海監(jiān)執(zhí)法船設(shè)計探討

摘 要：海洋權(quán)益斗爭日趨激烈，大量海洋維權(quán)巡航執(zhí)法公務(wù)船需要設(shè)計、建造，本文就海監(jiān)執(zhí)法船的設(shè)計特點、主要技術(shù)指標(biāo)的選擇、總體、輪機設(shè)計要點等問題進行了探討，以期為同類船舶設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：海監(jiān)執(zhí)法船；設(shè)計；探討

Discussion about Design of Oceanic Surveillance Ship

LIU Yuan， LI Kongguang

( Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 )

Abstract: The scramble of Oceanic right is getting more and more severe and many oceanic surveillance ships need to be designed and built. This article discusses how to design oceanic surveillance ships， how to ascertain the main technique data， how to select propulsion system and main engine and how to optimize the layout and control the ship weight and others for oceanic surveillance ships.

Key words: Oceanic surveillance ship; Design; Discussion

1 前言

海洋是人類生存和發(fā)展的重要戰(zhàn)略空間。隨著國家沿海島嶼主權(quán)爭端的日益增多，圍繞我海洋權(quán)益的斗爭日趨激烈，我國主張管轄海域中有一半面積與周邊國家存在爭議，周邊國家対我海洋資源的掠奪日益加劇，域外大國不斷加大對我近海軍事調(diào)查，國家海上安全受到嚴(yán)重軍事威脅，迫切需要進一步加強海上維權(quán)執(zhí)法力量，有理、有利、有節(jié)、有效地維護我國海洋權(quán)益。為此國家近年來不斷加大維權(quán)專用執(zhí)法船的投入力度。這種介于軍船與民船之間的海洋巡視執(zhí)法維權(quán)的船舶主要在我國領(lǐng)海海域以及專屬經(jīng)濟區(qū)和大陸架內(nèi)執(zhí)行定期巡航，監(jiān)察，保護海洋環(huán)境，維權(quán)執(zhí)法等任務(wù)。

2 海監(jiān)執(zhí)法船的設(shè)計特點

海監(jiān)執(zhí)法船的設(shè)計通常有以下幾個特點：

1）海監(jiān)執(zhí)法船要求外形莊嚴(yán)威武，具有明顯的執(zhí)法船特征；設(shè)計水線以上船體外表以白色為主基調(diào)，在明顯位置涂有中國海監(jiān)的徽標(biāo)。

2）良好的穩(wěn)性、適航性和操縱性；

3）較高的航速以滿足執(zhí)法的需要；

4）與使命任務(wù)相適應(yīng)的執(zhí)法裝備；

5）具備必要的威懾手段。

3 主要技術(shù)指標(biāo)的選擇

主要技術(shù)指標(biāo)対船舶的總體性能、總投資和使用的經(jīng)濟性影響極大，是設(shè)計的基本輸入。制定合理的技術(shù)指標(biāo)無疑具有重要意義。

3.1 航速

90年代，公務(wù)執(zhí)法船的最高航速大多數(shù)在16～20 kn范圍，隨著執(zhí)法的需要，近年來航速增大的趨勢較明顯，排水量千噸級以下的中小型海監(jiān)執(zhí)法船最高航速達到18～25 kn，甚至更高；排水量千噸級以上的中大型海監(jiān)船最高航速多為18～20 kn。

若航速選擇過高，主機功率將迅速增加，導(dǎo)致經(jīng)濟性惡化。實際上在現(xiàn)役的中小型海監(jiān)執(zhí)法船中通常都配備1～2艘高速工作艇，其航速在25 kn 以上，用于輔助執(zhí)法，以彌補母船航速的不足。

3.2 續(xù)航力

續(xù)航力主要根據(jù)使命任務(wù)確定，隨著海監(jiān)執(zhí)法船的大型化及巡航執(zhí)法半徑的不斷擴大，對船舶續(xù)航力的要求也不斷提高。不同噸位級別的海監(jiān)執(zhí)法船續(xù)航力大致見表1。

3.3 自持力

300 t級以下的沿海航區(qū)小型海監(jiān)船自持力一般在15晝夜以內(nèi)，500 t級以上一般要求自持力不小于15晝夜，千噸級以上通常不小于30晝夜。自持力対總體性能影響最大的是淡水裝載量，而不同海區(qū)船舶用戶対淡水量要求差異較大，設(shè)置制淡裝置補充非飲用淡水可以大量減少淡水裝載量，是一種較好的技術(shù)解決方案。

