文 | 语君辞

编辑 | 语君辞

自工业革命以来，人类活动产生了越来越多的污染物，导致了令人惊讶的气候变化水平。很明显，自20世纪中叶以来，全球二氧化碳（CO2）的增长率大幅增长了四倍，过去50年全球气温每世纪上升0.19°C，过去30年全球气温上升0.25°C。

有鉴于此，包括海洋部门在内的所有行业对环境和气候问题的担忧持续增加。作为海运业的缓解措施之一，造船厂努力控制造船过程中的海洋污染，而船舶运营商正努力满足一系列严格的环境法规并降低环境成本。

与此同时，造船业传统上一直围绕船体结构和管道系统倾斜。然而，随着技术的进步，现代船舶往往是自动化和电子控制的，这强调了电缆设计、选择和布置的重要性。

随着船上电缆安装的增加，可能会出现当前设计方法是否可以忽略电缆布置的环境影响的问题。提出了建立船舶设计和生产环境影响评价方法的必要性。同时，应当指出，促进清洁生产给造船业带来的经济负担不容忽视。

在此背景下，我们旨在回答电缆布置的各种设计如何影响车载安装过程中的经济和环境影响这一基本问题。

图1 LCA和LCCA示意图

本节介绍了LCA（生命周期评价）和LCCA（生命周期成本分析）之间的集成方法，以展示最佳设计如何减轻航运业的环境影响，如图1所示。

第1步：这个阶段是为了确定实际设计方案需要决策的问题；在这个阶段选择了最广泛使用的电缆布置实践。

第2步：本阶段定义了LCA的范围，用于确定所关注的环境潜力清单，以及LCCA用于验证生命周期成本。生命周期评价有四个阶段，如图2所示：目标和范围定义（阶段1）；生命周期清单分析（第2阶段）；生命周期影响评估（LCIA）（第3阶段）；以及生命周期解释（第4阶段）。每个阶段都是相互依赖的，因为一个阶段的结果可以应用于另一个阶段。

图2 生命周期评价框架

图3显示了LCCA的框架，它还包括四个生命阶段，即购买、安装、操作和回收。

第3步：此步骤用于收集结果。对于每个选项，LCCA的结果可以通过数据收集得出，而LCA的结果则可以通过LCA框架得出。

第4步：该步骤结合每个LCCA和LCA的结果来比较每个选项，从而确定总体上的最佳电缆布置。

图3 LCCA图

1.钻井船、动态定位系统（DPS）和电缆布置概述

与其他船舶相比，海上钻井船由于其工作特性和海上环境，对甲板上电缆的布置有严格的规定。

鉴于钻井船是专门为开发新的油气井或科学海洋勘探目的而设计的，因此这些船配备了DPS，这是在钻井过程中持续保持其位置的重要特征。

图4 后推进器室和主配电盘室之间的电缆

通常，六个定位推进器安装在钻井船的底部；其中三个安装在后侧，其他安装在前侧。关于后侧推进器，在A60级保护条件下，在三个主配电盘室旁边分别准备了三个推进器室。因此，如图4所示，电缆路线会自动相互分离。

然而，由于钻井船中部的各种隔间系统（如储罐、月池或立管区域）的障碍物，前推进器的电缆没有明确分开。如图5所示，这些电缆布置在主配电盘室和前推进器室之间，在A60防火条件下几乎很难得到保护。

图5 前推进器室和主配电盘室之间的电缆

2.案例船

为了比较电缆布置对环境的影响，2013年在三星重工建造的一艘96K钻井船被选为案例船。该船目前正在墨西哥湾服役。该船在主甲板区、连续的顶甲板区和主甲板下有两个通道。通过利用这些通道，可以应用DPS的电缆布置的几种设计方案。表壳船的规格列于表1中。

3.前侧和后侧之间的电缆布置选项

表1

电缆的安装方法和支撑方法各不相同，但在实践中通常采用两种方法。船舶或平台风雨侧最常见的方法是使用带有角度支撑系统的电缆导管、导管或电缆管。第二种几乎适用于船舶上电缆和油管的内部安装的方法是使用电缆桥架。表2简要介绍了这些方法。

如果从后侧到前侧没有通道，或者即使有通道，索道也只能安装在甲板区域，但在这种情况下，电缆必须用钢管隔开。因此，如果将所有DP电缆安装在露天甲板上，则电缆管道可以适用。在其他情况下，DP电缆可以通过左舷和右舷通道分离，穿过露天甲板的电缆可以配备电缆桥架系统。

