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极地船舶技术最新动向

新闻来源:中国船舶及海洋工程设计    浏览量:2394 admin 2015-11-20
        随着全球气候变暖、海冰加速融化,极地蕴藏的丰富资源和极具价值的北极航道已将极地潜在价值推到现实的高度。然而,要想实施极地战略,必先发展适应本国的极地船舶装备。
极地船型的发展需求
        以南北两极的极地船舶为例,总体上可分为三类:第一类是以北极为目的地的开发和运输;第二类是跨北极的过境航行;第三类是在南北两极开展的科考调查和研究。这三类代表了不同国家、不同阶段对于极地船舶的主要需求。
首先,资源开发与运输成为近年来极地船舶发展的主要动力。据美国地质调查局(USGS)2008 年评估,北极油气储量巨大,目前全球未开发油气储量的1/4 均分布在北极地区,初步预计有石油900亿桶、天然气约47.27万亿立方米(1669 万亿立方英尺)、天然气凝析液440亿桶,油当量总计为565亿吨。北极还有丰富的煤炭资源,估计占世界煤炭资源总量的9%。此外还有大量金、银、金刚石、铀、铜、钴、镍、铅、锌、石棉和稀有元素等矿产资源。除了这些不可再生资源外,北极地区还有丰富的渔业、水力、电力、森林等可再生的自然资源。
        油船方面,受极地资源开发及运输带动,冰区油船的破冰等级和载重量有增大趋势。目前,船只数和总吨位最大的还当属1A冰级(PC7)的阿芙拉型油船,未来波罗的海油船载重吨位将可能从10万吨提升到27万吨,同时伯朝拉海还需要7万载重吨的极地穿梭油船。值得注意的是,芬兰阿克北极设计公司(AARC)结合吊舱推出采用双动技术(双动技术是采用全回转电力推进确保船舶前向和后向均能航行的动力系统设计技术)的新船型,该船型已成功应用于1AS冰级(PC5~PC6)的7万吨穿梭油船和11万吨阿芙拉型原油船(见图1),该船型球鼻艏能在敞水或波罗的海薄冰环境下操作,破冰型船尾能在波罗的海严重冰情下独立操作。此外,瑞典Stena Bulk公司积极开发各种冰区油船,其开发的26.65万吨具有1A冰级的B-Max型原油船(见图2)总长325.5米、型宽66米、设计吃水仅为15米,货舱容量为31.1万立方米。该船型采用双机双桨双舵并有双船体外壳和坚固的冰带,主机功率在恶劣环境中可提供富余功率,大大提高了冰区浅水通过性、冰区航行安全性和操纵性。

图1  1AS冰级/11万吨原油船
图2 1A冰级/26万吨B-Max型原油船
        LNG 运输相对于油料运输的成本大大增加,但北极油气资源相当大的部分为天然气和天然气液体,因此冰区LNG 运输船将会是造船界的新宠,虽然其设计和建造风险极高。2012年12月6日,由俄罗斯天然气工业股份有限公司全资子公司租赁、希腊Dynagas 公司运营的LNG船“鄂毕河”号抵达日本气田,成功完成世界首次东北航道LNG运输。最近,俄罗斯亚马尔(Yamal)项目将建造一批破冰LNG 运输船(见图3),这些船具有ARC7(PC3)的破冰能力,能在约1.5米厚的冰中以3~5节的速度持续航行,每艘LNG 运输船负责将17万立方米的液化天然气从西伯利亚运往欧洲和亚洲,预计未来还会将那些需要运作于巴伦支海-亚马尔半岛的LNG 船的载货能力由15.5万立方米逐步提升到20万立方米。

图3  PC3冰级/17万立方米天然气运输船
        此外,针对加拿大海上补给和矿石运输的需求,为矿区运输贵重矿石和补给的灵便型散货船以及可用于铁矿石出口的好望角型散货船也在未来需求之列,除此之外,具备高等级冰区加强的多用途船(见图4)、集装箱船和模块运输船的研究和设计也在加紧进行。

