极地航行船舶电气设计和设备配置特殊性研究

陈卫宝

(中国舰船研究设计中心，上海 201108)

极地航行船舶电气设计和设备配置特殊性研究

陈卫宝

(中国舰船研究设计中心，上海 201108)

从极地航行船舶所在的环境状况入手，分析了低温、冰况、船上结冰、高纬度、极昼极夜对船舶航行安全和使用造成的影响，提出相应的应对方案和措施来减少和消除由此带来的影响，研究极地船舶在电气设计和设备配置的特殊性，对极地航行船舶电气设计具有一定的指导作用。

极地船舶；低温环境；电气设计；防冻除冰

0 引 言

南极和北极资源丰富，地理位置独特。目前，伴随着全球气候变暖，南、北极科学奥秘和环境资源价值被不断揭示，极地区域的国际战略地位迅速提升，世界有关国家围绕极地和海洋权益争夺已呈现日益加剧的态势。未来全球对极地船舶的需求会越来越大，对极地船舶性能的要求也会越来越高。极地航行船舶相对于常规船舶，从船体结构、船舶推进到设备配置等方面，都存在较大差异[1]，本文主要从电气设计及设备配置角度研究其特殊性。

1 极地航区环境状况分析

与传统船舶相比，极地船舶最大的特点在于其使用环境的特殊性[2]，极地船舶电气设计和设备配置需考虑以下环境因素的影响。

1）低温。北极冬季的平均气温介于–20 ℃～–40 ℃，而最暖的夏季平均气温为–8 ℃，南极各个季节的平均气温将比北极相应低20 ℃。在低温区域或季节操作的极地船舶应考虑暴露结构、设备和系统遭受的环境温度，并采取适当的保护措施，以确保船舶及设备在极地服务温度环境下的操作能力。

2）冰况。冰层的厚度直接影响船舶的航行，造成动力损耗并可能危及船体结构。根据成冰情况可分为流冰、一年冰、陈年坚冰，根据冰层厚度，不同船级社的划分类似而略有不同。冰区所特有的冰山现象更是在航运史上造成过诸多重大海难事故，大范围冰区可能导致船员患上雪盲症。

3）船上结冰。在可能发生结冰区域和时期内操作的极地船舶应考虑暴露结构和设备表面的积冰，采取防冻除冰措施以消除积冰对船舶稳性和船上设备及系统的影响。

4）高纬度。南北极处于地球两端纬度最高区域，当前全球海事数字通信系统尚未覆盖极地水域，导致与全球海事数字通信卫星相关的通信设备在纬度80°及以上区域出现信号不稳或中断现象。另外高纬对船上磁罗经使用影响较大。在高纬度区域（80°及以上）应配备适合高纬度海区使用的通信导航设备。

5）极昼极夜。北极极昼在春分时节开始，至秋分时节结束，在北极地区夏季航行基本是极昼时段，若9月底仍在航，则可能遇到极夜情况。南极也同样出现，不过它出现的时间与北极正好相反，即北极若处于极昼，南极为极夜，反之亦然。极昼/极夜将影响人的生物钟生理运行情况，也影响到视线范围。极夜导致能见度持续不良，影响安全航行，极地船舶应考虑适当的附加照明配备，如探照灯。极昼使得白天时间变长，导致船员疲劳和冰区值班人员眼睛影响，应采取措施，以避免船员工作效能的影响。

2 极地环境对船舶电气设计的影响及应对措施

2.1 低温对柴油发电机组进气影响及应采取的措施

通常，因发电机从机舱吸入燃烧空气，进气温度不会太低。当外界气温低至–30 ℃甚至更低时，船舶机舱将无法保证适宜的舱内温度，此时发电机从机舱吸入燃烧空气温度较低。

柴油机进气温度过低可能会引起压缩混合气无法自行点燃，导致发电机起动失败。此外低温空气具有较高的比重，可能导致增压器喘振，过多的燃烧空气可能导致气缸超压、发动机超负荷。此时需要在辅机舱配置加热设施，如采用舱内加热或对柴油机的进气进行预热，同时逐步关闭可调节的防火风闸至较小的流通面积以防舱内热空气过多散失。

2.2 冰况对柴油发电机组冷却水系统的影响及应采取的措施

冰区操作的船舶，若未采取特殊布置，冷却海水进口容易遭受海冰堵塞，因失去冷却水导致发电机组停止工作进而极有可能引发船舶搁浅等海上事故。在设计时需从冷却水系统的布置、构造、加热三方面采取措施防止堵塞。

