陳昌毅，侯國(guó)輝

(中交天航濱海環(huán)保浚航工程有限公司，天津 300450)

0 引 言

為發(fā)展區(qū)域經(jīng)濟(jì)、改善航運(yùn)能力，廣大沿海城市都高度重視港口建設(shè)和疏浚工程。近年來(lái)，隨著我國(guó)與世界各國(guó)貿(mào)易合作的不斷深入，我國(guó)的疏浚企業(yè)與眾多國(guó)家有著項(xiàng)目上的密切合作，并有機(jī)會(huì)向國(guó)際四大疏浚公司(Boskalis、DEME、Jan De Nul、Van Oord)學(xué)習(xí)國(guó)際先進(jìn)疏浚理念[1]。在合作中，芬蘭、澳大利亞、巴西等許多國(guó)家，因當(dāng)?shù)卣摺⒎梢?，極其看重對(duì)環(huán)境的保護(hù)，在施工前會(huì)對(duì)疏浚船舶的整體環(huán)保性能進(jìn)行評(píng)估。然而，傳統(tǒng)疏浚船舶由于受到船舶設(shè)計(jì)理念、建造水平、疏浚設(shè)備以及工藝等方面制約，對(duì)施工區(qū)域環(huán)境造成嚴(yán)重破壞和污染，這些環(huán)境破壞與污染主要體現(xiàn)在3個(gè)方面[2]：

(1)低效施工致使海底泥層被持續(xù)擾動(dòng)，產(chǎn)生大量懸浮泥沙，對(duì)施工區(qū)域水質(zhì)造成污染。

(2)作業(yè)中主機(jī)燃油消耗等排放的含硫廢氣對(duì)施工區(qū)域空氣造成污染。

(3)船舶設(shè)備在施工期間對(duì)施工區(qū)域和施工人員造成噪聲污染。

為解決上述問(wèn)題，日前由中交天津航道局有限公司投資、中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第708研究所設(shè)計(jì)、上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司建造的自航絞吸船“天鯤號(hào)”，在設(shè)計(jì)建造中力爭(zhēng)滿足國(guó)際市場(chǎng)發(fā)展要求，重點(diǎn)考慮環(huán)保因素。本文從該船船型布置、裝備升級(jí)、工藝技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展新能源等多個(gè)方面介紹“天鯤號(hào)”的環(huán)保設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)疏浚船舶高效施工、節(jié)能減排的綠色作業(yè)。

1 船型及總布置設(shè)計(jì)

自航絞吸船相較于傳統(tǒng)非自航絞吸船擁有更高的船舶干舷和船首高度，船舶穩(wěn)性更高，這使得自航絞吸船抗風(fēng)浪能力更強(qiáng)，除原地抗風(fēng)能力大幅提高外，即使因避風(fēng)駛離施工地，也可在天氣情況允許下較快駛回施工區(qū)恢復(fù)施工，不必像傳統(tǒng)非自航絞吸船那樣花費(fèi)時(shí)間去等待拖船協(xié)助拖帶，大幅減少停工時(shí)間，進(jìn)而縮短工期，降低對(duì)環(huán)境的破壞。

