船舶壓載水處理系統(tǒng)改裝設(shè)計

肖德浩，蔡家鑫，柴俊鍇

（上海江南長興造船有限責(zé)任公司，上海 201913）

0 引言

在沒有任何防護和控制措施的情況下，船舶壓載水易引起有害水生物和病原體的傳播，進而對海洋生態(tài)系統(tǒng)、社會經(jīng)濟及公眾健康造成危害。為此，國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）通過了《壓載水管理公約》，對壓載水中可存活生物的種類及數(shù)量作出明確規(guī)定，并對船舶提出配置壓載水處理裝置（Ballast Water Management System，BWMS）的要求。

目前，BWMS已成為新造船的標準配置，但許多已運營的船舶卻仍未安裝此設(shè)備。本文對主流船舶壓載水處理系統(tǒng)的工作原理進行介紹，結(jié)合項目實例對船舶壓載水處理系統(tǒng)中電氣系統(tǒng)的設(shè)計思路、設(shè)備布要點等進行說明。

1 BW MS簡介

為使船舶壓載水滿足公約要求，許多廠家推出相應(yīng)系統(tǒng)供船東進行選擇。目前市場上主流的BWMS可分為紫外線（Ultraviolet，UV）系統(tǒng)和電解系統(tǒng)。

UV系統(tǒng)首先通過濾器去除水生生物與顆粒物，再利用祡外線對壓載水中殘余的水生生物進行消殺。在排除前，壓載水還需再次進行紫外線消殺，確保排出的壓載水能滿足公約的要求。UV系統(tǒng)的布置相對緊湊，對改裝船的空間要求相對較低。UV系統(tǒng)的工作效果不受水的鹽度和溫度變化的影響，但受制于所加壓載水的透射比，壓載水越混濁，系統(tǒng)消殺效果越差。UV系統(tǒng)的工作原理見圖1。

圖1 UV系統(tǒng)的工作原理

電解系統(tǒng)首先通過濾器對壓載水進行預(yù)處理，再通過電解海水產(chǎn)生高濃度次氯酸鈉溶液對剩余水生生物和病原體進行消殺。當(dāng)船舶排放壓載水前，需要通過系統(tǒng)檢測水中的氯含量，并根據(jù)設(shè)定自動進行中和處理以滿足公約要求。

相較于UV系統(tǒng)，電解系統(tǒng)對壓載水的處理能力更強，更適合安裝于壓載水容量較大的大型船舶。然而，電解系統(tǒng)具有以下缺點：1）在淡水和低溫環(huán)境中運行時，其工作效果將受到負面的影響；2）系統(tǒng)能耗相對較高；3）電解過程會產(chǎn)生少部分氫氣，可能產(chǎn)生安全隱患。電解系統(tǒng)的工作原理見圖2。

圖2 電解系統(tǒng)的工作原理

2 電氣系統(tǒng)設(shè)計

不同BWMS的工作原理不同，但其電氣系統(tǒng)的設(shè)計思路大同小異。在BWMS電氣設(shè)計中，需要繪制并送審船級社的詳細設(shè)計圖紙包括以下8個部分：1）電力負荷計算書；2）短路電流計算書；3）BWMS電氣系統(tǒng)圖；4）電力系統(tǒng)圖；5）電力設(shè)備布置圖；6）監(jiān)測報警系統(tǒng)圖；7）閥門遙控電氣系統(tǒng)圖；8）衛(wèi)星定位（Differential Global Positioning System，DGPS）系統(tǒng)圖。

在BWMS改裝設(shè)計初期，需要根據(jù)電力負荷計算書對原船電力負荷進行評估。在考慮新加裝的BWMS各設(shè)備參數(shù)的基礎(chǔ)之上，參照原船負荷計算方法對改裝后的電力負荷數(shù)據(jù)進行計算和評估。為保證計算的準確性，需要考慮不同工況下各設(shè)備的運行情況。

改裝過程若涉及電網(wǎng)變化，船級社通常會要求提供新的短路電流計算書用于核查電網(wǎng)的短路電流，并校核各斷路器的分斷能力及接通能力是否仍能滿足要求。短路電流可通過多種專業(yè)軟件進行計算，通常使用中國船級社（China Classification Society，CCS）的COMPASS軟件進行計算。將電力系統(tǒng)中各核算點的短路電流值與斷路器分斷電流值、合閘電流值進行對比，確保各斷路器在改裝后仍能滿足要求。斷路器相關(guān)電流參數(shù)與計算得到的各短路電流值之間的關(guān)系見式（1）。

式中：為斷路器的短路分斷能力；為斷路器的短路接通能力；為計算得到的對稱短路電流；為計算得到的最大短路電流峰值。

在繪制BWMS的電氣系統(tǒng)圖時，需要參照設(shè)備廠家提供的控制原理圖以及電氣單線圖，不斷完善和細化。需要注意根據(jù)各設(shè)備的輸入功率對電纜進行匹配。在選擇設(shè)備電源電纜時，有如下注意事項：

1）根據(jù)廠家資料，核查各設(shè)備的負載電流值。若設(shè)備未提供負載電流值，可通過計算獲得。三相交流用電設(shè)備和單相交流用電設(shè)備負載電流值的計算公式分別見式（2）和式（3）。