1）布置。海水门和海水舱布置应考虑船线型和船的尺度（如传统破冰的货船在船尾舭部下方很少见到冰），应尽量布置在船低位处，并远离冰带水线；使用挡板、围堰、滤器和其他措施把水和冰隔离开来；冷却系统的热水回路注入加热。

2）构造。海水门顶部应尽可能高，引至海水舱的管路进口应尽可能低布置；应有手动除冰措施；海水舱至少可以从2个独立海水门引水。

3）加热。海水门和冷却水吸入口应考虑除冰措施，可采用蒸汽除冰系统、热水除冰、海水门和海水舱内布置热油加热盘管。

2.3 低温对蓄电池的影响及应采取措施

蓄电池的容量受温度的影响很大（见图1），温度低时，可输出的容量较小，蓄电池室的环境温度一般在5 ℃～30 ℃范围较适宜。对于极地航行船舶存放蓄电池的舱室内应设有保温措施，蓄电池室加热可采用机械通风送入加热后的空气、采用蒸汽加热设备或相邻舱室加热等措施。

图1 蓄电池放电容量与环境温度关系曲线Fig. 1 Battery discharge capacity and environmental temperature curve

2.4 冰况对蓄电池的影响及应采取措施

蓄电池室应有独立的机械通风或自然通风装置通向露天，出风口应在顶部，冰或雪的积聚可能会阻碍蓄电池室的通风管道，使得蓄电池释放的爆炸性气体聚集在房间内无法消散。

因此，设计时应考虑通风口的布置设计，同时适当考虑配有加热除冰措施。

2.5 低温对外部敷设电缆的影响及应采取的措施

目前常用电缆护套耐低温为–25 ℃，当电缆护套温度低于–25 ℃时，如遇外力（极地航行船舶在冰况中冲击振动较大），电缆外护套会脆化导致破裂，影响电缆使用寿命。

对于已设计好的非极地船舶偶尔去极地，露天外部电缆必须有保护措施，如采取电缆固定、电缆外护套包裹等，防止受外力影响。此外电缆应尽可能一直通电，使其表面维持在一定的温度。但若长期在极地环境下使用，将会对电缆使用寿命产生影响。

对于新设计的极地船舶，考虑采用特殊材料制成的耐低温外护套电缆。目前在陆地上使用的耐低温电缆相关技术已经成熟，但国内舰船用耐低温电缆在工程上还未应用，若有需求，只需采用耐低温材料即可生产。相比普通电缆，耐低温电缆的主要区别是外护套材料差异，价格稍贵些。此外在露天甲板敷设的电缆应采用金属管子和管道或电缆槽保护，并应具有泄放冷凝水的布置。

2.6 低温和结冰对外部照明灯具的影响及应采取的措施

外部照明灯具主要包括舱壁照明灯、甲板探照灯/扫海灯、航行信号灯。目前灯具按照中国船级社《钢制海船入级与建造规范》规定制造，普通灯具一般在–20 ℃以上能正常工作。

外壁照明灯、探照灯/扫海灯、航行信号灯等目前是以卤钨灯、汞疝灯和LED为光源，这些光源的灯具在–25 ℃下都能点亮，在没外部挂冰情况下，不影响使用。在外部挂冰情况下，外壁照明灯应该不会影响产品的照明功能，探照灯和扫海灯点亮后，由于灯具功率大，灯具表面温度会很快上升，很快能除掉灯罩上的冰。航行信号灯，由于功率相对较小，灯具表面温升较慢，需要较长时间才能消掉灯罩上的冰，解决办法是提前开灯或在外部增加发热装置。LED光源要在–30 ℃下正常点亮，还需考虑选用耐低温性能的元器件。对于在更低温度下使用，则考虑选用新研制的灯具，目前相关灯具厂家正在从事相关研究。

2.7 低温对其他舱外设备的影响及措施

配电和控制相关设备尽量安装在室内，但对于特殊情况需安装在露天甲板和低温处所的设备应设置防冷凝装置，应通过配备加热元件来实现。如为考虑操作的方便性，安装在露天甲板的控制箱一般安装在被控设备的旁边，此时应设置防冷凝装置。

