新型動力裝置將助力北極航道商業(yè)化運(yùn)營

中國船級社 辛吉誠

新型動力裝置將助力北極航道商業(yè)化運(yùn)營

中國船級社 辛吉誠

2017年國際海事組織《極地水域船舶航行安全規(guī)則》的生效讓北極航道的開通成為了全球航運(yùn)業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。從地理位置上來看，與經(jīng)馬六甲海峽、蘇伊士運(yùn)河、直布羅陀海峽的傳統(tǒng)東西方航道相比，船舶經(jīng)北冰洋航行到達(dá)歐洲或美洲，總航程大約6700海里，耗時約22天，平均航程縮短了近3000海里，航行時間有望縮短9～10天，理論上不僅能夠?yàn)榇瑬|和貨主節(jié)約不菲的燃料開銷，還能從整體上提升海上貨運(yùn)效率。與此同時，航行在北極海域內(nèi)的商船能夠避開目前長期困擾航運(yùn)業(yè)的東南亞與索馬里地區(qū)海盜的威脅。隨著未來全球范圍內(nèi)氣候變暖可能引發(fā)的北極冰川的進(jìn)一步消融，未來北極航道的商業(yè)化運(yùn)營價值將不斷提升。

盡管與傳統(tǒng)東西方航道相比，北極航道在總航程與航行時間方面擁有一定優(yōu)勢，然而北極海域內(nèi)所特有的嚴(yán)寒卻給未來北極航道的商業(yè)化運(yùn)營增加了不小難度。通常而言，北極地區(qū)海域氣溫常年都在零度以下，即使是在7～9月的夏季，北極圈內(nèi)的氣溫也只有-3至-5℃。低溫對于船舶動力裝置熱效率的影響，在很大程度上可能成為未來北極航道商業(yè)化運(yùn)營過程中最大的障礙，這種影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

首先，為避免船底海水吸口、甲板管系、通風(fēng)開口、壓載艙透氣管、甲板液壓動力裝置、船員房間以及部分重要的壓載艙與貨艙內(nèi)貨物在低溫環(huán)境下由于冰凍而損壞，進(jìn)而危害船舶與貨物安全，航行于極地海域的船舶都需要配備額外的加熱與除冰設(shè)備，以維持船舶在極地海域內(nèi)的正常運(yùn)營。這些額外的供熱需求將直接增加航行于北極海域內(nèi)船舶的總能耗。其次，受低溫影響，北極海域內(nèi)的冰情通常都會比較嚴(yán)重，即使在夏季海面都可能存在3～4成的浮冰，船舶航行過程中受浮冰沖擊而產(chǎn)生的額外阻力將在一定程度上增加船舶對于推進(jìn)功率的需求，進(jìn)而增加船舶總體能耗。與這些因素相比，由北極海域內(nèi)的低溫環(huán)境而引發(fā)的船舶發(fā)動機(jī)整體熱效率下降對于航行在北極海域內(nèi)船舶能耗的影響最為直接。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在冰情良好的夏季且有專業(yè)破冰船開道的前提下，船舶在北極航道內(nèi)航行時每天將至少增加13%～15%的燃油消耗。從這個角度來看，北極航道對于船舶燃料的額外需求很可能會抵消其在總航程與航行時間方面的優(yōu)勢。

極地海域內(nèi)特殊環(huán)保要求的持續(xù)升級也將在一定程度上增加未來北極航行船舶的運(yùn)營成本。北極海域特殊的環(huán)境條件決定了其海域內(nèi)的物種相對單一，整體生態(tài)環(huán)境更為脆弱，對于船舶防污染性能的要求也更高。根據(jù)國際海事組織關(guān)于指定南極區(qū)域作為特殊區(qū)域的1990年修正案(MEPC.42(30)決議)的規(guī)定，南緯60°以南的海域?qū)儆贛ARPOL公約規(guī)定的特殊排放控制區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)航行的船舶不僅不允許排放任何油類或油性混合物，也不允許使用重質(zhì)油類作為燃料。而根據(jù)歐洲議會網(wǎng)站的報道，2017年1月31日，歐洲議會外交與環(huán)境委員會以絕對優(yōu)勢通過了一項(xiàng)將禁止船舶在北極海域使用重質(zhì)油的決議。歐盟在其法令草案中不僅禁止船舶在歐盟國家管轄的北極海域內(nèi)燃燒重油，也不允許在北極海域內(nèi)航行的船舶裝載重油。這意味著未來經(jīng)北極海域航行的船舶在離開歐盟管轄的北極海域后如果無法及時找到加注重油的港口，就不得不繼續(xù)燃燒在北極海域內(nèi)使用的價格昂貴的輕質(zhì)油，這將進(jìn)一步推高未來北極通航的成本。從這個角度來看，船舶動力裝置經(jīng)濟(jì)性方面的突破將成為未來北極航道能否順利通航的關(guān)鍵。

