0 引　言

国际海事组织（IMO）下属的海洋环境保护协会（MEPC）在2023年7月份组织召开了第80次会议，调整了原2018年提出温室气体减排的宏伟战略计划^[1]。航运界也一直在讨论未来船舶设计的脱碳路径，针对中长期的脱碳路径，氨燃料在船舶上的应用成为一大热点^{[2 - 3]}。

作为零碳燃料，理论上其燃烧和排放的过程不含任何温室气体，但实际应用中，有很多技术挑战需解决。尤其是作为一种易挥发的毒性气体，对于船员的安全是一大威胁。同时由于氨的燃烧特性比较差，不及常规燃油或低碳燃料，比如甲醇和LNG，也不及零碳燃料氢气。因此针对当前广泛应用于船舶的二冲程内燃机，在燃料燃烧释能的过程中，需添加较多的点火油。如果采用化石能源的船用轻油作为点火油，那么实际温室气体排放肯定不为0，即便如此，其降碳效果仍然非常明显^[4]。

已有不少研究将氨燃料应用于船舶^{[5, 6, 7]}，研究的重点在于提出一套设计的逻辑，并未深入研究氨燃料本身特性和船舶设计的相互影响。本文从船舶总体设计角度对某一大型散货船应用氨燃料进行深入研究，为氨燃料在船舶上的进一步应用提供参考。

1 项目介绍 1.1 船舶技术性能指标的设定

根据甲方需求，确定设计目标见表1。

1.2 氨燃料规范体系

目前为止，IMO发布的IGC CODE中明确规定氨作为有毒化学品不能作为燃料使用，但这明显和当前IMO的脱碳进程以及航运业的发展趋势违背，因此2024年12月MSC的109次会议上明确将修改IGC CODE的相关内容，并且发布了《船舶采用氨燃料的安全规范临时导则》。相关规范要求总结见表2。

虽然MEPC83次会议已经发布MSC.1-Circ.1687，《船舶采用氨燃料的安全规范临时导则》，和之前IMO发布的《船舶采用甲醇燃料的安全规范临时导则》不同，该导则内容大多数为基于目标和功能要求，具体量化的要求并不多见，因此在实际的船舶设计中，大多数仍旧按照各家船级社的要求进行布置。

2 具体船舶设计方案

根据第1节的船型目标以及氨燃料的物理特性，将从氨燃料系统布置、氨燃料能效收益、氨燃料带来的安全问题以及船舶应用氨燃料其他方面的影响进行研究。

2.1 燃料舱舱容

根据氨燃料和常规船用燃油的属性对比表3，可知：

1）同样的续航力要求，液氨燃料的舱容需求是常规船用燃油的3倍以上；

2）氨常温下为气态，为了方便液态氨燃料的储存，必须采用压力低温罐或低温罐的方式进行储存。

针对主流的二冲程主机，对比德国曼恩的6G70ME、6G60ME、7G60ME以及WINGD相应的6x72、6x62和7x62主机后，最终采用WINGD的6x72DF-A-1.0主机这款单位油耗偏低的机型：既可以为船东节省油耗，带来实际的更优营运收益，也能充分利用氨燃料这种对于空间需求比常规燃油大的多的燃料舱容，最大化船舶的续航力。

根据厂商提供的主机参数以及本船的初步快速性估算结果，以及船东要求，燃料舱舱容情况，见表4。

设计航速（14.5 kn）下，氨燃料满足13000 n mile，常规燃料满足12000 n mile，总里程满足25000 n mile续航力。该既能满足传统的澳大利亚到日韩地区的煤和铁矿石航线，又能偶尔覆盖到巴西及西非的矿石运输航线。

2.2 燃料舱选型

舱型选择的主要依据是燃料特性和由此决定的存储要求，并结合舱容需求，综合考虑布置等方面因素确定。

氨在常温常压下是气体，液氨须在零下33°C下低温存储或在9 bar压力下常温存储在维护系统里。IGF Code中定义的A型舱、B型舱、C型舱在理论上都可以存储液氨。C型舱为带压存储方式，C型舱适合相对较小的容积，空间利用率比较低，目标船的舱容要求高，不适合采用C型舱；A型舱和B型舱为常压存储方式，空间利用率高，通常用于较大的容积需求，适合于目标船；相比于B型舱，A型舱采用完整的独立次屏蔽，安全性好，系统安装维护简单，技术成熟，建造成本较低，经过综合考虑氨方案采用A型舱。储罐材料的选择需考虑到低温状态下的液氨具有一定的腐蚀性，常用的材料有低温碳锰钢、低合金高强度钢、不锈钢、铝合金等。从生产工艺成熟度和成本考虑，最终船东选择了A型舱储罐，主屏蔽采用FH36低温碳锰钢。

