極地航行船舶電氣設計和設備配置特殊性研究

陳衛寶

(中國艦船研究設計中心，上海 201108)

極地航行船舶電氣設計和設備配置特殊性研究

陳衛寶

(中國艦船研究設計中心，上海 201108)

從極地航行船舶所在的環境狀況入手，分析了低溫、冰況、船上結冰、高緯度、極晝極夜對船舶航行安全和使用造成的影響，提出相應的應對方案和措施來減少和消除由此帶來的影響，研究極地船舶在電氣設計和設備配置的特殊性，對極地航行船舶電氣設計具有一定的指導作用。

極地船舶；低溫環境；電氣設計；防凍除冰

0 引 言

南極和北極資源豐富，地理位置獨特。目前，伴隨著全球氣候變暖，南、北極科學奧秘和環境資源價值被不斷揭示，極地區域的國際戰略地位迅速提升，世界有關國家圍繞極地和海洋權益爭奪已呈現日益加劇的態勢。未來全球對極地船舶的需求會越來越大，對極地船舶性能的要求也會越來越高。極地航行船舶相對于常規船舶，從船體結構、船舶推進到設備配置等方面，都存在較大差異[1]，本文主要從電氣設計及設備配置角度研究其特殊性。

1 極地航區環境狀況分析

與傳統船舶相比，極地船舶最大的特點在于其使用環境的特殊性[2]，極地船舶電氣設計和設備配置需考慮以下環境因素的影響。

1）低溫。北極冬季的平均氣溫介于–20 ℃～–40 ℃，而最暖的夏季平均氣溫為–8 ℃，南極各個季節的平均氣溫將比北極相應低20 ℃。在低溫區域或季節操作的極地船舶應考慮暴露結構、設備和系統遭受的環境溫度，并采取適當的保護措施，以確保船舶及設備在極地服務溫度環境下的操作能力。

2）冰況。冰層的厚度直接影響船舶的航行，造成動力損耗并可能危及船體結構。根據成冰情況可分為流冰、一年冰、陳年堅冰，根據冰層厚度，不同船級社的劃分類似而略有不同。冰區所特有的冰山現象更是在航運史上造成過諸多重大海難事故，大范圍冰區可能導致船員患上雪盲癥。

3）船上結冰。在可能發生結冰區域和時期內操作的極地船舶應考慮暴露結構和設備表面的積冰，采取防凍除冰措施以消除積冰對船舶穩性和船上設備及系統的影響。

4）高緯度。南北極處于地球兩端緯度最高區域，當前全球海事數字通信系統尚未覆蓋極地水域，導致與全球海事數字通信衛星相關的通信設備在緯度80°及以上區域出現信號不穩或中斷現象。另外高緯對船上磁羅經使用影響較大。在高緯度區域（80°及以上）應配備適合高緯度海區使用的通信導航設備。

5）極晝極夜。北極極晝在春分時節開始，至秋分時節結束，在北極地區夏季航行基本是極晝時段，若9月底仍在航，則可能遇到極夜情況。南極也同樣出現，不過它出現的時間與北極正好相反，即北極若處于極晝，南極為極夜，反之亦然。極晝/極夜將影響人的生物鐘生理運行情況，也影響到視線范圍。極夜導致能見度持續不良，影響安全航行，極地船舶應考慮適當的附加照明配備，如探照燈。極晝使得白天時間變長，導致船員疲勞和冰區值班人員眼睛影響，應采取措施，以避免船員工作效能的影響。

2 極地環境對船舶電氣設計的影響及應對措施

2.1 低溫對柴油發電機組進氣影響及應采取的措施

通常，因發電機從機艙吸入燃燒空氣，進氣溫度不會太低。當外界氣溫低至–30 ℃甚至更低時，船舶機艙將無法保證適宜的艙內溫度，此時發電機從機艙吸入燃燒空氣溫度較低。

柴油機進氣溫度過低可能會引起壓縮混合氣無法自行點燃，導致發電機起動失敗。此外低溫空氣具有較高的比重，可能導致增壓器喘振，過多的燃燒空氣可能導致氣缸超壓、發動機超負荷。此時需要在輔機艙配置加熱設施，如采用艙內加熱或對柴油機的進氣進行預熱，同時逐步關閉可調節的防火風閘至較小的流通面積以防艙內熱空氣過多散失。

2.2 冰況對柴油發電機組冷卻水系統的影響及應采取的措施

冰區操作的船舶，若未采取特殊布置，冷卻海水進口容易遭受海冰堵塞，因失去冷卻水導致發電機組停止工作進而極有可能引發船舶擱淺等海上事故。在設計時需從冷卻水系統的布置、構造、加熱三方面采取措施防止堵塞。