出于對(duì)保障船體強(qiáng)度、減少航行阻力、保證航行視線等因素的考慮，“天鯤號(hào)”在船型和總布置設(shè)計(jì)上進(jìn)行了一定的創(chuàng)新，如圖1所示。船首設(shè)置柔性鋼樁臺(tái)車定位和3纜定位系統(tǒng)，2套定位裝置相互配合，可避免因某1套設(shè)備出現(xiàn)故障而終止施工的問(wèn)題，最大程度實(shí)現(xiàn)24 h連續(xù)作業(yè)，縮短作業(yè)天數(shù)，降低對(duì)環(huán)境的破壞。艉部船體開(kāi)槽布置橋架。這一布置使船體合龍時(shí)在船首右舷需增加輔樁門分段，使該區(qū)域船體自雙層底至上甲板可如門般打開(kāi)，用以幫助實(shí)現(xiàn)輔鋼樁在船舶航行時(shí)的倒樁功能，減少航行阻力，保證航行視線。該分段通過(guò)上下銷軸與主船體相連，利用液壓油缸控制輔鋼樁門的開(kāi)閉。為保證艏部型線的良好過(guò)渡和完整性，該段為整個(gè)船體制造、合龍精度的重點(diǎn)和難點(diǎn)。其順利定位及裝配為日后類似船型的設(shè)計(jì)建造提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。此外，“天鯤號(hào)”將機(jī)艙、泥泵艙布置于船中，并在上甲板上層建筑下部設(shè)置氣動(dòng)減震裝置，通過(guò)氣體體積的縮脹，減輕震動(dòng)沖擊，以實(shí)現(xiàn)避震效果。該設(shè)計(jì)大幅改善了施工時(shí)居住艙室的居住條件，提高施工人員居住舒適度，體現(xiàn)綠色環(huán)保的理念。

圖1 “天鯤號(hào)”布置說(shuō)明

2 疏浚設(shè)備升級(jí)

為提高生產(chǎn)能力，“天鯤號(hào)”設(shè)計(jì)不僅大幅提高了總裝機(jī)功率，而且在各部分的功率分配上更合理，船上配有3臺(tái)7 680 kW主發(fā)電機(jī)，絞刀電機(jī)功率最高可達(dá)6 600 kW，解決了以往造船中功率分配不合理的問(wèn)題。

考慮到不同的施工環(huán)境，為便于靈活選用恰當(dāng)?shù)耐谀嘣O(shè)備，適應(yīng)不同工況的挖泥要求，該船配有適合于多用途、黏土、挖巖和重型挖巖等4種不同類型的絞刀。此外，該船在主船體上設(shè)置高低各兩對(duì)耳軸孔，實(shí)現(xiàn)橋架位置的變換，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)上下耳軸從最小挖深到最大挖深的快速切換。

為降低對(duì)沿海地區(qū)的噪聲污染，該船通過(guò)裝配由3臺(tái)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高效泥泵，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的遠(yuǎn)程輸送能力，具有15 000 m超遠(yuǎn)排距和極強(qiáng)的吹填造陸能力。這一設(shè)計(jì)可以使施工區(qū)域大幅擴(kuò)大，進(jìn)而遠(yuǎn)離沿海區(qū)域。在該船設(shè)計(jì)時(shí)泥泵系統(tǒng)采用水下泵串聯(lián)2臺(tái)艙內(nèi)泵的工作方式，通過(guò)管路實(shí)現(xiàn)水下泵單獨(dú)以及水下泵與任意艙內(nèi)泵串聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)單泵、二泵、三泵排岸作業(yè)。另外，該船也具有裝駁功能，結(jié)合溢流裝置最大程度地降低對(duì)水體的污染。

3 工藝技術(shù)創(chuàng)新

定位系統(tǒng)是保證某固定位置或航跡以滿足特定工作任務(wù)的重要系統(tǒng)。與許多特種海工作業(yè)船相似，自航絞吸船的定位系統(tǒng)對(duì)防止不必要的超深、超寬作業(yè)，降低底泥擾動(dòng)、懸浮泥沙產(chǎn)量十分重要[3]。該船在柔性鋼樁定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了3纜定位系統(tǒng)，既能大幅提高定位精度，又可應(yīng)對(duì)惡劣海況下定位難的問(wèn)題，保證在工程量范圍內(nèi)完成疏浚施工。

