極地船甲板除冰系統(tǒng)設(shè)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(shè)備、工作設(shè)備、工作區(qū)域都需要提供除冰設(shè)備或系統(tǒng)，包括人工機(jī)械除冰、蒸汽融冰以及電加熱防結(jié)冰等方案，以在嚴(yán)寒天氣中保證船舶甲板逃生通道、工作區(qū)域和甲板設(shè)備的正常和安全使用。為了保證船舶事故狀態(tài)下的人員逃生和甲板設(shè)備及工作區(qū)域的有效使用，需要安裝蒸汽除冰或者電熱防結(jié)冰除冰系統(tǒng)。極地區(qū)域環(huán)境溫度常年低于-10 ℃，容易導(dǎo)致機(jī)艙溫度過低，影響船舶運(yùn)行安全，同時浪費(fèi)通風(fēng)系統(tǒng)的能源消耗。因此，為了確保船舶設(shè)備安全運(yùn)行、控制船舶運(yùn)營成本是極地船舶機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)除冰和預(yù)熱的研究設(shè)計方向。

2 極地船甲板除冰系統(tǒng)簡介

極地船舶除冰系統(tǒng)原理：系統(tǒng)通過檢測外部環(huán)境溫度，在低于冰點(diǎn)溫度的工況下對甲板工作區(qū)域、逃生通道、水密門、救生設(shè)備、甲板設(shè)備等進(jìn)行加熱除冰，以保證工作人員在甲板區(qū)域的安全工作以及甲板機(jī)械和救生設(shè)備的有效使用。

極地船舶電伴熱除冰系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：首先，通過加熱電源的設(shè)計優(yōu)化，降低極地船舶除冰系統(tǒng)的設(shè)計與施工強(qiáng)度；其次，可以有效保證甲板區(qū)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(tǒng)的能耗控制，優(yōu)化節(jié)約除冰加熱系統(tǒng)的功率消耗。

3 極地船舶電伴熱除冰系統(tǒng)設(shè)計

極地船舶電伴熱除冰系統(tǒng)主要目的：（1）滿足低溫環(huán)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(shè)備的安全釋放和使用要求，即無凍結(jié)工況需求；（3）滿足甲板工作區(qū)域的安全，包括甲板機(jī)械的操作區(qū)域、工作行走區(qū)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(yīng)設(shè)施的安全運(yùn)行。

因此，根據(jù)某極地船舶的設(shè)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(qū)域的安全運(yùn)營，同時降低除冰系統(tǒng)能耗、提高船舶的環(huán)保性能是極地船舶除冰系統(tǒng)設(shè)計的核心目標(biāo)。

3.1 設(shè)計方案

目前，冰區(qū)船舶的電伴熱除冰系統(tǒng)，主要用于船舶行走通道、設(shè)備防護(hù)。因為防護(hù)區(qū)域和設(shè)備較多，且電伴熱本身連續(xù)加熱功率有限，造成傳統(tǒng)電伴熱系統(tǒng)方案中分支電纜、數(shù)量龐大，且由于設(shè)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(tǒng)修改和增減的電伴熱系統(tǒng)，將有利于減少船廠設(shè)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(tǒng)框圖，主要包括：（1）主配電柜；（2）區(qū)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(qū)域接線箱及分電箱（2）順序聯(lián)接并供電；不同位置的電纜（3）滿足后端負(fù)載需求并逐級遞減容量；電加熱負(fù)載（4）就近接入?yún)^(qū)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(tǒng)的電纜消耗和施工強(qiáng)度，提高了系統(tǒng)可靠性和維護(hù)性。

電伴熱除冰系統(tǒng)設(shè)計，包括以下步驟：

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

（2）根據(jù)不同區(qū)域內(nèi)電伴熱設(shè)備的布置位置進(jìn)行供電分段，供電分段點(diǎn)設(shè)置區(qū)域接線箱及分電箱，分電箱為附近加熱設(shè)備提供電源配給；

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

系統(tǒng)主配電柜根據(jù)船舶不同區(qū)域提供區(qū)域供電劃分，并根據(jù)負(fù)載需求對區(qū)域內(nèi)供電電路進(jìn)行分段，每個分段的接線箱可以起到為附近電加熱設(shè)備提供電源，并為后續(xù)工作區(qū)域提供電源。

3.2 局部電伴熱除冰系統(tǒng)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(shù) （取K=12）；

ΔT ——環(huán)境溫差 (取ΔT=5-應(yīng)用環(huán)境最低溫度)（℃）；

E ——設(shè)計安全系數(shù)（取E=1.5）；

N ——樓梯臺階數(shù)。

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(shù)（封閉露天區(qū)域取K=8，甲板露天區(qū)域取K=12）；

ΔT ——環(huán)境溫差 (取ΔT=5-應(yīng)用環(huán)境最低溫度)（℃）；

E ——設(shè)計安全系數(shù)（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(shù)（取K=16）；

ΔT ——環(huán)境溫差 (取ΔT=5-應(yīng)用環(huán)境最低溫度)（℃）；

E ——設(shè)計安全系數(shù)（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(shù) （取K=12）；

ΔT ——環(huán)境溫差 (取ΔT=5-應(yīng)用環(huán)境最低溫度)（℃）；

E ——設(shè)計安全系數(shù)（取E=1.2）。

備注：以上計算為扶手無絕緣情況。

（5）進(jìn)風(fēng)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(jīng)風(fēng)速（取V=5～8 m/s）；

S ——百葉窗面積（m2）；

ΔT ——環(huán)境溫差 (取ΔT=-20 - 應(yīng)用環(huán)境最低溫度T)（℃）；

E ——設(shè)計安全系數(shù)（取E=1.2）。

備注：設(shè)計手冊中取不結(jié)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(shù) （取K=14）；

ΔT ——環(huán)境溫差 (取ΔT=5-應(yīng)用環(huán)境最低溫度)（℃）；

E ——設(shè)計安全系數(shù)（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(shù) （取K=16）；

ΔT ——環(huán)境溫差 (取ΔT=-10-應(yīng)用環(huán)境最低溫度)（℃）；

E ——設(shè)計安全系數(shù)（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(guān)規(guī)范

（1）防結(jié)冰上層建筑區(qū)域的伴熱功率，至少為P=200 W/m2；

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

（3）防結(jié)冰的扶手欄桿內(nèi)的電伴熱功率，至少P=50 W/m2。

4 結(jié)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(shè)計與計算還存在不足，需要不斷完善和補(bǔ)充。對于電伴熱系統(tǒng)的合理設(shè)計和計算，不但可以大大提高系統(tǒng)的使用性能，也可以降低造船成本。