大型半潛船壓載水處理系統解決方案

陳 雷 胡小林 于再紅 鄒 雄

（1. 中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011；2. 中遠海運特種運輸股份有限公司 廣州510000）

引 言

以重貨運輸市場為主要導向因素，半潛船的船型尺度不斷增加，載重噸和載貨尺寸都發生了跨越式發展。1999年12月，中遠航運股份有限公司向廣船國際訂造了1.8萬噸級半潛船“泰安口”號和姐妹船“康盛口”號。中國船舶及海洋工程設計研究院自2008年起，先后設計了3萬t半潛船“華海龍”、3.8萬t半潛船“夏之遠6”、5萬t半潛船“海洋石油278”、5萬t半潛船“華洋龍”及10萬t半潛船“新光華”。半潛船的船型尺度不斷增加，相應的壓載水量也在逐步增加，在排放壓載水的同時，不同水域的微生物會以壓載水為載體進行傳播，造成外來生物入侵，并對沿海城市的生態、經濟和人們的生活健康造成巨大傷害。隨著壓載水管理公約的生效，大型半潛船壓載水處理的需求已愈發緊迫。

1 壓載水管理公約及壓載水處理裝置發展現狀

1.1 壓載水管理公約

2004年2月9日，IMO海上環境保護委員會（MEPC）通過了《國際船舶壓載水和沉積物控制與管理公約》（簡稱“壓載水管理公約”）。該公約規定：在至少30個國家簽署該公約，且達到代表世界商船總噸位的35%起的12個月之后，該公約生效。

2016年9月8日，芬蘭批準了壓載水管理公約，從而使締約國數量達到52個，締約國商船總噸位達到35.144 1%，壓載水管理公約終于達到生效條件，于2017年9月8日正式生效。2016年10月20日，巴拿馬成為第53個批準壓載水管理公約的國家，使締約國商船總噸位達到了世界商船總噸位的53.28%。2018年10月22日，中國也正式加入壓載水管理公約，2019年1月22日起，壓載水管理公約對我國正式生效。

壓載水公約中還規定了新建和現有船舶滿足D-2標準的時間窗口。根據IMO A.1088（28）決議的要求，在公約生效（2017年9月8日）前建造的船舶，均應在公約生效日期后的首次國際防止油類污染證書（IOPP）換證檢驗時滿足D-2標準；在公約生效日及以后建造的船舶，視為新造船，應在交船時滿足D-2標準，具體參見表1。在IMO MPEC第70屆會議上，又審議通過了D-2標準實施時間表的替代文本，參見表2。

表1 D-2標準實施時間表（A.1088（28））

表2 D-2標準實施時間表（MEPC70替代方案）

MEPC70替代方案對公約生效后兩年內進行首次IOPP換證的現有船舶，將安裝壓載水管理系統的時間推遲至第2個IOPP換證期。［1］

2017年7月3日，挪威協調巴西、印度、利比里亞、英國向MPEC71會議提出一個折中方案，要求在2017年9月8日及以后建造的新造船應自交船日期起符合D-2標準，2017年9月8日前建造的現有船舶允許推遲2年至2019年9月8日或以后的首次IOPP換證時符合D-2標準，參見表3。該折中方案作為B-3條修正案的第三種方案，在MEPC71會議上獲得委員會同意。

表3 D-2標準實施時間表（MEPC71替代方案）

1.2 壓載水處理裝置

市場上的壓載水處理系統應用技術主要分為 三種類型，即過濾法、物理法和化學法，參見表4。

表4 壓載水處理應用技術分類

上述三種處理方法各有優缺點，僅使用一種技術很難達到要求，實際設計中一般采用幾種技術的組合，如在壓載水吸入階段采用機械分離或過濾來去除較大的生物體，然后再采用物理殺毒或化學處理殺死較小的生物體和細菌。［2］

采用紫外線處理技術和電解技術的壓載水處理系統具有較強的競爭力：一方面是因為電解技術在現有船舶海水的處理中已取得了較廣泛的應用，大多數船東和船員對該技術也比較熟悉，紫外線技術則是被認為最為環保、安全的殺菌技術；另一方面是因為目前大部分通過認證的壓載水處理設備都涉及電解和紫外線技術，使其市場認可度大大提升。目前，紫外線技術約占市場總額的42%，電解技術約占市場總額的30%，其他技術約占市場總額的28%。［3］