2.8 低温和结冰对驾驶室设计的影响

由于极地船舶外部环境温度较低，为保证驾驶室内有个相对稳定的温度环境，极地船舶驾驶室需采取全封闭设计。考虑到航行冰况环境复杂多变，驾驶指挥人员须从驾驶室获得全方位的视野，驾驶室设计时应考虑能提供清晰的前后视域。此外，驾驶指挥位置的玻璃应具有充分除冰措施，从室外有效清除融冰、冻雨、雪、水气和溅水，以及从室内有效清除积聚冷凝水的装置。清除室外一侧玻璃窗水的机械装置，其机构应受到保护，以防冻或积冰妨碍其有效操作。

2.9 高纬度对舰船消磁系统影响

当舰船航行于极地区域，遭受剧烈冰块冲击震动和巨大风浪，舰船固定磁性将会发生变化。当舰船长期航行于一个地区而突然转移到另一个地区航行时，由于地球磁场有了显著变化（极地区域磁场强度增大），舰船固定磁性也会有明显变化。相比其他区域航行的舰船，极地航行舰船将可能缩短去消磁站进行固定消磁的周期。此外，在设计时应适当考虑敷设用于专门抵消固定磁场的绕组。

2.10 电加热系统设计

对极地船舶而言，船上结冰对设备正常运行和船舶安全航行带来较大的考验。由于船舶设备的失效会严重影响船舶航行的安全，所以一些船级社推出了相应的船级符号，如国际船级社IACS提出的船级符号PC1～PC7级[3]，此外相关船级社提出了防冻除冰的要求和措施，如挪威船级社的WINTERIZED BASIC和DEICE[4]。根据冰区航行船舶相关规范的要求，海底门、进风口、部分或完全暴露于冰带水线以上的油水舱、居住处所、服务处所、机械处所，上层建筑外围窗户、外围门、逃生通道、露天设备，露天管路等都需要有防冰冻措施。电加热方式是其中一种最常用的防冰冻措施。极地船舶电加热系统主要包含了电伴热系统，油水舱透气帽电加热系统，舱室加热系统（含卫生单元地热），室外设备加热系统，以及天线加热系统。考虑到极地船舶加热的重要性，给电加热系统供电的变压器采用双变压器冗余设计，设计时所有的加热配电柜及分电箱馈电开关都应配置脱扣监测报警功能，负载开关因接地故障或过载脱扣时，配电柜或分电箱报警并将报警信号输送至船舶管理系统，起到预警作用，确保极地低温航行的安全。

2.11 其他

1）电站容量

考虑到极地船舶舱内舱外需安装大量的防冰除冰系统和设备，对电能需求较大。设计时，电站要考虑留有适当的余量，以便满足后续船舶加改装的电能需求。

2）冲击振动要求

军用舰船规范要求已考虑设备的振动冲击要求，在设计极地舰船时可无需再考虑。但对于民用船舶，由于相关规范对设备的冲击振动未作具体要求，设计时应考虑船舶上的设备在冰况下的冲击振动要求。

3 结 语

从极地船舶所航行的环境状况分析着手，围绕船舶航行和人员使用安全这个宗旨，针对其环境特殊性给船舶电气设计和设备配置带来的影响，提出应对方案和措施，从而说明极地航行船舶电气设计和设备配置的特殊性，为极地船舶电气设计与研究提供指导。

[1]中国船级社. 极地船舶指南[S]. 北京: 中国船级社, 2016.

[2]杨森, 顾洪彬. 冰区加强型油轮电气配置特殊性研究[J]. 船舶与海洋工程, 2015, (4): 61–64.

[3]IACS UR I Requirements C oncerning Polar Class[S]. IACS,2006.

[4]Rules for Classification of ships, Part 5 Chaper 1-Ships for Navigation in Ice[S]. Det Norske Veritas AS(DNV), 2012.

Research on the electrical design and equipment configuration for the polar sailing ship

CHEN Wei-bao
(China Ship Reaserch and Design Center, Shanghai 201108, China)

Starting from environment of ships sailing at polar areas,this paper analyzes the effects of low temperature environment, sea ice, ice on board, high latitude, polar day and night to the ship navigation safety and use; and propose the corresponding solutions and measures to eliminate and reduce the influence of the resulting; and studies the electrical design and configuration particularity of this ship type. This study may provide some guidance for the electrical design of ships sailing at polar areas.

polar ships；low temperature；electrical design；antifreeze deicing

U676

A

1672 – 7649(2017)10 – 0144 – 03

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.10.028

2016 – 11 – 02

陈卫宝(1986 – )，男，硕士，工程师，主要从事舰船总体设计与研究工作。