趙 爽

（上海打撈局 救撈工程船隊(duì)，上海 200090）

0 引言

隨著石油天然氣等資源開采逐步向極地?cái)U(kuò)展及冰區(qū)航運(yùn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，能在寒冷氣候下運(yùn)營(yíng)船舶的需求也隨之增加。船舶具體運(yùn)營(yíng)區(qū)域及周期不同，船級(jí)社規(guī)范按不同的冰區(qū)符號(hào)對(duì)結(jié)構(gòu)及設(shè)備會(huì)有相應(yīng)的加強(qiáng)要求。但如何防止壓載水艙在低溫環(huán)境結(jié)冰則是此類船舶需要解決的共性問題。

部分或全部在壓載水線之上的壓載艙暴露在低溫環(huán)境下，會(huì)在艙室頂部和臨近外板處結(jié)冰，見圖1。艙室結(jié)冰會(huì)對(duì)船舶的運(yùn)行安全造成很大危害。如頂部結(jié)冰后的壓載艙在冰層下形成一個(gè)獨(dú)立的密閉空間，排壓載水作業(yè)時(shí)在艙內(nèi)形成真空導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)破損；艙內(nèi)壓載水結(jié)冰體積膨脹后也可能破壞結(jié)構(gòu)；另外管路系統(tǒng)也會(huì)因?yàn)榻Y(jié)冰而堵塞或凍裂，從而影響正常操作及運(yùn)行安全。

圖1 壓載水結(jié)冰現(xiàn)象

因此在寒冷氣候運(yùn)營(yíng)船舶壓載艙必須設(shè)置有效的防結(jié)冰措施，目前常用的方式有：1）蒸汽注入系統(tǒng)；2）加熱盤管系統(tǒng)；3）水循環(huán)系統(tǒng)；4）氣泡系統(tǒng)。

采用蒸汽或熱水加熱壓載水是一種可行的措施，蒸汽加熱盤管通常被認(rèn)為是最有效的方式。加熱盤管垂直布置在壓載水線之上的艙壁上。但這也是一種非常昂貴的方式，除了熱交換需要大量能源消耗外，布置在海水中的加熱盤管還極易腐蝕，因此還需要投入大量資金選用高耐腐蝕管材，或者使用普通鋼管但需定期檢修維護(hù)材料。

水循環(huán)系統(tǒng)是利用壓載泵強(qiáng)制艙內(nèi)不同層的壓載水進(jìn)行熱交換，從而達(dá)到防止結(jié)冰的目的。但水循環(huán)系統(tǒng)要求負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和操作，在壓載艙數(shù)量較多時(shí)很難實(shí)現(xiàn)。氣泡系統(tǒng)與水循環(huán)系統(tǒng)有著類似的工作原理，通過氣流擾動(dòng)迫使底部液體與表面進(jìn)行熱交換。雖然目前氣泡系統(tǒng)仍無(wú)法進(jìn)行精確的理論計(jì)算，但相關(guān)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明了此種方法可以有效防止結(jié)冰，也可通過某些近似計(jì)算對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬。本文將對(duì)兩種常用的方式即加熱盤管和氣泡系統(tǒng)進(jìn)行分析及比較。

1 規(guī)范要求

寒冷區(qū)域航行或作業(yè)的船舶需要進(jìn)行何種加強(qiáng)，最早來(lái)源于《芬蘭-瑞典冰級(jí)規(guī)則》。之后各船級(jí)社均以此為依據(jù)，作為入級(jí)符號(hào)的附加標(biāo)識(shí)編入規(guī)范。對(duì)于不同的冰級(jí)，分別對(duì)船體結(jié)構(gòu)、主機(jī)功率、軸系、齒輪箱、螺旋槳、起動(dòng)裝置和冷卻水等管路系統(tǒng)提出不同的技術(shù)要求。