與蒸汽輪機(jī)20%的熱效率和燃?xì)廨啓C(jī)40%的熱效率相比，柴油機(jī)在正常工況下運(yùn)轉(zhuǎn)的熱效率通常都能達(dá)到45%以上，采用增壓技術(shù)的大型低速柴油機(jī)的理論熱效率能達(dá)到56%，遠(yuǎn)高于其他型式的動力裝置。同時與價格昂貴的輕質(zhì)燃料相比，重油高熱值、低價格的特點(diǎn)能夠精確匹配海上貨運(yùn)船舶對于動力裝置經(jīng)濟(jì)性的需求。隨著二戰(zhàn)后柴油機(jī)技術(shù)、特別是低速二沖程柴油機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，柴油機(jī)與重油憑借其出色的經(jīng)濟(jì)性能逐漸成為民用船舶的標(biāo)配。然而在北極航道內(nèi)，特有的嚴(yán)寒天氣與嚴(yán)苛的環(huán)保要求限制了柴油機(jī)與重油經(jīng)濟(jì)性方面優(yōu)勢的充分發(fā)揮。相比之下，氣體燃料動力裝置與核動力裝置似乎更能匹配北極航道對于船舶動力裝置的需求。

與含有酸性雜質(zhì)的、低溫狀態(tài)下為粘稠液體的燃油相比，在環(huán)保性能方面更具優(yōu)勢的天然氣無疑更容易匹配北極海域內(nèi)嚴(yán)苛的環(huán)保要求。無論采用何種型式的原動機(jī)，天然氣在燃燒過程中相對燃油而言至少能夠減少90%以上的氮氧化物與硫氧化物、70%以上的二氧化碳與60%的顆粒物排放，且燃料意外泄漏后對于周邊環(huán)境的潛在不良影響也遠(yuǎn)低于燃油。北極海域特有的低溫環(huán)境也在一定程度上彌補(bǔ)了天然氣作為船用燃料的劣勢。受目前技術(shù)條件的限制，無論是燃燒天然氣的鍋爐還是氣體燃料發(fā)動機(jī)，在總體熱效率方面都難以與柴油機(jī)匹敵，然而航行于北極航道的船舶，對于熱量的額外需求能夠在很大程度上解決船上廢熱難以充分利用的問題，在一定程度上平衡氣體燃料動力裝置總體熱效率偏低的缺點(diǎn)。與此同時，天然氣燃料在船上通常會以液體方式儲存，無論采用降溫還是加壓的方法進(jìn)行液化，都無法完全避免燃料在船舶航行過程中的氣化問題，這些在船舶航行過程中蒸發(fā)的氣體燃料（BOG）不僅會增加燃料額外的損耗，還可能導(dǎo)致船舶航行過程中燃料艙內(nèi)部壓力升高，甚至燃料泄漏，危害船舶航行安全。而北極海域內(nèi)特有的低溫環(huán)境能夠最大限度地減少液化天然氣燃料在船舶航行過程中的蒸發(fā)，提升船舶營運(yùn)過程中總體的經(jīng)濟(jì)性與安全性。更為重要的是，如果未來北極海域內(nèi)全面禁止燃燒重油，天然氣在價格方面與輕質(zhì)燃油相比無疑更具優(yōu)勢。這將在很大程度上提升以LNG為代表的氣體燃料對于航運(yùn)業(yè)的吸引力。

