非常重要。滿足EEDI第三階段要求對我們來說并不成問題，即使這艘新造船使用燃料油我們也無需擔心其EEDI合規性。而且，船舶可以從使用氨這種無碳替代燃料中獲益。如果使用的是經過認證的綠氨，或者是符合適當的全生命周期（LCA）資格標準，通過制造證書可以證明為零碳/低碳能源載體的藍氨，并且在法規中納入了相應燃料標準的情況下，這樣的雙燃料船在CII或EEDI等機制下就可以降低碳排放懲罰，鑒于其采用零排放燃料而獲得合理的碳強度退款。

因此，我認為需要從兩個方面來看待這個問題。無論實際燃燒的是氨、甲醇還是燃料油，船舶都需要持續優化。尤其是在未來，船舶優化的重要性會愈加凸顯，CII法規將逐年提高現有船隊的合規要求，2026年及以后的標準還會更高。這意味著船舶運營商從現在起每次干船塢都需要對船舶資產進行投資，以減少船舶運營中的能源消耗。而這實際上有助于整個航運業的轉型，如果所有人都盡最大努力，采取最佳能效措施，全球船隊的能耗就有可能從當下3億噸燃油當量減少20%量級。這至少會讓我們朝著正確的方向邁出一大步。

那么，我們應該如何進一步削減能耗比例呢？這就是低排放或零排放替代能源（例如氨）的用武之地。在這方面，替代能源發揮著極其重要的作用，能夠幫助我們實現凈零排放。當然，如果船舶使用的是獲得全生命周期認可的燃料類型，那么法規應該支持其在分類體系（如EU ETS）中獲得明顯的優惠。

問：請您介紹一下這艘氨動力集裝箱船與SABRE項目具體有著怎樣的聯系？

答：SABRE項目由日本住友商事株式會社（Sumitomo Corporation）牽頭，重點聚焦在新加坡開展氨燃料加注的可行性。我們通過該項目與馬士基、Fleet Management船舶管理公司、ABS、吉寶（Keppel）等其他合作伙伴進行了合作。項目第一階段主要研究如何建立將氨燃料輸送到新加坡的商業供應鏈。此外，我們還與吉寶共同開發了氨燃料加注船概念，探索如何開展大型氨燃料加注，以便在新加坡周邊地區實現氨燃料交付。項目第二階段是開發氨燃料接收船概念，即一艘經常�？啃录悠�、有氨燃料需求的典型船舶。正因為此，馬士基·麥克-凱尼·穆勒零碳航運中心才決定開展15000 TEU氨動力集裝箱船設計項目，為與之獨立的SABRE項目提供支持，將新加坡氨燃料加注的整個物流鏈（涵蓋燃料加注以及從儲存設施到加注船和接收船的岸基供應等環節）連接了起來。

還有一些風險評估工作也是圍繞著這些項目開展的，而且這樣的合作模式也帶來了其他優勢。例如，我們可以通過一個非常具體的案例來展示如何在新加坡構建氨燃料供應和接收的供應鏈，以及如何與當地合作伙伴一起驗證概念的實現，現在新加坡港務管理局（MPA）也加入了SABRE項目。這正是我們零碳航運中心項真正推崇的項目合作方式，我們在開展業務組合中各種各樣的項目時積累了大量模塊化的知識，而通過各項研究活動我們又得以將這些點串聯起來，融合進更多現實應用案例中。我們將一片片模塊化的知識緊密聯系起來，發展成更成熟完備、從商業層面能夠啟動投資的概念設計，并讓供應鏈和接收端利益相關方能夠應用這些解決方案，為他們制定投資決策提供支持。

問：報告提到還有一些重要問題需要在下一階段的項目中繼續研究，請您談談下一步設計工作將如何開展。

答：有一點前面已經提到過。我們現在正在討論如何優化該船能效，如何應用我們所了解的技術方面的所有最佳實踐，再結合商業靈活性來進一步優化設計，這將是對概念設計進行全面能效優化的一個過程。然后，是對實際設計的審批。目前，我們已經與美國船級社（ABS）共同開發了船舶設計的安全解決方案，并在儲罐結構、燃料輸送系統、燃料加注站位置、燃料準備室和發動機解決方案等細節方面獲得了原則性認可（AIP）。當然，下一步這還需要從細節上進行更加全面地設計，以便獲得船級社入級和船旗國認可。因此，接下來非常重要的一步是進入詳細設計階段，并與船級社和選定的船旗國合作，通過基于風險的方法確保這種本質安全原則得到充分驗證。

還有一點也是我們在報告里列出的建議事項，其實在之前的NoGAPS 項目中已經在推進，不過還有待在本次設計中繼續探索，那就是應用氣體擴散模擬來進一步研究如何驗證潛在源頭的氨泄漏情景，模擬潛在氨氣泄露的擴散表現，無論泄漏是源自燃料準備室，還是燃料加注站，又或是通風桅桿。我們可以在氣體擴散研究中模擬氨氣的擴散行為，至少可以非常清楚地了解這對于設計的影響，從而進行微調并再次驗證，讓船上的工作和生活盡可能的本質安全，確保船員在正常操作條件下不會受到傷害。