满足WINTERIZED BASIC船级符号的电伴热防结冰设计

(上海外高桥造船有限公司，上海 200137)

近年来，全球气候变暖，使极地航道得以季节性开通，加之北极地区和库页岛蕴含的大量油气资源开发等因素，促使冰区加强型油船建造升温。然而，该船型常年运行在易受结冰等环境因素影响的区域，船舶及船上设备和人员安全面临挑战[1-2]。本文以DNV-GL规范中Winterized Basic 为准则[3]，分析探讨油船电伴热防结冰(Anti-icing)方案。

1 环境因素与相关规范

当前，冰区加强型油轮的运营多集中在波罗的海区域以及通往北海和北大西洋的重要水域，夏秋两季的北极东北及西北航道[4]。该区域较低的空气、海水温度和较高的风速等恶劣气候条件，极易使大气中的水分以雨、雪、雾的形式呈现，加上海水喷溅的水雾等均能造成船舶表面结冰的情况发生，对船舶稳性、航行安全、露天甲板设备和人员安全活动造成威胁。

对在上述恶劣环境因素下运营的船舶，各船级社给出了相应的船级符号，对防结冰(Anti-icing)、除冰(De-icing)等给予相应的要求及措施，如DNV-GL的Winterized(Basic)、Winterized(Cold, td)、Winterized(Polar, td)，ABS的CCO(TDST, TMAT)、CCO(TDST, TMAT)+、CCO-POLAR(TDST, TMAT)、CCO-POLAR(TDST, TMAT)+[5]，等。船东可以根据船舶实际的运营情况选取不同船级社合适的符号。

以DNV-GL船级社规范为例，其针对寒冷气候下运营船的特点，依据不同的设计环境条件，划分程度递增，见表1、2。

表1 DNV-GL船级符号Winterized等级及定义

表2 DNV-GL 设计环境条件

针对恶劣的环境因素可导致船舶结冰，DNV-GL推荐的防结冰和除冰方式[6]见表3。对于防结冰的设计要能使被保护的设备表面保持至少+3℃的要求。

表3 DNV-GL推荐的解决结冰的方式

2 防结冰系统方案设计

以DNV-GL船级社的Winterized Basic符号为准则，对油船进行电伴热式防结冰方案设计。

2.1 加热防护形式分类与选择

对防护对象进行加热在防结冰措施中是较为有效的手段，通常有蒸汽/热水加热和电伴热两种形式[7]。

蒸汽/热水加热需要安装盘管或其他形式的管路，通过蒸汽/热水等介质的热传递达到加热的效果，管路上的阀应有开关指示并标明用途，明确设备和区域。

电伴热以敷设加热电缆的形式为主，均匀布置在需加热的设备或区域，将电能转化为热能，故需设立专门的分电箱用作电伴热装置的馈电，并配备功率表或电流表显示实际总负荷，同时标注每个分路的负荷。

蒸汽/热水加热的保护形式依靠锅炉产生蒸汽，热效率不高，管路不容易敷设和布置，后期维护不便且成本高。电伴热形式可依靠加热电缆呈现，适用性强，易安装布置和控制，较为灵活，常规维护。考虑两者的优劣，以及施工方便性、工时成本等经济性，以电伴热形式作为防结冰设计较为优异。

2.2 电伴热式防结冰设计

该系统一般由船上440 V电源供电，经变压器隔离、变压至220 V工作电压送电到用于该系统的主分电箱，再由主分电箱辐射至各区域分电箱，由连接在分电箱的各支路上加热电缆的不同形式对船上系统、设备等进行保护，见图1。

图1 电伴热式防结冰系统组成

2.3 电伴热式防结冰设计应用

2.3.1 船舶安全

诸如锚系、应急拖带、消防和导航设备等重要或应急设备，如在需要工况下不能即时可用，将对船舶本身安全构成威胁，因此要被有效保护。根据不同设备结构特点，可有如下几种型式。

