基于環保理念的“天鯤號”自航絞吸船設計

陳昌毅，侯國輝

(中交天航濱海環保浚航工程有限公司，天津 300450)

0 引 言

為發展區域經濟、改善航運能力，廣大沿海城市都高度重視港口建設和疏浚工程。近年來，隨著我國與世界各國貿易合作的不斷深入，我國的疏浚企業與眾多國家有著項目上的密切合作，并有機會向國際四大疏浚公司(Boskalis、DEME、Jan De Nul、Van Oord)學習國際先進疏浚理念[1]。在合作中，芬蘭、澳大利亞、巴西等許多國家，因當地政策、法律要求，極其看重對環境的保護，在施工前會對疏浚船舶的整體環保性能進行評估。然而，傳統疏浚船舶由于受到船舶設計理念、建造水平、疏浚設備以及工藝等方面制約，對施工區域環境造成嚴重破壞和污染，這些環境破壞與污染主要體現在3個方面[2]：

(1)低效施工致使海底泥層被持續擾動，產生大量懸浮泥沙，對施工區域水質造成污染。

(2)作業中主機燃油消耗等排放的含硫廢氣對施工區域空氣造成污染。

(3)船舶設備在施工期間對施工區域和施工人員造成噪聲污染。

為解決上述問題，日前由中交天津航道局有限公司投資、中國船舶工業集團公司第708研究所設計、上海振華重工(集團)股份有限公司建造的自航絞吸船“天鯤號”，在設計建造中力爭滿足國際市場發展要求，重點考慮環保因素。本文從該船船型布置、裝備升級、工藝技術創新和發展新能源等多個方面介紹“天鯤號”的環保設計，最終實現疏浚船舶高效施工、節能減排的綠色作業。

1 船型及總布置設計

自航絞吸船相較于傳統非自航絞吸船擁有更高的船舶干舷和船首高度，船舶穩性更高，這使得自航絞吸船抗風浪能力更強，除原地抗風能力大幅提高外，即使因避風駛離施工地，也可在天氣情況允許下較快駛回施工區恢復施工，不必像傳統非自航絞吸船那樣花費時間去等待拖船協助拖帶，大幅減少停工時間，進而縮短工期，降低對環境的破壞。

出于對保障船體強度、減少航行阻力、保證航行視線等因素的考慮，“天鯤號”在船型和總布置設計上進行了一定的創新，如圖1所示。船首設置柔性鋼樁臺車定位和3纜定位系統，2套定位裝置相互配合，可避免因某1套設備出現故障而終止施工的問題，最大程度實現24 h連續作業，縮短作業天數，降低對環境的破壞。艉部船體開槽布置橋架。這一布置使船體合龍時在船首右舷需增加輔樁門分段，使該區域船體自雙層底至上甲板可如門般打開，用以幫助實現輔鋼樁在船舶航行時的倒樁功能，減少航行阻力，保證航行視線。該分段通過上下銷軸與主船體相連，利用液壓油缸控制輔鋼樁門的開閉。為保證艏部型線的良好過渡和完整性，該段為整個船體制造、合龍精度的重點和難點。其順利定位及裝配為日后類似船型的設計建造提供了寶貴經驗。此外，“天鯤號”將機艙、泥泵艙布置于船中，并在上甲板上層建筑下部設置氣動減震裝置，通過氣體體積的縮脹，減輕震動沖擊，以實現避震效果。該設計大幅改善了施工時居住艙室的居住條件，提高施工人員居住舒適度，體現綠色環保的理念。

圖1 “天鯤號”布置說明

2 疏浚設備升級

為提高生產能力，“天鯤號”設計不僅大幅提高了總裝機功率，而且在各部分的功率分配上更合理，船上配有3臺7 680 kW主發電機，絞刀電機功率最高可達6 600 kW，解決了以往造船中功率分配不合理的問題。

考慮到不同的施工環境，為便于靈活選用恰當的挖泥設備，適應不同工況的挖泥要求，該船配有適合于多用途、黏土、挖巖和重型挖巖等4種不同類型的絞刀。此外，該船在主船體上設置高低各兩對耳軸孔，實現橋架位置的變換，在保證結構強度的同時，實現上下耳軸從最小挖深到最大挖深的快速切換。

為降低對沿海地區的噪聲污染，該船通過裝配由3臺變頻電機驅動的高效泥泵，實現強大的遠程輸送能力，具有15 000 m超遠排距和極強的吹填造陸能力。這一設計可以使施工區域大幅擴大，進而遠離沿海區域。在該船設計時泥泵系統采用水下泵串聯2臺艙內泵的工作方式，通過管路實現水下泵單獨以及水下泵與任意艙內泵串聯，可實現單泵、二泵、三泵排岸作業。另外，該船也具有裝駁功能，結合溢流裝置最大程度地降低對水體的污染。

3 工藝技術創新

定位系統是保證某固定位置或航跡以滿足特定工作任務的重要系統。與許多特種海工作業船相似，自航絞吸船的定位系統對防止不必要的超深、超寬作業，降低底泥擾動、懸浮泥沙產量十分重要[3]。該船在柔性鋼樁定位系統的基礎上，增加了3纜定位系統，既能大幅提高定位精度，又可應對惡劣海況下定位難的問題，保證在工程量范圍內完成疏浚施工。

