極地航行船舶電氣設(shè)計和設(shè)備配置特殊性研究

陳衛(wèi)寶

(中國艦船研究設(shè)計中心，上海 201108)

極地航行船舶電氣設(shè)計和設(shè)備配置特殊性研究

陳衛(wèi)寶

(中國艦船研究設(shè)計中心，上海 201108)

從極地航行船舶所在的環(huán)境狀況入手，分析了低溫、冰況、船上結(jié)冰、高緯度、極晝極夜對船舶航行安全和使用造成的影響，提出相應(yīng)的應(yīng)對方案和措施來減少和消除由此帶來的影響，研究極地船舶在電氣設(shè)計和設(shè)備配置的特殊性，對極地航行船舶電氣設(shè)計具有一定的指導(dǎo)作用。

極地船舶；低溫環(huán)境；電氣設(shè)計；防凍除冰

0 引 言

南極和北極資源豐富，地理位置獨特。目前，伴隨著全球氣候變暖，南、北極科學(xué)奧秘和環(huán)境資源價值被不斷揭示，極地區(qū)域的國際戰(zhàn)略地位迅速提升，世界有關(guān)國家圍繞極地和海洋權(quán)益爭奪已呈現(xiàn)日益加劇的態(tài)勢。未來全球?qū)O地船舶的需求會越來越大，對極地船舶性能的要求也會越來越高。極地航行船舶相對于常規(guī)船舶，從船體結(jié)構(gòu)、船舶推進到設(shè)備配置等方面，都存在較大差異[1]，本文主要從電氣設(shè)計及設(shè)備配置角度研究其特殊性。

1 極地航區(qū)環(huán)境狀況分析

與傳統(tǒng)船舶相比，極地船舶最大的特點在于其使用環(huán)境的特殊性[2]，極地船舶電氣設(shè)計和設(shè)備配置需考慮以下環(huán)境因素的影響。

1）低溫。北極冬季的平均氣溫介于–20 ℃～–40 ℃，而最暖的夏季平均氣溫為–8 ℃，南極各個季節(jié)的平均氣溫將比北極相應(yīng)低20 ℃。在低溫區(qū)域或季節(jié)操作的極地船舶應(yīng)考慮暴露結(jié)構(gòu)、設(shè)備和系統(tǒng)遭受的環(huán)境溫度，并采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo措施，以確保船舶及設(shè)備在極地服務(wù)溫度環(huán)境下的操作能力。

2）冰況。冰層的厚度直接影響船舶的航行，造成動力損耗并可能危及船體結(jié)構(gòu)。根據(jù)成冰情況可分為流冰、一年冰、陳年堅冰，根據(jù)冰層厚度，不同船級社的劃分類似而略有不同。冰區(qū)所特有的冰山現(xiàn)象更是在航運史上造成過諸多重大海難事故，大范圍冰區(qū)可能導(dǎo)致船員患上雪盲癥。

3）船上結(jié)冰。在可能發(fā)生結(jié)冰區(qū)域和時期內(nèi)操作的極地船舶應(yīng)考慮暴露結(jié)構(gòu)和設(shè)備表面的積冰，采取防凍除冰措施以消除積冰對船舶穩(wěn)性和船上設(shè)備及系統(tǒng)的影響。

4）高緯度。南北極處于地球兩端緯度最高區(qū)域，當(dāng)前全球海事數(shù)字通信系統(tǒng)尚未覆蓋極地水域，導(dǎo)致與全球海事數(shù)字通信衛(wèi)星相關(guān)的通信設(shè)備在緯度80°及以上區(qū)域出現(xiàn)信號不穩(wěn)或中斷現(xiàn)象。另外高緯對船上磁羅經(jīng)使用影響較大。在高緯度區(qū)域（80°及以上）應(yīng)配備適合高緯度海區(qū)使用的通信導(dǎo)航設(shè)備。

5）極晝極夜。北極極晝在春分時節(jié)開始，至秋分時節(jié)結(jié)束，在北極地區(qū)夏季航行基本是極晝時段，若9月底仍在航，則可能遇到極夜情況。南極也同樣出現(xiàn)，不過它出現(xiàn)的時間與北極正好相反，即北極若處于極晝，南極為極夜，反之亦然。極晝/極夜將影響人的生物鐘生理運行情況，也影響到視線范圍。極夜導(dǎo)致能見度持續(xù)不良，影響安全航行，極地船舶應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)母郊诱彰髋鋫?，如探照燈。極晝使得白天時間變長，導(dǎo)致船員疲勞和冰區(qū)值班人員眼睛影響，應(yīng)采取措施，以避免船員工作效能的影響。

