新型动力装置将助力北极航道商业化运营

中国船级社 辛吉诚

新型动力装置将助力北极航道商业化运营

中国船级社 辛吉诚

2017年国际海事组织《极地水域船舶航行安全规则》的生效让北极航道的开通成为了全球航运业关注的焦点。从地理位置上来看，与经马六甲海峡、苏伊士运河、直布罗陀海峡的传统东西方航道相比，船舶经北冰洋航行到达欧洲或美洲，总航程大约6700海里，耗时约22天，平均航程缩短了近3000海里，航行时间有望缩短9～10天，理论上不仅能够为船东和货主节约不菲的燃料开销，还能从整体上提升海上货运效率。与此同时，航行在北极海域内的商船能够避开目前长期困扰航运业的东南亚与索马里地区海盗的威胁。随着未来全球范围内气候变暖可能引发的北极冰川的进一步消融，未来北极航道的商业化运营价值将不断提升。

尽管与传统东西方航道相比，北极航道在总航程与航行时间方面拥有一定优势，然而北极海域内所特有的严寒却给未来北极航道的商业化运营增加了不小难度。通常而言，北极地区海域气温常年都在零度以下，即使是在7～9月的夏季，北极圈内的气温也只有-3至-5℃。低温对于船舶动力装置热效率的影响，在很大程度上可能成为未来北极航道商业化运营过程中最大的障碍，这种影响主要体现在以下几个方面。

首先，为避免船底海水吸口、甲板管系、通风开口、压载舱透气管、甲板液压动力装置、船员房间以及部分重要的压载舱与货舱内货物在低温环境下由于冰冻而损坏，进而危害船舶与货物安全，航行于极地海域的船舶都需要配备额外的加热与除冰设备，以维持船舶在极地海域内的正常运营。这些额外的供热需求将直接增加航行于北极海域内船舶的总能耗。其次，受低温影响，北极海域内的冰情通常都会比较严重，即使在夏季海面都可能存在3～4成的浮冰，船舶航行过程中受浮冰冲击而产生的额外阻力将在一定程度上增加船舶对于推进功率的需求，进而增加船舶总体能耗。与这些因素相比，由北极海域内的低温环境而引发的船舶发动机整体热效率下降对于航行在北极海域内船舶能耗的影响最为直接。据不完全统计，在冰情良好的夏季且有专业破冰船开道的前提下，船舶在北极航道内航行时每天将至少增加13%～15%的燃油消耗。从这个角度来看，北极航道对于船舶燃料的额外需求很可能会抵消其在总航程与航行时间方面的优势。

极地海域内特殊环保要求的持续升级也将在一定程度上增加未来北极航行船舶的运营成本。北极海域特殊的环境条件决定了其海域内的物种相对单一，整体生态环境更为脆弱，对于船舶防污染性能的要求也更高。根据国际海事组织关于指定南极区域作为特殊区域的1990年修正案(MEPC.42(30)决议)的规定，南纬60°以南的海域属于MARPOL公约规定的特殊排放控制区域，在该区域内航行的船舶不仅不允许排放任何油类或油性混合物，也不允许使用重质油类作为燃料。而根据欧洲议会网站的报道，2017年1月31日，欧洲议会外交与环境委员会以绝对优势通过了一项将禁止船舶在北极海域使用重质油的决议。欧盟在其法令草案中不仅禁止船舶在欧盟国家管辖的北极海域内燃烧重油，也不允许在北极海域内航行的船舶装载重油。这意味着未来经北极海域航行的船舶在离开欧盟管辖的北极海域后如果无法及时找到加注重油的港口，就不得不继续燃烧在北极海域内使用的价格昂贵的轻质油，这将进一步推高未来北极通航的成本。从这个角度来看，船舶动力装置经济性方面的突破将成为未来北极航道能否顺利通航的关键。

与蒸汽轮机20%的热效率和燃气轮机40%的热效率相比，柴油机在正常工况下运转的热效率通常都能达到45%以上，采用增压技术的大型低速柴油机的理论热效率能达到56%，远高于其他型式的动力装置。同时与价格昂贵的轻质燃料相比，重油高热值、低价格的特点能够精确匹配海上货运船舶对于动力装置经济性的需求。随着二战后柴油机技术、特别是低速二冲程柴油机技术的迅速发展，柴油机与重油凭借其出色的经济性能逐渐成为民用船舶的标配。然而在北极航道内，特有的严寒天气与严苛的环保要求限制了柴油机与重油经济性方面优势的充分发挥。相比之下，气体燃料动力装置与核动力装置似乎更能匹配北极航道对于船舶动力装置的需求。

