極地船舶動力裝置的選擇

從技術角度而言，與目前民船常用的柴油機動力裝置相比，核動力裝置似乎更能匹配未來極地航行船舶的動力需求。核動力裝置的本質是一種蒸汽輪機動力裝置，以核反應堆取代主鍋爐作為蒸汽發(fā)生源，以高溫高壓的過熱蒸汽驅動蒸汽透平運轉，進而帶動船舶推進器推動船舶航行。與柴油機動力裝置相比，蒸汽輪機動力裝置在極地航行水域的優(yōu)越性就非常明顯了。蒸汽輪機強大的單機功率是柴油機所無法比擬的，目前最大的船用柴油機單機輸出功率為80Mw，而蒸汽輪機可達300Mw以上，強大的單機功率足以提供極地航行船舶沖破冰層所需的動力。與柴油機相比，蒸汽輪機運用于船舶推進的歷史更悠久，技術也更成熟。與將往復運動轉化為回轉運動的柴油機相比，直接采用高溫高壓蒸汽沖擊透平葉輪做功的蒸汽輪機工作原理更為簡單，連續(xù)穩(wěn)定運轉時間長，維護保養(yǎng)周期可達30個月以上。蒸汽輪機高度的可靠性也為船舶在極地海域安全航行提供了必要的保障。

與采用燃油的常規(guī)動力裝置相比，核動力裝置在極地航行船舶方面的優(yōu)越性也是顯而易見的。首先，與使用礦物燃料的常規(guī)動力裝置相比，核動力裝置在運行過程中基本不會產(chǎn)生大氣污染物，是一種非常清潔的能源型式，很容易滿足目前國際海事法規(guī)關于船舶污染與能耗的嚴苛要求。其次，核燃料的能量密度遠大于常規(guī)礦物燃料，采用核動力裝置的船舶在整個生命周期內(nèi)通常無需添加燃料，這將為船東節(jié)約大量的船舶維護保養(yǎng)時間與成本，提高船舶在航率，從整體上提升船舶的經(jīng)濟效益。更為重要的是，核動力裝置巨大而廉價的能源供應能夠有效地解決目前民用船舶在極地海域內(nèi)航速過低的問題。航速的提升將有有助于船舶以盡可能快的航速通過航行風險較高的極地水域，進而從整體上降低船舶在極地航行期間發(fā)生事故的風險，并在一定程度上提升極地航道的綜合競爭力。極地航道特有的環(huán)境條件也將核動力裝置在常規(guī)海域低效率的缺點轉變成了優(yōu)點。與柴油機動力裝置接近56%的熱效率相比，蒸汽輪機不到20%的熱效率在常規(guī)民用船舶領域毫無競爭力。然而航行于極地海域的船舶對于全船熱量供應的持續(xù)性需求將大大提升蒸汽輪機動力裝置在極地海域的綜合熱效率。采用柴油機動力裝置的船舶發(fā)動機所排除的廢熱有限，通常情況下還需要消耗額外的電力對船上的關鍵設備進行加熱以確保其正常運行。而對于采用核動力裝置的船舶而言，驅動蒸汽透平做功后的乏氣即可用來進行加熱，無需再消耗額外的燃料。與常規(guī)的柴油機動力裝置相比，核動力裝置在極地海域高效率的優(yōu)勢是顯而易見的。

