陳婷婷，郭晟江，何文明，宮小康

(1.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州510715；2.上海船舶設(shè)計(jì)研究院，上海 201203)

0 引 言

為滿(mǎn)足《國(guó)際船舶壓載水及沉積物管理與控制公約》(簡(jiǎn)稱(chēng)《壓載水管理公約》)的D-2標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)根據(jù)船舶自身情況配置合適的壓載水處理裝置。常見(jiàn)的壓載水處理技術(shù)一般分為紫外線(xiàn)(UV)、電解、電催化、惰氣、加藥和臭氧等。壓載水處理裝置組合形式一般分為機(jī)械處理+物理處理(過(guò)濾+UV、水力旋流分離+超聲波預(yù)過(guò)濾+UV)、機(jī)械處理+化學(xué)處理(過(guò)濾+電解、過(guò)濾+電催化、過(guò)濾+膜分離+充氮驅(qū)氧)等。

某火車(chē)滾裝船主要航行于美國(guó)莫比爾港口和墨西哥夸察夸爾科斯港口之間的特定航線(xiàn)。莫比爾港口具有水質(zhì)渾濁、泥沙較多的特性，每年2個(gè)季節(jié)處于淡水介質(zhì)(出現(xiàn)密西西比河等內(nèi)河和湖水倒灌的自然現(xiàn)象)，另外2個(gè)季節(jié)處于海水介質(zhì)。

1 壓載水處理裝置選型

1.1 產(chǎn)品選擇

美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)(USCG)官網(wǎng)于2018年11月發(fā)布持有USCG證書(shū)的壓載水處理裝置廠(chǎng)家及產(chǎn)品特性如表1所示。

表1 持有USCG證書(shū)的壓載水處理裝置廠(chǎng)家及產(chǎn)品特性

采用UV消毒的壓載水處理裝置其弊端為UV穿透能力較弱，水質(zhì)渾濁、泥沙較多容易影響UV殺菌能力，因此UV形式的壓載水處理裝置不符合項(xiàng)目要求。根據(jù)船舶所有人反饋，該船火車(chē)裝卸作業(yè)要求(總耗時(shí)持續(xù)8～10 h)如表2所示。由表2可知：在火車(chē)裝卸過(guò)程中，壓載水同步壓排載以維持船舶與碼頭之間的相對(duì)靜止。該信息涉及壓載水處理裝置的存艙時(shí)間要求，即實(shí)際操作決定壓載水處理裝置不能有存艙時(shí)間。由表1可知：只有青島雙瑞公司、Erma First公司和OceanSaver公司等3個(gè)壓載水處理裝置廠(chǎng)家無(wú)存艙時(shí)間(均為電解形式的壓載水處理系統(tǒng))，其他廠(chǎng)家排除在外。

表2 火車(chē)裝卸作業(yè)要求

根據(jù)美國(guó)政府相關(guān)官網(wǎng)數(shù)據(jù)，莫比爾港口的水質(zhì)會(huì)出現(xiàn)低于1.00 PSU的情況。由表1可知：Erma First公司的產(chǎn)品可處理>0.90 PSU的壓載水[1]，OceanSaver公司的產(chǎn)品可處理>20.00 PSU的壓載水[2]，青島雙瑞公司的產(chǎn)品可處理>15.00 PSU的壓載水[3]。在待處理壓載水的鹽度值低于USCG證書(shū)中的數(shù)值時(shí)，對(duì)應(yīng)的壓載水處理裝置無(wú)法實(shí)現(xiàn)電解制氯的能力，此時(shí)的壓載水不能滿(mǎn)足《壓載水管理公約》中的D-2標(biāo)準(zhǔn)要求。最接近項(xiàng)目特殊要求的3個(gè)廠(chǎng)家，其產(chǎn)品不能覆蓋至淡水區(qū)域的壓載水壓排載作業(yè)，需要對(duì)船舶的設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)進(jìn)行一定的修改。

1.2 高鹽度海水處理

根據(jù)現(xiàn)有主流散貨船船型設(shè)計(jì)，尾尖艙一般裝載壓載海水(可根據(jù)船舶運(yùn)營(yíng)情況設(shè)置為裝載高鹽度海水：世界平均海水鹽度為34.70 PSU，一般距海岸30 n mile即可獲得)，壓載水處理裝置一般布置在機(jī)艙內(nèi)。在船舶需要在淡水或低鹽度區(qū)域內(nèi)對(duì)壓載水進(jìn)行壓排載作業(yè)時(shí)，尾尖艙的高鹽度壓載水處理有2個(gè)方案：(1)注入支路電解的電解槽，將電解的氯離子注入壓載總管進(jìn)行反應(yīng)，殺滅微生物；(2)與其他待處理的壓載水充分混合并注入主路電解的電解槽進(jìn)行電解制氯，殺滅微生物。

