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未来北极航道的船型
  2017-06-07

  北极海域内所特有的严寒、风暴与极昼极夜的环境特点决定了未来极地船舶将具有很多不同于目前国际航运市场上主流船型的全新特点

  据不完全统计,自2012年夏季开始平均每年通过东北航道的商船约有60多艘,通行时间主要集中在7月上旬至11月上旬。总体而言,北极航道作为连接亚欧交通新干线的雏形已经显现。然而,北极海域内所特有的严寒、风暴与极昼极夜的环境特点决定了未来的极地船舶将具有很多不同于目前国际航运市场上主流船型的全新特点。

  极地船舶设计的特点

  毗邻北极圈的俄罗斯在极地海域航行方面拥有非常丰富的经验。前苏联在上世纪80年代建造的一批极地船舶目前依然在北极地区从事货运,这些船舶有望成为未来极地船舶的雏形。这批极地船舶在布局上类似于干杂货船,沿船长方向布置有3~4个货舱,舱内可载运杂货,部分货舱可载运集装箱,舱口盖上也可载运集装箱。这批船舶根据载重量主要可分为两个系列。载重量2万吨左右、折合载箱量1200TEU左右的中型极地船舶,船长170米、型宽22米、设计航速在18节左右,基本采用柴油机动力装置推进,具备一定的破冰能力;载重量3.4万吨左右、折合载箱量2500TEU左右的大型极地船舶,船长260米、型宽32米、设计航速20节,受当时柴油机技术的限制,大多采用蒸汽轮机动力装置推进,一些船舶还采用核动力,破冰能力较强。

  北极圈内复杂的气象条件与极昼极夜的特点给船舶航行过程中的瞭望增加了不小的难度,为确保航行安全,未来的极地船舶很可能会选择将驾驶室布置在船首。相对于绝大部分将驾驶室布置在船尾的设计方案相比,首驾驶舱的设计将减少船舶前进过程中的驾驶盲区,有利于船员在恶劣的天气下对冰情进行观察,缩短船员到达船首锚机所需要的时间,对于确保船舶航行安全有着非常重要的作用。与此同时,将驾驶室设置在船首的方案可以让船舶甲板货物的装载不受驾驶盲区的限制,增加甲板载货数量,提升船舶的综合经济性。对于采用核动力的极地船舶而言,前置驾驶室的设计方案还能够有效地减少船员在船上受到的核辐射。然而由于船舶机舱不可避免地需要布置在船尾,因此将驾驶室设计在船首的方案将导致船上管系与电缆的数量显著增加,由此而导致的空船重量增加与建造成本的提升将在一定程度上抵消由此带来的优势。另外,极地海域内特有的严寒与暴风天气决定了相对于装载在货舱内的货物而言,那些装载在露天甲板上的货物更容易发生货损。因此,绝大部分航行在北冰洋内的船舶都不会选择装载甲板货。

  目前助航设备的迅速发展也让未来极地船舶继续保留后驾驶舱的设计成为了可能。与将驾驶室整体迁移到船首的方案相比,未来船员完全可以通过安装在船首的高清摄像头观察浮冰的状况。

  与前置驾驶舱的设计方案相比,双壳结构将成为未来极地航行船舶的标配。双壳结构能够有效地减少船壳由于受到海冰冲击而破损的风险,提高船舶遇险后的生存能力,还能对油舱等破损后容易发生污染事故的部位进行特殊的保护。受破舱稳性衡准的影响,未来1万DWT以下级小型极地船舶的双舷侧部分可能全部作为压载舱或隔离空舱,而1万DWT以上级中大型极地船舶的双舷侧空间通常会采用下部作为压载舱,上部作为甲板下通道的布置方案。对于油轮、散货船等载重型船舶而言,实际营运过程中的空载航行将是难以避免的,需要大量的压载水以确保船舶空载航行时的稳性,此时压载舱内的加热设置就显得非常必要了。不过,从目前经北极航道运输的货物类型来看,未来北极航道航行的载重型船舶不会太多。

