基于环保理念的“天鲲号”自航绞吸船设计

陈昌毅，侯国辉

(中交天航滨海环保浚航工程有限公司，天津 300450)

0 引 言

为发展区域经济、改善航运能力，广大沿海城市都高度重视港口建设和疏浚工程。近年来，随着我国与世界各国贸易合作的不断深入，我国的疏浚企业与众多国家有着项目上的密切合作，并有机会向国际四大疏浚公司(Boskalis、DEME、Jan De Nul、Van Oord)学习国际先进疏浚理念[1]。在合作中，芬兰、澳大利亚、巴西等许多国家，因当地政策、法律要求，极其看重对环境的保护，在施工前会对疏浚船舶的整体环保性能进行评估。然而，传统疏浚船舶由于受到船舶设计理念、建造水平、疏浚设备以及工艺等方面制约，对施工区域环境造成严重破坏和污染，这些环境破坏与污染主要体现在3个方面[2]：

(1)低效施工致使海底泥层被持续扰动，产生大量悬浮泥沙，对施工区域水质造成污染。

(2)作业中主机燃油消耗等排放的含硫废气对施工区域空气造成污染。

(3)船舶设备在施工期间对施工区域和施工人员造成噪声污染。

为解决上述问题，日前由中交天津航道局有限公司投资、中国船舶工业集团公司第708研究所设计、上海振华重工(集团)股份有限公司建造的自航绞吸船“天鲲号”，在设计建造中力争满足国际市场发展要求，重点考虑环保因素。本文从该船船型布置、装备升级、工艺技术创新和发展新能源等多个方面介绍“天鲲号”的环保设计，最终实现疏浚船舶高效施工、节能减排的绿色作业。

1 船型及总布置设计

自航绞吸船相较于传统非自航绞吸船拥有更高的船舶干舷和船首高度，船舶稳性更高，这使得自航绞吸船抗风浪能力更强，除原地抗风能力大幅提高外，即使因避风驶离施工地，也可在天气情况允许下较快驶回施工区恢复施工，不必像传统非自航绞吸船那样花费时间去等待拖船协助拖带，大幅减少停工时间，进而缩短工期，降低对环境的破坏。

出于对保障船体强度、减少航行阻力、保证航行视线等因素的考虑，“天鲲号”在船型和总布置设计上进行了一定的创新，如图1所示。船首设置柔性钢桩台车定位和3缆定位系统，2套定位装置相互配合，可避免因某1套设备出现故障而终止施工的问题，最大程度实现24 h连续作业，缩短作业天数，降低对环境的破坏。艉部船体开槽布置桥架。这一布置使船体合龙时在船首右舷需增加辅桩门分段，使该区域船体自双层底至上甲板可如门般打开，用以帮助实现辅钢桩在船舶航行时的倒桩功能，减少航行阻力，保证航行视线。该分段通过上下销轴与主船体相连，利用液压油缸控制辅钢桩门的开闭。为保证艏部型线的良好过渡和完整性，该段为整个船体制造、合龙精度的重点和难点。其顺利定位及装配为日后类似船型的设计建造提供了宝贵经验。此外，“天鲲号”将机舱、泥泵舱布置于船中，并在上甲板上层建筑下部设置气动减震装置，通过气体体积的缩胀，减轻震动冲击，以实现避震效果。该设计大幅改善了施工时居住舱室的居住条件，提高施工人员居住舒适度，体现绿色环保的理念。

图1 “天鲲号”布置说明

2 疏浚设备升级

为提高生产能力，“天鲲号”设计不仅大幅提高了总装机功率，而且在各部分的功率分配上更合理，船上配有3台7 680 kW主发电机，绞刀电机功率最高可达6 600 kW，解决了以往造船中功率分配不合理的问题。

考虑到不同的施工环境，为便于灵活选用恰当的挖泥设备，适应不同工况的挖泥要求，该船配有适合于多用途、黏土、挖岩和重型挖岩等4种不同类型的绞刀。此外，该船在主船体上设置高低各两对耳轴孔，实现桥架位置的变换，在保证结构强度的同时，实现上下耳轴从最小挖深到最大挖深的快速切换。

为降低对沿海地区的噪声污染，该船通过装配由3台变频电机驱动的高效泥泵，实现强大的远程输送能力，具有15 000 m超远排距和极强的吹填造陆能力。这一设计可以使施工区域大幅扩大，进而远离沿海区域。在该船设计时泥泵系统采用水下泵串联2台舱内泵的工作方式，通过管路实现水下泵单独以及水下泵与任意舱内泵串联，可实现单泵、二泵、三泵排岸作业。另外，该船也具有装驳功能，结合溢流装置最大程度地降低对水体的污染。

3 工艺技术创新

定位系统是保证某固定位置或航迹以满足特定工作任务的重要系统。与许多特种海工作业船相似，自航绞吸船的定位系统对防止不必要的超深、超宽作业，降低底泥扰动、悬浮泥沙产量十分重要[3]。该船在柔性钢桩定位系统的基础上，增加了3缆定位系统，既能大幅提高定位精度，又可应对恶劣海况下定位难的问题，保证在工程量范围内完成疏浚施工。