1)带加热电缆的帆布铠装型式。如：锚机及控制、锚链筒等要在临近海岸或引航时即时可用，锚机保护见图2；油轮的应急拖带系统要在设计环境温度下即时可用；通风口，如机舱风机、泵舱风机等冻住将影响送风；汽笛要在设计工况下可用；各舱的空气管头，如压载舱、淡水舱和燃油舱的空气管。

图2 锚机设备保护

2)加热电缆绕行排布型式。航行灯、甲板上照明灯具涉及航行安全、工作安全，如被冰雪覆盖且自身产生热量不足以实现无冰的；消防水管、管口、水龙带及泡沫枪要做到防冰、防冻保护，保障在应急工况可用且易到达；压力释放阀和透气桅，如每舱的P/V阀，惰气管线的透气桅，如果堵塞，货舱压力过大，将影响结构安全，可采用绕线或帆布包裹。

3)设备基座加热型式。航行设备的旋转天线的基座要提供加热，圆顶和棒状的天线不能被积雪覆盖。

2.3.2 人员安全

对于船上人员安全影响较多的设备、通道和区域，集中在救生设备及逃生通道等需要采用电伴热式防结冰系统的帆布铠装、绕线和踏板等不同形式对下述设备和通道进行保护。如甲板、通道和集合站等处的排水孔要在雪和结冰时保持畅通，采用管壁外绕线保护；救生艇、筏及其固定、释放和提升装置，通向这些区域的通道及集合区域和救生筏区域采用定制加热踏板保护；应急逃生出口和门，单侧扶手可用；楼梯和逃生通道的扶手、逃生路径提供700 mm宽的路径，要布置加热电缆，保证应急工况可用；救生设备，如救生圈的存放处、EPIRB的安装处均应采用适应其就地的保护形式进行保护。

3 设计应用及关键性问题解析

3.1 可选择性设计

尽管电伴热式防结冰系统可以解决结冰困扰，但其材料成本投入及电能源消耗同样也应引起重视，下述设备可通过设计的可选择性等提供解决方案。

锚系设备中，锚链筒因其体积较大，如应用电伴热式防结冰设计，一方面不容易布置，另一方面应用时会耗费大量电能，因此，可采取用蒸汽/热水以除冰方式进行替代。

甲板面消防水管系、甲板泡沫管系，需保护面积较大、距离较长，如完全应用加热电缆，投入成本高，使用时也会耗费大量电能，因此，可在管路设计时以自泄放式管路设计替代。

航行设备的旋转天线的基座加热，圆顶和棒状的天线不被积雪覆盖，可要求供货厂家提供带加热功能的设备满足。这样一方面可以提高相关精密设备运行的可靠性，另一方面可减少电伴热相关支路延伸长度。

3.2 防结冰系统电能需求及船舶电站设计

有关防结冰系统的电能需求， DNV-GL给出了计算原则：作为防结冰类措施时以100%计算；作为除冰类措施时以50%计算。

需要注意的是，新版规范修改了加热容量的要求，不再详细到不同区域的具体热量要求，而是明在设计环境条件下，防结冰和防冻的布置要能使被保护的设备表面保持至少+3℃。

以某AFRAMAX级油轮为例，电站容量为3台900 kW发电机，如遵循Winterized Basic规则设计，用于防结冰措施时消耗的电功率约400 kW。据表1，对短期非经常性在冷气候下运行的船舶，如果增加每台发电机容量为1300 kW左右，显然在非冷气候条件下运行时增加了过多燃油成本，不够经济，因此，建议保持原每台900kW发电机的电站设计，即不增加电站容量，仅在需要工况下开启多台发电机满足防结冰的营运需求。

4 结论

1)根据DNVGL Winterized Basic符号要求对冰区加强船的防结冰系统进行方案设计，还有待向更高等级的符号要求进行探索，如Winterized COLD、Winterized POLAR。

2)防冰和除冰的应用范围、设计方案及方法建议在合同阶段与船舶使用者共同商定，可以在满足使用需求的同时降低船舶的建造成本、运营成本。