【信息平台】谁是极地船舶的未来之星

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与传统经苏伊士和巴拿马运河连通亚洲、欧洲与美洲的航道相比,经行位于高纬度地区的北极航道使得从亚洲东部到达欧洲西部的航程更短,且能够避开东南亚与索马里地区海盗的威胁。随着未来北极冰川可能发生的进一步消融,北极航道开发的商业价值将日趋提升,而船型的选择也成为热点话题,那么——


□ 特约记者 辛吉诚


日前,有关机构公布数据,目前每年通过北极航道的商船约60多艘,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极地船舶将不同于国际航运市场的主流船型。


1.

设计:驾驶室前置抑或后置


有业内人士认为,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。


另外一个观点认为,目前助航设备的迅速发展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。


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。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。


2.

动力:核动力装置成首选


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须添加燃料,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,无须再消耗额外的燃料。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。不过,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。


3.

船型:四大主力船成趋势


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,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。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。


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船无须像常规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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