2.3 燃料舱布置

在船型目标要求的续航力以及货舱舱容的要求下，经过和船东的沟通，船东不建议氨燃料储存舱布置在货舱区，避免影响到货舱区的货舱舱容或船舶码头的装卸货操作。因此氨燃料只能布置在除货舱区以外的首尾部空间，而根据规范要求，燃料储存舱不允许布置在防撞舱壁之前，所以最终氨燃料储存舱必须布置在尾部。根据储存舱和上建之间的相对位置，采取了3种可行的布置方案，阴影部分为氨储存舱位置，如图1所示。

在常规燃料方案的基础上，对上述3个布置方案的技术要点进行列表汇总，见表5。对每个比较项目，分别给出“好”“较好”“中”“较差”“差”的评价，以相对的比较为主，“-”为不适用。最后进行汇总，并考虑权重、风险点等因素得出综合评价，综合评价在同一种燃料的内部3个方案之间进行。

对氨燃料方案，上述的综合比较结果表明，方案A1（“大背包”）在各项主要技术项目的比较中总体略微占优，并且相比之下没有特别明显短板；而方案A2（“两侧型”）由于有单独2套氨储存舱，在建造成本上较高；方案A3（“凯旋门”）则在上建布置方面缺陷明显，并且上建和氨燃料舱的上下位置关系对船员造成心理上的不安全感，因此从排除风险和不确定因素的角度考虑，放弃方案A2和A3，保留相对较优并且没有明显缺陷和风险的A1作为设计方案。基于方案A1，进行结构强度核算以及各专业的影响估算，由于增加氨燃料系统导致的船舶空船重量增加约1400 t。

2.4 氨燃料对于温室气体排放的影响

假定氨燃料的碳排放系数为0^[8]，在计算能效设计指数（EEDI）时仅需考虑由于点火油带来的碳排放即可。使用绿色氨燃料的情况下，EEDI计算结果如图2所示，温室气体排放远低于规范参考线之下，具体为95.1%，比纯燃油模式下（30.5%）的温室气体排放低很多。

另外考虑氨燃料对碳强度指数（CII）的影响，和船东讨论后，考虑实际营运情况，假定经济航速下，氨燃料仅在新加坡进行加注的模式，综合考虑C5（澳大利亚到中国）和C3（巴西到中国）航线，这2个航程个占比见表6，采用已有文献的计算方法^[9]，最终计算得到以下CII估算结果。

根据以上计算，同时假定船舶靠港状态下船舶仅能使用燃油，那么采用绿色氨燃料，加上点火油和靠港使用的燃油消耗，碳排放仅需要考虑燃油燃烧产生的温室气体，估算该船的CII，假定该船2026年交船，那么可以得到该船在25年的生命周期内，评级均为A级。考虑到当前绿色氨燃料的价格，假定未来氨燃料价格仍然偏高，如果从满足CII不需要进行整改为目标进行核算，则全年可以使用的燃油为3620 t，根据表6该船全年的续航力约为102000 nmile，假定基于该船设计续航力25000nmile加一次燃油，那么燃油最多可以加注燃油约为880 t，如表7所示。以上2种模式下的CII计算结果见表8。

2.5 氨燃料引起的安全问题

1）氨燃料系统本身的安全问题

在很多资料中对于氨燃料系统引起的安全问题，主要聚焦于氨燃料的易燃易爆属性，氨燃料泄露后的毒性以及氨燃料对于船舶建造材料的腐蚀性等。本项目在和船东及船级社的充分沟通下，针对通风设计，分为2个部分进行考虑：

