北极航运及冰区船舶主机功率探讨

2012-08-11张东江

船舶 2012年4期

张东江

（中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011）

0 引言

北极资源丰富，特别是蕴藏着大量石油和天然气资源，约占全球未探明资源的22%，其中80%分布在近海。［1］俄罗斯目前正在开发什托曼克（Shtokman）天然气和凝析油田，此油田位于巴伦支海，克拉半岛北面离岸600 km，估计天然气储量3.8万亿m3，凝析油储量3 700万t。［2］同时，俄罗斯还在库页岛开发“萨哈林-1”和“萨哈林-2”两个近海油田。据估计，“萨哈林-1”石油储量为2 300万桶、天然气储量484亿 m3，“萨哈林-2”石油储量为 1 200万桶，天然气储量 5 000 亿 m3。［3-4］

库页岛属于大陆性气候，气候寒冷。其夏季短暂，冬季长达6个月，冬天平均气温都在-19℃～-24℃之间，若干港口长期冰封，北部封冻更长达8个月之久。由于北极地区和库页岛油气资源的开发，引发了冰区加强油轮和液化天然气（LNG）船的建造需求。

1 北方航道的应用

自大西洋通过北冰洋到达太平洋是数百年来人类的梦想。15～17世纪，许多海洋探险家曾试图通过北冰洋前往亚洲。1878年，他们首次打通东北航线（Northeast Passage，现今普遍称为北方航道Northern Sea Route），1905年，又成功地打通了西北航线（Northwest Passage）。然而，这些以极其沉重的代价换来的成功，当时并没有给人类带来多少喜悦。因为穿越北冰洋的航行实在太艰难了，毫无商业价值。前苏联时期，北方航道在1935年正式投入商业运作，然而苏联解体后，北极的商业航海进入衰退期，只有西段从摩尔曼斯克到叶尼塞河口，以及东段佩韦克到海参崴之间有定期航次，中间一段的航线已经停止。

21世纪全球暖化现象已使北极盖快速融化，北冰洋的冰川已渐与欧亚大陆和美洲大陆失去连接。目前北极附近气温上升的速度比地球其他地区快两倍，最近几年北极的北方航道已经得到季节性的开通。俄罗斯已在2010年通过一艘11万t的“Baltica”号油船经北方航道将凝析油运到中国。从俄罗斯的北方港口摩尔曼斯克到上海，通过北方航道航行的距离是10 600 km，若经由苏伊士运河，该航程则是17 700 km。尽管通过北方航道的航行中有4 000 km由核动力破冰船护送，但航运成本还是较通过苏伊士运河降低了15%。因此，该航运公司打算后期将进一步扩大通过北方航道运输凝析油的计划。

西方航运公司也开通北方航道的运输业务，在没有破冰船帮助下，经由北方航道从鹿特丹到韩国蔚山，挪威也已通过北方航道向中国运输铁矿砂。人们设想，50年后由于冰层进一步消融，有可能在破冰船的帮助下完成从大西洋经过北极中心到达太平洋的横越北冰洋的航行。

图1 北冰洋9月份的冰情预测以及北冰洋的北海通道和西北通道

2 北极航运特点

北极航运与北波罗的海冰区航运完全不同。北极商业航运是在海冰融化、海面上仅有浮冰，适合具有一定抗冰能力的船舶经北方通道或者西北通道作大西洋和太平洋间的运输，或者是为开发北极资源而进行的运输；北波罗的海冰区运输则是在冬季冰封时，在破冰船开辟的碎冰甬道中挤开碎冰航行。北极地区夏、秋季近岸冰融化，海面仅有浮冰，浮冰密度在50%以下时认为适合通航。目前每年的通航天数为20～30天，预计到2080年增至90～100天。对于有破冰能力的船舶，在浮冰密度75%时仍可通航，那么到2080年，每年可能有150天通航［5］，参见图2。

