(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

近年來，全球氣候變暖，使極地航道得以季節(jié)性開通，加之北極地區(qū)和庫(kù)頁(yè)島蘊(yùn)含的大量油氣資源開發(fā)等因素，促使冰區(qū)加強(qiáng)型油船建造升溫。然而，該船型常年運(yùn)行在易受結(jié)冰等環(huán)境因素影響的區(qū)域，船舶及船上設(shè)備和人員安全面臨挑戰(zhàn)[1-2]。本文以DNV-GL規(guī)范中Winterized Basic 為準(zhǔn)則[3]，分析探討油船電伴熱防結(jié)冰(Anti-icing)方案。

1 環(huán)境因素與相關(guān)規(guī)范

當(dāng)前，冰區(qū)加強(qiáng)型油輪的運(yùn)營(yíng)多集中在波羅的海區(qū)域以及通往北海和北大西洋的重要水域，夏秋兩季的北極東北及西北航道[4]。該區(qū)域較低的空氣、海水溫度和較高的風(fēng)速等惡劣氣候條件，極易使大氣中的水分以雨、雪、霧的形式呈現(xiàn)，加上海水噴濺的水霧等均能造成船舶表面結(jié)冰的情況發(fā)生，對(duì)船舶穩(wěn)性、航行安全、露天甲板設(shè)備和人員安全活動(dòng)造成威脅。

對(duì)在上述惡劣環(huán)境因素下運(yùn)營(yíng)的船舶，各船級(jí)社給出了相應(yīng)的船級(jí)符號(hào)，對(duì)防結(jié)冰(Anti-icing)、除冰(De-icing)等給予相應(yīng)的要求及措施，如DNV-GL的Winterized(Basic)、Winterized(Cold, td)、Winterized(Polar, td)，ABS的CCO(TDST, TMAT)、CCO(TDST, TMAT)+、CCO-POLAR(TDST, TMAT)、CCO-POLAR(TDST, TMAT)+[5]，等。船東可以根據(jù)船舶實(shí)際的運(yùn)營(yíng)情況選取不同船級(jí)社合適的符號(hào)。

以DNV-GL船級(jí)社規(guī)范為例，其針對(duì)寒冷氣候下運(yùn)營(yíng)船的特點(diǎn)，依據(jù)不同的設(shè)計(jì)環(huán)境條件，劃分程度遞增，見表1、2。

表1 DNV-GL船級(jí)符號(hào)Winterized等級(jí)及定義

表2 DNV-GL 設(shè)計(jì)環(huán)境條件

針對(duì)惡劣的環(huán)境因素可導(dǎo)致船舶結(jié)冰，DNV-GL推薦的防結(jié)冰和除冰方式[6]見表3。對(duì)于防結(jié)冰的設(shè)計(jì)要能使被保護(hù)的設(shè)備表面保持至少+3℃的要求。

表3 DNV-GL推薦的解決結(jié)冰的方式

2 防結(jié)冰系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

以DNV-GL船級(jí)社的Winterized Basic符號(hào)為準(zhǔn)則，對(duì)油船進(jìn)行電伴熱式防結(jié)冰方案設(shè)計(jì)。

2.1 加熱防護(hù)形式分類與選擇

對(duì)防護(hù)對(duì)象進(jìn)行加熱在防結(jié)冰措施中是較為有效的手段，通常有蒸汽/熱水加熱和電伴熱兩種形式[7]。

蒸汽/熱水加熱需要安裝盤管或其他形式的管路，通過蒸汽/熱水等介質(zhì)的熱傳遞達(dá)到加熱的效果，管路上的閥應(yīng)有開關(guān)指示并標(biāo)明用途，明確設(shè)備和區(qū)域。

電伴熱以敷設(shè)加熱電纜的形式為主，均勻布置在需加熱的設(shè)備或區(qū)域，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，故需設(shè)立專門的分電箱用作電伴熱裝置的饋電，并配備功率表或電流表顯示實(shí)際總負(fù)荷，同時(shí)標(biāo)注每個(gè)分路的負(fù)荷。