  在推进器方面,导管螺旋桨也将成为未来极地航行船舶的标配。对于推进效率要求较高的船舶都会选择螺旋桨的周围增加一圈导管,使得推进器附近的伴流集中,提升整体推进效率。通常情况下增加导管后的螺旋桨能够在同样的尺寸下增加30%左右的推力。导管螺旋桨的这一特点对于极地航行船舶而言具有非常重要的意义。一方面,极地海域内特有的大范围浮冰为船舶航行增加了额外的阻力,而增加导管后的螺旋桨所获得的额外推力能在一定程度上增加船舶推力,克服额外阻力对于船舶航行速度的影响。另一方面,导管能够有效地保护螺旋桨叶梢在船舶轻载航行时不至与周边的浮冰发生碰撞而损坏,提升船舶在极地航行的安全性。通常情况下在拖轮、渡轮等小型船舶上采用导管螺旋桨的成本与技术难度都不是很高。然而对于螺旋桨尺寸较大的大型船舶而言,过于笨重的大型导管在制造成本与安装的工艺性方面都会存在较大的难度。因此,这类船舶将更倾向于选择通过调整浮态的方式避免螺旋桨在转动过程中受到浮冰的影响。

  是否需要具备破冰能力是未来极地航行船舶设计方案中最大的悬念。一般来说,自身具备破冰能力的船舶在极地海域内航行时受天气和冰情的影响较小,理论上能够实现全季节通航,且航行过程中无需雇佣专业破冰船开道,在极地海域内可航行的时间长,航行总成本相对较低。然而具备破冰能力的货船建造难度较高,初始投资较大。与此同时,船舶破冰需要专门的操作技巧,船舶营运过程中的管理也更为复杂,对于缺乏极地海域航行经验的船员团队而言,单独驾驶破冰船在极地海域内航行的风险很高。相对而言,采用专业破冰船开道的模式在北极航道运营初期的实践性更强。这主要是由于对于非极地国家的船员而言,北极航道是非常陌生的海域,在海面浮冰密度较大的情况下,有专业的破冰船引导将大大降低船舶操作的难度与船员的心理压力。与此同时,在破冰船开辟的航道内航行的模式能够有效避免船体受大块浮冰的撞击,提升船舶在极地海域航行的安全性。更为重要的是,一旦船舶在北极航道内发生险情,开道的破冰船能够提供及时而专业的应急,大大提升船舶在北极航行的安全性。因此,目前航行在北极海域内的大部分船舶都采用了雇佣专业破冰船开道的运营模式。

  极地船舶动力装置的选择

  从技术角度而言,与目前民船常用的柴油机动力装置相比,核动力装置似乎更能匹配未来极地航行船舶的动力需求。核动力装置的本质是一种蒸汽轮机动力装置,以核反应堆取代主锅炉作为蒸汽发生源,以高温高压的过热蒸汽驱动蒸汽透平运转,进而带动船舶推进器推动船舶航行。与柴油机动力装置相比,蒸汽轮机动力装置在极地航行水域的优越性就非常明显了。蒸汽轮机强大的单机功率是柴油机所无法比拟的,目前最大的船用柴油机单机输出功率为80Mw,而蒸汽轮机可达300Mw以上,强大的单机功率足以提供极地航行船舶冲破冰层所需的动力。与柴油机相比,蒸汽轮机运用于船舶推进的历史更悠久,技术也更成熟。与将往复运动转化为回转运动的柴油机相比,直接采用高温高压蒸汽冲击透平叶轮做功的蒸汽轮机工作原理更为简单,连续稳定运转时间长,维护保养周期可达30个月以上。蒸汽轮机高度的可靠性也为船舶在极地海域安全航行提供了必要的保障。

  与采用燃油的常规动力装置相比,核动力装置在极地航行船舶方面的优越性也是显而易见的。首先,与使用矿物燃料的常规动力装置相比,核动力装置在运行过程中基本不会产生大气污染物,是一种非常清洁的能源型式,很容易满足目前国际海事法规关于船舶污染与能耗的严苛要求。其次,核燃料的能量密度远大于常规矿物燃料,采用核动力装置的船舶在整个生命周期内通常无需添加燃料,这将为船东节约大量的船舶维护保养时间与成本,提高船舶在航率,从整体上提升船舶的经济效益。更为重要的是,核动力装置巨大而廉价的能源供应能够有效地解决目前民用船舶在极地海域内航速过低的问题。航速的提升将有有助于船舶以尽可能快的航速通过航行风险较高的极地水域,进而从整体上降低船舶在极地航行期间发生事故的风险,并在一定程度上提升极地航道的综合竞争力。极地航道特有的环境条件也将核动力装置在常规海域低效率的缺点转变成了优点。与柴油机动力装置接近56%的热效率相比,蒸汽轮机不到20%的热效率在常规民用船舶领域毫无竞争力。然而航行于极地海域的船舶对于全船热量供应的持续性需求将大大提升蒸汽轮机动力装置在极地海域的综合热效率。采用柴油机动力装置的船舶发动机所排除的废热有限,通常情况下还需要消耗额外的电力对船上的关键设备进行加热以确保其正常运行。而对于采用核动力装置的船舶而言,驱动蒸汽透平做功后的乏气即可用来进行加热,无需再消耗额外的燃料。与常规的柴油机动力装置相比,核动力装置在极地海域高效率的优势是显而易见的。