除了依賴于先進的船舶定位系統以外，為了掌握疏浚過程中的泥沙懸浮狀況，保證泥漿濃度在合理范圍內，減小對環境的破壞，該船在設計時考慮挖泥自動化的實現，即對泥漿濃度、流速的控制。通過泥泵自動控制和挖泥自動控制提高施工效率和自動化程度。挖泥自動化將給未來施工帶來3個優點：(1)挖泥過程不再為人的因素所左右，始終保持高效；(2)施工精度提高，以獲取正確挖深；(3)確保設備的安全運行，不致泥泵主機超負荷或排泥管線內泥沙沉淀嚴重。

在該船工作時監測泥泵轉速控制器，結合流速偏差反饋管路實際泥漿流速，實時合理調節各泥泵轉速，使泥漿流速維持在某個設定的流速區間之內。與此同時，該船采用3種主要施工模式進行作業以實現挖泥自動控制：(1)剖面挖掘，即在某設定剖面內，控制絞刀自設定深度移至剖面邊緣，通過不斷加大設定疏浚深度，往復換向移動絞刀進行挖泥，直至疏浚深度到達設定剖面的底部；(2)固定深度挖掘，即在每個臺車行程內，按某設定疏浚層深完成絞刀切削一層后，臺車行程復位，再次設定疏浚深度(與前次設定未必一致)進行切削作業，重復直至完成疏浚任務；(3)同軌跡挖掘，即使絞刀在執行2次擺動后執行臺車步進，其他按與固定深度挖掘或剖面挖掘相同的動作方式施工，用于硬質土區域的挖掘。

除挖泥自動化之外，控制系統已開始增加“自學習”功能。目前，這項技術已在船舶鋼板成形和焊接預報等多個領域有所使用[4]。“自學習”功能的實現基于大數據和遺傳算法理論，使系統在施工中通過對過往數據的收集分析，自動修改系統參數，以確定適合當前工況的最優工藝參數。這種疏浚方式利用數據和算法使施工工藝更加定量化，既提高了施工效率，又間接幫助保護環境。橫移絞車扭矩、橫移角度范圍、橫移速度、挖掘區域的土質、泥漿排放速度、排距、油耗、施工天數、日工程量等主要工藝參數間的函數關系，可通過這種方式不斷進行優化。在未來施工中，可幫助施工人員合理安排施工，有效降低施工懸沙擴散對海洋生物的影響。同時，考慮到潮位和流速的影響，可使施工期盡量避開海洋生物的產卵、繁育的盛期[5]。

4 新能源應用

“天鯤號”在設計中結合環保理念，倡導節能減排，發展新能源的應用。自1973年MARPOL公約的簽訂開始，世界對船舶的節能減排和環境保護要求便一直保持高度的重視，這也推進了疏浚領域對新能源的研發。新能源是與傳統能源、常規能源相對的一個概念，避免使用諸如煤炭、石油、天然氣等一次性非再生的常規能源。這類資源最大的特點就是可再生。考慮到現存的技術難關[6-8]，電能和生物能最適合于在自航絞吸船“天鯤號”中使用：

(1)電力驅動的應用。該船機艙配有3臺主機，在設計時采用全電機驅動作為動力裝置。該動力裝置的優點在于減少能量消耗和避免污染外部水域。研究[9]已證明，自航絞吸船需兼顧施工和航行，利用電驅可有效配置不同狀態下的動力，既做到保證疏浚工程量又可節能減排。“天鯤號”電機驅動可自動匹配施工工況，該船在控制系統參與下，判斷所需協助工作的主機數量，避免能量的浪費。這樣就防止了多臺主機同時在長期低于額定載況的狀態下工作對主機造成的損壞，間接延長了主機壽命。此外，使用密封艙電機驅動水下泥泵(見圖2)，使之盡量靠近水下泵，縮短軸系長度，傳遞效率更高。由于傳動距離較短，橋架變形對軸系影響也相應減小，另外在相對密封的環境中也不會產生污染外部環境水域的問題。

圖2 密封艙電機驅動形式示例

(2)生物能的應用。生物能是一種將有機物轉化為燃料的方法，對成本要求低，目前實現的技術難度相對較低。盡管施工船舶機艙內由于電氣、輪機及各系統具有高度集成性，不便于增加生物能轉換裝置，但是可直接使用生物能燃料或以與傳統化石燃料相混合的方式使用生物能燃料。例如生物柴油在船舶上的使用，生物柴油含氧量高，含硫量極低，不僅燃燒后產生的污染小，而且本身就是可再生能源。“天鯤號”在設計中加裝了低硫油的轉換裝置，除使用傳統燃料之外，同樣可選用生物低硫燃油，這標志著在未來自航絞吸船的發展中，動力的來源將從傳統燃料向生物能燃料不斷過渡。

5 結 語

絞吸船是疏浚施工、填海造陸的利器，大型自航絞吸船“天鯤號”基于環保理念設計和建造，做到疏浚裝備升級、技術創新和挖泥系統自動化。除此之外，加快新能源研究和投入應用也是滿足國際乃至未來環保疏浚方式的大趨勢。為使中國疏浚工程真正做到高效施工、科學施工、綠色施工，提升中國疏浚在世界的競爭力，早日實現疏浚強國的夢想，未來還會有更多、更大的自航絞吸船問世。希望“天鯤號”的成功設計和建造，可以為未來船舶建造提供寶貴的借鑒和參考意義。