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绿色低碳航运背景下的安全新课题

来源:中国船检2022-11-15 11:45

  现在,船东和运营商都在积极推动绿色转型,因此在船舶设备、燃油供应、替代能源等多方面尝试进行绿色创新。但一个不争的事实是各种新技术的引入和应用在与原有技术充分融合时,会对原有系统安全产生一定的影响。“五月花”号(Mayflower)无人船在横渡大西洋时就因机械故障而被中止任务——“尽管该船的自主系统非常完美,但当硬件出现问题时,多数AI无法自行解决”。从这个角度考虑,有关绿色航运的诸多新技术应用可能也会让船舶面临新的安全挑战,行业需要对此有足够的认识,确保绿色转型过程平稳安全。

  警惕“不兼容、不稳定”

  很长一段时间以来,航运业似乎没在燃油选用方面有过多的想法,“只要价格低廉,单位能量密度高就好,哪家企业不希望烧更少的油,行更远的路”?尤其在油价较高、运量较少的时期更是如此。然而,在严格的“限硫令”背景下,市场正在劝退传统船用燃油,而对于低硫油的需求比重不断增加。一份来自德路里(Drewry)关于燃料使用的调查问卷显示,约66%的受访者表示其运营中的船舶会选用低硫油作为燃料,对于新造船是否使用低硫油的询问,37%的受访者选择肯定回答。但船舶在安全使用低硫油方面却面临些许风险。

  船用燃油是一种从炼制中分离出来的除蒸汽、煤和柴油外的渣油产品,渣油之间兼容性问题不太大,主要因渣油芳香烃指数比较高(芳香烃指数越高,越容易溶解渣油里的沥青烯)。但随着低硫油普遍应用,燃油兼容问题越来越多。上海圣清石油化工有限公司业务总经理田明辉说:“燃油兼容性指不同燃油在混合时产生沉淀的趋势。当互不兼容的油品混合时,沉淀可能立即发生。新型燃油可能达到要求的稳定性标准,与其它燃油混合很可能变得不稳定,导致不兼容。各地区混合油品成分差异大,油品不兼容的问题可能突出,不仅不同类型和批次油品之间可能不兼容,即使同一批次的油品也可能不兼容。燃油不兼容导致沥青质沉淀而形成油泥和油渣,致使过滤器、分油机堵塞,在极端情况下会堵塞燃油管道,主机停车和跳电风险非常高。”

  斑点测试法是一种在船可用的简单测试燃油兼容性方法,田明辉说:“它主要用于评价化工领域油品稳定性,也可用于评价油品掺混互溶安定性情况。选取两种试验样品按各50%的比例加热混合并搅拌均匀,取一滴混合油样滴在预热后的试纸上,再将试纸放入烤箱中加热到100摄氏度,然后观察试纸油点情况。如果斑点均匀、内部显示无环,表示兼容并稳定;如果斑点内部有细微环状,表示产生一些沉淀,混合油品不宜过度加热,加强分油过程;如果斑点内部出现明显的黑色环状甚至了出现固体,则表示油品之间不兼容、不稳定。”

  在某些情况下,存储状态发生改变会影响燃油的稳定性,这主要取决于燃油的抗分解能力。燃油分解取决于其悬浮沥青质的液态碳氢化合物性质,如果介质是芳香烃,它将保持悬浮状态,如果是石蜡(分子结构为直链烃),沥青质可能有聚合成污泥的倾向。一旦燃料发生化学分解,其过程不易逆转,且沉淀沥青质不能再溶解。燃油在油舱长期存放后,沥青质成分会沉淀变成油泥或油渣,进而造成油路、分油机和滤器堵塞。某家位于新加坡的燃油供应商也表示,低硫油在油舱中存放太久会析出沉积物,燃油总酸值也会受到影响。如果酸性过高,就会导致船舶操作出现问题。

