北極航運及冰區(qū)船舶主機功率探討

張東江

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

0 引 言

北極資源豐富，特別是蘊藏著大量石油和天然氣資源，約占全球未探明資源的22%，其中80%分布在近海。［1］俄羅斯目前正在開發(fā)什托曼克（Shtokman）天然氣和凝析油田，此油田位于巴倫支海，克拉半島北面離岸600 km，估計天然氣儲量3.8萬億m3，凝析油儲量3 700萬t。［2］同時，俄羅斯還在庫頁島開發(fā)“薩哈林-1”和“薩哈林-2”兩個近海油田。據(jù)估計，“薩哈林-1”石油儲量為2 300萬桶、天然氣儲量484億 m3，“薩哈林-2”石油儲量為 1 200萬桶，天然氣儲量 5 000 億 m3。［3-4］

庫頁島屬于大陸性氣候，氣候寒冷。其夏季短暫，冬季長達6個月，冬天平均氣溫都在-19℃～-24℃之間，若干港口長期冰封，北部封凍更長達8個月之久。由于北極地區(qū)和庫頁島油氣資源的開發(fā)，引發(fā)了冰區(qū)加強油輪和液化天然氣（LNG）船的建造需求。

1 北方航道的應用

自大西洋通過北冰洋到達太平洋是數(shù)百年來人類的夢想。15～17世紀，許多海洋探險家曾試圖通過北冰洋前往亞洲。1878年，他們首次打通東北航線（Northeast Passage，現(xiàn)今普遍稱為北方航道Northern Sea Route），1905年，又成功地打通了西北航線（Northwest Passage）。然而，這些以極其沉重的代價換來的成功，當時并沒有給人類帶來多少喜悅。因為穿越北冰洋的航行實在太艱難了，毫無商業(yè)價值。前蘇聯(lián)時期，北方航道在1935年正式投入商業(yè)運作，然而蘇聯(lián)解體后，北極的商業(yè)航海進入衰退期，只有西段從摩爾曼斯克到葉尼塞河口，以及東段佩韋克到海參崴之間有定期航次，中間一段的航線已經(jīng)停止。

21世紀全球暖化現(xiàn)象已使北極蓋快速融化，北冰洋的冰川已漸與歐亞大陸和美洲大陸失去連接。目前北極附近氣溫上升的速度比地球其他地區(qū)快兩倍，最近幾年北極的北方航道已經(jīng)得到季節(jié)性的開通。俄羅斯已在2010年通過一艘11萬t的“Baltica”號油船經(jīng)北方航道將凝析油運到中國。從俄羅斯的北方港口摩爾曼斯克到上海，通過北方航道航行的距離是10 600 km，若經(jīng)由蘇伊士運河，該航程則是17 700 km。盡管通過北方航道的航行中有4 000 km由核動力破冰船護送，但航運成本還是較通過蘇伊士運河降低了15%。因此，該航運公司打算后期將進一步擴大通過北方航道運輸凝析油的計劃。

西方航運公司也開通北方航道的運輸業(yè)務，在沒有破冰船幫助下，經(jīng)由北方航道從鹿特丹到韓國蔚山，挪威也已通過北方航道向中國運輸鐵礦砂。人們設想，50年后由于冰層進一步消融，有可能在破冰船的幫助下完成從大西洋經(jīng)過北極中心到達太平洋的橫越北冰洋的航行。

圖1 北冰洋9月份的冰情預測以及北冰洋的北海通道和西北通道

2 北極航運特點

北極航運與北波羅的海冰區(qū)航運完全不同。北極商業(yè)航運是在海冰融化、海面上僅有浮冰，適合具有一定抗冰能力的船舶經(jīng)北方通道或者西北通道作大西洋和太平洋間的運輸，或者是為開發(fā)北極資源而進行的運輸；北波羅的海冰區(qū)運輸則是在冬季冰封時，在破冰船開辟的碎冰甬道中擠開碎冰航行。北極地區(qū)夏、秋季近岸冰融化，海面僅有浮冰，浮冰密度在50%以下時認為適合通航。目前每年的通航天數(shù)為20～30天，預計到2080年增至90～100天。對于有破冰能力的船舶，在浮冰密度75%時仍可通航，那么到2080年，每年可能有150天通航［5］，參見圖2。