3.4 適航性

500 t級以上的海監(jiān)執(zhí)法船通常要求在5級海況下執(zhí)行巡航任務(wù)，7級海況安全航行，抗風(fēng)力≥10級。為滿足和改善船舶適航性，除在型線設(shè)計方面進行優(yōu)化，包括選擇適宜的干舷、較大的船首高度以減少甲板上浪。通常還設(shè)置減搖裝置，一般采用固定式減搖鰭，在高速時，減搖鰭的減搖效果相當(dāng)明顯，如某船在五級海況，航速17 kn時，啟動減搖鰭后，船舶剩余橫搖角幅度平均值不大于3°。但減搖鰭在船舶低速航行時的減搖效果不理想，因而対配置直升機的大型海監(jiān)執(zhí)法船，通常設(shè)置減搖水艙，以滿足高海況下直升機的安全起降。

3.5 操縱性

為改善船舶的操縱性，中、大型海監(jiān)執(zhí)法船通常應(yīng)配置側(cè)推裝置。側(cè)推裝置一般采用電驅(qū)動型式，側(cè)推功率的選擇應(yīng)與電站功率綜合考慮，除非特殊要求，側(cè)推功率建議不必太大，以免電站功率大幅提高。

不同排水量海監(jiān)執(zhí)法船主尺度大致如表1所示。

4 總體設(shè)計

4.1 船長選擇

対船長的選擇，通常更多從阻力的角度考慮，采用較大的船長，以獲得較大的長寬比、較小的方型系數(shù)和合理的傅氏數(shù)，尤其避免傅氏數(shù)處于阻力峰區(qū)，從而控制推進主機總功率，提高經(jīng)濟性。

4.2 型線設(shè)計

海監(jiān)執(zhí)法船通常采用較大的前傾和首部外飄結(jié)合方尾輪廓線，又因采用了較大的船長和長寬比，帶來一種威武和速度感的效果。対小型海監(jiān)船，采用圓舭艇型線可獲得較好的阻力性能，但適航性較V型艇型線稍差，采用由圓舭向尾部過渡到折角型線可兼顧阻力性能和適航性。

4.3 控制排水量

小型海監(jiān)執(zhí)法船要求的設(shè)計航速往往較高，而排水量対高速船的影響尤其敏感，故排水量控制在設(shè)計中應(yīng)高度關(guān)注，采用鋁質(zhì)甲板室、應(yīng)用輕質(zhì)材料、選用輕型設(shè)備，合理的燃油、淡水裝載量等都是降低空船重量和總排水量的有效技術(shù)措施。

4.4 提高居住性

海監(jiān)執(zhí)法船往往需要較長時間而且在經(jīng)常在較惡劣的海況條件執(zhí)法，除3.4所述改善適航性外，対居住性設(shè)計以及內(nèi)裝設(shè)計應(yīng)以充分考慮，為執(zhí)法人員提供較好的生活和工作環(huán)境。居住艙室一般不宜超過4人，盡可能設(shè)置較多的單人或雙人間；合理設(shè)置衛(wèi)生間、洗衣間；條件許可，應(yīng)設(shè)置適當(dāng)?shù)膴蕵穲鏊驮O(shè)施?？照{(diào)設(shè)備的選型應(yīng)選用可靠性高、信譽度好的產(chǎn)品，機組容量應(yīng)有一定的裕度；采取有效的技術(shù)措施，保證駕駛室、無線電室和居住艙室具有較低的噪音。

5 輪機設(shè)計

5.1 推進系統(tǒng)選擇

由于使用習(xí)慣的關(guān)系，海監(jiān)執(zhí)法船推進方式通常采用雙機雙定距槳推進，也有雙機并車單調(diào)距槳推進，另外為避免長時間低速巡航時雙機長時間低負(fù)荷運行也有采用三機三定距槳的，大型海監(jiān)船中國海監(jiān)83，采用電力推進，吊艙推進器，提高了船舶的機動性，同時可降低水下輻射噪聲。

如果采用三機推進，推進器可采用定距槳，相對于調(diào)距槳造價可明顯降低，如果采用雙機推進，巡航速度與最高航速相差較大，巡航時主機負(fù)荷會很低，有些甚至低于50％，若需長時間低速巡航，建議配置調(diào)距槳或采用三機三定距槳，可提高船舶機動性，實現(xiàn)多航速運行。表2列出某海監(jiān)執(zhí)法船兩種推進方案對應(yīng)的不同巡航速度。

中小型海監(jiān)執(zhí)法船主機通常采用船用中高速柴油機，大多數(shù)為高速機，功率密度大，可提高機艙容積率，常用的柴油機品牌有MTU、CUMMIS、CAT、TBD系列柴油機及其它同類柴油機，其中TBD系列柴油機引進DEUTZ技術(shù)生產(chǎn)，性價比最高，特別適用于總投資受限的海監(jiān)船項目。