  燃油使用问题总会随着经验积累而得到解决,但碰到问题燃油,那麻烦可就大了。燃油检测机构Veritas Petroleum Services(VPS)表示,通过气相色谱-质谱联用仪已检测出在“ARA地区”(阿姆斯特丹、鹿特丹、安特卫普地区)加注的超低硫油样品中检测出挥发性有机化合物,且已经有船在上述地区加油后报告船舶主辅机在使用问题燃油后,喷油嘴和燃油泵出现损坏。在VPS看来,这些化合物通常不是来自正常的炼油过程,是燃油已受到污染的迹象。而使用这些存在污染的燃油可能导致船舶在运营过程中出现问题。

  低硫油黏度、润滑性与高硫油相比有较大不同,高硫油舱改装低硫油时,如果没有对油舱进行完全清理,不仅残留高硫油混入低硫油会造成硫含量超标,也有可能引发机械故障。因此要注意检查油舱清洗程序要满足“三遍燃油处理剂的化学清洗、一遍少量轻油清洗、人工清洗”要求,并确保记录与计划相一致,完善船舶换油程序,在切换不同批次的低硫油时,尽量将沉淀柜及日用柜中的旧燃料用完,以最大限度地减少“混油”风险等。

  集中挑战来自“化学式”

  在替代能源使用方面,氨、氢和甲醇是需求所向,譬如最近三年,有关船舶使用这三种燃料的消息一经发布,关注度都相当高。但是,氨、氢和甲醇具有的化学特性或隐患又给船舶安全带来了巨大挑战。

  氨的毒性和腐蚀性不言而喻,尤其当泄漏的氨遇到水后,会与空气中的凝结物发生反应而形成有毒雾气,很难消散。而且氨是可燃的,任何泄漏都有可能产生火灾和爆炸。如果说80%-90%的海上事故因人为因素导致,那么,当船员在有关氨燃料专业知识的掌握与所受培训不充分(必是氨是新兴能源) 的情况下,危险可能随时发生。另外,燃料用氨不同于装在储罐中的运输氨,它会“流通”到更多的环节,比如通过管道从油舱到燃料准备室(泵、压缩机等),进而输送到发动机。氨在传输过程中遇到设备越多,意味着其接触的面积越大,泄露风险也就更大。无疑,这加大了氨作为船用燃料的安全系数。

  相比氨动力船,成型或在设计之中的氢动力船舶数量较多,不论是从能源采集/应用还是从能源供给来讲,氢都处于相对优势。但这只是相对于其他替代能源(氨和甲醇)而言。如果将传统燃料与氢进行对比,后者面临的安全应用风险还有很多。

  尽管氢在消除二氧化碳方面表现出的潜力最好(可能除太阳能、风力等自然动力源外),但它的能量密度特点意味着必须在船配备巨大的燃料舱——液氢的存储温度为零下253摄氏度。这不仅意味着很大的舱位损失,还意味着存储罐压力的管理,且这种管理在数字化和智能化时代已经从“人的管理”分包出去,一旦AI无法纠正错误,出现压力泄漏,后果不堪设想。这两方面考虑是氢燃料还很难应用在超大型集装箱船上的最重要原因。当然,业界也在着力解决这些“此前未有的挑战”。

  甲醇动力船舶也是绿色船舶发展方向,从马士基和达飞轮船下单定造甲醇动力集装箱船的消息即可知这种燃料的可用度。甲醇具有良好的应用前景,比如船用发动机技术对于甲醇应用的成熟度相对较高意味着其在使用过程中的安全系数高,且甲醇的单位体积能量密度明显高于氢,预示着这种燃料更加适用于非短程航线。

  虽然甲醇动力船舶可以较少(相对于氨/氢动力船舶)思虑船舶运营安全问题,但也应通过布置和系统设计(通风、探测和安全措施)将甲醇燃料相关危险所发生概率和后果限制在最低水平,比如设置安全且合适的甲醇供应、储存和加注装置,以便能够接收和容纳所要求状态下的燃料而不会造成泄漏,同时,针对潜在泄漏或火灾风险,要有泄漏探报、火灾预警和灭火措施等警示。