除了依赖于先进的船舶定位系统以外，为了掌握疏浚过程中的泥沙悬浮状况，保证泥浆浓度在合理范围内，减小对环境的破坏，该船在设计时考虑挖泥自动化的实现，即对泥浆浓度、流速的控制。通过泥泵自动控制和挖泥自动控制提高施工效率和自动化程度。挖泥自动化将给未来施工带来3个优点：(1)挖泥过程不再为人的因素所左右，始终保持高效；(2)施工精度提高，以获取正确挖深；(3)确保设备的安全运行，不致泥泵主机超负荷或排泥管线内泥沙沉淀严重。

在该船工作时监测泥泵转速控制器，结合流速偏差反馈管路实际泥浆流速，实时合理调节各泥泵转速，使泥浆流速维持在某个设定的流速区间之内。与此同时，该船采用3种主要施工模式进行作业以实现挖泥自动控制：(1)剖面挖掘，即在某设定剖面内，控制绞刀自设定深度移至剖面边缘，通过不断加大设定疏浚深度，往复换向移动绞刀进行挖泥，直至疏浚深度到达设定剖面的底部；(2)固定深度挖掘，即在每个台车行程内，按某设定疏浚层深完成绞刀切削一层后，台车行程复位，再次设定疏浚深度(与前次设定未必一致)进行切削作业，重复直至完成疏浚任务；(3)同轨迹挖掘，即使绞刀在执行2次摆动后执行台车步进，其他按与固定深度挖掘或剖面挖掘相同的动作方式施工，用于硬质土区域的挖掘。

除挖泥自动化之外，控制系统已开始增加“自学习”功能。目前，这项技术已在船舶钢板成形和焊接预报等多个领域有所使用[4]。“自学习”功能的实现基于大数据和遗传算法理论，使系统在施工中通过对过往数据的收集分析，自动修改系统参数，以确定适合当前工况的最优工艺参数。这种疏浚方式利用数据和算法使施工工艺更加定量化，既提高了施工效率，又间接帮助保护环境。横移绞车扭矩、横移角度范围、横移速度、挖掘区域的土质、泥浆排放速度、排距、油耗、施工天数、日工程量等主要工艺参数间的函数关系，可通过这种方式不断进行优化。在未来施工中，可帮助施工人员合理安排施工，有效降低施工悬沙扩散对海洋生物的影响。同时，考虑到潮位和流速的影响，可使施工期尽量避开海洋生物的产卵、繁育的盛期[5]。

4 新能源应用

“天鲲号”在设计中结合环保理念，倡导节能减排，发展新能源的应用。自1973年MARPOL公约的签订开始，世界对船舶的节能减排和环境保护要求便一直保持高度的重视，这也推进了疏浚领域对新能源的研发。新能源是与传统能源、常规能源相对的一个概念，避免使用诸如煤炭、石油、天然气等一次性非再生的常规能源。这类资源最大的特点就是可再生。考虑到现存的技术难关[6-8]，电能和生物能最适合于在自航绞吸船“天鲲号”中使用：

(1)电力驱动的应用。该船机舱配有3台主机，在设计时采用全电机驱动作为动力装置。该动力装置的优点在于减少能量消耗和避免污染外部水域。研究[9]已证明，自航绞吸船需兼顾施工和航行，利用电驱可有效配置不同状态下的动力，既做到保证疏浚工程量又可节能减排。“天鲲号”电机驱动可自动匹配施工工况，该船在控制系统参与下，判断所需协助工作的主机数量，避免能量的浪费。这样就防止了多台主机同时在长期低于额定载况的状态下工作对主机造成的损坏，间接延长了主机寿命。此外，使用密封舱电机驱动水下泥泵(见图2)，使之尽量靠近水下泵，缩短轴系长度，传递效率更高。由于传动距离较短，桥架变形对轴系影响也相应减小，另外在相对密封的环境中也不会产生污染外部环境水域的问题。

图2 密封舱电机驱动形式示例

(2)生物能的应用。生物能是一种将有机物转化为燃料的方法，对成本要求低，目前实现的技术难度相对较低。尽管施工船舶机舱内由于电气、轮机及各系统具有高度集成性，不便于增加生物能转换装置，但是可直接使用生物能燃料或以与传统化石燃料相混合的方式使用生物能燃料。例如生物柴油在船舶上的使用，生物柴油含氧量高，含硫量极低，不仅燃烧后产生的污染小，而且本身就是可再生能源。“天鲲号”在设计中加装了低硫油的转换装置，除使用传统燃料之外，同样可选用生物低硫燃油，这标志着在未来自航绞吸船的发展中，动力的来源将从传统燃料向生物能燃料不断过渡。

5 结 语

绞吸船是疏浚施工、填海造陆的利器，大型自航绞吸船“天鲲号”基于环保理念设计和建造，做到疏浚装备升级、技术创新和挖泥系统自动化。除此之外，加快新能源研究和投入应用也是满足国际乃至未来环保疏浚方式的大趋势。为使中国疏浚工程真正做到高效施工、科学施工、绿色施工，提升中国疏浚在世界的竞争力，早日实现疏浚强国的梦想，未来还会有更多、更大的自航绞吸船问世。希望“天鲲号”的成功设计和建造，可以为未来船舶建造提供宝贵的借鉴和参考意义。