滿足WINTERIZED BASIC船級符號的電伴熱防結冰設計

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

近年來，全球氣候變暖，使極地航道得以季節性開通，加之北極地區和庫頁島蘊含的大量油氣資源開發等因素，促使冰區加強型油船建造升溫。然而，該船型常年運行在易受結冰等環境因素影響的區域，船舶及船上設備和人員安全面臨挑戰[1-2]。本文以DNV-GL規范中Winterized Basic 為準則[3]，分析探討油船電伴熱防結冰(Anti-icing)方案。

1 環境因素與相關規范

當前，冰區加強型油輪的運營多集中在波羅的海區域以及通往北海和北大西洋的重要水域，夏秋兩季的北極東北及西北航道[4]。該區域較低的空氣、海水溫度和較高的風速等惡劣氣候條件，極易使大氣中的水分以雨、雪、霧的形式呈現，加上海水噴濺的水霧等均能造成船舶表面結冰的情況發生，對船舶穩性、航行安全、露天甲板設備和人員安全活動造成威脅。

對在上述惡劣環境因素下運營的船舶，各船級社給出了相應的船級符號，對防結冰(Anti-icing)、除冰(De-icing)等給予相應的要求及措施，如DNV-GL的Winterized(Basic)、Winterized(Cold, td)、Winterized(Polar, td)，ABS的CCO(TDST, TMAT)、CCO(TDST, TMAT)+、CCO-POLAR(TDST, TMAT)、CCO-POLAR(TDST, TMAT)+[5]，等。船東可以根據船舶實際的運營情況選取不同船級社合適的符號。

以DNV-GL船級社規范為例，其針對寒冷氣候下運營船的特點，依據不同的設計環境條件，劃分程度遞增，見表1、2。

表1 DNV-GL船級符號Winterized等級及定義

表2 DNV-GL 設計環境條件

針對惡劣的環境因素可導致船舶結冰，DNV-GL推薦的防結冰和除冰方式[6]見表3。對于防結冰的設計要能使被保護的設備表面保持至少+3℃的要求。

表3 DNV-GL推薦的解決結冰的方式

2 防結冰系統方案設計

以DNV-GL船級社的Winterized Basic符號為準則，對油船進行電伴熱式防結冰方案設計。

2.1 加熱防護形式分類與選擇

對防護對象進行加熱在防結冰措施中是較為有效的手段，通常有蒸汽/熱水加熱和電伴熱兩種形式[7]。

蒸汽/熱水加熱需要安裝盤管或其他形式的管路，通過蒸汽/熱水等介質的熱傳遞達到加熱的效果，管路上的閥應有開關指示并標明用途，明確設備和區域。

電伴熱以敷設加熱電纜的形式為主，均勻布置在需加熱的設備或區域，將電能轉化為熱能，故需設立專門的分電箱用作電伴熱裝置的饋電，并配備功率表或電流表顯示實際總負荷，同時標注每個分路的負荷。

蒸汽/熱水加熱的保護形式依靠鍋爐產生蒸汽，熱效率不高，管路不容易敷設和布置，后期維護不便且成本高。電伴熱形式可依靠加熱電纜呈現，適用性強，易安裝布置和控制，較為靈活，常規維護。考慮兩者的優劣，以及施工方便性、工時成本等經濟性，以電伴熱形式作為防結冰設計較為優異。

2.2 電伴熱式防結冰設計

該系統一般由船上440 V電源供電，經變壓器隔離、變壓至220 V工作電壓送電到用于該系統的主分電箱，再由主分電箱輻射至各區域分電箱，由連接在分電箱的各支路上加熱電纜的不同形式對船上系統、設備等進行保護，見圖1。

圖1 電伴熱式防結冰系統組成

2.3 電伴熱式防結冰設計應用

2.3.1 船舶安全

諸如錨系、應急拖帶、消防和導航設備等重要或應急設備，如在需要工況下不能即時可用，將對船舶本身安全構成威脅，因此要被有效保護。根據不同設備結構特點，可有如下幾種型式。