圖2 2000～2100年北海航道通航天數(shù)的預測

適合在北極浮冰中作商業(yè)航運的船舶應具有適合夏季航行于北極水域的船級符號PC6和PC7。PC6和PC7均為IACS的極地船級，其中PC6所對應的冰況為：夏季/秋季在中等厚度的當年冰齡狀況下，可包括舊夾冰；PC7對應的冰況為：夏季/秋季在當年薄冰狀況下，可包括舊夾冰。通常認為PC6相當于芬蘭-瑞典（北波羅的海）冰級中的1A Super，PC7相當于1A冰級，兩者都沒有主機功率最低要求。由于各船級社的冰級規(guī)范多以北波羅的海冰級規(guī)范為基礎，所以為開發(fā)北極和庫頁島石油資源而建造的油輪多采用北波羅的海冰級，大多數(shù)為1A冰級。由于這些船可能有90%時間是在無冰海面航行，而只有10%是在浮冰中航行，而在碎冰甬道中航行的機會更是非常少，故各航運公司只希望在公司中保持一定數(shù)量的冰區(qū)加強船舶，而這些冰區(qū)加強船舶大部分可能是從事非冰區(qū)的航運業(yè)務。從公司運營、船隊管理等方面，也都希望這些船舶除因冰區(qū)加強而損失一些載重量外，與船隊其他船舶并無大的差別。因此除特殊冰區(qū)業(yè)務的船舶外，其他都由常規(guī)船型派生。

3 芬蘭-瑞典冰級規(guī)范對主機功率要求

芬蘭與瑞典海事部門根據(jù)北波羅的海冬季冰區(qū)航行的經(jīng)驗制定的芬蘭-瑞典冰級規(guī)范（FSICR）［6］是成熟的規(guī)范，現(xiàn)已被各船級社采用。然而該規(guī)范也有局限性，特別是在主機功率要求方面。通常認為規(guī)范中的主機功率計算公式不適用于大船。這是由于北波羅的海地區(qū)物流并不發(fā)達，所以船舶都以中小型為主。從該規(guī)范附則1驗證所需功率的比較表可知，用于比較的船舶船長僅150 m，主機功率小于10 000 kW。

MAN B&W在《油輪推進裝置發(fā)展趨勢》（Propulsion Trends in Tankers）中曾經(jīng)對于各種大小油輪作了對比，認為芬蘭-瑞典冰級規(guī)范要求的主機功率較這些船舶常規(guī)配備的主機功率大很多，一艘1A冰級的Aframax型油輪所要求的功率幾乎與一艘VLCC通常配備的主機功率相當［7］。該文中給出的主機功率對比如圖3所示。

圖3 各型油輪主機功率的對比

ABS也認為芬蘭-瑞典規(guī)范所要求的主機功率過高，并對此作了研究和比較，并制定冰級指引（GUIDANCE NOTES ON ICE CLASS）用以指導冰級功率的計算［8］。表1是ABS對于一艘1A冰級的Aframax型油輪的比較［9］。

表1 ABS計算Aframax型油輪主機功率對比

對于冰級船舶富有經(jīng)驗的Deltamarine也認為對于Aframax型油輪，按芬蘭-瑞典冰級規(guī)范公式計算的主機功率會比通過船模得到的功率大一倍［10］。

FSICR關于主機功率的規(guī)定是基于冰區(qū)航行船舶需在碎冰甬道中維持5 kn航速，F(xiàn)SICR應用導則［11］中說明這是為了維持在破冰船開辟的碎冰甬道中有序航行，所以規(guī)定船舶在碎冰甬道中保持5 kn航速航行的能力，這一規(guī)定的基礎與在北極浮冰中的航行是不同的。同時，規(guī)范明確表示該功率計算公式不適用于船寬超過40 m的船舶，并建議對于排水量超過70 000 t的船舶采用冰池船模試驗的方法。在芬蘭-瑞典冰級規(guī)范中明確指出，船舶在冰中的阻力可以通過船模試驗，螺旋槳的推力可以直接計算，但在應用規(guī)范的導則中又作了相當保守的規(guī)定。

