新型動力裝置將助力北極航道商業化運營

中國船級社 辛吉誠

新型動力裝置將助力北極航道商業化運營

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則》的生效讓北極航道的開通成為了全球航運業關注的焦點。從地理位置上來看，與經馬六甲海峽、蘇伊士運河、直布羅陀海峽的傳統東西方航道相比，船舶經北冰洋航行到達歐洲或美洲，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，理論上不僅能夠為船東和貨主節約不菲的燃料開銷，還能從整體上提升海上貨運效率。與此同時，航行在北極海域內的商船能夠避開目前長期困擾航運業的東南亞與索馬里地區海盜的威脅。隨著未來全球范圍內氣候變暖可能引發的北極冰川的進一步消融，未來北極航道的商業化運營價值將不斷提升。

盡管與傳統東西方航道相比，北極航道在總航程與航行時間方面擁有一定優勢，然而北極海域內所特有的嚴寒卻給未來北極航道的商業化運營增加了不小難度。通常而言，北極地區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化運營過程中最大的障礙，這種影響主要體現在以下幾個方面。

首先，為避免船底海水吸口、甲板管系、通風開口、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貨物在低溫環境下由于冰凍而損壞，進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備，以維持船舶在極地海域內的正常運營。這些額外的供熱需求將直接增加航行于北極海域內船舶的總能耗。其次，受低溫影響，北極海域內的冰情通常都會比較嚴重，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生的額外阻力將在一定程度上增加船舶對于推進功率的需求，進而增加船舶總體能耗。與這些因素相比，由北極海域內的低溫環境而引發的船舶發動機整體熱效率下降對于航行在北極海域內船舶能耗的影響最為直接。據不完全統計，在冰情良好的夏季且有專業破冰船開道的前提下，船舶在北極航道內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勢。

極地海域內特殊環保要求的持續升級也將在一定程度上增加未來北極航行船舶的運營成本。北極海域特殊的環境條件決定了其海域內的物種相對單一，整體生態環境更為脆弱，對于船舶防污染性能的要求也更高。根據國際海事組織關于指定南極區域作為特殊區域的1990年修正案(MEPC.42(30)決議)的規定，南緯60°以南的海域屬于MARPOL公約規定的特殊排放控制區域，在該區域內航行的船舶不僅不允許排放任何油類或油性混合物，也不允許使用重質油類作為燃料。而根據歐洲議會網站的報道，2017年1月31日，歐洲議會外交與環境委員會以絕對優勢通過了一項將禁止船舶在北極海域使用重質油的決議。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燃燒重油，也不允許在北極海域內航行的船舶裝載重油。這意味著未來經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，就不得不繼續燃燒在北極海域內使用的價格昂貴的輕質油，這將進一步推高未來北極通航的成本。從這個角度來看，船舶動力裝置經濟性方面的突破將成為未來北極航道能否順利通航的關鍵。

與蒸汽輪機20%的熱效率和燃氣輪機40%的熱效率相比，柴油機在正常工況下運轉的熱效率通常都能達到45%以上，采用增壓技術的大型低速柴油機的理論熱效率能達到56%，遠高于其他型式的動力裝置。同時與價格昂貴的輕質燃料相比，重油高熱值、低價格的特點能夠精確匹配海上貨運船舶對于動力裝置經濟性的需求。隨著二戰后柴油機技術、特別是低速二沖程柴油機技術的迅速發展，柴油機與重油憑借其出色的經濟性能逐漸成為民用船舶的標配。然而在北極航道內，特有的嚴寒天氣與嚴苛的環保要求限制了柴油機與重油經濟性方面優勢的充分發揮。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。

與含有酸性雜質的、低溫狀態下為粘稠液體的燃油相比，在環保性能方面更具優勢的天然氣無疑更容易匹配北極海域內嚴苛的環保要求。無論采用何種型式的原動機，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境的潛在不良影響也遠低于燃油。北極海域特有的低溫環境也在一定程度上彌補了天然氣作為船用燃料的劣勢。受目前技術條件的限制，無論是燃燒天然氣的鍋爐還是氣體燃料發動機，在總體熱效率方面都難以與柴油機匹敵，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。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的氣體燃料（BOG）不僅會增加燃料額外的損耗，還可能導致船舶航行過程中燃料艙內部壓力升高，甚至燃料泄漏，危害船舶航行安全。而北極海域內特有的低溫環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，提升船舶營運過程中總體的經濟性與安全性。更為重要的是，如果未來北極海域內全面禁止燃燒重油，天然氣在價格方面與輕質燃油相比無疑更具優勢。這將在很大程度上提升以LNG為代表的氣體燃料對于航運業的吸引力。

與常規的內燃氣相比，核動力裝置強大的單機功率與低廉的營運維護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保要求。核動力裝置本質上是一種蒸汽輪機動力裝置，由核反應堆代替鍋爐產生高溫高壓的蒸汽驅動透平做功，為船舶推進提供動力。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。蒸汽輪機動力裝置運用于機動船舶推進的歷史最為悠久，技術相對成熟，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，由此而引發的船舶機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技術的不斷發展，以低壓蒸汽透平驅動發電機的透平-電力推進系統是未來極地航行核動力船舶動力裝置的另一種可選模式。與主透平直接驅動船舶推進器的模式相比，透平-電力推進系統的總體熱效率更高，船舶本身的機動性與推進冗余度也更好。從目前全球范圍內已經服役的核動力船舶的實際運行情況來看，未來的民用核能船舶在整個生命周期內無需添加核燃料，這將進一步提升核動力船舶在極地地區航行的經濟性與安全性。同時，采用核動力裝置的船舶基本不存在發動機排放方面的問題，相對常規動力裝置船舶而言，更容易滿足極地海域嚴苛的環保法規要求。目前全球范圍內絕大多數破冰船都采用了核動力裝置，也從另一個側面說明了此類動力裝置在極地海域內的優勢。

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，運用于航運實踐時都會存在額外的安全風險。船上氣體燃料通常以低溫液體的型式儲存，一旦發生意外泄漏將直接導致其附近的船體結構與設備在極端低溫下失效，隨后蒸發的可燃性氣體與空氣混合達到一定比例后，一旦遇到明火就會發生爆炸。而核燃料在使用過程中一旦泄漏，所產生的放射性污染在危害程度與影響范圍上將遠勝于燃油泄漏，1986年的切爾諾貝利事件與2011年福島核電站事故對周邊環境所造成的災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，不同國家和地區對于這些特殊動力裝置安全標準的差異也在很大程度上影響了其在國際航運業的推廣。

從技術角度而言，常規船舶動力裝置的經濟性與安全性正在成為制約未來北極航道商業化運營的瓶頸。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一安全標準的制約。不同國家政治經濟與技術水平的差異決定了未來全球統一的新型船舶動力裝置安全標準的形成還需要經歷相當長的一段時間。在此期間，引入獨立第三方的認證可能是解決新型動力裝置在極地航運船舶上推廣的方案之一。由相關主管機關都能夠接受的獨立第三方，根據相關國際和地區間組織都能夠接受的安全標準，通過專業、公證的評估方法對采用新型動力裝置的船舶安全水平進行評估后所出具的符合性證明文件，或將成為未來采用新型動力裝置船舶從事國際和地區間航行的“臨時通行證”。