其中各個(gè)船級(jí)社對(duì)壓載艙防凍的要求類似，且適用所有的冰級(jí)符號(hào)。以勞氏船級(jí)社（LR）為例，具體描述為“運(yùn)行在冰區(qū)和低溫環(huán)境的船舶，高于設(shè)計(jì)壓載水線且靠近外板的淡水艙和壓載水艙必須提供有效防止結(jié)冰的措施”。對(duì)于完全位于水線以上的艙，加熱盤管是有效的防凍保護(hù)。對(duì)于部分位于水線以下的艙，加熱盤管、持續(xù)的水循環(huán)系統(tǒng)、氣泡系統(tǒng)或者其他能通過理論計(jì)算、試驗(yàn)、運(yùn)行實(shí)例證明可以消除艙室結(jié)冰危害的方式都被認(rèn)為是有效的方式（全部在設(shè)計(jì)壓載水線之下艙室不需要防結(jié)冰安排）。

挪威船級(jí)社（DNV GL）的暫行防凍規(guī)范（Winterization）依據(jù)大氣溫度劃分3個(gè)等級(jí)[5]，對(duì)不同防凍等級(jí)下的設(shè)計(jì)有非常詳細(xì)的要求，見表 1和表 2。其中對(duì)環(huán)境參數(shù)的定義可作為壓載艙防凍系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及熱平衡計(jì)算的依據(jù)。

表1 DNV GL船級(jí)社防凍等級(jí)符號(hào)劃分

2 加熱盤管系統(tǒng)分析

2.1 建立模型

本文以上海打撈局為馬士基建造的特種海底服務(wù)船（SSV）作為研究對(duì)象，研究壓載艙除冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程。SSV項(xiàng)目船長(zhǎng)137.6 m，船寬27.0 m，入級(jí)英國(guó)勞氏船級(jí)社（LR），滿足冰級(jí)符號(hào)Ice Class 1C FS。船上配有1臺(tái)900 kW熱水鍋爐，2臺(tái)工作空壓機(jī)352 m3/h @0.8 MPa。

表2 DNV GL船級(jí)社防凍等級(jí)對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)條件

SSV項(xiàng)目將在挪威海域運(yùn)營(yíng)，冬季設(shè)計(jì)溫度-19.5℃，壓載水艙總?cè)莘e7 300 m3，其中30個(gè)邊壓載艙根據(jù)規(guī)范要求需要設(shè)置防結(jié)冰系統(tǒng)。為了便于分析，選取其中1個(gè)壓載艙作為研究對(duì)象，尺寸如圖2所示，其艏艉相鄰的艙室也是壓載艙。首先參照表2確定設(shè)計(jì)環(huán)境參數(shù)：空氣-20℃，海水-2℃，風(fēng)速20 m/s。然后再設(shè)定一些假定操作條件：壓載狀態(tài)為95%滿艙；艙內(nèi)空氣溫度為海水與環(huán)境溫度平均值約-10℃；寒冷氣候作業(yè)周期為24 h。

圖2 壓載艙熱平衡模型

2.2 熱損失計(jì)算

海水結(jié)冰本質(zhì)上是一個(gè)熱量傳遞的過程，如無(wú)外界干擾，壓載艙中的靜止海水在低于冰點(diǎn)的環(huán)境下在一定時(shí)間內(nèi)必然會(huì)結(jié)冰。結(jié)冰的過程根據(jù)時(shí)間段又可分為2個(gè)階段：海水溫度降低到冰點(diǎn)（-2℃）的時(shí)間段及海水結(jié)冰的時(shí)間段。根據(jù)能量守恒定律，為了防止壓載艙結(jié)冰則需要提供足夠的能量來(lái)補(bǔ)償過程中的熱量損失。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)環(huán)境參數(shù)可知，補(bǔ)償?shù)谝浑A段大量海水溫度降低損失的能量，維持其溫度在冰點(diǎn)之上耗能巨大，幾乎是不可實(shí)現(xiàn)的。因此，防結(jié)冰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)要至少能補(bǔ)償?shù)诙A段的熱量損失。

海水結(jié)冰階段的主要熱量損失來(lái)自對(duì)外界的散熱，同時(shí)海水轉(zhuǎn)換為冰的潛熱也應(yīng)考慮。與外界環(huán)境的熱損失包括以下2個(gè)部分。

1）通過壓載水線之上側(cè)壁面積A1=34.8 m2，壓載水與空氣之間的對(duì)流散熱量Qob≈19 000 J/s，在風(fēng)速20 m/s下強(qiáng)制換熱系數(shù)[4]hout=30 W/K·m2；