由于規(guī)范公式較為保守且不適用于大型船舶，因此筆者按照規(guī)范公式并應用規(guī)范導則中規(guī)定的替代方法、結(jié)合ABS GUIDANCE NOTES ON ICE CLASS中的方法對一艘Aframax型油輪進行了實際計算比較。

4 實例計算

4.1 模型相關資料

本文采用的計算模型為一艘Aframax型油輪，計算冰級為1A冰級，該船的主要船型參數(shù)為：載重量105 000 dwt、垂線間長Lbp=233 m、船寬 B=44 m、型深 D=14.8 m，主機型號 W?rtisil? 7RT-Flex58T，最大持續(xù)功率MCR=15 260 kW×105 r/min。該船采用單固定螺距槳，槳徑DP=7.32 m。

4.2 芬蘭-瑞典冰級規(guī)范計算主機功率

芬蘭-瑞典冰級規(guī)范中給出：

其中：P為主機最大持續(xù)輸出功率；RCH為冰阻力；DP為螺旋槳直徑；Ke為船、槳影響系數(shù)，計入螺旋槳的水動力性能和船槳的相互影響。

根據(jù)4.1節(jié)給出的參數(shù)，利用芬蘭-瑞典冰級規(guī)范計算得到：RCH=1 984 kN。

芬蘭-瑞典冰級規(guī)范中規(guī)定，對于單固定槳，系數(shù)Ke取2.26，由此計算得到功率為P=27 277 kW。

應該注意到這是根據(jù)模型7.32 m的槳徑計算得到的結(jié)果，而此槳不能吸收如此大的功率，因此該結(jié)論是不正確的。因此，選一臺功率比27 277 kW小一些的主機，按新選擇的功率和轉(zhuǎn)速確定螺旋槳的直徑DP，求出新規(guī)范要求的主機功率，逐次近似后最終得到FSICR要求的主機功率為24 010 kW，螺旋槳直徑為8.316 m。

表2為芬蘭-瑞典冰級規(guī)范計算的主機功率與已有同級別實船的裝機功率的對比?？梢钥闯?，利用芬蘭-瑞典冰級規(guī)范計算得到的主機功率遠大于同級別的實船裝機功率，說明在1A級Aframax型油輪實船建造過程中，利用芬蘭-瑞典冰級規(guī)范確定主機功率不可取。

表2 FSICR計算與類似尺度實船的裝機功率對比

4.3 芬蘭-瑞典冰級規(guī)范導則計算主機功率

芬蘭-瑞典冰級規(guī)范規(guī)定除了利用規(guī)范計算主機功率外，還可以采用一定的替代方法。芬蘭-瑞典冰級規(guī)范導則中給出在利用FSICR計算冰阻力后，確定所需推力的四種方法，如表3所示。

表3 確定所需推力的四種方法［11］

要求槳在對應情況下發(fā)出的推力為：

Thrust＞Factor·RCH

其中，F(xiàn)actor可取表中百分比或?qū)嶋H值，本文采用實際值來計算所需推力，進而計算所需主機功率，具體步驟參考如下：

首先，利用規(guī)范計算得到5 kn航速時的冰阻力RCH=1 984 kN；然后，根據(jù)水池試驗，計算出5 kn航速時水阻力Row為106 kN，此時5 kn航速時總的阻力為：Rtot=RCH+Row=2 090 kN；最后，選定一臺主機，根據(jù)該主機選定螺旋槳，驗證該主機與螺旋槳是否能在5 kn航速時產(chǎn)生克服總阻力的推力，逐次接近，直至計算出合適的主機功率。

通過上述計算可知：選取一臺新的主機20340kW，轉(zhuǎn)速95 r/min，設計螺紋旋槳的直徑為7.786 m，即可產(chǎn)生滿足要求的推力。

4.4 ABS冰級指導計算主機功率

ABS冰級指導中指出，可以直接利用已知槳的性能來確定主機功率，具體步驟參考如下：

（1）利用規(guī)范計算得到5 kn航速時的冰阻力RCH為 1 984 kN。

（2）利用5 kn航速時克服冰的阻力計算所需要的系樁拉力。

在開敞水域，在船舶航速增加的過程中有：

式中：Tnet為凈推力，Tbp為系樁拉力，vmax為最大航速，本船為15 kn。

在冰中以5 kn的速度航行，要求凈推力大于冰的阻力，即：

（3）根據(jù)槳的特性計算具有上述系樁拉力所需主機功率。

需要的主機功率為：

式（6）中：KT，KQ分別為系樁狀態(tài)下槳的推力系數(shù)與轉(zhuǎn)矩系數(shù)；t為系樁狀態(tài)下推力減額，取0.02；f取5 kn航速時凈推力與系柱拉力的比值0.815。

