破冰技术的重大突破

数十年来,芬兰一直在破冰船技术方面处于领导地位,不断设计与建造出既能破冰又能突破性能壁垒的破冰船。目前他们所交付的船舶实现了更高的性能和效率,同时新增一项创新技术:北极星号是世界上首艘由液化天然气作为燃料提供动力的破冰船。

Aker Arctic Technology 公司与FTA( 芬兰运输局)达成了新型船舶(船名北极星号)的设计合同。Mika Hovilainen 负责北极星号项目的概念研发。

该项目旨在研发适合在波罗的海海域最恶劣环境条件下航行的破冰船。

“该项目旨在研发出适合波罗的海海域最恶劣环境条件的破冰船,”Hovilainen 说道。在波罗的海以北的波的尼亚海湾,冰层的最大厚度通常高达1 m,仅次于北极冰层。Mika 说道,问题主要来自盛行风,盛行风将推动冰层流向芬兰海岸,形成所谓的“冰脊”。尽管在实际中北极冰层的厚度通常是波罗的海的两倍,但是冰原与冰脊一样令人生畏。

在北极星号之前,瑞典和芬兰政府还曾于20 世纪70年代建造过多艘重型船舶,也就是现在所谓的Urho级船舶。芬兰Urho 和Sisu 破冰船对于长期生活在赫尔辛基海滨城市的居民而言并不陌生,与此同时,瑞典巨型船舶Atle、Ymer 和Frej 正在波罗的海北部的吕勒奥正常服役。“这些破冰船在严苛的环境条件下,仍然具有最强大的功能以及最优良的性能,”Mika 说道。“目前北极星号旨在取代这些破冰船,而且其性能更加出众。”

与芬兰大多数破冰项目一样,北极星号项目的开发同样离不开国家的支持。Aker Arctic 公司与芬兰图尔库港口的ILS 船舶设计与工程公司展开合作,对替代型概念船舶进行评估,并在Archtech 的赫尔辛基造船厂完成船舶建造。

液化天然气的重大突破

那么,为什么是液化天然气?“液化天然气是最清洁的矿物燃料,政府有意建造更加环保的船只,”Mika 说道。“目前已经有一艘政府所属船舶芬兰海岸警卫队的海上巡逻舰Turva 开始使用液化天然气作为燃料。此外还有数个液化天然气码头项目尚处于研讨之中,显然易见,我们将有充分的机会为船舶加油。整体而言,液化天然气的物流运输在稳步改善。

随着ECA(排放控制区)在整个波罗的海海域生效,液化天然气使航行于该区域的船舶满足这些法规的规定,但是创新之路道通常曲折艰巨。“液化天然气增加了成本和设计复杂性,”Mika 说道。“例如,如何在船上安置大型储罐。”当产生相同的能量时,和燃油相比,液化天然气需要更大的储罐,并且这些压力容器占用的空间更多。“根据经验,液化天然气的储罐体积是燃油的四倍。”

尽管如此,但设计团队仍然成功地设计了大型储罐,同时只略微增加了船舶尺寸。解决方案是:“向上建造,而不是外扩,”Mika 说道。“这些纵向储罐是有史以来最大的,高达17.6 m,使得船舶能够在最苛刻的严冬条件下自主运行10 天左右。”Mika 说道。

“设计符合加油周期与船员更换周期需一致的要求,而这就是我们的目标,”Mika 说道。如有需要,北极星号还配备双燃料功能,在需要时使用燃油,提高自主机动性。“但是,预留了部分燃油箱以在燃油泄漏时回收燃油,所以燃油箱并不总是满的。”

即使在冰区航行时,北极星号破冰船具备众多功能,包括燃油回收,,紧急牵引、救援和救助功能等。“不过,其最重要的功能还是破冰。北极星号经证实具备卓越的破冰能力。”

Hovilainen 尤其指出这艘船的其中一个性能强化创新::在船艉船配备两个Azipod 推进器,在船艏再配备一个Azipod 推进器。这种布置旨在优化破冰和拖带性能,特别是在接触式拖带方面,在种拖带方式中,拖船与北极星号船尾的拖缆槽绞合。

“前置Azipod 装置经证实对操纵性具有重大影响。将推进器放置在转心前方100 m 处可在拖曳时提供了巨大的转向杠杆作用。”之前,船艏安装式全回转推进器在俄罗斯的小型破碎船Baltika 上进行了相关测试,并且证实与大型船舶的应用效果一样。

前置Azipod 装置经证实对机动性具有重大影响。

2017 年3 月底,我们开展了全面的破冰试验,收集船员的反馈意见并确认船在各个方面的表现都超预期。在破冰等级、冰脊穿透力和操纵能力上均创造了波罗的海破冰分数的新高(参见下页北极星号船长的赞誉)。

Mika Hovilainen 承认北极星号在液化天然气方面取得的重大突破,但是作为一名工程师,他不得不感慨正是以下所有这些因素才使得北极星号显得非常特别:他觉得有必要对造就北极星号与众不同的所有因素进行说明:

“由于采用液化天然气作为燃料,北极星号通常被认为是最环保的破冰船,但是事实上这只是锦上添花而已。”在考虑如何产生能量前,他指出必须将能耗降至最低限度。这意味着我们需要对诸多方面的设计进行改进,包括船体、推进系统设计、系统设计、热量回收等。“我们的目标是设计出最有效的破冰船,”Mika Hovilainen 说道,“而且我们确实实现了这一目标。”


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船长的赞誉

北极星号船长Pasi Järvelin 自航程归来后,报告了Polaris 在最初几个月的海上航行情况,其中包括2017年3 月25 日完成的波的尼亚海湾的官方破冰试航。

今年冬天的破冰试航进展如何?

一般而言对于冬季3 月底的破冰条件是最差的,因此这些日期都需要事先选定。在海上试航中,最厚的冰脊厚度为12 m(海平面以下为9.5 米,以上为2.5 米)。我们可以快速流畅地通过这些冰脊,而不作任何停留。

北极星号存在什么特别之处吗?

北极星号比其它任何破冰船都要更加敏捷。这得益于Azipod 船艉双推进器以及船艏安装式Azipod,后者被证明对船舶的冰区操纵性起到非常出色的辅助作用。

作为一种燃料,液化天然气与船用燃料油(MFO) 的其最大区别是什么?

液化天然气比船用燃料油更加环保,尽管我们也可以根据需要使用超低硫燃油。更为重要的是,液化天然气在操纵方面不受任何限制。

液化天然气储罐越高,桥梁距离水面的高度也必须越高。这究竟是优势还是劣势?

北极星号与其它芬兰破冰船相比,高度差不到2 m。在极端的大雾天气下,为了直视需协助的作业船只,破冰船的高度理应更低,但是,船高会带来优势,使船员更好地观察前方的结冰海域。

据说船艏安装式Azipod 大大提升了船舶的性能,特别是在拖带时。您能详细说说这些改进的地方吗?

船艏安装式Azipod 装置带来更优的性能,特别是与围绕需协助的作业船只航行以缓解冰压时。拖带时我自己喜欢操纵船艏安装式Azipod 装置进行转向,但是其他船员坚持采取自己的老一套方式。

目前Urho 级破冰船已经成为一代传奇。您认为北极星号有一天也会成为传奇吗? 

Urho 级船舶仍然功能强大并且极具发展潜力,但是它们已经毕竟已有40 多年的历史了。工程师们在这几十年间进行了如此多的改进,对我来说,北极星号代表了一种传奇创新。

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