  随着近年来船舶动力装置技术的不断进步,未来极地航行船舶动力装置的配备可能会有两种。以高压蒸汽透平直接带动螺旋桨推动船舶航行的动力装置方案很可能成为未来极地航行核动力船舶动力装置的首选方案。蒸汽轮机动力装置运用于机动船舶推进的历史最为悠久,技术相对成熟,总体可靠性很高,当船舶采用核动力时也不存在燃料成本过高的问题。蒸汽轮机在机动性方面的缺陷将成为其未来在极地航行船舶上运用的最大短板。极地海域冰情复杂,船舶航行过程中经常需要避让大块的浮冰,这对于船舶的操纵性能提出了更高的要求。然而蒸汽透平的工作原理决定了其换向时间过长的问题始终难以解决,这对于未来极地航行船舶而言显然是一个安全隐患。以低压蒸汽透平驱动发电机并以电力提供船舶推进的新型电力推进模式是未来极地航行船舶动力装置的另一种模式。与大功率的主推进蒸汽透平相比,驱动发电机的蒸汽透平无需能量过大的蒸汽,因而整体热效率较高。多台发电机并车供电的模式相对于单一的主推进透平而言在推进冗余度方面显然更具优势。与此同时,无论采用吊舱式推进还是电机直接驱动螺旋桨的推进模式,相对由蒸汽透平与柴油机直接驱动的推进器而言都拥有更好的机动性。蒸汽透平电力推进装置的这些优势对于提升船舶在极地高风险海域航行的安全性而言具有非常重要的意义。与常规船舶动力装置相比,核动力船特有的安全风险导致了船舶建造的初始投资不会很低,这也将在一定程度上掩盖船舶采用电力推进系统初始投资过高的问题,促进未来蒸汽透平电力推进装置在极地航行船舶上的推广。

  公众对于核燃料泄漏后放射性污染的恐慌是导致核能无法在航运业中推广的最主要原因。尽管半个多世纪多个国家在军事领域的实践已经充分表明了只要严格根据规章进行操作,核动力装置的故障率明显低于常规动力装置,总体上而言是非常安全的。然而由1986年的切尔诺贝利事件与2011年福岛核电站事故所造成的灾难性后果所引发的国际社会对于核动力装置的质疑,始终影响着各国政府对于核动力装置推广的决心。与陆上相比海上环境更为恶劣,核燃料在事故中发生泄漏的可能性更高。如何有效地防止事故后的核燃料泄漏,建立全球民众,特别是北冰洋沿岸国家对于核动力装置安全性的信心,是为未来核能在航运业中广泛采用之前必须解决的问题。核军事技术的保密性要求与核能船舶相应法规的缺失是制约核能在航运业中广泛采用的另一个重要原因。核动力装置的特点决定了其具有非常重要的军事价值,掌握该项技术对于提升国家军事实力与维护国际地位有着无可替代的作用。目前全球范围内掌握核动力装置技术的国家只有6个,且核动力设计标准主要由相应国家的军队掌握。不同国家国情与工业水平的差距决定了其核动力船设计与建造的标准也不尽相同。对于在国际航行领域拥有豁免权的军舰而言,这种设计和建造标准上的差异不会存在太大的问题,然而对于从事商业航行的民用船舶而言,从事国际贸易运输的核动力船很可能由于两国法律与设计标准的差异而被拒绝入港。尽快建立全球范围内统一的核动力船设计、建造与检验标准也是未来核动力运用于极地航道的前提之一。