隨著近年來船舶動力裝置技術的不斷進步，未來極地航行船舶動力裝置的配備可能會有兩種。以高壓蒸汽透平直接帶動螺旋槳推動船舶航行的動力裝置方案很可能成為未來極地航行核動力船舶動力裝置的首選方案。蒸汽輪機動力裝置運用于機動船舶推進的歷史最為悠久，技術相對成熟，總體可靠性很高，當船舶采用核動力時也不存在燃料成本過高的問題。蒸汽輪機在機動性方面的缺陷將成為其未來在極地航行船舶上運用的最大短板。極地海域冰情復雜，船舶航行過程中經(jīng)常需要避讓大塊的浮冰，這對于船舶的操縱性能提出了更高的要求。然而蒸汽透平的工作原理決定了其換向時間過長的問題始終難以解決，這對于未來極地航行船舶而言顯然是一個安全隱患。以低壓蒸汽透平驅動發(fā)電機并以電力提供船舶推進的新型電力推進模式是未來極地航行船舶動力裝置的另一種模式。與大功率的主推進蒸汽透平相比，驅動發(fā)電機的蒸汽透平無需能量過大的蒸汽，因而整體熱效率較高。多臺發(fā)電機并車供電的模式相對于單一的主推進透平而言在推進冗余度方面顯然更具優(yōu)勢。與此同時，無論采用吊艙式推進還是電機直接驅動螺旋槳的推進模式，相對由蒸汽透平與柴油機直接驅動的推進器而言都擁有更好的機動性。蒸汽透平電力推進裝置的這些優(yōu)勢對于提升船舶在極地高風險海域航行的安全性而言具有非常重要的意義。與常規(guī)船舶動力裝置相比，核動力船特有的安全風險導致了船舶建造的初始投資不會很低，這也將在一定程度上掩蓋船舶采用電力推進系統(tǒng)初始投資過高的問題，促進未來蒸汽透平電力推進裝置在極地航行船舶上的推廣。

公眾對于核燃料泄漏后放射性污染的恐慌是導致核能無法在航運業(yè)中推廣的最主要原因。如何有效地防止事故后的核燃料泄漏，建立全球民眾，特別是北冰洋沿岸國家對于核動力裝置安全性的信心，是為未來核能在航運業(yè)中廣泛采用之前必須解決的問題。核軍事技術的保密性要求與核能船舶相應法規(guī)的缺失是制約核能在航運業(yè)中廣泛采用的另一個重要原因。核動力裝置的特點決定了其具有非常重要的軍事價值，掌握該項技術對于提升國家軍事實力與維護國際地位有著無可替代的作用。目前全球范圍內(nèi)掌握核動力裝置技術的國家只有6個，且核動力設計標準主要由相應國家的軍隊掌握。不同國家國情與工業(yè)水平的差距決定了其核動力船設計與建造的標準也不盡相同。對于在國際航行領域擁有豁免權的軍艦而言，這種設計和建造標準上的差異不會存在太大的問題，然而對于從事商業(yè)航行的民用船舶而言，從事國際貿(mào)易運輸?shù)暮藙恿Υ�很可能由于兩國法律與設計標準的差異而被拒絕入港。盡快建立全球范圍內(nèi)統(tǒng)一的核動力船設計、建造與檢驗標準也是未來核動力運用于極地航道的前提之一。

極地船型的發(fā)展趨勢

從目前北極航道的發(fā)展趨勢來看，集裝箱、能源與干雜貨將成為未來經(jīng)北極航道運輸?shù)淖钪饕�貨物，因此多用途船、集裝箱船、油輪、LNG船將成為未來極地海域內(nèi)的四大主力船型。目前歐亞與歐美貿(mào)易貨運中機械設備和工業(yè)制成品占據(jù)了絕大多數(shù)，因此未來第一代極地船舶可能是一種類似多用途船的船型，船長可能會控制在200米以下，最大載重量在2萬噸左右。隨著未來北極航道內(nèi)貨運數(shù)量的持續(xù)增加，極地航行船舶的船長將逐漸增加到250米左右，最大載重量可達到3萬噸。對于未來的極地集裝箱船而言，主尺度自然是越大越好。一方面，極地海域的特殊環(huán)境要求船舶配備更多的安全設備，船身空間越大，設備的布置就越方便；另一方面，與常規(guī)海域相比極地海域的運輸成本依然偏高，而大型船舶的規(guī)模優(yōu)勢將有助于降低單位貨物的運輸成本，從整體上提升極地運輸?shù)木C合競爭力。