1）布置。海水門和海水艙布置應考慮船線型和船的尺度（如傳統破冰的貨船在船尾舭部下方很少見到冰），應盡量布置在船低位處，并遠離冰帶水線；使用擋板、圍堰、濾器和其他措施把水和冰隔離開來；冷卻系統的熱水回路注入加熱。

2）構造。海水門頂部應盡可能高，引至海水艙的管路進口應盡可能低布置；應有手動除冰措施；海水艙至少可以從2個獨立海水門引水。

3）加熱。海水門和冷卻水吸入口應考慮除冰措施，可采用蒸汽除冰系統、熱水除冰、海水門和海水艙內布置熱油加熱盤管。

2.3 低溫對蓄電池的影響及應采取措施

蓄電池的容量受溫度的影響很大（見圖1），溫度低時，可輸出的容量較小，蓄電池室的環境溫度一般在5 ℃～30 ℃范圍較適宜。對于極地航行船舶存放蓄電池的艙室內應設有保溫措施，蓄電池室加熱可采用機械通風送入加熱后的空氣、采用蒸汽加熱設備或相鄰艙室加熱等措施。

圖1 蓄電池放電容量與環境溫度關系曲線Fig. 1 Battery discharge capacity and environmental temperature curve

2.4 冰況對蓄電池的影響及應采取措施

蓄電池室應有獨立的機械通風或自然通風裝置通向露天，出風口應在頂部，冰或雪的積聚可能會阻礙蓄電池室的通風管道，使得蓄電池釋放的爆炸性氣體聚集在房間內無法消散。

因此，設計時應考慮通風口的布置設計，同時適當考慮配有加熱除冰措施。

2.5 低溫對外部敷設電纜的影響及應采取的措施

目前常用電纜護套耐低溫為–25 ℃，當電纜護套溫度低于–25 ℃時，如遇外力（極地航行船舶在冰況中沖擊振動較大），電纜外護套會脆化導致破裂，影響電纜使用壽命。

對于已設計好的非極地船舶偶爾去極地，露天外部電纜必須有保護措施，如采取電纜固定、電纜外護套包裹等，防止受外力影響。此外電纜應盡可能一直通電，使其表面維持在一定的溫度。但若長期在極地環境下使用，將會對電纜使用壽命產生影響。

對于新設計的極地船舶，考慮采用特殊材料制成的耐低溫外護套電纜。目前在陸地上使用的耐低溫電纜相關技術已經成熟，但國內艦船用耐低溫電纜在工程上還未應用，若有需求，只需采用耐低溫材料即可生產。相比普通電纜，耐低溫電纜的主要區別是外護套材料差異，價格稍貴些。此外在露天甲板敷設的電纜應采用金屬管子和管道或電纜槽保護，并應具有泄放冷凝水的布置。

2.6 低溫和結冰對外部照明燈具的影響及應采取的措施

外部照明燈具主要包括艙壁照明燈、甲板探照燈/掃海燈、航行信號燈。目前燈具按照中國船級社《鋼制海船入級與建造規范》規定制造，普通燈具一般在–20 ℃以上能正常工作。

外壁照明燈、探照燈/掃海燈、航行信號燈等目前是以鹵鎢燈、汞疝燈和LED為光源，這些光源的燈具在–25 ℃下都能點亮，在沒外部掛冰情況下，不影響使用。在外部掛冰情況下，外壁照明燈應該不會影響產品的照明功能，探照燈和掃海燈點亮后，由于燈具功率大，燈具表面溫度會很快上升，很快能除掉燈罩上的冰。航行信號燈，由于功率相對較小，燈具表面溫升較慢，需要較長時間才能消掉燈罩上的冰，解決辦法是提前開燈或在外部增加發熱裝置。LED光源要在–30 ℃下正常點亮，還需考慮選用耐低溫性能的元器件。對于在更低溫度下使用，則考慮選用新研制的燈具，目前相關燈具廠家正在從事相關研究。

2.7 低溫對其他艙外設備的影響及措施

配電和控制相關設備盡量安裝在室內，但對于特殊情況需安裝在露天甲板和低溫處所的設備應設置防冷凝裝置，應通過配備加熱元件來實現。如為考慮操作的方便性，安裝在露天甲板的控制箱一般安裝在被控設備的旁邊，此時應設置防冷凝裝置。

