5萬t半潛船壓載水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盛衛(wèi)明，黃 吉，仲偉東，于再紅

（1. 中港疏浚有限公司，上海 200120；2. 中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

0 引 言

壓載水中含有多種生物體，其中有細(xì)菌、病毒和生活在海中和海岸線上的多種成年或幼年期動(dòng)植物。雖然這些生物體大部分會(huì)在壓載水排放時(shí)死亡，但仍有一些能在新環(huán)境中生存下來。這些“非本土物種”一旦扎根，會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)、經(jīng)濟(jì)和公共衛(wèi)生產(chǎn)生一系列影響。

國(guó)際海事組織（IMO）于 2004年召開的國(guó)際船舶壓載水管理大會(huì)通過了《國(guó)際船舶壓載水與沉積物控制管理公約》，對(duì)壓載水的排放進(jìn)行管理，旨在減少由船舶壓載水引起的外來物種入侵的風(fēng)險(xiǎn)。該公約的D-2條規(guī)定了壓載水的處理要求，表1[1]為IMO D-2標(biāo)準(zhǔn)對(duì)壓載水排放的要求。

公約最終目的是要求船舶實(shí)施壓載水處理以滿足基于存活生物和微生物濃度的壓載水排放標(biāo)準(zhǔn)。為了滿足這一要求，配置并使用壓載水艙的船舶需要安裝壓載水處理裝置。

表1 IMO D-2壓載水排放標(biāo)準(zhǔn)

雖然目前《國(guó)際船舶壓載水與沉積物控制管理公約》還沒有在全球范圍內(nèi)生效（預(yù)計(jì)最快會(huì)在 2014年生效），但美國(guó)和澳大利亞都發(fā)布進(jìn)入美國(guó)和澳大利亞水域的船舶壓載水活生物體排放標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)與IMO的D-2排放標(biāo)準(zhǔn)相同。因此目前新造船在設(shè)計(jì)初期就應(yīng)考慮設(shè)置壓載水處理裝置。

由于大型半潛船的壓載水量十分大，因此在進(jìn)行半潛船壓載水設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮采取適當(dāng)?shù)膲狠d水處理方式來滿足公約要求?，F(xiàn)以5萬 t半潛船為例，提出該船壓載水系統(tǒng)和壓載處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，給大型半潛船壓載水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一些啟發(fā)。

1 壓載水系統(tǒng)

1.1 半潛船壓載水功能

5萬t半潛船為一艘具有DP2能力，采用電力驅(qū)動(dòng)，可在無限航區(qū)航行及作業(yè)的工程船。主要從事大型海洋結(jié)構(gòu)物的裝卸、運(yùn)輸、安裝（浮托法或沉浮法）等作業(yè)工作。根據(jù)作業(yè)工況的不同，半潛船對(duì)壓載水的需求和使用方法也不同。下面就不同作業(yè)工況的壓載水使用情況作簡(jiǎn)單說明。

1) 碼頭裝載：在碼頭裝載過程，半潛船需要利用當(dāng)?shù)卮a頭壓載水調(diào)整船舶浮態(tài)，以滿足貨物裝船過程造成的船體浮態(tài)（橫傾或縱傾）及碼頭潮差的變化。例如：船體艉部上貨時(shí)，可先將半潛船調(diào)平，使船舶甲板面軌道與碼頭軌道對(duì)齊。上貨過程中，隨著貨物重量逐步轉(zhuǎn)移至半潛船體上，需要將部分艉部壓載水排出，或艏部注入部分壓載水；隨著貨物逐步轉(zhuǎn)移至半潛船上指定裝載位置，艏艉壓載艙仍需以壓載水進(jìn)行調(diào)節(jié)浮態(tài)，待貨物就位，船體平浮之后，進(jìn)行貨物綁扎固定，完成準(zhǔn)備工作后，進(jìn)行長(zhǎng)距離運(yùn)輸；

2) 航行運(yùn)輸：半潛船載貨航行時(shí)，為消除燃油或淡水消耗產(chǎn)生的浮態(tài)變化，需要利用航路上的壓載水補(bǔ)充或調(diào)整部分壓載艙；

3) 碼頭卸貨：大型貨物若要卸載到指定碼頭，則卸貨過程與碼頭裝貨過程基本互逆，需要利用卸貨碼頭當(dāng)?shù)貕狠d水調(diào)整浮態(tài)；

4) 壓載航行：船舶在海上調(diào)遣航行時(shí)易受風(fēng)浪的影響，為保證船舶安全往往需要調(diào)整為抵抗風(fēng)暴的重壓載，此時(shí)也需要利用航路上的壓載水適時(shí)調(diào)節(jié)船舶的吃水及浮態(tài)；