图4  PC6冰级/15000载重吨集装箱多用途船
        其次,航程大大缩短且避免海盗的北极航线催生冰区加强型船舶。北极航线包括“东北航线”、“西北航线”和“中央航道”,中央航道冰情恶劣,目前还未有商船通过的记录。如图5所示,东北航线(又称北海航线 Northern Sea Route,简称NSR),它由巴伦支海的摩尔曼斯克沿着西伯利亚海岸到达白令海峡和远东的北极水域,是连接大西洋和太平洋间的海上捷径,也是联系欧、亚两地海上的最短航线,该航线目前商业运作较成熟;西北航线(Northwest Passage)则以白令海峡为起点,向东沿美国阿拉斯加北部离岸海域,穿过加拿大北极群岛,直到戴维斯海峡,该航线目前已尝试商业运输。

图5  东北航线和西北航线西北航线东北航线
        东北和西北两条航线更接近地球表面上两点的最短连线,是连接太平洋北部与大西洋北部最短的航线。与绕道苏伊士运河相比,从东北亚地区驶往欧洲的货船取道东北航线大约可节省20%的燃料费用,同时可避免海盗风险,也无需缴纳运河通行费,缩短近10天的运输时间。以从我国上海到荷兰鹿特丹港的集装箱运输为例,若经马六甲海峡、苏伊士运河,航程约12500海里,需22天;若改走东北航线,航程仅约7500海里,15天即可到达。可以预计,北极航线一旦全面贯通,全球海上运输格局将面临重大变革,从而导致国际分工和产业布局发生连锁反应。
        北极航行的商业运作取决于利润和风险的评估。破冰船引航费用,破冰功率增加导致油耗的增加,动力装置加强导致的初投资增加,破冰结构导致结构质量增加、载重量减少,防冻设计导致建造成本增加以及极地运输货物保险增加等等,将是制约船东目前决策的主要因素。从1979 年以来,北极航道总体上呈现出海冰不断减少的趋势,目前东北航道比西北航道更具通航条件,东北航道在冰盖率低于50%的情况下,通航时间是20~30天。据测算,到2080年通航时间是90~100天,如果带有自破冰能力的船舶可通行在冰盖率75%的航道中,这一时间在2080年将达到150天,届时北极航行的经济性将更加凸显。对我国而言,目前来自俄罗斯的石油、天然气能源输入较多采用管线运输,北极航线船舶运输的货品主要还是矿石、零散的大件货和包装货。
        其次,极区环境和资源调查的迫切需求加快各国更新极地科考破冰船。除俄罗斯、芬兰、加拿大、美国等环极地国家需要专门用于救助、港口管理的专业破冰船外,其他大多数国家的港口冬季不结冰或冰情不严重,不需要大量的专业破冰船,因此非极地国家首先要造的破冰船应该是极地科考破冰船。上世纪80年代末至90年代中期,国际南极考察活动进入新的时代,北极考察活动全面解冻,一批极地科考破冰船诞生,其中,德国、俄罗斯、澳大利亚、美国、瑞典、日本等国的第一代极地科考破冰船陆续下水投入使用。由于船舶生命周期、新规则规范出台与涉及极地海洋经济政治的战略需求,近年来,各国开始建造或计划建造第二代极地科考破冰船,这些国家包括俄罗斯、德国、挪威、澳大利亚、美国、韩国和南非等。总体上说,新一代极地科考破冰船的特征是破冰能力更强大且船体规模大型化。以欧盟最新投资的“北极光”号科考船为例(见图6),该船投资巨大,建成后的破冰能力将达到2.5米。