由于該船的壓載水處理裝置布置在艏部設(shè)備間，距離機(jī)艙和尾尖艙較遠(yuǎn)，因此根據(jù)實(shí)際船型，高鹽度海水艙不適宜布置在尾尖艙。若新增1個(gè)高鹽度海水艙，則該艙介質(zhì)會(huì)作為固定裝載量出航，減少該船火車(chē)的裝載量。若須保證該船裝載量，則可利用其他壓載艙兼作高鹽度海水艙，以代替專(zhuān)門(mén)的高鹽度海水艙；但這樣設(shè)計(jì)，需要船舶在海上進(jìn)行兼用艙的壓載水置換功能，增加船舶操作量。綜合考慮該船火車(chē)數(shù)量已確定，須保證裝載量，且該船在美國(guó)至墨西哥之間的固定航線(xiàn)上可直接獲取高鹽度海水，無(wú)須修改船舶運(yùn)營(yíng)航線(xiàn)，因此選用第3壓載中艙(艙容約2 794.81 m3)兼作高鹽度海水艙代替新增高鹽度海水艙。考慮不可預(yù)估的風(fēng)險(xiǎn)及在壓載到港時(shí)第3壓載中艙需要作為空艙，因此增加第2壓載中艙(艙容約3 105.35 m3)和首尖艙(艙容約735.95 m3)兼作高鹽度海水艙，方便船員根據(jù)實(shí)際情況自由選擇其中1個(gè)艙裝載高鹽度海水。

經(jīng)總體核算，船舶裝卸貨工況壓載水用量為17 000.00 m3/h，項(xiàng)目電解式壓載水處理裝置設(shè)計(jì)流量為2 000.00 m3/h，高鹽度海水選用>34.70 PSU。高鹽度海水用量不同廠(chǎng)家要求不同：Erma First公司建議約2.3%總壓載量[1]；OceanSaver公司建議約1.0%總壓載量[2]；青島雙瑞公司建議約16.00 m3/h[3]。在項(xiàng)目中對(duì)于高鹽度海水用量，OceanSaver公司的產(chǎn)品最大，青島雙瑞公司的產(chǎn)品最小，因此項(xiàng)目中的高鹽度海水艙統(tǒng)一按600.00 m3進(jìn)行下一步的探討和排除。

1.3 壓載水處理系統(tǒng)參數(shù)

各廠(chǎng)家壓載水處理系統(tǒng)參數(shù)如表3所示，其中：IWL為艙內(nèi)液位。OceanSaver公司和青島雙瑞公司的壓載水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)屬于支路電解，其電解單元對(duì)被電解的海水溫度有具體要求，如OceanSaver公司的進(jìn)口海水在低于17 ℃時(shí)需要加熱[2]。由表3可知：若被電解的海水需要加熱，OceanSaver公司的產(chǎn)品需要額外消耗193.00 kW[2]，青島雙瑞公司的產(chǎn)品需要額外消耗120.00 kW[3]。綜合計(jì)算，Erma First公司總電耗為236.76 kW[1]，OceanSaver公司總電耗為361.00 kW[2]，青島雙瑞公司總電耗為253.00 kW[3]。

表3 各廠(chǎng)家壓載水處理系統(tǒng)參數(shù)

1.4 選型確定

考慮不可預(yù)估的風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合電力負(fù)荷計(jì)算書(shū)等數(shù)據(jù)，選用Erma First公司的壓載水處理裝置。

2 壓載水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案

在壓載水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期，參考其他客滾船的實(shí)例，初始設(shè)計(jì)為：在壓載工況時(shí)，海水添加泵將舷外海水輸送至濾器過(guò)濾，進(jìn)入壓載水處理裝置進(jìn)行電解，輸送至相應(yīng)壓載艙；在排載工況時(shí)，各艙里的壓載水通過(guò)壓載泵直接駁運(yùn)至壓載水處理裝置排出管路，通過(guò)監(jiān)測(cè)和控制，TRO排出舷外。

由于Erma First公司的壓載水處理裝置的鹽度值至少需要0.90 PSU，因此其壓載水處理系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)需要改進(jìn)，以確保該船壓排載作業(yè)可在低于0.90 PSU的水域進(jìn)行，即該船需要增加高鹽度海水至壓載水處理系統(tǒng)，混合電解單元前的壓載水，以提升整體壓載水的鹽度值，對(duì)此提出2個(gè)方案。