除了依賴于先進(jìn)的船舶定位系統(tǒng)以外，為了掌握疏浚過(guò)程中的泥沙懸浮狀況，保證泥漿濃度在合理范圍內(nèi)，減小對(duì)環(huán)境的破壞，該船在設(shè)計(jì)時(shí)考慮挖泥自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)，即對(duì)泥漿濃度、流速的控制。通過(guò)泥泵自動(dòng)控制和挖泥自動(dòng)控制提高施工效率和自動(dòng)化程度。挖泥自動(dòng)化將給未來(lái)施工帶來(lái)3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)挖泥過(guò)程不再為人的因素所左右，始終保持高效；(2)施工精度提高，以獲取正確挖深；(3)確保設(shè)備的安全運(yùn)行，不致泥泵主機(jī)超負(fù)荷或排泥管線內(nèi)泥沙沉淀嚴(yán)重。

在該船工作時(shí)監(jiān)測(cè)泥泵轉(zhuǎn)速控制器，結(jié)合流速偏差反饋管路實(shí)際泥漿流速，實(shí)時(shí)合理調(diào)節(jié)各泥泵轉(zhuǎn)速，使泥漿流速維持在某個(gè)設(shè)定的流速區(qū)間之內(nèi)。與此同時(shí)，該船采用3種主要施工模式進(jìn)行作業(yè)以實(shí)現(xiàn)挖泥自動(dòng)控制：(1)剖面挖掘，即在某設(shè)定剖面內(nèi)，控制絞刀自設(shè)定深度移至剖面邊緣，通過(guò)不斷加大設(shè)定疏浚深度，往復(fù)換向移動(dòng)絞刀進(jìn)行挖泥，直至疏浚深度到達(dá)設(shè)定剖面的底部；(2)固定深度挖掘，即在每個(gè)臺(tái)車行程內(nèi)，按某設(shè)定疏浚層深完成絞刀切削一層后，臺(tái)車行程復(fù)位，再次設(shè)定疏浚深度(與前次設(shè)定未必一致)進(jìn)行切削作業(yè)，重復(fù)直至完成疏浚任務(wù)；(3)同軌跡挖掘，即使絞刀在執(zhí)行2次擺動(dòng)后執(zhí)行臺(tái)車步進(jìn)，其他按與固定深度挖掘或剖面挖掘相同的動(dòng)作方式施工，用于硬質(zhì)土區(qū)域的挖掘。

除挖泥自動(dòng)化之外，控制系統(tǒng)已開(kāi)始增加“自學(xué)習(xí)”功能。目前，這項(xiàng)技術(shù)已在船舶鋼板成形和焊接預(yù)報(bào)等多個(gè)領(lǐng)域有所使用[4]?！白詫W(xué)習(xí)”功能的實(shí)現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)和遺傳算法理論，使系統(tǒng)在施工中通過(guò)對(duì)過(guò)往數(shù)據(jù)的收集分析，自動(dòng)修改系統(tǒng)參數(shù)，以確定適合當(dāng)前工況的最優(yōu)工藝參數(shù)。這種疏浚方式利用數(shù)據(jù)和算法使施工工藝更加定量化，既提高了施工效率，又間接幫助保護(hù)環(huán)境。橫移絞車扭矩、橫移角度范圍、橫移速度、挖掘區(qū)域的土質(zhì)、泥漿排放速度、排距、油耗、施工天數(shù)、日工程量等主要工藝參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系，可通過(guò)這種方式不斷進(jìn)行優(yōu)化。在未來(lái)施工中，可幫助施工人員合理安排施工，有效降低施工懸沙擴(kuò)散對(duì)海洋生物的影響。同時(shí)，考慮到潮位和流速的影響，可使施工期盡量避開(kāi)海洋生物的產(chǎn)卵、繁育的盛期[5]。

4 新能源應(yīng)用

“天鯤號(hào)”在設(shè)計(jì)中結(jié)合環(huán)保理念，倡導(dǎo)節(jié)能減排，發(fā)展新能源的應(yīng)用。自1973年MARPOL公約的簽訂開(kāi)始，世界對(duì)船舶的節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)要求便一直保持高度的重視，這也推進(jìn)了疏浚領(lǐng)域?qū)π履茉吹难邪l(fā)。新能源是與傳統(tǒng)能源、常規(guī)能源相對(duì)的一個(gè)概念，避免使用諸如煤炭、石油、天然氣等一次性非再生的常規(guī)能源。這類資源最大的特點(diǎn)就是可再生?？紤]到現(xiàn)存的技術(shù)難關(guān)[6-8]，電能和生物能最適合于在自航絞吸船“天鯤號(hào)”中使用：