图6  欧盟新一代“北极光”号科考破冰船
         “雪龙”号作为我国第一代极地科考破冰船,自1993年从乌克兰进口,已历经几次大的改造,为我国极地事业屡建功勋。为满足极地科学考察的需要,缓解长期以来制约我国极地科考事业发展的装备瓶颈问题,国家海洋局和中国极地研究中心正在积极筹建我国新一代极地科学考察破冰船(见图7)。经论证,该船将设计成一艘具备PC3冰级采用全回转电力推进系统的极地综合科考船,具备双向破冰功能,艏向和艉向航行均能破水平冰厚度不低于1.5米加0.2米雪,连续破冰速度2~3节。该船艏向航行时具有冲撞破冰的能力,艉向航行时能确保在当年20米冰脊(含4米堆积层)加0.2米雪层中不被卡住,能独立运行。

图7  中国新一代极地科考破冰船
极地船舶技术发展特点
        极地船舶从功能上大致可分为极地运输船、极地科考船、极地海洋工程船和专业破冰船等。极地船舶与常规船舶的不同之处在于:高要求的船体强度,船舶要能承受冰压力和冲击载荷;强劲的动力设备包括推进机械,确保船舶在冰中不失去动力;可靠的设备系统在低温环境中能正常运行,确保航行安全。
        2006年,国际船级社协会(IACS)颁布了《极地级船舶要求》,将极地船破冰等级分为PC1至PC7级,PC1级破冰能力最强,PC7级最弱。
        IACS《极地级船舶要求》适用于航行于极地并获取PC 船级符号的船舶,其中最低的两个等级PC6和PC7分别近似对应于芬兰-瑞典冰级规则中最高的两个等级IA Super和IA。IACS建立统一的极地级船舶要求后,直接导致有关船级社冰级规范的更新和改版,特别是以前自身船级规范中已具有超出FSICR系统的更强冰级要求的船级社,这些船级社需要逐步将超出FSICR系统对应的冰级符号统一到IACS建立的PC级要求中。目前有部分船级社已完成了新规范的改版和升级,但是,船级社要想通过完全的映射从而将过去自身的冰级规范与当前统一的极地船级一一对应却并不容易,特别是DNV船级规定。例如冰级划分的等级数目不同,船体有关冰带、首尾加强区域的定义不同,所要求的腐蚀与磨损裕量不同,扶强材模数、剪切面积及质量要求不同,采用弹性或塑性理论计算方法引起的不同等,都会导致无法建立简单的冰级等效关系,尤其是IACS PC级船舶要求中还缺少最小主机功率的要求,这些都将成为极地船舶规范后续所要面临的发展。
        此外,国际海事组织(IMO)自1993成立外部工作组(Outside Working Group,简称OWG),由加拿大牵头负责制定船舶在极地水域作业的建议性要求到当前即将强制实施的统一的《极地规则》,经历了从冰区到极地,从北极到南极,从导则到规则的历程。目前的强制性极地规则将极地航行船按航行水域划分为A、B、C三类,A类船是指被设计能在一年及一年以上中冰(可包括混杂老冰)的极地水域中航行的船舶,通常指PC1~PC5冰级的船舶。B类船系指除A类船以外的,被设计成能在一年及以上薄冰(可包括混杂老冰)的极地水域中航行的船舶,通常指PC6~PC7 冰级的船舶。C类船系指被设计能在开阔水域或冰况低于A 级和B级船舶适用的水域中航行的船舶。
        目前,极地船舶技术发展呈现出三大特点:
        一是在具备护航的前提下,冰区加强的船舶可季节性地在极区通航,因此在新船设计中,B类极地船(PC6、PC7)的冰区加强船型将成为重点优化方向。
       近几年,北极航线成功商业运行均是由PC6或PC7冰级的运输船扮演着主要角色。2009年8月,德国布鲁格航运(Beluga Shipping)使用重吊多用途船(GL E3=PC7)运送44件重大件从韩国蔚山经俄罗斯诺维港到达荷兰鹿特丹;2010年9月,挪威楚迪船运(Tschudi Group)的抗冰散货船运载41000吨铁矿石从挪威希尔科内斯港到达中国连云港;2010年9月,俄罗斯MMC NorikskNickle公司以15000载重吨集装箱多用途船(RMRSLU6=PC6)从俄罗斯杜金卡港运送集装箱到达中国上海;2013年9 月,中国“永盛”号货船(1AIceClass=PC7)也顺利完成东北航线的首航。
        二是运输船设计强调无冰(或薄冰)航行与破冰航行的经济平衡。自上世纪90年代以来,由于全回转推进技术的日益成熟和广泛应用,阿克北极设计公司投入力量研发基于吊舱应用而衍生出的双动技术。双动技术从船舶的机动性上看,传统轴系推进对于船舶航行方向的制约作用已几乎不复存在,这些制约作用主要来自轴系桨正倒车效率和碰冰损坏等问题;从动力形式来看,由于双动技术采用了电力推进,在遭遇严重冰情而导致螺旋桨转速下降时,扭矩特性明显优于传统柴油机推进。基于此技术成功开发的双动船型已在多型运输船(尤其是冰区油船)上得以应用,(见图8)。应该认识到,双动技术较好地融合了电力推进、全回转推进以及双向航行的设计技术,研发的初衷主要是为了协调破冰航行和敞水航行的线型差异所带来的经济性问题。需要指出的是,由于电力推进的二次能量损失和冰区吊舱设备的采购成本影响,双动技术在需要有破冰船引航、破冰等级较低的船型上较少采用,因此,未来低等级冰区加强型船型的轴桨推进技术仍将是研究重点。