表2

根据等级规则，当DP 3级电缆安装在开放式甲板上时，只允许使用管道系统进行隔离，以便在这种情况下不需要安装防火绝缘。尽管这种布置很简单，而且由于月球池的原因，不需要防火，但每个推进器的电缆位置不可避免地会很近。

第二种布置是使用通道，这对于具有两个通道的新型钻井船是有利的；一个位于上层甲板下方的左舷，另一个位于下层甲板下方的右舷。

最后一种布置方案是仅使用通道。在这种情况下，所有电缆都将安装在通道中。为了遵守当前规则，中央前向推进器的电缆必须以冗余方式布置，以保持DPS在单个故障下的生存能力；两条电缆将安装在左舷通道，另外两条电缆安装在右舷通道。表3总结了DPS电缆布置的三种方案。

表3

4.目标和范围的定义

表4总结了案例船的索道方法和电缆规格，包括三种选择。

尽管环境影响的评估标准多种多样，但本文采用了两个最为公认的标准：国际参考生命周期数据系统产品环境足迹（ILCD PEF）和莱顿大学环境科学研究所（LCIA-CML）的生命周期影响评估。然后，将使用两种不同方法的分析结果相互比较。

表4

本文简单地采用了钻井船主甲板上最常用的200A电缆管尺寸。电缆管道的角度支架尺寸假定为65A角钢型，索道的角度支架为50A和65A角钢。特别地，对于情况2，电缆槽的宽度一般化为200mm，对于情况3，电缆槽宽度一般化至300mm，以覆盖上面的电缆。

5.“GaBi”建模

根据收集到的信息和数据，使用商业软件“GaBi”进行LCA建模。该模型可分为三个阶段：生产、 安装以及再循环。图7显示了“GaBi”界面上的LCA建模。

生产部分包含四种类型的生产零件；电缆管、电缆桥架、角支架和电缆。就电缆管、电缆桥架和角支架而言，它们通常是通过加工和焊接由碳钢制成的钢板来制造的。

图7 “GaBi”生命周期评价建模

在这项研究中，电缆管或电缆桥架和角度支架是单独建模的，因为生产电缆管和桥架的工厂可能与制造角度支架的工厂不同。此外，该模式还包括工厂之间产品交付的运输阶段。所有运输距离假定为100公里。铜被认为是生产电缆的主要材料。

在安装阶段，考虑到安装和运输的能耗，将所有准备好的产品组合到组件中。如前所述，电缆系统的每个部分都可以在船舶使用寿命内进行更换或维修。

然而，这些产品被认为是一次性安装产品，不需要定期维护或更换韩漫网址。因此，在生命周期评价模型中忽略了运行阶段。

6.生命周期成本

LCC是目前和未来计算LCC最简单的方法。本研究考虑了LCC的四个阶段；初始投资和安装成本；维护成本；以及回收成本。初始投资成本代表从工厂购买的成本，包括运输服务。安装成本是根据在造船厂安装产品的工作时间以及造船厂携带和安装设备的成本估算的韩漫。

假设这些产品是永久使用的，就像LCA模型一样，维护成本只包括年度检查成本。最后，回收成本被计算为“收益”而不是“成本”，因为当钢铁或铜被回收时，一些成本被计算成收入。

表7

此外，折扣系数被用作LCC的特征之一，因为货币的价值会随着时间的推移而变化。采用3%的折现率进行分析。根据收集到的LCC数据，表7列出了三种方案的成本和LCC的估算。这些费用是根据案例船20年的使用寿命按现值计算的。

1.生命周期影响评估（LCIA）

通过应用“GaBi”模型，得出了每个选项的结果，如表8所示。如上所述，本研究采用了ILCD PEF和LCIA-CML，分别估算了GWP（全球变暖潜力）和AP（酸化潜力）、EP（富营养化）和POCP（光化学臭氧产生潜力）。

表8

就全球升温潜能值100年而言，备选方案1、备选方案2和备选方案3产生的二氧化碳当量分别为211000千克、88600千克和97800千克，而用“二氧化硫当量千克”表示的Aps为备选方案1的534千克、备选方案2的298千克和备选方案三的359千克。

此外，对于EP，方案1、2和3分别以133 kg、61 kg和69.5 kg的N当量计算。最后，POCP的NMVOC当量分别为365公斤、167公斤和191公斤。表9显示了按选项划分的生产、安装、回收和总排放量。