方案1：將FR98～FR137的空艙改為高鹽度海水艙。該方案會(huì)出現(xiàn)如下變動(dòng)：(1)在淡水季節(jié)時(shí)，空艙需要提前裝載高鹽度海水，增加作業(yè)流程；(2)增加的海水會(huì)視為固定壓載，導(dǎo)致火車(chē)裝載量減少和該船設(shè)計(jì)水線(xiàn)修改；(3)根據(jù)電力負(fù)荷計(jì)算，在裝載高鹽度海水過(guò)程中需要開(kāi)啟2臺(tái)主發(fā)電機(jī)組(原方案為1臺(tái))。根據(jù)火車(chē)裝卸作業(yè)情況計(jì)算，高鹽度海水需要增加600.00 m3/h。若采用方案1，船舶運(yùn)營(yíng)方在單航次中會(huì)損失600 t的載貨量。該船計(jì)劃每周2個(gè)航次，累計(jì)損失量較大。

方案2：利用現(xiàn)有壓載艙兼作高鹽度海水艙。選用第3壓載中艙兼作高鹽度海水艙，將第2壓載中艙和首尖艙兼作備用高鹽度海水艙。對(duì)應(yīng)的壓載水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示，其中：A～G為用于原理示意的接口。在淡水區(qū)域進(jìn)行壓載作業(yè)時(shí)，第2壓載中艙、第3壓載中艙或首尖艙的高鹽度海水經(jīng)海水添加泵輸送至壓載水總管，混合來(lái)自舷外的低鹽度淡水，提高待處理的壓載水鹽度值，以利于電解單元進(jìn)行電解制氯，殺滅微生物。相關(guān)艙出口的隔離閥采用電液閥形式，與該船其他遙控閥門(mén)形式保持一樣。鑒于第2壓載中艙和第3壓載中艙布置在貨艙區(qū)域，海水添加泵布置在艏部設(shè)備間，依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，需要在貨艙和艏部設(shè)備間之間的艙壁上加裝隔離閥。由于該隔離閥可布置在船員容易操作的地方，因此選用鑄鋼截止閥。自海水添加泵出來(lái)的高鹽度海水經(jīng)針閥噴入壓載水總管，針閥后的管路斜插入壓載水總管，且該斜插點(diǎn)位置與鹽度計(jì)取樣點(diǎn)位置的距離至少應(yīng)間隔2倍管徑，以便高鹽度海水與舷側(cè)壓載水充分混合，從而提升整體鹽度值。

圖1 壓載水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2 系統(tǒng)功能

該船采用1套2 000.00 m3/h壓載水處理裝置和2臺(tái)1 000.00 m3/h×0.35 MPa壓載水泵。壓載水處理裝置包括：1臺(tái)DN600濾器，帶反沖洗功能；2臺(tái)電解槽，各1 000.00 m3/h；1臺(tái)海水添加泵，70.00 m3/h×40.0 m；1臺(tái)鹽度計(jì)；1臺(tái)流量計(jì)；2個(gè)TRO監(jiān)測(cè)單元；1組TRO重力泄放柜；2個(gè)中和藥劑單元；若干取樣口、注入口及遙控閥門(mén)等[1]。

2.2.1 壓載作業(yè)

舷側(cè)海水通過(guò)壓載泵經(jīng)濾器過(guò)濾再經(jīng)鹽度計(jì)進(jìn)入電解單元進(jìn)行電解制氯，殺滅微生物。處理后的壓載水分為2路：一路取樣至TRO監(jiān)測(cè)單元1，另一路經(jīng)流量計(jì)輸送至對(duì)應(yīng)的壓載艙。經(jīng)TRO監(jiān)測(cè)單元1分析后的取樣水回流至主路(在流量計(jì)后)。在舷側(cè)海水鹽度不足以進(jìn)行電解制氯時(shí)，鹽度計(jì)會(huì)發(fā)出信號(hào)至壓載水處理裝置中控系統(tǒng)，船員啟動(dòng)海水添加泵，此時(shí)首尖艙、第2壓載中艙或第3壓載中艙的高鹽度海水經(jīng)海水添加泵注入鹽度計(jì)前的總管，經(jīng)充分混合輸送至濾器。

2.2.2 排載作業(yè)

