極地船甲板除冰系統設計

張 雷，伍蓉暉，陳方紅，黃高峰，劉小林

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510727）

1 概述

目前航行在極地的船舶因為極地天氣常年低于-10 ℃的原因，露天甲板面的逃生通道、逃生設備、工作設備、工作區域都需要提供除冰設備或系統，包括人工機械除冰、蒸汽融冰以及電加熱防結冰等方案，以在嚴寒天氣中保證船舶甲板逃生通道、工作區域和甲板設備的正常和安全使用。為了保證船舶事故狀態下的人員逃生和甲板設備及工作區域的有效使用，需要安裝蒸汽除冰或者電熱防結冰除冰系統。極地區域環境溫度常年低于-10 ℃，容易導致機艙溫度過低，影響船舶運行安全，同時浪費通風系統的能源消耗。因此，為了確保船舶設備安全運行、控制船舶運營成本是極地船舶機艙通風系統除冰和預熱的研究設計方向。

2 極地船甲板除冰系統簡介

極地船舶除冰系統原理：系統通過檢測外部環境溫度，在低于冰點溫度的工況下對甲板工作區域、逃生通道、水密門、救生設備、甲板設備等進行加熱除冰，以保證工作人員在甲板區域的安全工作以及甲板機械和救生設備的有效使用。

極地船舶電伴熱除冰系統的優點：首先，通過加熱電源的設計優化，降低極地船舶除冰系統的設計與施工強度；其次，可以有效保證甲板區域的除冰效果，提高極地船舶航行和工作安全性；再者，有利于除冰系統的能耗控制，優化節約除冰加熱系統的功率消耗。

3 極地船舶電伴熱除冰系統設計

極地船舶電伴熱除冰系統主要目的：（1）滿足低溫環境下甲板逃生通道的無冰工況（包含扶手、水密門），以保證逃生通道的暢通；（2）滿足救生設備的安全釋放和使用要求，即無凍結工況需求；（3）滿足甲板工作區域的安全，包括甲板機械的操作區域、工作行走區域、甲板面水密門等無冰需求；（4）滿足甲板水管、泄水管路和透氣管路的防冰需求，以確保相應設施的安全運行。

因此，根據某極地船舶的設備配置，采用合理簡潔的方法盡量覆蓋全方位的使用需求，保證船舶在極地區域的安全運營，同時降低除冰系統能耗、提高船舶的環保性能是極地船舶除冰系統設計的核心目標。

3.1 設計方案

目前，冰區船舶的電伴熱除冰系統，主要用于船舶行走通道、設備防護。因為防護區域和設備較多，且電伴熱本身連續加熱功率有限，造成傳統電伴熱系統方案中分支電纜、數量龐大，且由于設計錯誤、臨時修改或施工錯誤造成的電源電纜增加等都是巨大的工作量。因此提供一種減少電纜使用量、便于系統修改和增減的電伴熱系統，將有利于減少船廠設計和施工成本，提高船舶建造效率。

圖1 為種新型的船舶電伴熱除冰系統框圖，主要包括：（1）主配電柜；（2）區域接線箱及分電箱；（3）供電電纜；（4）電加熱單元。

主配電柜（1）通過供電電纜（3）將不同位置的區域接線箱及分電箱（2）順序聯接并供電；不同位置的電纜（3）滿足后端負載需求并逐級遞減容量；電加熱負載（4）就近接入區域接線箱及分電箱（2）。該方案有效減少了船舶電伴熱除冰系統的電纜消耗和施工強度，提高了系統可靠性和維護性。

電伴熱除冰系統設計，包括以下步驟：

（1）對船舶需要電伴熱的區域進行劃分和計算，通過系統主配電柜對不同的區域提供電力配送，滿足不同區域的電伴熱需求；

（2）根據不同區域內電伴熱設備的布置位置進行供電分段，供電分段點設置區域接線箱及分電箱，分電箱為附近加熱設備提供電源配給；

（3）根據分段工況，計算逐級伴熱設備的電力負荷、選型不同分段的電纜型號，保證各段的電纜容量。

系統主配電柜根據船舶不同區域提供區域供電劃分，并根據負載需求對區域內供電電路進行分段，每個分段的接線箱可以起到為附近電加熱設備提供電源，并為后續工作區域提供電源。