与含有酸性杂质的、低温状态下为粘稠液体的燃油相比，在环保性能方面更具优势的天然气无疑更容易匹配北极海域内严苛的环保要求。无论采用何种型式的原动机，天然气在燃烧过程中相对燃油而言至少能够减少90%以上的氮氧化物与硫氧化物、70%以上的二氧化碳与60%的颗粒物排放，且燃料意外泄漏后对于周边环境的潜在不良影响也远低于燃油。北极海域特有的低温环境也在一定程度上弥补了天然气作为船用燃料的劣势。受目前技术条件的限制，无论是燃烧天然气的锅炉还是气体燃料发动机，在总体热效率方面都难以与柴油机匹敌，然而航行于北极航道的船舶，对于热量的额外需求能够在很大程度上解决船上废热难以充分利用的问题，在一定程度上平衡气体燃料动力装置总体热效率偏低的缺点。与此同时，天然气燃料在船上通常会以液体方式储存，无论采用降温还是加压的方法进行液化，都无法完全避免燃料在船舶航行过程中的气化问题，这些在船舶航行过程中蒸发的气体燃料（BOG）不仅会增加燃料额外的损耗，还可能导致船舶航行过程中燃料舱内部压力升高，甚至燃料泄漏，危害船舶航行安全。而北极海域内特有的低温环境能够最大限度地减少液化天然气燃料在船舶航行过程中的蒸发，提升船舶营运过程中总体的经济性与安全性。更为重要的是，如果未来北极海域内全面禁止燃烧重油，天然气在价格方面与轻质燃油相比无疑更具优势。这将在很大程度上提升以LNG为代表的气体燃料对于航运业的吸引力。

与常规的内燃气相比，核动力装置强大的单机功率与低廉的营运维护成本在一定程度上也能匹配未来极地航行船舶对于动力装置性能的需求与极地海域特殊的环保要求。核动力装置本质上是一种蒸汽轮机动力装置，由核反应堆代替锅炉产生高温高压的蒸汽驱动透平做功，为船舶推进提供动力。未来核动力极地航行船舶动力装置的配备可能会有两种型式。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。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，由此而引发的船舶机动性问题对于未来极地航行船舶而言显然是一个隐患。随着近年来电力推进技术的不断发展，以低压蒸汽透平驱动发电机的透平-电力推进系统是未来极地航行核动力船舶动力装置的另一种可选模式。与主透平直接驱动船舶推进器的模式相比，透平-电力推进系统的总体热效率更高，船舶本身的机动性与推进冗余度也更好。从目前全球范围内已经服役的核动力船舶的实际运行情况来看，未来的民用核能船舶在整个生命周期内无需添加核燃料，这将进一步提升核动力船舶在极地地区航行的经济性与安全性。同时，采用核动力装置的船舶基本不存在发动机排放方面的问题，相对常规动力装置船舶而言，更容易满足极地海域严苛的环保法规要求。目前全球范围内绝大多数破冰船都采用了核动力装置，也从另一个侧面说明了此类动力装置在极地海域内的优势。

然而与燃油相比，无论是气体燃料动力装置还是核动力装置，运用于航运实践时都会存在额外的安全风险。船上气体燃料通常以低温液体的型式储存，一旦发生意外泄漏将直接导致其附近的船体结构与设备在极端低温下失效，随后蒸发的可燃性气体与空气混合达到一定比例后，一旦遇到明火就会发生爆炸。而核燃料在使用过程中一旦泄漏，所产生的放射性污染在危害程度与影响范围上将远胜于燃油泄漏，1986年的切尔诺贝利事件与2011年福岛核电站事故对周边环境所造成的灾难性影响至今尚未完全消除。正是基于这些因素的考虑，目前全球范围内掌握气体燃料动力装置与核动力装置的国家并不多，不同国家和地区对于这些特殊动力装置安全标准的差异也在很大程度上影响了其在国际航运业的推广。

从技术角度而言，常规船舶动力装置的经济性与安全性正在成为制约未来北极航道商业化运营的瓶颈。而以气体燃料动力装置和核动力装置为代表的，能够匹配未来北极海域航行船舶需求的新型动力装置的推广也正在受到缺乏全球性统一安全标准的制约。不同国家政治经济与技术水平的差异决定了未来全球统一的新型船舶动力装置安全标准的形成还需要经历相当长的一段时间。在此期间，引入独立第三方的认证可能是解决新型动力装置在极地航运船舶上推广的方案之一。由相关主管机关都能够接受的独立第三方，根据相关国际和地区间组织都能够接受的安全标准，通过专业、公证的评估方法对采用新型动力装置的船舶安全水平进行评估后所出具的符合性证明文件，或将成为未来采用新型动力装置船舶从事国际和地区间航行的“临时通行证”。