  难点下的船型设计思路

  “氨、氢和甲醇等替代能源能量密度差异,以及易燃、易爆或有毒特征也给船舶总布置带来了巨大挑战,显然,传统的船舶总布置方案无法适应氨、氢和甲醇等替代能源能的使用要求。”

  这也是道达尔(Total)参与一项旨在降低氨作为船用燃料风险研究的主要目的,这项研究目前考虑了单壁/双壁密封及加注作业期间的不同泄漏情况,提供关于通风和蒸汽处理系统效率、所需安全区域,以及暴露于氨泄漏中相关人员健康风险的关键见解。评估氨泄漏对船员和乘客健康、航行安全造成风险后,将逐步确定有关氨燃料的关键安全标准,以便加深航运业对氨燃料的理解。船舶发动机和燃料系统通常位于下层甲板的密闭空间,由于不仅限于上述原因的种种因素,未来出现的氨动力船舶设计可能会改变常规布局,甚至导致彻底的重新设计。目前,一些已有概念图的氨动力新船已经将氨储罐放置于甲板上,以求最大限度地降低氨泄露带来的潜在风险,减少对船舶安全和海上环境的侵蚀。

  氢燃料船舶的价值链包括存储设备开发、船体设计建造、船舶运营管理、燃料供应等环节,由欧洲国家政府机构、造船厂、能源公司、数字智能技术企业和船配公司等26个合作伙伴联合推出的《氢燃料船舶手册》就聚焦了船用氢燃料可能遇到的各种难题,详细介绍了如何驾驭设计建造的复杂要求,涵盖安全和风险缓解、氢系统施工细节、海事应用实施阶段等氢操作中的最重要方面。

  传统船舶的燃料舱是针对于闪点在60摄氏度以上的重油而设计,马士基订造的闪点在12摄氏度左右的甲醇动力集装箱船自然面临设计挑战。“为此,我们的燃料舱采用了双层屏障、双壁管设置,确保没有任何单一的故障使得甲醇蒸汽暴露在可能着火的地方,以确保安全。” 马士基船队技术部门相关负责人在向业界介绍马士基订造大型甲醇动力集装箱船项目时说。

  另外,针对替代能源背景下船型设计面临的技术难点,武汉理工大学老师汪皓总结了以下三点作为思路突破路径。第一,加快氨、氢和甲醇等替代能源在规范法规及监管环境方面的完善,从能源加注、能源储存、能源供给和能源使用等多个角度完善船型设计过程中对于替代能源应用的要求,并提供可参考的船舶标准解决方案。

  第二,氨、氢和甲醇等替代能源的不同物理性质造成了不同能源船舶总布置形式差异巨大,并且船舶吨位、航线、船型的不同也可能造成布置不同,因此能够综合考虑能源特性和船型设计需求的新兴船舶总布置设计方法和手段是未来替代能源船型设计的主要发展方向。

  结合现阶段三维设计技术和空间智能布局技术,从“加注、储存、供给和使用”的维度综合考虑各类替代能源对船舶总布置影响,基于计算机快速生成合理可行的空间布局方法供设计人员决策判断,从而进一步提高船舶设计质量、降低船舶设计周期和成本,提高船舶安全性。

  第三,氨、氢和甲醇等替代能源产业链尚未形成,基础设施配套不完备,这给船型设计过程中的航线选择、续航力确定、船舶经济性评估带来巨大挑战,具有市场竞争力的新能源船型往往较难得出完美设计,因此应明确氨、氢和甲醇等替代能源动力船舶的使用路径,加速相关产业链形成,为相关船型设计提供更好设计基础和使用环境。(赵博)

[ 责编:宋雅娟 ]
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