3.2 局部電伴熱除冰系統計算

（1）鋼制斜梯電伴熱功率計算

樓梯（見圖2）加熱總功率P 按下式計算：

式中：D ——樓梯踏步深度（取D=0.2 m）；

L ——樓梯踏步寬度（取L=0.7 m）；

K ——熱量流失系數 （取K=12）；

ΔT ——環境溫差 (取ΔT=5-應用環境最低溫度)（℃）；

E ——設計安全系數（取E=1.5）；

N ——樓梯臺階數。

備注：以上計算為底面絕緣，若無絕緣則功率加倍；單級樓梯加熱功率P1=P/N/1.3。

（2）甲板行走通道電伴熱功率計算

甲板行走通道電伴熱功率，按下式計算：

式中：D ——通道踏步模塊長度（m）；

L ——通道踏步模塊寬度（m）；

K ——熱量流失系數（封閉露天區域取K=8，甲板露天區域取K=12）；

ΔT ——環境溫差 (取ΔT=5-應用環境最低溫度)（℃）；

E ——設計安全系數（取E=1.2）。

備注：以上計算為底面絕緣，若無絕緣則功率加倍。

（3）室外泄水管電伴熱功率計算

室外泄水管電伴熱功率，按下式計算：

式中：D ——泄放管直徑（取D=0.1 m）；

L ——泄放管長度（取L=3 m）；

K ——熱量流失系數（取K=16）；

ΔT ——環境溫差 (取ΔT=5-應用環境最低溫度)（℃）；

E ——設計安全系數（取E=1.2）。

備注：以上計算為泄放管包絕緣，-25 ℃參考值為60 W/m。

（4）樓梯扶手電伴熱功率計算

室外泄水管電加熱功率，按下式計算：

式中：D ——扶手直徑（取D=0.042 m）；

L ——扶手長度（取L=4 m）；

K ——熱量流失系數 （取K=12）；

ΔT ——環境溫差 (取ΔT=5-應用環境最低溫度)（℃）；

E ——設計安全系數（取E=1.2）。

備注：以上計算為扶手無絕緣情況。

（5）進風口電伴熱功率計算

百葉窗電加熱功率，按下式計算：

式中：V ——流經風速（取V=5～8 m/s）；

S ——百葉窗面積（m2）；

ΔT ——環境溫差 (取ΔT=-20 - 應用環境最低溫度T)（℃）；

E ——設計安全系數（取E=1.2）。

備注：設計手冊中取不結冰功率P=2.3 kW/m2、容霜功率P=5.8 kW/m2。

（6）室外水密門電伴熱功率計算

室外水密門電加熱功率，按下式計算：

式中：D ——水密門寬度（取D=0.8 m）；

H ——水密門高度（取H=1.8 m）；

K ——熱量流失系數 （取K=14）；

ΔT ——環境溫差 (取ΔT=5-應用環境最低溫度)（℃）；

E ——設計安全系數（取E=1.2）。

備注：-25℃時參考值為P=60 W/m。

（7）透氣帽電伴熱功率計算

透氣帽電伴熱功率，按下式計算：

式中：D ——透氣管直徑（取D=0.1 m）；

L ——透氣管高度（取L=1 m）；

K ——熱量流失系數 （取K=16）；

ΔT ——環境溫差 (取ΔT=-10-應用環境最低溫度)（℃）；

E ——設計安全系數（取E=1.2）。

備注：以上計算為透氣管包絕緣。-25 ℃、管徑0.1 m 的電伴熱參考值為P=120 W/個。

（8）船級社相關規范

（1）防結冰上層建筑區域的伴熱功率，至少為P=200 W/m2；

（2）防結冰區域(如：露天甲板區域、直升機甲板區域、舷梯、梯道等）伴熱功率，至少為P=300 W/m2；

（3）防結冰的扶手欄桿內的電伴熱功率，至少P=50 W/m2。

4 結束語

目前極地船舶的需求不斷增長，但是針對極地船舶的特殊設計與計算還存在不足，需要不斷完善和補充。對于電伴熱系統的合理設計和計算，不但可以大大提高系統的使用性能，也可以降低造船成本。