式（2）和式（3）中：為負載電流值；為額定功率；為功率因子；為額定電壓。

2）新增電纜通常成束敷設(shè)，修正系數(shù)可取0.85。

3）若各壓載水處理設(shè)備布置較為分散，其電纜較長，需要核算回路電壓降，其計算公式為

式中：Δ為交流單相兩線制回路電壓降；Δ為交流三相三線制回路電壓降；為電纜長度；為電流；為額定電壓；為電纜截面積；為電導(dǎo)率；為導(dǎo)體溫度系數(shù)，取1.27。

4）在確定電纜截面積時，要同步考慮斷路器保護裝置的動作特性與電纜的保護協(xié)調(diào)技術(shù)。斷路器的整定電流值、電纜載流量及負載額定電流間的關(guān)系為

式中：為斷路器的整定電流值；為電纜載流量；為負載額定電流值。

除電力部分的設(shè)計工作外，還需考慮本系統(tǒng)與外部其他系統(tǒng)間信號及控制接口問題：

1）電解系統(tǒng)需考慮機艙風(fēng)機運行狀態(tài)聯(lián)鎖控制功能。

2）為反饋BWMS的工作情況，需要輸出系統(tǒng)故障報警等信號到原船的監(jiān)測報警系統(tǒng)。

3）需要為BWMS接入全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）信號接口。

4）部分電站功率偏小的船舶在加裝BWMS時需要在電站中增加重載問詢功能，以免系統(tǒng)啟動時因電網(wǎng)波動而超出規(guī)范要求。BWMS與配電板（Power Management System，PMS）間重載問詢信號見圖3。

圖3 BWMS與配電板間重載問詢信號

船舶新裝BWMS涉及對原船壓載水管路的修改調(diào)整，部分原船閥門開閉狀態(tài)信號需要輸入至BWMS。當(dāng)BWMS需要輸入原船手動閥的開閉狀態(tài)信號時，可通過在手動閥的閥桿上增加限位開關(guān)的方案來滿足要求。該方案不僅改裝施工方便、改裝工期短，還能有效降低改裝成本。

3 BWMS布置設(shè)計

BWMS各設(shè)備在進行布置設(shè)計前需要對實船進行勘驗或查看原船3D掃描數(shù)據(jù)以了解原船設(shè)備的實際布置和空間結(jié)構(gòu)情況，在此基礎(chǔ)之上進行設(shè)備初步布置。設(shè)備布置時需要綜合考慮以下4點：

1）空間問題。少部分已運營的船舶在新建時已提前考慮了后期BWMS加裝需求，并提前在機艙預(yù)留相應(yīng)空間，對此類船舶進行設(shè)備布置相對容易。然而，大多數(shù)船舶在新建時未預(yù)留相應(yīng)空間，需要評估處理裝置在船舶上的安裝位置。綜合考慮機艙布置圖、泵艙布置圖、全船布置圖、電力設(shè)備布置圖等原船圖紙以及BWMS各設(shè)備尺寸進行初步布置。

2）維護保養(yǎng)問題。在布置 BWMS各設(shè)備時，應(yīng)通過設(shè)備資料檢查各設(shè)備后續(xù)維護要求。對于濾器單元、紫外線、加藥單元、電解單元、電氣控制箱等設(shè)備，不僅要保證成功安裝，還要滿足設(shè)備平時維護保養(yǎng)和操作空間的要求，電氣控制箱應(yīng)盡可能就近布置。

3）設(shè)備電纜路徑走向問題。在新造船項目中，電纜路徑相關(guān)問題可在模型設(shè)計階段通過專業(yè)間溝通得到及時解決。對于改裝船，在設(shè)備安裝位置確定后，需要根據(jù)原船具體情況對電纜路徑進行合理規(guī)劃，需綜合考慮是否施工簡便、是否涉及油艙動火、是否需要大量搭架工程等方面。

4）在設(shè)備布置時，若可供選用的空間不多，在層高足夠的情況下可考慮增加舾裝平臺用于設(shè)備布置。圖4為某170 000 t散貨船模型，原船機艙空間較小，需要安裝的BWMS設(shè)備較多，還需要保證濾器設(shè)備維護保養(yǎng)時的吊高要求、電極單元四周維護空間要求以及現(xiàn)場改裝施工的便利性要求。綜合考慮各種方案，最終確定將系統(tǒng)各設(shè)備集中布置于機艙底層右舷處，通過在右舷增加舾裝平臺、增加垂向空間來滿足相關(guān)要求。

圖4 某170 000 t散貨船模型

4 結(jié)論

加裝BWMS對改善海洋生態(tài)系統(tǒng)、促進社會經(jīng)濟及保護公眾健康非常重要，本文對主流船舶壓載水處理系統(tǒng)的工作原理進行介紹。結(jié)合項目實例對船舶壓載水處理系統(tǒng)中電氣系統(tǒng)的設(shè)計思路、設(shè)備布要點等進行說明。合理的系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備布置可有效節(jié)省改裝材料、降低施工難度、縮短改裝周期、提高改裝效率、降低改裝成本。