表9

如表9所示，大部分污染发生在原材料生产阶段。特别是，二氧化碳当量排放量在生产阶段最高，选项1为145000公斤，选项2为57500公斤，选项3为62300公斤。

尽管回收阶段的排放量比安装阶段多，但这些排放水平并不像生产阶段那样严重。需要注意的是，如果能够在生产阶段减少污染，就可以显著降低总体环境影响。图8和图9总结了LCIA的结果。

图8 按选项发射

因此，方案1被发现是最大的污染水平，有211000公斤二氧化碳当量、534公斤二氧化硫当量、133公斤氮当量和365公斤非挥发性有机化合物当量。

方案2和3的结果没有显著差异；方案2对所有排放类别的环境影响最小，二氧化碳当量为88600公斤，二氧化硫当量为298公斤，氮当量为61公斤，非挥发性有机化合物当量为167公斤。因此，可以得出结论，就环境影响而言，方案2是案例船电缆布置的最佳方法。

图9 排放物的总重量

2.LCCA结果

根据LCC第4.2.3节的表7，每个成本如图10所示。因此，由于电缆管的重量，最高的成本是方案1的初始投资150418.4美元，安装成本也高于方案3。

然而，在OM&R的情况下，情况2在生命周期内的成本最高，为105609.3美元，最后，情况1需要最高的成本（311069.1美元），而情况3需要比其他情况更低的成本（249335.5美元）（见图11）韩漫网站。

图10 每个选项的LCC

3.LCA和LCCA的整合

LCA和LCCA具有本质上不同的分析单位：一种是用环境元素表示，如CO2当量kg、SO2当量kg、N当量kg和NMVOC当量kg；而其他则以货币价值表示。

在这种情况下，可以应用多准则决策分析（MCDA）将这些不兼容的单元集成到单个值中。本研究没有使用MCDA常用的归一化过程，而是试图将排放水平直接转换为环境成本，该成本可以相当于这些排放的清洁成本。

图11 比较了每个选项的LCC

据报道，减少一吨二氧化碳的成本约为600美元，SO2减排价格接近每吨1000美元，而NMVOC的单位减排成本约为每吨336美元。

关于氮化合物，发现如果使用传统的SCR（选择性催化还原）方法，数据为每吨1940美元，尽管成本因情况而异。通过收集这些数据，表10列出了每种选择的环境成本。

图12 LCA和LCCA的总成本

根据上表，将所有结果转换为成本（即美元），可以确认，方案1、方案2和方案3用于消除二氧化碳当量的成本分别为126600美元、53160美元和58680美元。方案1、方案2和方案3的SO2当量去除成本分别为534美元、298美元和359美元。

关于N当量，计算出的成本分别为258、118.3美元和134.8美元，而方案1、方案2和方案3的NMVOC当量纯化成本分别为122.6、56.1美元和64.2美元。

表10

如图12所示，备选方案1的生命周期总成本可计算为438583.7美元，备选方案2为316238.8美元，备选办法3为308573.5美元。最后，在三种可靠的设计中，方案3是最环保、最具成本效益的设计。

研究发现，目前船舶设计的做法需要更积极地应对环境规则和条例的变化。LCA和LCCA被证明是有效的，有助于找到环保和成本效益高的设计。这种方法使我们能够量化船舶生命阶段的各种海洋排放和成本。

所提出方法的定量和综合结果帮助我们确定了三种实际设计方案中最优化的电缆布置设计；这是方案3，其中所有电缆都建议仅安装在通道中，估计在整个生命周期内，环境成本为59238美元，经济成本为249335.5美元，总成本为308573.5美元。

鉴于LCA和LCCA在海洋和近海工业中的应用很短暂，本研究被认为是一项初步研究，旨在证明在船舶设计过程中考虑这些LCA和LCOA方法的好处。

参考文献：

1.生命周期评估在早期建筑设计中的应用，谷歌学术，巴斯巴吉尔，2013年

2.海洋燃料生命周期比较评估:液化天然气和其他三种化石燃料，海洋环境工程杂志，安德森，2011年

3.生命周期评价作为一种工具，帮助选择改造方案，海洋工程，戴维斯，2014年

4.能源和环境影响的比较分析和生态效率改进潜力的评估，建筑与环境，布里安，2011年

5.舰船电缆安装的成本估算程序，海军工程师杂志，卡斯滕森，1978年