5) 卸貨（沉浮法或浮托法）：半潛船較為常見的卸貨方式為沉浮法或浮托法，即通過半潛船本身下潛起浮作業(yè)的方式將貨物卸放到指定水域。此時(shí)需要利用大量的卸貨水域的壓載水；

6) 裝貨（沉浮法）：半潛船采用下潛起浮的方法裝載貨物，過程和壓載水的需求與第五類相似。

5萬t半潛船為滿足上述各類作業(yè)要求，設(shè)計(jì)了87個(gè)壓載艙，壓載艙總艙約110000m3，最大下潛深度為 27m。根據(jù)任務(wù)要求，在 4h內(nèi)從最大下潛深度起浮至滿載航行吃水，需排放的壓載水量超過了75000m3，如此大量的壓載水排量給壓載水系統(tǒng)和壓載水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了極大的挑戰(zhàn)。

1.2 壓載水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

半潛船的壓排載系統(tǒng)主要有泵壓排載系統(tǒng)、壓縮空氣壓排載系統(tǒng)或同時(shí)采用兩種壓排載系統(tǒng)。

泵壓排載方式較為傳統(tǒng)[2]，在各類船舶中都有廣泛應(yīng)用。利用壓載泵從海底門吸取海水打入壓載艙，或在排載時(shí)通過壓載泵將壓載水從艙內(nèi)排出。

壓縮空氣壓排載系統(tǒng)是每個(gè)壓載艙均設(shè)有直接通海的壓載水管路和壓縮空氣管路。排載時(shí)，壓縮空氣通過壓縮空氣管進(jìn)入壓載艙，利用壓縮空氣的壓力將水排出壓載艙；壓載時(shí)，利用壓載艙內(nèi)外壓力差通過通海的管路直接注入海水或開啟空壓機(jī)抽出空氣管內(nèi)的空氣以加快壓載速度。在重力排放時(shí)，壓縮空氣管兼做壓載艙的透氣管。原理見圖1。

5萬t半潛船如采用常規(guī)泵壓載，則船上需要配置容量巨大的壓載泵，據(jù)測(cè)算至少要配置4臺(tái)4700m3/h的壓載泵，每艙的壓載水管徑達(dá)到500mm，為防止壓載艙超壓，每個(gè)壓載艙還需設(shè)置直徑達(dá) 600mm的透氣管。半潛船主甲板面不得設(shè)置透氣管，因此透氣管需要穿越主船體內(nèi)部并集中布置在艏樓內(nèi)，如此數(shù)量和口徑的管系布置隨著半潛船的大型化和快速壓載要求的提高變得愈加難以實(shí)現(xiàn)。

圖1 壓縮空氣排載系統(tǒng)原理

壓縮空氣排載系統(tǒng)中每個(gè)艙都是獨(dú)立的排水管，系統(tǒng)特點(diǎn)是管系簡(jiǎn)單、口徑相比泵壓載大為減小，且排載速度快、操作方便。因此壓縮空氣排載是近年來大型半潛船壓排載系統(tǒng)采用的主流配置。

5萬t半潛船的壓載水系統(tǒng)采用的是泵壓排載和壓縮空氣壓排載組合的壓載水系統(tǒng)。原則上，主甲板以下的壓載艙采用壓縮空氣壓排載方式，主甲板以上的壓載艙采用泵壓載方式。

2 壓載水處理系統(tǒng)

2.1 壓載水處理系統(tǒng)原理

目前所有的壓載水處理裝置都是針對(duì)常規(guī)的泵壓載系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。壓載水處理的過程為：壓載水泵通過海底門吸入壓載水，首先讓壓載水通過過濾器過濾，去除雜質(zhì)，然后送入壓載水處理單元，經(jīng)過處理的壓載水，通過管路送入各壓載艙。過濾器可以消除壓載水中積聚的沉淀物，每次裝壓載結(jié)束，過濾器要用海水反沖洗，所有清洗過濾器的反沖洗水都在壓載水裝載地點(diǎn)直接返回海洋。在處理的最終階段，即排出壓載水時(shí)，壓載水再次通過壓載水處理單元，消滅航行期間在船艙中滋生的微生物。圖2為常規(guī)壓載水處理流程。