2）通過壓載水表面A2=22.2 m2，壓載水與艙內(nèi)空氣的對(duì)流散熱量Qair≈1 000 J/s,換熱系數(shù)[4]hin=5.6 W/K·m2；

要計(jì)算壓載水結(jié)冰的溶解潛熱量Qice（假設(shè)冰層5 mm厚，冰溶解比潛熱Δhfr=335 kJ/kg），首先需要確定結(jié)冰所需時(shí)間，即前述第二階段的周期。此時(shí)間值與材質(zhì)、形狀、溫差以及海水自身儲(chǔ)存能量都有關(guān)系。對(duì)于壓載艙，可近似按平面公式預(yù)估[4]（忽略鋼板的溫度變化等微小因素）。

式中：ρice為冰在-2℃的密度，取920 kg/m3；hice為冰層厚度，取0.005 m；h為表面對(duì)流散熱系數(shù)，W/K·m2；Tsea為艙內(nèi)海水溫度，℃；Tair為空氣溫度，℃。

據(jù)此，可計(jì)算出側(cè)壁結(jié)冰時(shí)間約為tfr1=0.85 h；艙室表面結(jié)冰時(shí)間約為tfr2=10.3 h?？梢钥闯雠撌翼敳靠諝鈱幼鳛榫彌_，很大程度上減緩了表面結(jié)冰的時(shí)間。根據(jù)各自的結(jié)冰時(shí)間，參照克勞修斯-克拉貝隆方程算出需要克服的冰（5 mm）溶解潛熱Qice≈40 000 J/s。

因此防結(jié)冰系統(tǒng)至少需要補(bǔ)償?shù)目偀釗p失為Qtotal=Qob+Qair+Qice=60 000 J/s。

2.3 加熱盤管系統(tǒng)

假設(shè)此項(xiàng)目選用加熱盤管系統(tǒng)作為防結(jié)冰措施，根據(jù)規(guī)范要求將垂直地布置在水線之上的艙壁上。本文只對(duì)該系統(tǒng)做理論性論證，計(jì)算熱源的需求，對(duì)盤管的具體設(shè)計(jì)和布置不做深入探討。

每個(gè)壓載艙結(jié)冰過程熱量損失約為60 000 J/s，項(xiàng)目類似壓載艙共30個(gè)，即需要熱源為1 800 000 J/s。通常項(xiàng)目用蒸汽鍋爐提供的0.6 MPa飽和蒸汽作為加熱盤管熱源，0.6 MPa飽和蒸汽與冷凝水焓差值Δhsteam=2 333 kJ/kg。因此蒸汽需求量為Qsteam=2 777.5 kg/h ≈3 t/h，即鍋爐滿足正常熱負(fù)荷外還額外需為壓載艙除冰系統(tǒng)提供3 t/h的飽和蒸汽，核算成功率約為2.0 MW。

通常大部分特種船對(duì)熱源消耗較少，基本不配備蒸汽鍋爐。以SSV項(xiàng)目為例，船上唯一的熱源為1臺(tái)900 kW熱水鍋爐，熱水溫度為95℃@ 0.6 MPa。如以熱水作為加熱盤管熱源，假設(shè)回水溫度為60℃，則焓差值Δhwater=147 kJ/kg。熱水需求量Qwater=44 081.6 kg/h ≈45 t/h，很顯然方案不可能實(shí)現(xiàn)。

2.4 小結(jié)

通過以上計(jì)算，可以簡(jiǎn)單推斷加熱盤管作為防結(jié)冰方案原則上是可行的，但需要配備蒸汽鍋爐作為熱源，且能源消耗較大。對(duì)于只配備熱水鍋爐的特種工程船等，加熱盤管系統(tǒng)不應(yīng)作為壓載艙主要防結(jié)冰方式。

3 氣泡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

氣泡系統(tǒng)可以作為艙室、湖泊等防結(jié)冰方式的有效性已經(jīng)得到了廣泛論證[1-3]，但對(duì)系統(tǒng)的原理目前還沒有統(tǒng)一的理論，也沒有一個(gè)數(shù)學(xué)模型能完全模擬其實(shí)際的工作過程。其中一個(gè)工程上的理論[1]認(rèn)為氣泡防結(jié)冰的關(guān)鍵點(diǎn)是系統(tǒng)的“熱儲(chǔ)備”?；凇盁醿?chǔ)備”理論，可為工程上的應(yīng)用提供簡(jiǎn)單的指導(dǎo)，以便有效地設(shè)計(jì)及安裝氣泡系統(tǒng)。