由于使用習(xí)慣等問題，海監(jiān)船通常要求采用雙機雙槳，最大航速時主機用到最大功率，巡航時全船需要的功率通常不足最高航速時的50％；対雙機雙槳的船舶，若采用1臺主機運行，船舶不易操縱，因而不會單機長時間運行。巡航工況兩臺主機運行，每臺機功率負(fù)荷可能低于50％，而絕大多數(shù)柴油機不允許主機長期低負(fù)荷運行，經(jīng)濟性差，氣缸易積炭，主機冒黑煙。表2列出了某海監(jiān)執(zhí)法船設(shè)計論證時進行的不同航速時主機負(fù)荷對比，可見對不同航速要求采用三機三槳推進主機負(fù)荷情況較好，也就是說三機三槳推進更利于實現(xiàn)船舶多航速運行。

表2 某海監(jiān)執(zhí)法船兩種推進方案參數(shù)對比

由表2可見，無論是雙機推進還是三機推進采用定距槳均無法實現(xiàn)船舶的低速甚至極低速航行，對于需要執(zhí)行深海取樣調(diào)查任務(wù)的海監(jiān)船，可采用調(diào)距槳或吊艙推進器，必要時加裝動力定位系統(tǒng)，以便船舶執(zhí)行相關(guān)取樣調(diào)查任務(wù)。

5.2 空調(diào)設(shè)計

空調(diào)制冷機組制冷量的選擇主要依據(jù)艙室空調(diào)熱負(fù)荷計算來確定，目前空調(diào)熱負(fù)荷計算主要有兩種方法，一種是依據(jù)GB/T 13409-92《船舶起居處所空氣調(diào)節(jié)與通風(fēng)設(shè)計參數(shù)和計算方法》標(biāo)準(zhǔn)進行計算。一種是按不同甲板單位面積熱負(fù)荷經(jīng)驗值進行估算，第一種方法需要根據(jù)艙室甲板隔熱情況進行傳熱系數(shù)的計算，如果實船建造時甲板裝修材料和裝修方法與設(shè)計時不同，艙室熱負(fù)荷會有變化，通常設(shè)計時會按兩種不同方法進行計算對比。實船設(shè)計經(jīng)驗證明，第一種方法計算出來的艙室熱負(fù)荷比第二種方法偏低，因此通常參考第二種方法選擇機組制冷量。在空調(diào)設(shè)計中，設(shè)計環(huán)境條件通常以夏季大氣溫度35 ℃、水溫32 ℃、相對濕度70％；室內(nèi)溫度27±2 ℃，相對濕度60％作為基本的設(shè)計參數(shù)。設(shè)計時還應(yīng)考慮船舶使用海域的氣候情況適當(dāng)增減機組制冷量的選取，対熱帶海區(qū)使用的船舶，空調(diào)機組制冷量應(yīng)有足夠的裕度。

空調(diào)的形式有很多種，本文主要探討兩種不同制冷/熱能量傳遞途徑的優(yōu)缺點，一種是通過冷媒水管向艙室內(nèi)風(fēng)機盤管傳遞制冷能量，另一種是通過風(fēng)管直接向艙室傳遞冷風(fēng)。冷媒水管比起風(fēng)管占用空間大大減小，水管通過處便于保持艙室結(jié)構(gòu)水密性，布置靈活，節(jié)省空間，特別適合艙室層高比較緊張的中小型海監(jiān)船，但是冷風(fēng)分布不均勻，還需注意的是當(dāng)末端風(fēng)機盤管采用頂置式時，若安裝不當(dāng)往往容易出現(xiàn)冷凝水滲漏現(xiàn)象，采用落地式輕薄型風(fēng)機盤管，可解決滲漏的問題。大型海監(jiān)船多采用風(fēng)管直接傳遞冷風(fēng)，這樣可以保證冷風(fēng)分布均勻，但是風(fēng)管占用空間較多，不易布置，易破壞艙室水密性。設(shè)計時可根據(jù)實船艙室設(shè)置情況靈活選用。

5.3 提高輪機自動化程度

按CCS規(guī)定機艙自動化分為三個等級，入級要求分別為：

AUT-O：要求推進裝置由駕駛室遙控，機器處所包括機艙集控站周期無人值班；

MCC：機艙集控站有人值班對機電設(shè)備進行監(jiān)控；

BRC：推進裝置由駕駛室遙控，機器處所有人值班。

為改善輪機工作人員工作環(huán)境，即便是150 t級的小型海監(jiān)船如果空間允許也建議設(shè)置監(jiān)控室，可監(jiān)控輪機主要機械設(shè)備的運行，控制發(fā)電機組的緊急起動、停車等。

海監(jiān)船的機艙自動化等級一般參照MCC等級要求設(shè)置監(jiān)視項目和控制動作，隨著陸上生活自動化程度的不斷提高，船員對船舶輪機自動化的要求也在不斷提高，設(shè)計時除了滿足MCC等級要求外，應(yīng)盡量考慮減輕船員勞動強度的一些自動化設(shè)計，如燃油艙、淡水艙采用高低液位報警，水線以下艙室設(shè)置浸水報警或自動排水等。