蒸汽/熱水加熱的保護(hù)形式依靠鍋爐產(chǎn)生蒸汽，熱效率不高，管路不容易敷設(shè)和布置，后期維護(hù)不便且成本高。電伴熱形式可依靠加熱電纜呈現(xiàn)，適用性強(qiáng)，易安裝布置和控制，較為靈活，常規(guī)維護(hù)。考慮兩者的優(yōu)劣，以及施工方便性、工時(shí)成本等經(jīng)濟(jì)性，以電伴熱形式作為防結(jié)冰設(shè)計(jì)較為優(yōu)異。

2.2 電伴熱式防結(jié)冰設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)一般由船上440 V電源供電，經(jīng)變壓器隔離、變壓至220 V工作電壓送電到用于該系統(tǒng)的主分電箱，再由主分電箱輻射至各區(qū)域分電箱，由連接在分電箱的各支路上加熱電纜的不同形式對(duì)船上系統(tǒng)、設(shè)備等進(jìn)行保護(hù)，見圖1。

圖1 電伴熱式防結(jié)冰系統(tǒng)組成

2.3 電伴熱式防結(jié)冰設(shè)計(jì)應(yīng)用

2.3.1 船舶安全

諸如錨系、應(yīng)急拖帶、消防和導(dǎo)航設(shè)備等重要或應(yīng)急設(shè)備，如在需要工況下不能即時(shí)可用，將對(duì)船舶本身安全構(gòu)成威脅，因此要被有效保護(hù)。根據(jù)不同設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可有如下幾種型式。

1)帶加熱電纜的帆布鎧裝型式。如：錨機(jī)及控制、錨鏈筒等要在臨近海岸或引航時(shí)即時(shí)可用，錨機(jī)保護(hù)見圖2；油輪的應(yīng)急拖帶系統(tǒng)要在設(shè)計(jì)環(huán)境溫度下即時(shí)可用；通風(fēng)口，如機(jī)艙風(fēng)機(jī)、泵艙風(fēng)機(jī)等凍住將影響送風(fēng)；汽笛要在設(shè)計(jì)工況下可用；各艙的空氣管頭，如壓載艙、淡水艙和燃油艙的空氣管。

圖2 錨機(jī)設(shè)備保護(hù)

2)加熱電纜繞行排布型式。航行燈、甲板上照明燈具涉及航行安全、工作安全，如被冰雪覆蓋且自身產(chǎn)生熱量不足以實(shí)現(xiàn)無冰的；消防水管、管口、水龍帶及泡沫槍要做到防冰、防凍保護(hù)，保障在應(yīng)急工況可用且易到達(dá)；壓力釋放閥和透氣桅，如每艙的P/V閥，惰氣管線的透氣桅，如果堵塞，貨艙壓力過大，將影響結(jié)構(gòu)安全，可采用繞線或帆布包裹。

3)設(shè)備基座加熱型式。航行設(shè)備的旋轉(zhuǎn)天線的基座要提供加熱，圓頂和棒狀的天線不能被積雪覆蓋。

2.3.2 人員安全

對(duì)于船上人員安全影響較多的設(shè)備、通道和區(qū)域，集中在救生設(shè)備及逃生通道等需要采用電伴熱式防結(jié)冰系統(tǒng)的帆布鎧裝、繞線和踏板等不同形式對(duì)下述設(shè)備和通道進(jìn)行保護(hù)。如甲板、通道和集合站等處的排水孔要在雪和結(jié)冰時(shí)保持暢通，采用管壁外繞線保護(hù)；救生艇、筏及其固定、釋放和提升裝置，通向這些區(qū)域的通道及集合區(qū)域和救生筏區(qū)域采用定制加熱踏板保護(hù)；應(yīng)急逃生出口和門，單側(cè)扶手可用；樓梯和逃生通道的扶手、逃生路徑提供700 mm寬的路徑，要布置加熱電纜，保證應(yīng)急工況可用；救生設(shè)備，如救生圈的存放處、EPIRB的安裝處均應(yīng)采用適應(yīng)其就地的保護(hù)形式進(jìn)行保護(hù)。