對(duì)應(yīng)壓載艙的壓載水通過(guò)壓載泵排至舷側(cè)，在排載總管上設(shè)置取樣口，至TRO監(jiān)測(cè)單元1進(jìn)行檢測(cè)。在TRO監(jiān)測(cè)單元1檢測(cè)氯離子超出《壓載水管理公約》限值時(shí)，啟動(dòng)中和藥劑單元，并將合適用量的中和藥劑注入取樣口后的排載總管。在距離加藥口約5倍管徑的排載管路上設(shè)置TRO監(jiān)測(cè)單元2取樣口，進(jìn)一步取樣并檢測(cè)氯離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是否滿(mǎn)足排放標(biāo)準(zhǔn)。在靠近排舷外口處設(shè)置序號(hào)為G2的取樣口，用于第三方人員進(jìn)行臨時(shí)取樣檢測(cè)。在需要應(yīng)急操作時(shí)，待處理的壓載水可直接由旁通管路排至舷外，越過(guò)壓載水處理裝置的控制，但按壓載水處理規(guī)范[4]要求，應(yīng)急操作閥門(mén)的開(kāi)關(guān)信號(hào)仍須發(fā)送至壓載水處理裝置系統(tǒng)進(jìn)行記錄并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2.2.3 加藥作業(yè)

在船舶裝卸貨工況中，中和藥劑用量應(yīng)滿(mǎn)足17 000.00 m3/h壓載水處理的要求?？紤]不可預(yù)估的風(fēng)險(xiǎn)，中和藥劑用量須按20 000.00 m3/h壓載水處理進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)相關(guān)廠(chǎng)家的用量推薦(1 000.00 m3/h壓載水排載，中和藥劑用量為33 L/h，每周使用約10 h)[1]，項(xiàng)目所需要的中和藥劑用量至少為660 L。由于廠(chǎng)家的中和藥劑罐標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)為600 L/個(gè)[1]，因此項(xiàng)目設(shè)置2個(gè)600 L中和藥劑罐(塑料材質(zhì)，外裹不銹鋼存液筒)。

中和藥劑為38%亞硫酸氫鈉溶液[1]，屬于危險(xiǎn)化學(xué)品，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和布置時(shí)須額外考慮其安全性，須視情況根據(jù)對(duì)應(yīng)船級(jí)社相關(guān)要求提交風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告[6]供其審核。根據(jù)該船船型布置，在B甲板露天處設(shè)置中和藥劑加注站。在需要加注時(shí)，船員在加注站連接管路，中和藥劑通過(guò)不銹鋼管路加注至中和藥劑儲(chǔ)存艙(位于艏部設(shè)備間5850平臺(tái)，不銹鋼316L材質(zhì))。在中和藥劑罐需要補(bǔ)充溶液時(shí)，船員可通過(guò)手搖泵將中和藥劑儲(chǔ)存艙的藥劑泵送至中和藥劑罐(位于艏部設(shè)備間底層)。中和藥劑儲(chǔ)存艙和中和藥劑罐均設(shè)置滴液盤(pán)，管路采用焊接連接，以減少可能的泄漏及船體結(jié)構(gòu)腐蝕。在中和藥劑儲(chǔ)存艙附近設(shè)置洗眼裝置，用于船員操作不當(dāng)導(dǎo)致中和藥劑飛濺身上等情況。中和藥劑儲(chǔ)存艙及中和藥劑罐均布置在機(jī)械處所，需要良好的通風(fēng)。中和藥劑加注站、中和藥劑儲(chǔ)存艙、中和藥劑罐和中和藥劑注入口均布置在同舷，以減少化學(xué)品加注管路長(zhǎng)度。中和藥劑加注系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 中和藥劑加注系統(tǒng)

2.2.4 過(guò)濾能力

在該船壓載水處理裝置系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)中，選用比壓載水電解單元大1擋的濾器(濾器過(guò)濾能力增大，但同一種水質(zhì)的過(guò)濾率不變)，即處理能力由2 000.00 m3/h增大至3 000.00 m3/h[1]。在設(shè)備和管路布置時(shí)，增加前置濾器和備用主濾器的預(yù)留空間和接口，以便船舶所有人后期根據(jù)實(shí)際情況決定是否需要增加1臺(tái)前置濾器或主濾器。

3 結(jié) 語(yǔ)

如何衡量并選用合適的壓載水處理裝置型號(hào)和數(shù)量，需要綜合考慮船舶航線(xiàn)水質(zhì)特點(diǎn)、船舶作業(yè)和船型特點(diǎn)、電力負(fù)荷計(jì)算和船舶所有人特殊需求等制約因素。對(duì)于海淡水交替的港口，其壓載水處理裝置的選型比單一海水港口或單一淡水港口更為復(fù)雜，再加上火車(chē)滾裝船的壓載水處理裝置具有短時(shí)注排的特點(diǎn)，進(jìn)一步提高壓載水處理裝置的設(shè)計(jì)要求，因此需要通過(guò)各種研究分析才能選對(duì)產(chǎn)品。