  极地船型的发展趋势

  从目前北极航道的发展趋势来看,集装箱、能源与干杂货将成为未来经北极航道运输的最主要货物,因此多用途船、集装箱船、油轮、LNG船将成为未来极地海域内的四大主力船型。目前欧亚与欧美贸易货运中机械设备和工业制成品占据了绝大多数,因此未来第一代极地船舶可能是一种类似多用途船的船型,船长可能会控制在200米以下,最大载重量在2万吨左右。随着未来北极航道内货运数量的持续增加,极地航行船舶的船长将逐渐增加到250米左右,最大载重量可达到3万吨。对于未来的极地集装箱船而言,主尺度自然是越大越好。一方面,极地海域的特殊环境要求船舶配备更多的安全设备,船身空间越大,设备的布置就越方便;另一方面,与常规海域相比极地海域的运输成本依然偏高,而大型船舶的规模优势将有助于降低单位货物的运输成本,从整体上提升极地运输的综合竞争力。

  然而,极地海域内特有的低温对于钢材韧性的影响,在很大程度上制约了未来极地集装箱船船长和船宽的增长。集装箱船所特有的大开口结构型式决定了其甲板位置承受总纵强度的能力受到了很大的制约,在实践中需要采用厚板作为连续的舱口围板对船体梁上部的强度进行补充。与常规集装箱船相比,航行于极地海域的集装箱船位于露天位置的甲板与舱口围板在低温环境下更容易发生脆裂,危害船舶安全。与此同时,型宽越宽的集装箱船在风浪中舱口位置的变形越明显,在交变载荷作用下开裂的可能性也越大,维持货舱内气密的难度也越高。因此,在目前的船用材料与造船技术取得实质性的突破前,极地航行的集装箱船能够增加的就只有型深了。然而,受集装箱最大堆装高度与港口桥吊高度的限制,未来极地集装箱船在型深方面的增长潜力也十分有限,预计只能在现有基础上最多增加6~7层集装箱的装载量,总载箱量只能提升30%左右。从这个角度来看,未来北极集装箱运输线与常规集装箱运输线的博弈还将延续相当长的一段时间。

  与干杂货运输相比,极地海域内特有的低温对于原油和天然气的海上运输极为有利。原油中所溶解的石油气和轻质烃类在海上运输的过程中极易逸出,通常情况下环境温度越高所挥发的石油气和轻质烃类越多。为防止货舱超压,船舶在海上航行的过程中这些价格昂贵的石油气与轻质烃类只能通过货舱的透气阀排放掉。而对于常压下在-173℃才能液化的天然气而言,避免运输过程中气体挥发的难度更大。目前的液化天然气船(LNG船)只能通过将货舱挥发出的气体作为船舶燃料或通过再液化装置将其重新转化为液态运输,实践中这两种做法的成本都不低。而极地地区所特有的严寒气候能够将石油与天然气在运输过程中挥发处气体的数量降到最低,经济优势非常明显。

  从地理位置上来看,目前除中俄能源贸易能够大规模使用管道运输的模式以外,俄罗斯出口到日本、韩国以及东南亚市场的石油和天然气选择走北极航道的可能性很大。以东北航道为例,目前能源运输已占据其货品运输总量的70%。

  从目前已探明的全球天然气资源分布的情况来看,俄罗斯境内与俄罗斯实际控制的北极圈境内所蕴藏的天然气资源总量最为丰富,预计到2030年,俄罗斯出口到远东地区的天然气总量将有望突破1000万吨,因此未来北极航道天然气运输市场的前景非常可观。未来极地LNG船很可能以目前国际航运市场上常见的薄膜型或MOSS型LNG船作为母型进行设计,水线部位的船体结构将会采取特殊的加强措施以抵御极地海域特有的浮冰对于船体结构的冲击,在甲板与舷侧区域也会增加相应的防冻与除冰设施以确保船舶在低温环境中航行的安全性。由于低温环境下货舱内挥发的货物蒸汽数量将非常有限,再液化的总体成本较低,因此极地LNG船无需像常规LNG船那样采用货物蒸汽作为燃料。与其他类型的极地船舶一样,动力装置依然是未来极地LNG船的最大悬念,常规的燃油或气体燃料在极地海域内显然是不经济的,而将核动力装置安装在风险性较高的LNG船上还需要经过长期的方案与实践论证。因此,尽管未来的北极能源运输通道存在诸多先天性优势,但形成规模化运输依然需要相当长的时间。

 
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