要防止結(jié)冰，氣泡系統(tǒng)需在壓載艙結(jié)冰前起動(dòng)。如果壓載艙液位的層級(jí)中分布有足夠的熱儲(chǔ)備，氣泡裹挾著下部“暖層”液流向上運(yùn)動(dòng)至表層，可以補(bǔ)償表層對(duì)環(huán)境的熱損失，維持其溫度在冰點(diǎn)之上。系統(tǒng)所能夠維持的無(wú)冰區(qū)域除與外界環(huán)境參數(shù)有關(guān)外，還取決于艙內(nèi)海水的溫度結(jié)構(gòu)；被帶到表層的海水量；在垂直面上的混合程度；表面層水流溫度及速度的衰減等。

如果熱儲(chǔ)備不足以補(bǔ)償對(duì)外界的熱損失，氣泡系統(tǒng)也可在一定程度上起作用，通過在表層形成大量的湍流以免頂部形成整塊的冰層。形成小塊浮冰過程放出的熱量用來(lái)平衡對(duì)環(huán)境的熱損失。

3.2 理論計(jì)算介紹

依據(jù)“熱儲(chǔ)備”理論，參照?qǐng)D 3，下列結(jié)論在合理的范圍內(nèi)被證明是有效的[1]。

1）最大的水平表層水流速度V0出現(xiàn)在距離氣泡出口x=d/2處。

式中：d為艙內(nèi)海水深度，m；qa標(biāo)況下下氣體流量，Nm3/h；g為重力加速度，m/s2；b為在x=d/2處水平射流的厚度。

圖3 系統(tǒng)的流動(dòng)及速度剖面

水平射流達(dá)到最大速度V0后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示衰減的水平速度與位置遵循式(4)，即無(wú)量綱關(guān)系式[1]。

根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，由于速度梯度產(chǎn)生表面剪切力τ；?ρV2是液流的動(dòng)態(tài)壓力，其表面摩擦系數(shù)可表示為Cf=τ/?ρV2。根據(jù)普朗托1/7次冪法則，湍流的表面摩擦系數(shù)可按式(5)計(jì)算。

對(duì)于氣泡系統(tǒng)，本文中為了方便計(jì)算使用，將公式簡(jiǎn)化成式(6)。

工程設(shè)計(jì)上的觀點(diǎn)認(rèn)為，計(jì)算表面摩擦系數(shù)Cf不僅可以預(yù)估摩擦阻力，還可以計(jì)算表面的對(duì)流換熱率。Cf與表示對(duì)流換熱程度的努塞爾數(shù)（Nu）的關(guān)系式如式(7)所示。

式中：Nu為努塞爾數(shù)，Nu=qx/k(T1-Ts)；Re為雷諾數(shù)，Re=Vx/v；Pr普朗托數(shù)，Pr=Cpμ/k ≈ 13.6；q為液面熱通量，J/(m2·s)；k為水在?(T1+Ts)溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；Ts為海水表面溫度，℃；T1為面射流上任意一點(diǎn)的最大溫度，℃；v為海水的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；μ為海水的動(dòng)力粘度，Pa·s；Cp為海水的比熱，J/(kg·℃)；V在x點(diǎn)的最大速度。

將式(4)和式(6)代入Nu關(guān)系式整理后為

因此可以得出：

到目前為止，以上關(guān)系式可以用來(lái)合理地設(shè)計(jì)一套氣泡系統(tǒng)。

3.3 計(jì)算實(shí)例

同樣以SSV項(xiàng)目模型為例，計(jì)算氣泡系統(tǒng)所需的氣量。根據(jù)3.1節(jié)計(jì)算結(jié)果可知結(jié)冰過程總熱量損失Qtotal=60 000 J/s，假設(shè)氣泡出口安裝在距底部0.5 m處，在x=d/2處的水平液流溫度約為T1=1℃，Ts=-2℃。

