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        滿足WINTERIZED BASIC船級(jí)符號(hào)的電伴熱防結(jié)冰設(shè)計(jì)

        2019-05-09 08:18:44
        船海工程 2019年2期
        關(guān)鍵詞:電伴熱式結(jié)冰

        (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。

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