與常規(guī)的內(nèi)燃?xì)庀啾?，核動力裝置強(qiáng)大的單機(jī)功率與低廉的營運(yùn)維護(hù)成本在一定程度上也能匹配未來極地航行船舶對于動力裝置性能的需求與極地海域特殊的環(huán)保要求。核動力裝置本質(zhì)上是一種蒸汽輪機(jī)動力裝置，由核反應(yīng)堆代替鍋爐產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽驅(qū)動透平做功，為船舶推進(jìn)提供動力。未來核動力極地航行船舶動力裝置的配備可能會有兩種型式。以高壓蒸汽透平直接帶動螺旋槳推動船舶航行的動力裝置方案，很可能成為未來極地航行核動力船舶動力裝置的首選方案。蒸汽輪機(jī)動力裝置運(yùn)用于機(jī)動船舶推進(jìn)的歷史最為悠久，技術(shù)相對成熟，總體可靠性很高。然而蒸汽透平的工作原理決定了其換向時間過長的問題始終難以解決，由此而引發(fā)的船舶機(jī)動性問題對于未來極地航行船舶而言顯然是一個隱患。隨著近年來電力推進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展，以低壓蒸汽透平驅(qū)動發(fā)電機(jī)的透平-電力推進(jìn)系統(tǒng)是未來極地航行核動力船舶動力裝置的另一種可選模式。與主透平直接驅(qū)動船舶推進(jìn)器的模式相比，透平-電力推進(jìn)系統(tǒng)的總體熱效率更高，船舶本身的機(jī)動性與推進(jìn)冗余度也更好。從目前全球范圍內(nèi)已經(jīng)服役的核動力船舶的實(shí)際運(yùn)行情況來看，未來的民用核能船舶在整個生命周期內(nèi)無需添加核燃料，這將進(jìn)一步提升核動力船舶在極地地區(qū)航行的經(jīng)濟(jì)性與安全性。同時，采用核動力裝置的船舶基本不存在發(fā)動機(jī)排放方面的問題，相對常規(guī)動力裝置船舶而言，更容易滿足極地海域嚴(yán)苛的環(huán)保法規(guī)要求。目前全球范圍內(nèi)絕大多數(shù)破冰船都采用了核動力裝置，也從另一個側(cè)面說明了此類動力裝置在極地海域內(nèi)的優(yōu)勢。

然而與燃油相比，無論是氣體燃料動力裝置還是核動力裝置，運(yùn)用于航運(yùn)實(shí)踐時都會存在額外的安全風(fēng)險。船上氣體燃料通常以低溫液體的型式儲存，一旦發(fā)生意外泄漏將直接導(dǎo)致其附近的船體結(jié)構(gòu)與設(shè)備在極端低溫下失效，隨后蒸發(fā)的可燃性氣體與空氣混合達(dá)到一定比例后，一旦遇到明火就會發(fā)生爆炸。而核燃料在使用過程中一旦泄漏，所產(chǎn)生的放射性污染在危害程度與影響范圍上將遠(yuǎn)勝于燃油泄漏，1986年的切爾諾貝利事件與2011年福島核電站事故對周邊環(huán)境所造成的災(zāi)難性影響至今尚未完全消除。正是基于這些因素的考慮，目前全球范圍內(nèi)掌握氣體燃料動力裝置與核動力裝置的國家并不多，不同國家和地區(qū)對于這些特殊動力裝置安全標(biāo)準(zhǔn)的差異也在很大程度上影響了其在國際航運(yùn)業(yè)的推廣。

從技術(shù)角度而言，常規(guī)船舶動力裝置的經(jīng)濟(jì)性與安全性正在成為制約未來北極航道商業(yè)化運(yùn)營的瓶頸。而以氣體燃料動力裝置和核動力裝置為代表的，能夠匹配未來北極海域航行船舶需求的新型動力裝置的推廣也正在受到缺乏全球性統(tǒng)一安全標(biāo)準(zhǔn)的制約。不同國家政治經(jīng)濟(jì)與技術(shù)水平的差異決定了未來全球統(tǒng)一的新型船舶動力裝置安全標(biāo)準(zhǔn)的形成還需要經(jīng)歷相當(dāng)長的一段時間。在此期間，引入獨(dú)立第三方的認(rèn)證可能是解決新型動力裝置在極地航運(yùn)船舶上推廣的方案之一。由相關(guān)主管機(jī)關(guān)都能夠接受的獨(dú)立第三方，根據(jù)相關(guān)國際和地區(qū)間組織都能夠接受的安全標(biāo)準(zhǔn)，通過專業(yè)、公證的評估方法對采用新型動力裝置的船舶安全水平進(jìn)行評估后所出具的符合性證明文件，或?qū)⒊蔀槲磥聿捎眯滦蛣恿ρb置船舶從事國際和地區(qū)間航行的“臨時通行證”。