圖2 常規(guī)壓載水處理流程

常規(guī)的壓載水處理流程對(duì)于采用壓縮空氣排載系統(tǒng)的半潛船而言是不適用的。從圖1壓縮空氣排載系統(tǒng)原理中可以看出，由于壓載艙直接和舷外相通，無法對(duì)進(jìn)艙和排出的水進(jìn)行過濾及處理，因此對(duì)于配置壓縮空氣排載系統(tǒng)的半潛船而言，壓載水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須另辟蹊徑。

2.2 半潛船壓載水處理需求

根據(jù)半潛船的主要作業(yè)工況分析半潛船的壓載水處理需求，尋找滿足要求且行之有效的解決方法。

1) 碼頭裝載：碼頭裝載結(jié)束后，待啟運(yùn)貨物前，各壓載艙內(nèi)壓載水基本固定，這部分壓載水（多數(shù)情況下，使用的壓載艙均處于空或滿的狀態(tài)）是滿足船舶浮態(tài)所必需的，因此可能被帶到其他港口或水域，需要進(jìn)行處理；

2) 航行運(yùn)輸：在航行途中為滿足半潛船浮態(tài)要求，需要補(bǔ)充部分壓載水，這部分壓載水可能被帶到其他港口或水域，需要進(jìn)行處理；

3) 碼頭卸貨：貨物卸到指定碼頭，需要利用當(dāng)?shù)貕狠d水調(diào)整卸貨過程的浮態(tài)。因此前出發(fā)港或途中攜帶的壓載水需經(jīng)過處理，就地壓載水調(diào)整浮態(tài)將不必再進(jìn)行壓載水處理；

4) 壓載航行：半潛船調(diào)遣航行時(shí)，如因抗風(fēng)暴等原因需調(diào)整吃水或浮態(tài)，這部分使用的壓載水應(yīng)進(jìn)行處理；

5) 卸貨（沉浮法或浮托法）：半潛船經(jīng)常將運(yùn)輸?shù)呢浳锿ㄟ^沉浮法或浮托法方式卸放到指定水域，該過程需要使用大量壓載水。這部分壓載水均為當(dāng)?shù)貕狠d水，在貨物卸除后，半潛船恢復(fù)壓載航行吃水即可，大量壓載水重新排放回原水域，因此壓載水不需要進(jìn)行處理，但在壓排載之前和之后，均應(yīng)保持壓載艙的清潔，且不受其他水域殘余海水的污染。這部分壓載艙除在下潛起浮作業(yè)時(shí)使用之外，基本上長(zhǎng)期處于空艙狀態(tài)，因此排空后或壓載前需進(jìn)行清潔和檢查工作；

6) 裝貨（沉浮法）：半潛船采用沉浮法裝載貨物，過程與第五類相似，也均采用當(dāng)?shù)貕狠d水完成裝貨過程?；謴?fù)至航行吃水時(shí)，應(yīng)對(duì)航行工況的壓載水進(jìn)行處理。

總之，半潛船對(duì)壓載水的使用需求和作業(yè)方法，主要須考慮航行時(shí)的壓載水處理問題。半潛船航行途中的壓載水量基本固定，故考慮航行途中采用循環(huán)法或倒艙法進(jìn)行壓載水處理。

2.3 循環(huán)法壓載水處理系統(tǒng)

循環(huán)法壓載水處理系統(tǒng)原理見圖3。循環(huán)水泵從壓載艙吸取壓載水進(jìn)入壓載水處理裝置，處理后的水再回到壓載艙內(nèi)，推薦循環(huán)3次。在航行途中同一壓載艙進(jìn)行循環(huán)處理3次或以上，經(jīng)檢測(cè)達(dá)到排放要求后，可直接通過艙底閥排放或通過循環(huán)水泵排放。由于循環(huán)法壓載水處理方式是在航行途中處理，因此濾器的排污不能直接排入海中，需設(shè)置專門的壓載污水收集艙，用來儲(chǔ)存壓載水處理裝置中濾器的排污，壓載污水收集艙內(nèi)污水可繼續(xù)通過循環(huán)法處理，合格后排放或排岸處理。圖3為循環(huán)法壓載水處理系統(tǒng)原理。

圖3 循環(huán)法壓載水處理系統(tǒng)原理

2.4 倒艙法壓載水處理系統(tǒng)

