海監執法船設計探討

摘 要：海洋權益斗爭日趨激烈，大量海洋維權巡航執法公務船需要設計、建造，本文就海監執法船的設計特點、主要技術指標的選擇、總體、輪機設計要點等問題進行了探討，以期為同類船舶設計提供參考。

關鍵詞：海監執法船；設計；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展的重要戰略空間。隨著國家沿海島嶼主權爭端的日益增多，圍繞我海洋權益的斗爭日趨激烈，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查，國家海上安全受到嚴重軍事威脅，迫切需要進一步加強海上維權執法力量，有理、有利、有節、有效地維護我國海洋權益。為此國家近年來不斷加大維權專用執法船的投入力度。這種介于軍船與民船之間的海洋巡視執法維權的船舶主要在我國領海海域以及專屬經濟區和大陸架內執行定期巡航，監察，保護海洋環境，維權執法等任務。

2 海監執法船的設計特點

海監執法船的設計通常有以下幾個特點：

1）海監執法船要求外形莊嚴威武，具有明顯的執法船特征；設計水線以上船體外表以白色為主基調，在明顯位置涂有中國海監的徽標。

2）良好的穩性、適航性和操縱性；

3）較高的航速以滿足執法的需要；

4）與使命任務相適應的執法裝備；

5）具備必要的威懾手段。

3 主要技術指標的選擇

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

3.1 航速

90年代，公務執法船的最高航速大多數在16～20 kn范圍，隨著執法的需要，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執法船最高航速達到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，導致經濟性惡化。實際上在現役的中小型海監執法船中通常都配備1～2艘高速工作艇，其航速在25 kn 以上，用于輔助執法，以彌補母船航速的不足。

3.2 續航力

續航力主要根據使命任務確定，隨著海監執法船的大型化及巡航執法半徑的不斷擴大，對船舶續航力的要求也不斷提高。不同噸位級別的海監執法船續航力大致見表1。

3.3 自持力

300 t級以下的沿海航區小型海監船自持力一般在15晝夜以內，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，而不同海區船舶用戶対淡水量要求差異較大，設置制淡裝置補充非飲用淡水可以大量減少淡水裝載量，是一種較好的技術解決方案。

3.4 適航性

500 t級以上的海監執法船通常要求在5級海況下執行巡航任務，7級海況安全航行，抗風力≥10級。為滿足和改善船舶適航性，除在型線設計方面進行優化，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執法船，通常設置減搖水艙，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、大型海監執法船通常應配置側推裝置。側推裝置一般采用電驅動型式，側推功率的選擇應與電站功率綜合考慮，除非特殊要求，側推功率建議不必太大，以免電站功率大幅提高。

不同排水量海監執法船主尺度大致如表1所示。

4 總體設計

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、較小的方型系數和合理的傅氏數，尤其避免傅氏數處于阻力峰區，從而控制推進主機總功率，提高經濟性。

4.2 型線設計

海監執法船通常采用較大的前傾和首部外飄結合方尾輪廓線，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

小型海監執法船要求的設計航速往往較高，而排水量対高速船的影響尤其敏感，故排水量控制在設計中應高度關注，采用鋁質甲板室、應用輕質材料、選用輕型設備，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措施。

4.4 提高居住性

海監執法船往往需要較長時間而且在經常在較惡劣的海況條件執法，除3.4所述改善適航性外，対居住性設計以及內裝設計應以充分考慮，為執法人員提供較好的生活和工作環境。居住艙室一般不宜超過4人，盡可能設置較多的單人或雙人間；合理設置衛生間、洗衣間；條件許可，應設置適當的娛樂場所和設施。空調設備的選型應選用可靠性高、信譽度好的產品，機組容量應有一定的裕度；采取有效的技術措施，保證駕駛室、無線電室和居住艙室具有較低的噪音。

5 輪機設計

5.1 推進系統選擇

由于使用習慣的關系，海監執法船推進方式通常采用雙機雙定距槳推進，也有雙機并車單調距槳推進，另外為避免長時間低速巡航時雙機長時間低負荷運行也有采用三機三定距槳的，大型海監船中國海監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，建議配置調距槳或采用三機三定距槳，可提高船舶機動性，實現多航速運行。表2列出某海監執法船兩種推進方案對應的不同巡航速度。