3 設(shè)計(jì)應(yīng)用及關(guān)鍵性問題解析

3.1 可選擇性設(shè)計(jì)

盡管電伴熱式防結(jié)冰系統(tǒng)可以解決結(jié)冰困擾，但其材料成本投入及電能源消耗同樣也應(yīng)引起重視，下述設(shè)備可通過設(shè)計(jì)的可選擇性等提供解決方案。

錨系設(shè)備中，錨鏈筒因其體積較大，如應(yīng)用電伴熱式防結(jié)冰設(shè)計(jì)，一方面不容易布置，另一方面應(yīng)用時(shí)會(huì)耗費(fèi)大量電能，因此，可采取用蒸汽/熱水以除冰方式進(jìn)行替代。

甲板面消防水管系、甲板泡沫管系，需保護(hù)面積較大、距離較長(zhǎng)，如完全應(yīng)用加熱電纜，投入成本高，使用時(shí)也會(huì)耗費(fèi)大量電能，因此，可在管路設(shè)計(jì)時(shí)以自泄放式管路設(shè)計(jì)替代。

航行設(shè)備的旋轉(zhuǎn)天線的基座加熱，圓頂和棒狀的天線不被積雪覆蓋，可要求供貨廠家提供帶加熱功能的設(shè)備滿足。這樣一方面可以提高相關(guān)精密設(shè)備運(yùn)行的可靠性，另一方面可減少電伴熱相關(guān)支路延伸長(zhǎng)度。

3.2 防結(jié)冰系統(tǒng)電能需求及船舶電站設(shè)計(jì)

有關(guān)防結(jié)冰系統(tǒng)的電能需求， DNV-GL給出了計(jì)算原則：作為防結(jié)冰類措施時(shí)以100%計(jì)算；作為除冰類措施時(shí)以50%計(jì)算。

需要注意的是，新版規(guī)范修改了加熱容量的要求，不再詳細(xì)到不同區(qū)域的具體熱量要求，而是明在設(shè)計(jì)環(huán)境條件下，防結(jié)冰和防凍的布置要能使被保護(hù)的設(shè)備表面保持至少+3℃。

以某AFRAMAX級(jí)油輪為例，電站容量為3臺(tái)900 kW發(fā)電機(jī)，如遵循Winterized Basic規(guī)則設(shè)計(jì)，用于防結(jié)冰措施時(shí)消耗的電功率約400 kW。據(jù)表1，對(duì)短期非經(jīng)常性在冷氣候下運(yùn)行的船舶，如果增加每臺(tái)發(fā)電機(jī)容量為1300 kW左右，顯然在非冷氣候條件下運(yùn)行時(shí)增加了過多燃油成本，不夠經(jīng)濟(jì)，因此，建議保持原每臺(tái)900kW發(fā)電機(jī)的電站設(shè)計(jì)，即不增加電站容量，僅在需要工況下開啟多臺(tái)發(fā)電機(jī)滿足防結(jié)冰的營(yíng)運(yùn)需求。

4 結(jié)論

1)根據(jù)DNVGL Winterized Basic符號(hào)要求對(duì)冰區(qū)加強(qiáng)船的防結(jié)冰系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，還有待向更高等級(jí)的符號(hào)要求進(jìn)行探索，如Winterized COLD、Winterized POLAR。

2)防冰和除冰的應(yīng)用范圍、設(shè)計(jì)方案及方法建議在合同階段與船舶使用者共同商定，可以在滿足使用需求的同時(shí)降低船舶的建造成本、運(yùn)營(yíng)成本。