2 極地環(huán)境對船舶電氣設(shè)計的影響及應(yīng)對措施

2.1 低溫對柴油發(fā)電機組進氣影響及應(yīng)采取的措施

通常，因發(fā)電機從機艙吸入燃燒空氣，進氣溫度不會太低。當(dāng)外界氣溫低至–30 ℃甚至更低時，船舶機艙將無法保證適宜的艙內(nèi)溫度，此時發(fā)電機從機艙吸入燃燒空氣溫度較低。

柴油機進氣溫度過低可能會引起壓縮混合氣無法自行點燃，導(dǎo)致發(fā)電機起動失敗。此外低溫空氣具有較高的比重，可能導(dǎo)致增壓器喘振，過多的燃燒空氣可能導(dǎo)致氣缸超壓、發(fā)動機超負(fù)荷。此時需要在輔機艙配置加熱設(shè)施，如采用艙內(nèi)加熱或?qū)Σ裼蜋C的進氣進行預(yù)熱，同時逐步關(guān)閉可調(diào)節(jié)的防火風(fēng)閘至較小的流通面積以防艙內(nèi)熱空氣過多散失。

2.2 冰況對柴油發(fā)電機組冷卻水系統(tǒng)的影響及應(yīng)采取的措施

冰區(qū)操作的船舶，若未采取特殊布置，冷卻海水進口容易遭受海冰堵塞，因失去冷卻水導(dǎo)致發(fā)電機組停止工作進而極有可能引發(fā)船舶擱淺等海上事故。在設(shè)計時需從冷卻水系統(tǒng)的布置、構(gòu)造、加熱三方面采取措施防止堵塞。

1）布置。海水門和海水艙布置應(yīng)考慮船線型和船的尺度（如傳統(tǒng)破冰的貨船在船尾舭部下方很少見到冰），應(yīng)盡量布置在船低位處，并遠(yuǎn)離冰帶水線；使用擋板、圍堰、濾器和其他措施把水和冰隔離開來；冷卻系統(tǒng)的熱水回路注入加熱。

2）構(gòu)造。海水門頂部應(yīng)盡可能高，引至海水艙的管路進口應(yīng)盡可能低布置；應(yīng)有手動除冰措施；海水艙至少可以從2個獨立海水門引水。

3）加熱。海水門和冷卻水吸入口應(yīng)考慮除冰措施，可采用蒸汽除冰系統(tǒng)、熱水除冰、海水門和海水艙內(nèi)布置熱油加熱盤管。

2.3 低溫對蓄電池的影響及應(yīng)采取措施

蓄電池的容量受溫度的影響很大（見圖1），溫度低時，可輸出的容量較小，蓄電池室的環(huán)境溫度一般在5 ℃～30 ℃范圍較適宜。對于極地航行船舶存放蓄電池的艙室內(nèi)應(yīng)設(shè)有保溫措施，蓄電池室加熱可采用機械通風(fēng)送入加熱后的空氣、采用蒸汽加熱設(shè)備或相鄰艙室加熱等措施。

圖1 蓄電池放電容量與環(huán)境溫度關(guān)系曲線Fig. 1 Battery discharge capacity and environmental temperature curve

2.4 冰況對蓄電池的影響及應(yīng)采取措施

蓄電池室應(yīng)有獨立的機械通風(fēng)或自然通風(fēng)裝置通向露天，出風(fēng)口應(yīng)在頂部，冰或雪的積聚可能會阻礙蓄電池室的通風(fēng)管道，使得蓄電池釋放的爆炸性氣體聚集在房間內(nèi)無法消散。

因此，設(shè)計時應(yīng)考慮通風(fēng)口的布置設(shè)計，同時適當(dāng)考慮配有加熱除冰措施。

2.5 低溫對外部敷設(shè)電纜的影響及應(yīng)采取的措施

目前常用電纜護套耐低溫為–25 ℃，當(dāng)電纜護套溫度低于–25 ℃時，如遇外力（極地航行船舶在冰況中沖擊振動較大），電纜外護套會脆化導(dǎo)致破裂，影響電纜使用壽命。