图8  世界首艘双动破冰穿梭油船“Vasily Dinkov”号
        三是新型不对称专业破冰船型出现。由于专业破冰船的特殊功能和功率需求,破冰船不可能做得太大,特别是船宽对最大破冰功率的影响极大(传统船宽一般在20米左右),但是,随着船舶运输需求和航道港口的发展,需要破冰领航的船舶宽度已远远大于20米,这时需要两艘船同时进行破冰,大大提高了破冰成本。针对这种情况,新型不对称船体的专业破冰船得以应用。通过该船破冰时的斜向航行,破冰宽度大大提高,这种船型的出现是全回转推进技术和破冰船型技术融合的创新(见图9)。

图9  新型不对称船体专业破冰船
        四是合理确定极区航行季节和时间,采取适当的防冬化设计。在极区通行时,通常的船用设备系统都将经受严酷的环境考验,货物系统、甲板机械、系泊设备、救生设备及室外电器设备等均有不同的要求。防冬化设计与船舶的建造成本有非常密切的关系,特别是当航行时间越接近全年,成本增加的速度就越快,因此,对于全年航行在极区的船舶建造必须谨慎对待。
我国发展极地船舶的若干建议
        一是积极参与极地规则制订,加快推进我国极地船规范建设与研究;
        二是加快推进当前我国新一代破冰科考船项目,提供设计/ 建造/ 验船等方面的实际经验,时机成熟可建自有冰池;
        三是建立健全极地航运市场的设备配套及相关规范标准;
        四是大力培育富有经验的极地船舶操纵和管理人员,努力形成适用于我国成熟的极地航行操作指导书;
        五是重视非冰级船舶升级到冰级船舶的改装技术,同时关注核动力破冰船的发展;
        六是不断完善我国北极航线的气象与保险服务,同时加快北方港口设施和物流建设。
        地球两极虽存在气温极低、冰块杂多、天空昏暗、距离遥远、操作不便、难以救援、环境脆弱、政治敏感等风险,但由于诸多因素,现已成为“必争之地”。为此,我国有关部门需尽早认知、熟悉并善加利用,有效地降低潜在风险,因为只有消除潜在风险,未来的极地才能成为我们真正的“聚宝地”和“黄金航线”。
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