1)帶加熱電纜的帆布鎧裝型式。如：錨機及控制、錨鏈筒等要在臨近海岸或引航時即時可用，錨機保護見圖2；油輪的應急拖帶系統要在設計環境溫度下即時可用；通風口，如機艙風機、泵艙風機等凍住將影響送風；汽笛要在設計工況下可用；各艙的空氣管頭，如壓載艙、淡水艙和燃油艙的空氣管。

圖2 錨機設備保護

2)加熱電纜繞行排布型式。航行燈、甲板上照明燈具涉及航行安全、工作安全，如被冰雪覆蓋且自身產生熱量不足以實現無冰的；消防水管、管口、水龍帶及泡沫槍要做到防冰、防凍保護，保障在應急工況可用且易到達；壓力釋放閥和透氣桅，如每艙的P/V閥，惰氣管線的透氣桅，如果堵塞，貨艙壓力過大，將影響結構安全，可采用繞線或帆布包裹。

3)設備基座加熱型式。航行設備的旋轉天線的基座要提供加熱，圓頂和棒狀的天線不能被積雪覆蓋。

2.3.2 人員安全

對于船上人員安全影響較多的設備、通道和區域，集中在救生設備及逃生通道等需要采用電伴熱式防結冰系統的帆布鎧裝、繞線和踏板等不同形式對下述設備和通道進行保護。如甲板、通道和集合站等處的排水孔要在雪和結冰時保持暢通，采用管壁外繞線保護；救生艇、筏及其固定、釋放和提升裝置，通向這些區域的通道及集合區域和救生筏區域采用定制加熱踏板保護；應急逃生出口和門，單側扶手可用；樓梯和逃生通道的扶手、逃生路徑提供700 mm寬的路徑，要布置加熱電纜，保證應急工況可用；救生設備，如救生圈的存放處、EPIRB的安裝處均應采用適應其就地的保護形式進行保護。

3 設計應用及關鍵性問題解析

3.1 可選擇性設計

盡管電伴熱式防結冰系統可以解決結冰困擾，但其材料成本投入及電能源消耗同樣也應引起重視，下述設備可通過設計的可選擇性等提供解決方案。

錨系設備中，錨鏈筒因其體積較大，如應用電伴熱式防結冰設計，一方面不容易布置，另一方面應用時會耗費大量電能，因此，可采取用蒸汽/熱水以除冰方式進行替代。

甲板面消防水管系、甲板泡沫管系，需保護面積較大、距離較長，如完全應用加熱電纜，投入成本高，使用時也會耗費大量電能，因此，可在管路設計時以自泄放式管路設計替代。

航行設備的旋轉天線的基座加熱，圓頂和棒狀的天線不被積雪覆蓋，可要求供貨廠家提供帶加熱功能的設備滿足。這樣一方面可以提高相關精密設備運行的可靠性，另一方面可減少電伴熱相關支路延伸長度。

3.2 防結冰系統電能需求及船舶電站設計

有關防結冰系統的電能需求， DNV-GL給出了計算原則：作為防結冰類措施時以100%計算；作為除冰類措施時以50%計算。

需要注意的是，新版規范修改了加熱容量的要求，不再詳細到不同區域的具體熱量要求，而是明在設計環境條件下，防結冰和防凍的布置要能使被保護的設備表面保持至少+3℃。

以某AFRAMAX級油輪為例，電站容量為3臺900 kW發電機，如遵循Winterized Basic規則設計，用于防結冰措施時消耗的電功率約400 kW。據表1，對短期非經常性在冷氣候下運行的船舶，如果增加每臺發電機容量為1300 kW左右，顯然在非冷氣候條件下運行時增加了過多燃油成本，不夠經濟，因此，建議保持原每臺900kW發電機的電站設計，即不增加電站容量，僅在需要工況下開啟多臺發電機滿足防結冰的營運需求。

4 結論

1)根據DNVGL Winterized Basic符號要求對冰區加強船的防結冰系統進行方案設計，還有待向更高等級的符號要求進行探索，如Winterized COLD、Winterized POLAR。

2)防冰和除冰的應用范圍、設計方案及方法建議在合同階段與船舶使用者共同商定，可以在滿足使用需求的同時降低船舶的建造成本、運營成本。