對于已設(shè)計好的非極地船舶偶爾去極地，露天外部電纜必須有保護措施，如采取電纜固定、電纜外護套包裹等，防止受外力影響。此外電纜應(yīng)盡可能一直通電，使其表面維持在一定的溫度。但若長期在極地環(huán)境下使用，將會對電纜使用壽命產(chǎn)生影響。

對于新設(shè)計的極地船舶，考慮采用特殊材料制成的耐低溫外護套電纜。目前在陸地上使用的耐低溫電纜相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成熟，但國內(nèi)艦船用耐低溫電纜在工程上還未應(yīng)用，若有需求，只需采用耐低溫材料即可生產(chǎn)。相比普通電纜，耐低溫電纜的主要區(qū)別是外護套材料差異，價格稍貴些。此外在露天甲板敷設(shè)的電纜應(yīng)采用金屬管子和管道或電纜槽保護，并應(yīng)具有泄放冷凝水的布置。

2.6 低溫和結(jié)冰對外部照明燈具的影響及應(yīng)采取的措施

外部照明燈具主要包括艙壁照明燈、甲板探照燈/掃海燈、航行信號燈。目前燈具按照中國船級社《鋼制海船入級與建造規(guī)范》規(guī)定制造，普通燈具一般在–20 ℃以上能正常工作。

外壁照明燈、探照燈/掃海燈、航行信號燈等目前是以鹵鎢燈、汞疝燈和LED為光源，這些光源的燈具在–25 ℃下都能點亮，在沒外部掛冰情況下，不影響使用。在外部掛冰情況下，外壁照明燈應(yīng)該不會影響產(chǎn)品的照明功能，探照燈和掃海燈點亮后，由于燈具功率大，燈具表面溫度會很快上升，很快能除掉燈罩上的冰。航行信號燈，由于功率相對較小，燈具表面溫升較慢，需要較長時間才能消掉燈罩上的冰，解決辦法是提前開燈或在外部增加發(fā)熱裝置。LED光源要在–30 ℃下正常點亮，還需考慮選用耐低溫性能的元器件。對于在更低溫度下使用，則考慮選用新研制的燈具，目前相關(guān)燈具廠家正在從事相關(guān)研究。

2.7 低溫對其他艙外設(shè)備的影響及措施

配電和控制相關(guān)設(shè)備盡量安裝在室內(nèi)，但對于特殊情況需安裝在露天甲板和低溫處所的設(shè)備應(yīng)設(shè)置防冷凝裝置，應(yīng)通過配備加熱元件來實現(xiàn)。如為考慮操作的方便性，安裝在露天甲板的控制箱一般安裝在被控設(shè)備的旁邊，此時應(yīng)設(shè)置防冷凝裝置。

2.8 低溫和結(jié)冰對駕駛室設(shè)計的影響

由于極地船舶外部環(huán)境溫度較低，為保證駕駛室內(nèi)有個相對穩(wěn)定的溫度環(huán)境，極地船舶駕駛室需采取全封閉設(shè)計?？紤]到航行冰況環(huán)境復(fù)雜多變，駕駛指揮人員須從駕駛室獲得全方位的視野，駕駛室設(shè)計時應(yīng)考慮能提供清晰的前后視域。此外，駕駛指揮位置的玻璃應(yīng)具有充分除冰措施，從室外有效清除融冰、凍雨、雪、水氣和濺水，以及從室內(nèi)有效清除積聚冷凝水的裝置。清除室外一側(cè)玻璃窗水的機械裝置，其機構(gòu)應(yīng)受到保護，以防凍或積冰妨礙其有效操作。

2.9 高緯度對艦船消磁系統(tǒng)影響

當(dāng)艦船航行于極地區(qū)域，遭受劇烈冰塊沖擊震動和巨大風(fēng)浪，艦船固定磁性將會發(fā)生變化。當(dāng)艦船長期航行于一個地區(qū)而突然轉(zhuǎn)移到另一個地區(qū)航行時，由于地球磁場有了顯著變化（極地區(qū)域磁場強度增大），艦船固定磁性也會有明顯變化。相比其他區(qū)域航行的艦船，極地航行艦船將可能縮短去消磁站進行固定消磁的周期。此外，在設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)考慮敷設(shè)用于專門抵消固定磁場的繞組。