(1)電力驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用。該船機(jī)艙配有3臺(tái)主機(jī)，在設(shè)計(jì)時(shí)采用全電機(jī)驅(qū)動(dòng)作為動(dòng)力裝置。該動(dòng)力裝置的優(yōu)點(diǎn)在于減少能量消耗和避免污染外部水域。研究[9]已證明，自航絞吸船需兼顧施工和航行，利用電驅(qū)可有效配置不同狀態(tài)下的動(dòng)力，既做到保證疏浚工程量又可節(jié)能減排?！疤祧H號(hào)”電機(jī)驅(qū)動(dòng)可自動(dòng)匹配施工工況，該船在控制系統(tǒng)參與下，判斷所需協(xié)助工作的主機(jī)數(shù)量，避免能量的浪費(fèi)。這樣就防止了多臺(tái)主機(jī)同時(shí)在長(zhǎng)期低于額定載況的狀態(tài)下工作對(duì)主機(jī)造成的損壞，間接延長(zhǎng)了主機(jī)壽命。此外，使用密封艙電機(jī)驅(qū)動(dòng)水下泥泵(見(jiàn)圖2)，使之盡量靠近水下泵，縮短軸系長(zhǎng)度，傳遞效率更高。由于傳動(dòng)距離較短，橋架變形對(duì)軸系影響也相應(yīng)減小，另外在相對(duì)密封的環(huán)境中也不會(huì)產(chǎn)生污染外部環(huán)境水域的問(wèn)題。

圖2 密封艙電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式示例

(2)生物能的應(yīng)用。生物能是一種將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為燃料的方法，對(duì)成本要求低，目前實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度相對(duì)較低。盡管施工船舶機(jī)艙內(nèi)由于電氣、輪機(jī)及各系統(tǒng)具有高度集成性，不便于增加生物能轉(zhuǎn)換裝置，但是可直接使用生物能燃料或以與傳統(tǒng)化石燃料相混合的方式使用生物能燃料。例如生物柴油在船舶上的使用，生物柴油含氧量高，含硫量極低，不僅燃燒后產(chǎn)生的污染小，而且本身就是可再生能源。“天鯤號(hào)”在設(shè)計(jì)中加裝了低硫油的轉(zhuǎn)換裝置，除使用傳統(tǒng)燃料之外，同樣可選用生物低硫燃油，這標(biāo)志著在未來(lái)自航絞吸船的發(fā)展中，動(dòng)力的來(lái)源將從傳統(tǒng)燃料向生物能燃料不斷過(guò)渡。

5 結(jié) 語(yǔ)

絞吸船是疏浚施工、填海造陸的利器，大型自航絞吸船“天鯤號(hào)”基于環(huán)保理念設(shè)計(jì)和建造，做到疏浚裝備升級(jí)、技術(shù)創(chuàng)新和挖泥系統(tǒng)自動(dòng)化。除此之外，加快新能源研究和投入應(yīng)用也是滿足國(guó)際乃至未來(lái)環(huán)保疏浚方式的大趨勢(shì)。為使中國(guó)疏浚工程真正做到高效施工、科學(xué)施工、綠色施工，提升中國(guó)疏浚在世界的競(jìng)爭(zhēng)力，早日實(shí)現(xiàn)疏浚強(qiáng)國(guó)的夢(mèng)想，未來(lái)還會(huì)有更多、更大的自航絞吸船問(wèn)世。希望“天鯤號(hào)”的成功設(shè)計(jì)和建造，可以為未來(lái)船舶建造提供寶貴的借鑒和參考意義。