然而，極地海域內(nèi)特有的低溫對于鋼材韌性的影響，在很大程度上制約了未來極地集裝箱船船長和船寬的增長。集裝箱船所特有的大開口結構型式?jīng)Q定了其甲板位置承受總縱強度的能力受到了很大的制約，在實踐中需要采用厚板作為連續(xù)的艙口圍板對船體梁上部的強度進行補充。與常規(guī)集裝箱船相比，航行于極地海域的集裝箱船位于露天位置的甲板與艙口圍板在低溫環(huán)境下更容易發(fā)生脆裂，危害船舶安全。與此同時，型寬越寬的集裝箱船在風浪中艙口位置的變形越明顯，在交變載荷作用下開裂的可能性也越大，維持貨艙內(nèi)氣密的難度也越高。因此，在目前的船用材料與造船技術取得實質性的突破前，極地航行的集裝箱船能夠增加的就只有型深了。然而，受集裝箱最大堆裝高度與港口橋吊高度的限制，未來極地集裝箱船在型深方面的增長潛力也十分有限，預計只能在現(xiàn)有基礎上最多增加6～7層集裝箱的裝載量，總載箱量只能提升30%左右。從這個角度來看，未來北極集裝箱運輸線與常規(guī)集裝箱運輸線的博弈還將延續(xù)相當長的一段時間。

與干雜貨運輸相比，極地海域內(nèi)特有的低溫對于原油和天然氣的海上運輸極為有利。原油中所溶解的石油氣和輕質烴類在海上運輸?shù)倪^程中極易逸出，通常情況下環(huán)境溫度越高所揮發(fā)的石油氣和輕質烴類越多。為防止貨艙超壓，船舶在海上航行的過程中這些價格昂貴的石油氣與輕質烴類只能通過貨艙的透氣閥排放掉。而對于常壓下在-173℃才能液化的天然氣而言，避免運輸過程中氣體揮發(fā)的難度更大。目前的液化天然氣船（LNG船）只能通過將貨艙揮發(fā)出的氣體作為船舶燃料或通過再液化裝置將其重新轉化為液態(tài)運輸，實踐中這兩種做法的成本都不低。而極地地區(qū)所特有的嚴寒氣候能夠將石油與天然氣在運輸過程中揮發(fā)處氣體的數(shù)量降到最低，經(jīng)濟優(yōu)勢非常明顯。

從地理位置上來看，目前除中俄能源貿(mào)易能夠大規(guī)模使用管道運輸?shù)哪Ｊ揭酝猓�俄羅斯出口到日本、韓國以及東南亞市場的石油和天然氣選擇走北極航道的可能性很大。以東北航道為例，目前能源運輸已占據(jù)其貨品運輸總量的70%。

從目前已探明的全球天然氣資源分布的情況來看，俄羅斯境內(nèi)與俄羅斯實際控制的北極圈境內(nèi)所蘊藏的天然氣資源總量最為豐富，預計到2030年，俄羅斯出口到遠東地區(qū)的天然氣總量將有望突破1000萬噸，因此未來北極航道天然氣運輸市場的前景非常可觀。未來極地LNG船很可能以目前國際航運市場上常見的薄膜型或MOSS型LNG船作為母型進行設計，水線部位的船體結構將會采取特殊的加強措施以抵御極地海域特有的浮冰對于船體結構的沖擊，在甲板與舷側區(qū)域也會增加相應的防凍與除冰設施以確保船舶在低溫環(huán)境中航行的安全性。由于低溫環(huán)境下貨艙內(nèi)揮發(fā)的貨物蒸汽數(shù)量將非常有限，再液化的總體成本較低，因此極地LNG船無需像常規(guī)LNG船那樣采用貨物蒸汽作為燃料。與其他類型的極地船舶一樣，動力裝置依然是未來極地LNG船的最大懸念，常規(guī)的燃油或氣體燃料在極地海域內(nèi)顯然是不經(jīng)濟的，而將核動力裝置安裝在風險性較高的LNG船上還需要經(jīng)過長期的方案與實踐論證。因此，盡管未來的北極能源運輸通道存在諸多先天性優(yōu)勢，但形成規(guī)�；�運輸依然需要相當長的時間。