中小型海監執法船主機通常采用船用中高速柴油機，大多數為高速機，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技術生產，性價比最高，特別適用于總投資受限的海監船項目。

由于使用習慣等問題，海監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，每臺機功率負荷可能低于50％，而絕大多數柴油機不允許主機長期低負荷運行，經濟性差，氣缸易積炭，主機冒黑煙。表2列出了某海監執法船設計論證時進行的不同航速時主機負荷對比，可見對不同航速要求采用三機三槳推進主機負荷情況較好，也就是說三機三槳推進更利于實現船舶多航速運行。

表2 某海監執法船兩種推進方案參數對比

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船舶的低速甚至極低速航行，對于需要執行深海取樣調查任務的海監船，可采用調距槳或吊艙推進器，必要時加裝動力定位系統，以便船舶執行相關取樣調查任務。

5.2 空調設計

空調制冷機組制冷量的選擇主要依據艙室空調熱負荷計算來確定，目前空調熱負荷計算主要有兩種方法，一種是依據GB/T 13409-92《船舶起居處所空氣調節與通風設計參數和計算方法》標準進行計算。一種是按不同甲板單位面積熱負荷經驗值進行估算，第一種方法需要根據艙室甲板隔熱情況進行傳熱系數的計算，如果實船建造時甲板裝修材料和裝修方法與設計時不同，艙室熱負荷會有變化，通常設計時會按兩種不同方法進行計算對比。實船設計經驗證明，第一種方法計算出來的艙室熱負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。在空調設計中，設計環境條件通常以夏季大氣溫度35 ℃、水溫32 ℃、相對濕度70％；室內溫度27±2 ℃，相對濕度60％作為基本的設計參數。設計時還應考慮船舶使用海域的氣候情況適當增減機組制冷量的選取，対熱帶海區使用的船舶，空調機組制冷量應有足夠的裕度。

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

5.3 提高輪機自動化程度

按CCS規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備進行監控；

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境，即便是150 t級的小型海監船如果空間允許也建議設置監控室，可監控輪機主要機械設備的運行，控制發電機組的緊急起動、停車等。

海監船的機艙自動化等級一般參照MCC等級要求設置監視項目和控制動作，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，設計時除了滿足MCC等級要求外，應盡量考慮減輕船員勞動強度的一些自動化設計，如燃油艙、淡水艙采用高低液位報警，水線以下艙室設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境，提高船員健康水平，雖無關船舶安全運行，但是特別值得關注的設計細節。GB5979-86《海洋船舶噪聲級規定》對船上駕駛區、機艙區、起居區以及廚房區作了明確的噪聲級別限制要求，設計時可選用低噪音設備，如選用低噪音主機和低轉速泵、風機等，設置消音器，機艙壁采用阻尼材料隔音，隔斷噪聲船舶途徑，光順風管和通風道的走向，保持風管內部光滑，這些都有利于減小船舶噪音。

實船試驗表明即便是設置集控室，采用柴油機推進的船舶集控室內的噪音仍然達到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 節能環保設計

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，不失為節能環保的首選裝置，既可以消音，又可作為換熱器。

6 執法裝備配置

海監執法船要執行任務，需配置必要的執法取證設備，用于威懾和打擊侵權船只和行為，調查取證等。

6.1 執法裝備

通常要求配置高速工作艇、警燈、光電平臺（帶紅外功能）、衛星實時傳輸系統、無線圖像接收系統、AIS接收設備、保密通信設備、環保執法取證設備等。

大型海監執法船（如1 500 t級以上）一般應設置直升機起降平臺及配套系統和設施。

根據船東要求配置其他特殊用途裝備。

6.2 威懾手段

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

7 海底門裝置設計探討

關于主輔機等需用冷卻水的設備采用兩個共用海底門還是分設海底門是個值得討論的問題，由于設計、建造和使用的習慣目前采用海水總管型式居多。但據筆者對某海監執法船采用不同型式海底門進行重量統計對比后發現分設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，提高冷卻系統的可靠性，避免主輔機、消防泵、空調等設備搶水，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 結束語

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

圖1 廣州船舶及海洋工程設計研究院設計434廠建造的中國海監9009