5.4 噪音控制

降低噪音可直接改善船上工作環(huán)境，提高船員健康水平，雖無關(guān)船舶安全運行，但是特別值得關(guān)注的設(shè)計細(xì)節(jié)。GB5979-86《海洋船舶噪聲級規(guī)定》對船上駕駛區(qū)、機艙區(qū)、起居區(qū)以及廚房區(qū)作了明確的噪聲級別限制要求，設(shè)計時可選用低噪音設(shè)備，如選用低噪音主機和低轉(zhuǎn)速泵、風(fēng)機等，設(shè)置消音器，機艙壁采用阻尼材料隔音，隔斷噪聲船舶途徑，光順風(fēng)管和通風(fēng)道的走向，保持風(fēng)管內(nèi)部光滑，這些都有利于減小船舶噪音。

實船試驗表明即便是設(shè)置集控室，采用柴油機推進的船舶集控室內(nèi)的噪音仍然達到70幾分貝，對于長期在集控室值班的工作人員傷害還是很大，如果能降低船舶噪聲主要來源即降低柴油機的聲功率級是減小全船噪音的根本。

5.5 節(jié)能環(huán)保設(shè)計

船舶柴油機有大約50％的的熱量隨著冷卻水、排煙和熱輻射等損失掉，如果能充分利用這些熱量不光可以提高船舶燃油的有效利用率，同時還可以減少其它換熱設(shè)備的選用。如排氣消音器需要包敷50～100 ㎜厚的絕熱層才能保證外表面溫度低于規(guī)范要求的60 ℃，排煙溫度400 ℃左右，如果能利用排氣消音器熱量加熱生活用淡水，不失為節(jié)能環(huán)保的首選裝置，既可以消音，又可作為換熱器。

6 執(zhí)法裝備配置

海監(jiān)執(zhí)法船要執(zhí)行任務(wù)，需配置必要的執(zhí)法取證設(shè)備，用于威懾和打擊侵權(quán)船只和行為，調(diào)查取證等。

6.1 執(zhí)法裝備

通常要求配置高速工作艇、警燈、光電平臺（帶紅外功能）、衛(wèi)星實時傳輸系統(tǒng)、無線圖像接收系統(tǒng)、AIS接收設(shè)備、保密通信設(shè)備、環(huán)保執(zhí)法取證設(shè)備等。

大型海監(jiān)執(zhí)法船（如1 500 t級以上）一般應(yīng)設(shè)置直升機起降平臺及配套系統(tǒng)和設(shè)施。

根據(jù)船東要求配置其他特殊用途裝備。

6.2 威懾手段

作為執(zhí)法的威懾手段，海監(jiān)執(zhí)法船通常配備艦用高射機槍類輕武器。小型海監(jiān)執(zhí)法船通常只配置強光燈、強聲設(shè)備和高壓水防暴系統(tǒng)，系統(tǒng)配置與對外消防系統(tǒng)基本相同，也兼作對外消防用，一般設(shè)置水炮1～2門，布置在較高甲板處，可360°回轉(zhuǎn)，防暴壓力一般不超過1 MPa，射程40～100 m不等。

7 海底門裝置設(shè)計探討

關(guān)于主輔機等需用冷卻水的設(shè)備采用兩個共用海底門還是分設(shè)海底門是個值得討論的問題，由于設(shè)計、建造和使用的習(xí)慣目前采用海水總管型式居多。但據(jù)筆者對某海監(jiān)執(zhí)法船采用不同型式海底門進行重量統(tǒng)計對比后發(fā)現(xiàn)分設(shè)海底閥箱裝置總重量較輕，見表3，最主要的可以減小管路濕重，提高冷卻系統(tǒng)的可靠性，避免主輔機、消防泵、空調(diào)等設(shè)備搶水，同時海底門位置布置靈活，是值得推薦的海底門型式，缺點是船體外板開孔較多，施工工作量相對較大。

8 結(jié)束語

維護海洋權(quán)益是海監(jiān)執(zhí)法隊伍光榮而艱巨的使命，設(shè)計性能優(yōu)良的海監(jiān)執(zhí)法船是設(shè)計單位不斷追求的目標(biāo)，服務(wù)顧客是605院堅守的設(shè)計理念。我們期待更多參與各級海監(jiān)執(zhí)法船的立項論證和設(shè)計工作，為用戶提供性能優(yōu)良的設(shè)計方案和技術(shù)服務(wù)。圖1是我院為廣州市南沙海監(jiān)大隊設(shè)計的150 t級海監(jiān)執(zhí)法船。

圖1 廣州船舶及海洋工程設(shè)計研究院設(shè)計434廠建造的中國海監(jiān)9009