1）常规通风配置，目前这部分各大船级社与IGF code的要求保持一致；

2）增强型通风/灾难应急通风配置，或者部分船级社称之为灾难性通风，根据该船入籍的船级社进行额外考虑。

针对氨燃料的消防配置等其他方面，同样采用以上方式进行设计，首先满足IGF Code的要求，然后再考虑特别船级社的特殊要求。

2）氨燃料系统布置对于船舶的影响

除此以外，该船因为采用了甲板以上的布置2个氨燃料罐体，从船舶稳性方面考虑，该船的空船重量重心由于氨燃料罐体的布置重心升高，GM会相应减小，同时，在航行过程中由于燃料的减少，罐体内液氨产生的自由页面也会对船舶稳性有一定的不利影响；而在强度方面，由于氨燃料系统的增加，会影响船舶的出到港油水情况，尤其是氨燃料布置在船舶尾部，会导致船舶的总纵应力的大幅变化，基于此，采用NAPA软件对于该船进行建模计算，并对其稳性和总纵强度进行全方位评估。

基于以上不同方案以及空船重量的影响，对于船舶典型装载工况进行校核计算，主要从稳性方面和总纵应力2个方面进行对比。船舶完整稳性的考核主要指标为初稳性高度，本船针对其典型海上工况进行考核，如表9所示。

各工况在常规燃油设计方案下和氨燃料设计方案下的初稳性高度计算结果如图3所示。

同时根据常规燃油方案和氨燃料方案工况的总纵应力计算，可以得到2种不同设计方案下海上工况和结构共同规范对于散货船要求单舱进水工况的强度情况^[10]。

船舶弯矩计算和船舶剪力计算结果如图4～图7所示。

3 氨燃料船舶设计方案计算结果与讨论

针对18万吨散货船的氨燃料设计思路进行详细说明：首先，对于氨燃料舱的舱容、舱型和布置进行了不同方案的分析；其次，对于氨燃料的脱碳特性根据IMO规范要求进行评估；最后，从氨燃料系统本身以及氨燃料系统布置和船舶设计的特殊性的耦合，通过常规的燃油方案和氨燃料方案对于船舶安全问题，主要在稳性和结构强度方面进行计算对比，得到初步结果：

1） 燃料舱的舱容设计主要根据船舶营运要求计算，同时受到船舶的快速性，主机选型和替代燃料的特性影响；本案中，考虑到设计航速和经济航速的不同油耗，从实际营运出发，在同样的续航力下，针对氨燃料，经济航速计算模式可减少约28.7%的舱容需求。

2） 燃料舱的形式，在考虑安全的基础上，主要取决于船舶空间的利用率和建造成本；对比3种已经有实际案例的氨燃料储存舱形式，A型舱比C型舱在空间利用上和建造成本上更优。

3） 燃料舱的布置，是个综合评估，需要反复迭代优化分析的过程。前述章节仅以一个简单的框架式分析，提供给船舶设计者一个设计思路，最终确定还需要和船舶营运以及船舶使用方进行讨论和确定。经综合评定，本案中A1大背包型方案更优。

4） 氨燃料对于脱碳的影响，主要考核了EEDI和CII的情况，这一分析可以结合前面3点进行综合考虑。尤其是对于舱容的影响，可以参考相关文献。本案中，采用氨燃料后，EEDI比常规燃油方案提升约64.6%。

5） 氨燃料引起的船舶安全问题，其中氨燃料系统本身的安全分析，已有众多文献可参考，在目前IMO没有正式设计导则的情况下，需要根据船舶具体入级的船级社要求进行相应设计。当前设计，首先需要满足IGF Code的要求，然后再满足船级社的要求。

6） 氨燃料引起的船舶安全问题还包括对于船舶稳性的影响和结构的影响，需从空船重量、燃料舱布置分析开始，以此作为输入，对于船舶典型工况进行分析和计算，本项目仅为方案设计，计算内容深度不如实际船舶详细设计过程，但是由其结果可以看到，基于前述船东选择的特定方案，在稳性方面的影响非常有限，对于营运工况GM值的影响，低于5%；对于结构强度的影响，对比氨燃料方案和常规燃油方案，完整工况下弯矩超出约30.5%，单舱破损工况超出约20.1%；剪力的变化相对较小，主要集中在尾部机舱区域，综合考虑下来，差异低于5%。

以上结论，主要基于规范要求和船东设计需求，同时因为该项目并非实际的工程项目，其设计深度也存在一定不足，另外还有一些设计输入假定因为当前相关规范的不完整，也存在一定的不确定性，这些问题分析如下：