2.10 電加熱系統(tǒng)設(shè)計

對極地船舶而言，船上結(jié)冰對設(shè)備正常運行和船舶安全航行帶來較大的考驗。由于船舶設(shè)備的失效會嚴(yán)重影響船舶航行的安全，所以一些船級社推出了相應(yīng)的船級符號，如國際船級社IACS提出的船級符號PC1～PC7級[3]，此外相關(guān)船級社提出了防凍除冰的要求和措施，如挪威船級社的WINTERIZED BASIC和DEICE[4]。根據(jù)冰區(qū)航行船舶相關(guān)規(guī)范的要求，海底門、進風(fēng)口、部分或完全暴露于冰帶水線以上的油水艙、居住處所、服務(wù)處所、機械處所，上層建筑外圍窗戶、外圍門、逃生通道、露天設(shè)備，露天管路等都需要有防冰凍措施。電加熱方式是其中一種最常用的防冰凍措施。極地船舶電加熱系統(tǒng)主要包含了電伴熱系統(tǒng)，油水艙透氣帽電加熱系統(tǒng)，艙室加熱系統(tǒng)（含衛(wèi)生單元地?zé)幔彝庠O(shè)備加熱系統(tǒng)，以及天線加熱系統(tǒng)?？紤]到極地船舶加熱的重要性，給電加熱系統(tǒng)供電的變壓器采用雙變壓器冗余設(shè)計，設(shè)計時所有的加熱配電柜及分電箱饋電開關(guān)都應(yīng)配置脫扣監(jiān)測報警功能，負(fù)載開關(guān)因接地故障或過載脫扣時，配電柜或分電箱報警并將報警信號輸送至船舶管理系統(tǒng)，起到預(yù)警作用，確保極地低溫航行的安全。

2.11 其他

1）電站容量

考慮到極地船舶艙內(nèi)艙外需安裝大量的防冰除冰系統(tǒng)和設(shè)備，對電能需求較大。設(shè)計時，電站要考慮留有適當(dāng)?shù)挠嗔?，以便滿足后續(xù)船舶加改裝的電能需求。

2）沖擊振動要求

軍用艦船規(guī)范要求已考慮設(shè)備的振動沖擊要求，在設(shè)計極地艦船時可無需再考慮。但對于民用船舶，由于相關(guān)規(guī)范對設(shè)備的沖擊振動未作具體要求，設(shè)計時應(yīng)考慮船舶上的設(shè)備在冰況下的沖擊振動要求。

3 結(jié) 語

從極地船舶所航行的環(huán)境狀況分析著手，圍繞船舶航行和人員使用安全這個宗旨，針對其環(huán)境特殊性給船舶電氣設(shè)計和設(shè)備配置帶來的影響，提出應(yīng)對方案和措施，從而說明極地航行船舶電氣設(shè)計和設(shè)備配置的特殊性，為極地船舶電氣設(shè)計與研究提供指導(dǎo)。

[1]中國船級社. 極地船舶指南[S]. 北京: 中國船級社, 2016.

[2]楊森, 顧洪彬. 冰區(qū)加強型油輪電氣配置特殊性研究[J]. 船舶與海洋工程, 2015, (4): 61–64.

[3]IACS UR I Requirements C oncerning Polar Class[S]. IACS,2006.

[4]Rules for Classification of ships, Part 5 Chaper 1-Ships for Navigation in Ice[S]. Det Norske Veritas AS(DNV), 2012.

Research on the electrical design and equipment configuration for the polar sailing ship

CHEN Wei-bao
(China Ship Reaserch and Design Center, Shanghai 201108, China)

Starting from environment of ships sailing at polar areas,this paper analyzes the effects of low temperature environment, sea ice, ice on board, high latitude, polar day and night to the ship navigation safety and use; and propose the corresponding solutions and measures to eliminate and reduce the influence of the resulting; and studies the electrical design and configuration particularity of this ship type. This study may provide some guidance for the electrical design of ships sailing at polar areas.

polar ships；low temperature；electrical design；antifreeze deicing

U676

A

1672 – 7649(2017)10 – 0144 – 03

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.10.028

2016 – 11 – 02

陳衛(wèi)寶(1986 – )，男，碩士，工程師，主要從事艦船總體設(shè)計與研究工作。