图2 2000～2100年北海航道通航天数的预测

适合在北极浮冰中作商业航运的船舶应具有适合夏季航行于北极水域的船级符号PC6和PC7。PC6和PC7均为IACS的极地船级，其中PC6所对应的冰况为：夏季/秋季在中等厚度的当年冰龄状况下，可包括旧夹冰；PC7对应的冰况为：夏季/秋季在当年薄冰状况下，可包括旧夹冰。通常认为PC6相当于芬兰-瑞典（北波罗的海）冰级中的1A Super，PC7相当于1A冰级，两者都没有主机功率最低要求。由于各船级社的冰级规范多以北波罗的海冰级规范为基础，所以为开发北极和库页岛石油资源而建造的油轮多采用北波罗的海冰级，大多数为1A冰级。由于这些船可能有90%时间是在无冰海面航行，而只有10%是在浮冰中航行，而在碎冰甬道中航行的机会更是非常少，故各航运公司只希望在公司中保持一定数量的冰区加强船舶，而这些冰区加强船舶大部分可能是从事非冰区的航运业务。从公司运营、船队管理等方面，也都希望这些船舶除因冰区加强而损失一些载重量外，与船队其他船舶并无大的差别。因此除特殊冰区业务的船舶外，其他都由常规船型派生。

3 芬兰-瑞典冰级规范对主机功率要求

芬兰与瑞典海事部门根据北波罗的海冬季冰区航行的经验制定的芬兰-瑞典冰级规范（FSICR）［6］是成熟的规范，现已被各船级社采用。然而该规范也有局限性，特别是在主机功率要求方面。通常认为规范中的主机功率计算公式不适用于大船。这是由于北波罗的海地区物流并不发达，所以船舶都以中小型为主。从该规范附则1验证所需功率的比较表可知，用于比较的船舶船长仅150 m，主机功率小于10 000 kW。

MAN B&W在《油轮推进装置发展趋势》（Propulsion Trends in Tankers）中曾经对于各种大小油轮作了对比，认为芬兰-瑞典冰级规范要求的主机功率较这些船舶常规配备的主机功率大很多，一艘1A冰级的Aframax型油轮所要求的功率几乎与一艘VLCC通常配备的主机功率相当［7］。该文中给出的主机功率对比如图3所示。

图3 各型油轮主机功率的对比

ABS也认为芬兰-瑞典规范所要求的主机功率过高，并对此作了研究和比较，并制定冰级指引（GUIDANCE NOTES ON ICE CLASS）用以指导冰级功率的计算［8］。表1是ABS对于一艘1A冰级的Aframax型油轮的比较［9］。

表1 ABS计算Aframax型油轮主机功率对比

对于冰级船舶富有经验的Deltamarine也认为对于Aframax型油轮，按芬兰-瑞典冰级规范公式计算的主机功率会比通过船模得到的功率大一倍［10］。

FSICR关于主机功率的规定是基于冰区航行船舶需在碎冰甬道中维持5 kn航速，FSICR应用导则［11］中说明这是为了维持在破冰船开辟的碎冰甬道中有序航行，所以规定船舶在碎冰甬道中保持5 kn航速航行的能力，这一规定的基础与在北极浮冰中的航行是不同的。同时，规范明确表示该功率计算公式不适用于船宽超过40 m的船舶，并建议对于排水量超过70 000 t的船舶采用冰池船模试验的方法。在芬兰-瑞典冰级规范中明确指出，船舶在冰中的阻力可以通过船模试验，螺旋桨的推力可以直接计算，但在应用规范的导则中又作了相当保守的规定。

由于规范公式较为保守且不适用于大型船舶，因此笔者按照规范公式并应用规范导则中规定的替代方法、结合ABS GUIDANCE NOTES ON ICE CLASS中的方法对一艘Aframax型油轮进行了实际计算比较。

4 实例计算

4.1 模型相关资料

本文采用的计算模型为一艘Aframax型油轮，计算冰级为1A冰级，该船的主要船型参数为：载重量105 000 dwt、垂线间长Lbp=233 m、船宽 B=44 m、型深 D=14.8 m，主机型号 Wärtisilä 7RT-Flex58T，最大持续功率MCR=15 260 kW×105 r/min。该船采用单固定螺距桨，桨径DP=7.32 m。

4.2 芬兰-瑞典冰级规范计算主机功率

芬兰-瑞典冰级规范中给出：

其中：P为主机最大持续输出功率；RCH为冰阻力；DP为螺旋桨直径；Ke为船、桨影响系数，计入螺旋桨的水动力性能和船桨的相互影响。

根据4.1节给出的参数，利用芬兰-瑞典冰级规范计算得到：RCH=1 984 kN。

芬兰-瑞典冰级规范中规定，对于单固定桨，系数Ke取2.26，由此计算得到功率为P=27 277 kW。

应该注意到这是根据模型7.32 m的桨径计算得到的结果，而此桨不能吸收如此大的功率，因此该结论是不正确的。因此，选一台功率比27 277 kW小一些的主机，按新选择的功率和转速确定螺旋桨的直径DP，求出新规范要求的主机功率，逐次近似后最终得到FSICR要求的主机功率为24 010 kW，螺旋桨直径为8.316 m。