1） 截至目前为止，船用二冲程主机的主要供应商，仅温图尔特（WINGD）有部分机型的氨燃料主机参数可用^[11]，而曼恩（MAN）的官方网页并未有氨燃料主机可选^[12]。因此本文内容所依据的氨燃料气耗，存在一定的不确定性，尤其是如果船东喜好曼恩厂商的产品，将来仍需以厂商的台架试验数据为准。同样，在同等的营运需求下，氨燃料舱的舱容也存在一定变动。

2） 本案中，氨燃料舱的设计，是基于常规燃油方案的母型船体壳进行设计，因此在有限的空间内采用了A型罐，如果考虑调整船体线型，放宽船舶尾部线型，那么布置空间更加宽裕（但是同时也会带来由于甲板面积增加而导致的船舶钢料增加），也可以采用C型罐，但是根据相关文献分析^[13]，在同样的甲板面下，A型舱的实际可用舱容更大，约为C型舱的1.57倍。

3） 基于当前的技术资料，从安全和成本考虑，本案采用A1方案，但随着将来氨燃料的发展以及技术的进步，或者船东实际营运需求的不同，甚至将来相关脱碳补贴政策的力度影响，很可能有更适合的方案，本案仅给出一个参考案例。当然最终方案还要根据IGF Code的要求，基于各家船级社规范，对氨燃料系统进行安全评估，这在许多文献中也有分析^[14]。

4） 关于能效，当前的IMO相关规范也一直在更新中，本案中的EEDI计算并未考虑燃料的全生命周期碳排放情况，仅考虑氨燃料的碳排放系数为0，将来针对不同的氨燃料来源和生产工艺，该数值可能会进行调整，本方案的相关计算结果也将进行调整。另外，在CII的计算中，2026年之后的折减系数，也待发布，本文的计算也是参考了相关文献后的估算，将来有可能进行调整。最后，鉴于当前的技术，氨燃料燃烧后的排放物中还有部分N₂O，作为温室气体之一，这一排放物的减少，也是氨燃料需要面临的挑战，否则氨燃料的减排属性将大打折扣。

5） 在对比氨燃料方案和常规燃油方案的过程中，因为氨燃料布置在船舶尾部，对于压载舱和船舶浮态也有一定影响：由于尾部布置氨燃料，导致尾部重量增加，出港工况的尾倾增加，因此取消了尾尖压载舱；在重压载工况中，常规燃油方案取船舶的中间第五货舱作为重压载舱，然而由于氨燃料的增加，重压载工况尾倾变大，因此氨燃料方案，将重压载舱调整为第四货舱，以平衡该不利影响。

6） 在常规燃油方案中，船员居住区域的部分上层采用窄宽度设计（宽度小于船宽的1/4），以减小船舶舾装数，同时烟囱布置居住区域之后，呈两岛设计；但在氨燃料方案中，因为氨燃料舱的布置，占用了烟囱区域，因此烟囱调整到船员居住区域，这导致上层宽度加大，舾装数也相应增加；同时尾部的系泊空间受到限制，导致部分系泊设备的调整，这些都体现在船舶空船重量变化中。

7） 在采用氨燃料方案的船体结构强度计算中，本文主要评估了船舶总纵强度，但是对于船体有限元的计算，并未深入，仅对于氨燃料舱的局部强度进行了有限元分析，这在实际项目中远不够。

4 结　语

本文从氨燃料的属性和船舶设计本身的特点出发，基于某船东的特定要求，最大化提升了船舶的经济性，并保障船舶的安全可靠，针对18万吨散货船提出了一套设计方案。相关结论：

1） 氨燃料舱舱容确定是基础，如何在满足船东营运需求的前提下，优化气耗，最小化舱容，是该方案首要解决的问题；

2） 氨燃料舱的形式，可以结合舱容的需求、船舶的可用甲板面积以及其成本等方面进行确定；

3） 氨燃料舱的布置，尽量减少对于原功能区域的影响，同时需要注意氨燃料带来的安全问题；

4） 总的来看，氨燃料对于温室气体减排的意义重大，但是其实际影响力的大小取决于多项因素，除了IMO即将明确的关于氨燃料碳转换系数的计算外，还有各政府对于脱碳政策的支持力度以及整个氨燃料工业的发展情况^{[15 - 16]}。

5） 针对散货船，其本身稳性裕度较充裕，氨燃料对于船舶稳性的影响非常有限，但是对于船舶结构强度影响重大，需要进一步分析和计算。