2.8 低溫和結冰對駕駛室設計的影響

由于極地船舶外部環境溫度較低，為保證駕駛室內有個相對穩定的溫度環境，極地船舶駕駛室需采取全封閉設計。考慮到航行冰況環境復雜多變，駕駛指揮人員須從駕駛室獲得全方位的視野，駕駛室設計時應考慮能提供清晰的前后視域。此外，駕駛指揮位置的玻璃應具有充分除冰措施，從室外有效清除融冰、凍雨、雪、水氣和濺水，以及從室內有效清除積聚冷凝水的裝置。清除室外一側玻璃窗水的機械裝置，其機構應受到保護，以防凍或積冰妨礙其有效操作。

2.9 高緯度對艦船消磁系統影響

當艦船航行于極地區域，遭受劇烈冰塊沖擊震動和巨大風浪，艦船固定磁性將會發生變化。當艦船長期航行于一個地區而突然轉移到另一個地區航行時，由于地球磁場有了顯著變化（極地區域磁場強度增大），艦船固定磁性也會有明顯變化。相比其他區域航行的艦船，極地航行艦船將可能縮短去消磁站進行固定消磁的周期。此外，在設計時應適當考慮敷設用于專門抵消固定磁場的繞組。

2.10 電加熱系統設計

對極地船舶而言，船上結冰對設備正常運行和船舶安全航行帶來較大的考驗。由于船舶設備的失效會嚴重影響船舶航行的安全，所以一些船級社推出了相應的船級符號，如國際船級社IACS提出的船級符號PC1～PC7級[3]，此外相關船級社提出了防凍除冰的要求和措施，如挪威船級社的WINTERIZED BASIC和DEICE[4]。根據冰區航行船舶相關規范的要求，海底門、進風口、部分或完全暴露于冰帶水線以上的油水艙、居住處所、服務處所、機械處所，上層建筑外圍窗戶、外圍門、逃生通道、露天設備，露天管路等都需要有防冰凍措施。電加熱方式是其中一種最常用的防冰凍措施。極地船舶電加熱系統主要包含了電伴熱系統，油水艙透氣帽電加熱系統，艙室加熱系統（含衛生單元地熱），室外設備加熱系統，以及天線加熱系統。考慮到極地船舶加熱的重要性，給電加熱系統供電的變壓器采用雙變壓器冗余設計，設計時所有的加熱配電柜及分電箱饋電開關都應配置脫扣監測報警功能，負載開關因接地故障或過載脫扣時，配電柜或分電箱報警并將報警信號輸送至船舶管理系統，起到預警作用，確保極地低溫航行的安全。

2.11 其他

1）電站容量

考慮到極地船舶艙內艙外需安裝大量的防冰除冰系統和設備，對電能需求較大。設計時，電站要考慮留有適當的余量，以便滿足后續船舶加改裝的電能需求。

2）沖擊振動要求

軍用艦船規范要求已考慮設備的振動沖擊要求，在設計極地艦船時可無需再考慮。但對于民用船舶，由于相關規范對設備的沖擊振動未作具體要求，設計時應考慮船舶上的設備在冰況下的沖擊振動要求。

3 結 語

從極地船舶所航行的環境狀況分析著手，圍繞船舶航行和人員使用安全這個宗旨，針對其環境特殊性給船舶電氣設計和設備配置帶來的影響，提出應對方案和措施，從而說明極地航行船舶電氣設計和設備配置的特殊性，為極地船舶電氣設計與研究提供指導。

[1]中國船級社. 極地船舶指南[S]. 北京: 中國船級社, 2016.

[2]楊森, 顧洪彬. 冰區加強型油輪電氣配置特殊性研究[J]. 船舶與海洋工程, 2015, (4): 61–64.

[3]IACS UR I Requirements C oncerning Polar Class[S]. IACS,2006.

[4]Rules for Classification of ships, Part 5 Chaper 1-Ships for Navigation in Ice[S]. Det Norske Veritas AS(DNV), 2012.

Research on the electrical design and equipment configuration for the polar sailing ship

CHEN Wei-bao
(China Ship Reaserch and Design Center, Shanghai 201108, China)

Starting from environment of ships sailing at polar areas,this paper analyzes the effects of low temperature environment, sea ice, ice on board, high latitude, polar day and night to the ship navigation safety and use; and propose the corresponding solutions and measures to eliminate and reduce the influence of the resulting; and studies the electrical design and configuration particularity of this ship type. This study may provide some guidance for the electrical design of ships sailing at polar areas.

polar ships；low temperature；electrical design；antifreeze deicing

U676

A

1672 – 7649(2017)10 – 0144 – 03

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.10.028

2016 – 11 – 02

陳衛寶(1986 – )，男，碩士，工程師，主要從事艦船總體設計與研究工作。