半潛船無論是載貨航行還是壓載航行，都會(huì)有較大部分的壓載艙處于空艙狀態(tài)。倒艙法壓載水處理系統(tǒng)的原理是利用循環(huán)水泵從壓載艙吸取壓載水進(jìn)入壓載水處理裝置，處理后的水存到空的壓載艙，循環(huán)處理直至所有壓載水艙內(nèi)的壓載水處理完畢。在航行途中可進(jìn)行多次操作，處理后的壓載水可通過艙底閥直接排放或通過循環(huán)水泵排放。同循環(huán)法處理方式一樣，倒艙法壓載水處理方式中濾器的排污也不能直接排入海中，需設(shè)置專門的壓載污水收集艙。壓載污水收集艙內(nèi)污水可繼續(xù)通過循環(huán)法處理，合格后排放或排岸處理。圖4為倒艙法壓載水處理系統(tǒng)原理。倒艙法壓載水處理方式由于存在一個(gè)壓載艙從滿到空，另一壓載艙從空到滿的變化，對(duì)船舶的穩(wěn)性強(qiáng)度等會(huì)產(chǎn)生影響，因此采用倒艙法壓載水處理系統(tǒng)的船舶，在航行前應(yīng)進(jìn)行裝載計(jì)算，核算壓載水處理過程的每一步安全性，對(duì)每一步操作都應(yīng)有相應(yīng)的指導(dǎo)。

圖4 倒艙法壓載水處理統(tǒng)原理

上述循環(huán)法壓載水處理系統(tǒng)和倒艙法壓載水處理系統(tǒng)均為筆者針對(duì)5萬t半潛船設(shè)計(jì)的新型壓載水處理系統(tǒng)，已申請(qǐng)了實(shí)用新型專利。

3 USCG壓載水排放要求

對(duì)于“無限航區(qū)”的半潛船，還不能忽視美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)（USCG）對(duì)壓載水管理和控制的要求。USCG于2012年3月23日發(fā)布了最終的“美國(guó)水域船舶壓載水活生物體排放標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)則，該規(guī)則排放標(biāo)準(zhǔn)與IMO（D-2）排放標(biāo)準(zhǔn)完全相同，已于2012年6月21日正式生效。在美國(guó)水域進(jìn)行壓載水排放的船舶，應(yīng)按表2[3]實(shí)施時(shí)間采用USCG認(rèn)可的壓載水處理系統(tǒng)（BWMS）。

表2 USCG標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施時(shí)間表

4 5萬t半潛船壓載水處理系統(tǒng)

考慮到倒艙法壓載水處理方式每一過程須進(jìn)行精細(xì)核算且操作要求較高，因此5萬t半潛船的壓載水處理方式采用循環(huán)法。所選用的壓載水處理裝置除具有IMO型式認(rèn)可證書和CCS證書外，還具有USCG證書。

5萬t半潛船壓載水處理裝置的容量根據(jù)半潛船在航行工況裝載的壓載水量和壓載艙空氣管阻力核算進(jìn)行選擇，選取了兩套小排量的壓載水處理裝置，在航行途中對(duì)壓載艙內(nèi)的壓載水進(jìn)行循環(huán)處理，壓載水處理裝置采用物理法對(duì)壓載水進(jìn)行處理。

5 結(jié) 語(yǔ)

5萬t半潛船選用循環(huán)法對(duì)航行途中的壓載水進(jìn)行處理，選用具有IMO型式認(rèn)可證書、CCS證書和USCG證書的壓載水處理裝置，其設(shè)計(jì)滿足了IMO D-2排放標(biāo)準(zhǔn)。為防止壓載艙內(nèi)的沉積物對(duì)壓載水的再次污染，應(yīng)定期清洗壓載艙，沖洗錨鏈，除掉淤泥沉淀物；定期除掉附在船底、管道、壓載艙內(nèi)等的污損生物。5萬t半潛船在設(shè)計(jì)時(shí)，將壓載艙的底板進(jìn)行了傾斜設(shè)計(jì)，并在每個(gè)壓載艙均預(yù)留清洗孔，便于日后壓載艙的清理工作。

[1] IMO. 2004年國(guó)際船舶壓載水與沉積物控制管理公約[S].

[2] 潘錦成. 船舶壓載水處理技術(shù)及處理系統(tǒng)方案研究[J]. 上海造船，2011, (2): 64-67.

[3] CCS. 壓載水管理系統(tǒng)技術(shù)及選型介紹[S].