可以看出，ABS的冰級指導是將芬蘭-瑞典冰級規(guī)范中槳的影響系數(shù)直接計算。需要注意的是，式（6）中Ke的計算是對于可調(diào)槳的計算公式，若對于固定槳，這一系數(shù)則需乘以0.9。

可見，原槳和4.3節(jié)中設計的螺旋槳是不可用的，利用4.4節(jié)中所設計槳的計算得到所需的主機功率為22 644 kW。

4.5 計算結(jié)果對比

表4為芬蘭-瑞典規(guī)范導則、ABS指導的計算結(jié)果與芬蘭-瑞典冰級規(guī)范計算結(jié)果的對比。

表4 三種計算方法的對比

5 結(jié) 論

通過對比計算結(jié)果，得到以下結(jié)論：

（1）對于1A冰級Aframax型油輪，芬蘭-瑞典冰級規(guī)范計算的結(jié)果要遠遠大于實際船舶裝機功率，說明實際船舶建造中不能應用規(guī)范直接計算確定主機功率；

（2）芬蘭-瑞典冰級規(guī)范導則、ABS冰級指導的計算結(jié)果要小于芬蘭-瑞典冰級規(guī)范計算值，但仍大于實船的裝機功率，也是不可行的；

（3）因而確定大型1A冰級船舶的主機只有利用冰池試驗確定其冰阻力，然后利用槳的性能直接計算船舶所需主機功率，才能得到適合航運的結(jié)果。

國際船級社聯(lián)合協(xié)會（IACS）在2006年頒布極區(qū)統(tǒng)一要求UR I，規(guī)定了極區(qū)航行船舶的結(jié)構加強要求及機械系統(tǒng)的要求。國際海事組織（IMO）也于2009年制定了“Guidelines for Ships Operating in Polar Water”。今后建造極區(qū)航運船舶似乎采用PC7船級并按照UR I及IMO決議A.1024的要求設計建造更為合理，但在UR I中并沒有對主機功率提出要求。本文的討論雖然是針對1A冰級船舶，但對于PC7級船舶的主機功率計算也具有一定的指導意義。

6 致 謝

本文在寫作過程中得到我院戴經(jīng)武老師的悉心指導，在此表示由衷感謝。

［1］Energy Information Administration.Arctic Ocean Oil and Natural Gas Potential［EB/OL］.http：//geology.com/energy/arctic-oil-and-gas-protential.

［2］Wikipedia.Shtokman field［EB/OL］.http：//en.wikipedia.org/wiki/Shtokman field.

［3］Sakhalin-I［EB/OL］.http：//en.wikipedia.org/wiki/Sakhalin-I.

［4］Sakhalin-II［EB/OL］.http：//en.wikipedia.org/wiki/Sakhalin-II.

［5］Arctic Climate Impact Assessment.Impacts of a warming Arctic［R］.2004.

［6］Finnish Maritime Administration.Finnish and Swedish Ice Class Rules［S］.2008.

［7］MAN B&W Diesel A/S.Propulsion Trends in Tankers［R］.Copenhagen，Denmark：2004.

［8］ABS.Guidance Notes on Ice Class［S］.2005.

［9］ABS.Low Temperature Operations Guidance for Arctic Shipping［R］.2009.

［10］Deltamarin.Ice Class Ships［EB/OL］.www.detamarin.com/refrences/ice-class-ship.

［11］Finnish Maritime Administration.Guidelines for the application of the Finnish-Swedish Ice Class Rules［S］.2005.

［12］Mikko Juva，Kaj Riska.On the Power Requirement in the Finnish-Swedish Ice Class Rules［R］.2002.