則：q=2 688.2 J/(m2·s)；x=12 m（防止最遠(yuǎn)端結(jié)冰）；k=0.556 W/(m·K)；T1-Ts=1℃；v=1.86×10-6m2/s；b=d/4=1.9m。

根據(jù)關(guān)系式(7)計(jì)算，V0=0.28 m/s。再通過關(guān)系式(2)可得出標(biāo)準(zhǔn)狀況下的供氣量，qa=4.44 Nm3/h。由于 SSV 項(xiàng)目配備的工作空壓機(jī)為 2×352 m3/h@0.8 MPa，轉(zhuǎn)換到0.8 MPa氣量為qsys=1.78 m3/h。共30個(gè)類似壓載艙需安裝氣泡系統(tǒng)，所以總氣量為qtotal=53.4 m3/h@0.8 MPa?？梢姎馀莘澜Y(jié)冰系統(tǒng)氣量消耗不會(huì)占用空壓機(jī)太多工作負(fù)荷，方案可行。

3.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題

上述系統(tǒng)理論計(jì)算能夠?yàn)楹侠碓O(shè)計(jì)氣泡防結(jié)冰系統(tǒng)提供指導(dǎo)及理論依據(jù)，并預(yù)估氣體消耗的量級(jí)。但最終實(shí)際情況可能與理論假設(shè)千差萬(wàn)別，結(jié)果也可能出現(xiàn)較大偏差。為了保證系統(tǒng)的操作效果及能效，以下3點(diǎn)原則已經(jīng)由相關(guān)理論或?qū)嶒?yàn)證實(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝時(shí)需要特別注意。

首先在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)保證氣泡出口壓力足夠克服最大靜壓即可，出口壓力增大相應(yīng)的空氣消耗量也會(huì)增加。另外通過計(jì)算可以驗(yàn)證，氣泡出口位置距離艙室底部越高，雖然水平液流的速度V0越大，但空氣的消耗也會(huì)越大。

再者根據(jù)試驗(yàn)觀察[1,3]，壓縮空氣出口空洞的大小對(duì)最大流速V0影響并不明顯。多孔管在同等條件下大約能增加10%的最大流速，但也會(huì)相應(yīng)需要提供更高的空氣壓力，因此單純?cè)黾有】讛?shù)量是不現(xiàn)實(shí)的。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，1/16 in～1/8 in口徑的方孔效果最好。

最后若選用多孔的空氣管時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)觀察[1,3]，在相同氣量下，聚集在一起的多個(gè)小孔方案效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于孔徑較大且分布較遠(yuǎn)的設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

隨著在低溫環(huán)境運(yùn)營(yíng)船舶的增加，如何防止壓載水艙在低溫環(huán)境結(jié)冰也越來(lái)越受到人們的重視。常用的2種有效的措施，加熱盤管及氣泡防結(jié)冰系統(tǒng)各有優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，要根據(jù)船舶實(shí)際情況進(jìn)行選擇。氣泡系統(tǒng)能耗小，基本不影響船舶設(shè)備功能設(shè)計(jì)，且可以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，對(duì)防止艙室頂部結(jié)冰效果較好，同時(shí)還具備除冰功能。但根據(jù)其工作原理，對(duì)于完全高于壓載水線的艙室不適用，對(duì)此LR進(jìn)行了明確規(guī)定。加熱盤管系統(tǒng)耗能較大，且只能由蒸汽作為主要熱源，船舶設(shè)計(jì)時(shí)要特殊考慮系統(tǒng)的額外能耗。加熱盤管可以適用各種艙室，尤其對(duì)防止側(cè)壁結(jié)冰效果明顯，考慮到巨大的能耗，盤管系統(tǒng)不具備艙室除冰的能力。

本文參考了相關(guān)外文期刊和論文，根據(jù)船廠已交付的SSV項(xiàng)目為例進(jìn)行了2種壓載艙防結(jié)冰系統(tǒng)的方案對(duì)比，簡(jiǎn)單的系統(tǒng)計(jì)算并總結(jié)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。希望能對(duì)日后類似船舶的防結(jié)冰系統(tǒng)選擇及設(shè)計(jì)提供一定的參考。