表2为芬兰-瑞典冰级规范计算的主机功率与已有同级别实船的装机功率的对比。可以看出，利用芬兰-瑞典冰级规范计算得到的主机功率远大于同级别的实船装机功率，说明在1A级Aframax型油轮实船建造过程中，利用芬兰-瑞典冰级规范确定主机功率不可取。

表2 FSICR计算与类似尺度实船的装机功率对比

4.3 芬兰-瑞典冰级规范导则计算主机功率

芬兰-瑞典冰级规范规定除了利用规范计算主机功率外，还可以采用一定的替代方法。芬兰-瑞典冰级规范导则中给出在利用FSICR计算冰阻力后，确定所需推力的四种方法，如表3所示。

表3 确定所需推力的四种方法［11］

要求桨在对应情况下发出的推力为：

Thrust＞Factor·RCH

其中，Factor可取表中百分比或实际值，本文采用实际值来计算所需推力，进而计算所需主机功率，具体步骤参考如下：

首先，利用规范计算得到5 kn航速时的冰阻力RCH=1 984 kN；然后，根据水池试验，计算出5 kn航速时水阻力Row为106 kN，此时5 kn航速时总的阻力为：Rtot=RCH+Row=2 090 kN；最后，选定一台主机，根据该主机选定螺旋桨，验证该主机与螺旋桨是否能在5 kn航速时产生克服总阻力的推力，逐次接近，直至计算出合适的主机功率。

通过上述计算可知：选取一台新的主机20340kW，转速95 r/min，设计螺纹旋桨的直径为7.786 m，即可产生满足要求的推力。

4.4 ABS冰级指导计算主机功率

ABS冰级指导中指出，可以直接利用已知桨的性能来确定主机功率，具体步骤参考如下：

（1）利用规范计算得到5 kn航速时的冰阻力RCH为 1 984 kN。

（2）利用5 kn航速时克服冰的阻力计算所需要的系桩拉力。

在开敞水域，在船舶航速增加的过程中有：

式中：Tnet为净推力，Tbp为系桩拉力，vmax为最大航速，本船为15 kn。

在冰中以5 kn的速度航行，要求净推力大于冰的阻力，即：

（3）根据桨的特性计算具有上述系桩拉力所需主机功率。

需要的主机功率为：

式（6）中：KT，KQ分别为系桩状态下桨的推力系数与转矩系数；t为系桩状态下推力减额，取0.02；f取5 kn航速时净推力与系柱拉力的比值0.815。

可以看出，ABS的冰级指导是将芬兰-瑞典冰级规范中桨的影响系数直接计算。需要注意的是，式（6）中Ke的计算是对于可调桨的计算公式，若对于固定桨，这一系数则需乘以0.9。

可见，原桨和4.3节中设计的螺旋桨是不可用的，利用4.4节中所设计桨的计算得到所需的主机功率为22 644 kW。

4.5 计算结果对比

表4为芬兰-瑞典规范导则、ABS指导的计算结果与芬兰-瑞典冰级规范计算结果的对比。

表4 三种计算方法的对比

5 结论

通过对比计算结果，得到以下结论：

（1）对于1A冰级Aframax型油轮，芬兰-瑞典冰级规范计算的结果要远远大于实际船舶装机功率，说明实际船舶建造中不能应用规范直接计算确定主机功率；

（2）芬兰-瑞典冰级规范导则、ABS冰级指导的计算结果要小于芬兰-瑞典冰级规范计算值，但仍大于实船的装机功率，也是不可行的；

（3）因而确定大型1A冰级船舶的主机只有利用冰池试验确定其冰阻力，然后利用桨的性能直接计算船舶所需主机功率，才能得到适合航运的结果。

国际船级社联合协会（IACS）在2006年颁布极区统一要求UR I，规定了极区航行船舶的结构加强要求及机械系统的要求。国际海事组织（IMO）也于2009年制定了“Guidelines for Ships Operating in Polar Water”。今后建造极区航运船舶似乎采用PC7船级并按照UR I及IMO决议A.1024的要求设计建造更为合理，但在UR I中并没有对主机功率提出要求。本文的讨论虽然是针对1A冰级船舶，但对于PC7级船舶的主机功率计算也具有一定的指导意义。