2 大型半潛船壓載系統

2.1 大型半潛船壓載系統的特點

普通貨船壓載艙數量少、壓載水總量少、壓載泵排量有限，壓載水處理裝置一般直接串接在壓載泵出口處的壓載總管上（參見圖1）。壓載水注入壓載艙時先經壓載水處理裝置處理一遍，排出壓載水時再經壓載水處理裝置處理一遍。

圖1 普通貨船壓載水處理系統設計

與普通貨船比較，大型半潛船壓載系統具有以下特點：

（1）壓載艙數量多、壓載水總量大

以5萬t半潛船“華洋龍”為例，全船共有87個壓載艙，壓載艙總艙容約10萬m3；10萬t半潛船“新光華”，全船共有117個壓載艙，壓載艙總艙容約21萬m3。

（2）壓載水注入或排出的瞬時流量大

5萬t半潛船“華洋龍”進行下潛/上浮作業時，需在4 h內注入或排出約5萬m3壓載水，壓載水平均注入/排出速率達1.25萬m3/h；10萬t半潛船“新光華”進行下潛/上浮作業時，需在6 h內注入或排出約10萬m3壓載水，壓載水平均注入/排出速率達1.67萬m3/h。

（3）一般采用壓縮空氣壓排載

5萬t半潛船“海洋石油278”、5萬t半潛船“華洋龍”及10萬t半潛船“新光華”主船體內的壓載艙均采用壓縮空氣排載，每個壓載艙都設有一個獨立的通海管路及閥件，壓縮空氣管兼作透氣管。壓載時，打開通海閥和透氣閥，舷外海水通過重力自流進入壓載艙；排載時，關閉透氣閥，打開充氣閥和通海閥，壓縮空氣經空壓機注入壓載艙，壓載艙內的壓載水便經通海管路排至舷外（參見下頁圖2）。

圖2 壓縮空氣排載壓載艙示意圖

2.2 大型半潛船壓載水處理的難點及措施

由于大型半潛船壓載系統的上述特點，壓載水處理系統成為大型半潛船系統設計的一大難點，主要原因如下：

（1）大型半潛船壓載水總量大，如像普通貨船一樣全部進行處理，則耗時太長；

（2）大型半潛船壓載水注入或排出的瞬時流量大，如像普通貨船一樣在壓載水注入和排出時同步進行處理，則壓載水處理裝置的容量需要很大，相應的體積也很大，在設備選型及布置上都存在困難；

（3）普通貨船一般直接把壓載水處理裝置串接在壓載泵出口的壓載總管上，而大型半潛船一般采用壓縮空氣排載，每個壓載艙都有一個獨立的通海管路，沒有常規意義上的壓載總管；

（4）采用壓縮空氣排載的半潛船，空氣管口徑較小，按照空氣管截面積至少為動力注入管截面積1.25倍的要求，注入管口徑受限，處理后壓載水進艙遭遇瓶頸。

針對上述難點，大型半潛船壓載水處理系統設計有以下解決方法：

（1）減少需處理的壓載水量。半潛船作業時就地進就地排的壓載水不需要處理，同一海區進同一海區排的壓載水不需要處理；僅需對跨海區航行時所需要攜帶的壓載水進行處理，這樣可使需要處理的壓載水總量減少70%以上。

（2）壓載水處理與壓載水注入或排出錯峰進行。在下潛、卸貨或其他需要壓載的工況下，壓載水不經處理直接進艙，作業結束后，再用處理后的壓載水逐艙進行置換，或者在航行途中逐艙進行循環處理。

（3）對采用壓縮空氣排載的半潛船，另外設置一套專用的壓載水處理管路，以將處理后的壓載水注入相應的壓載艙，或把壓載水從艙內抽出送至壓載水處理裝置處理后再排舷外。

（4）對采用壓縮空氣排載的半潛船，可根據空氣管的口徑反算相應壓載艙允許動力注入的最大口徑，并據此確定壓載水處理裝置的規格；或者在高處設置一個清潔壓載艙，將處理后的壓載水先注入清潔壓載艙，然后再通過重力流入其他壓載艙，從而規避動力注入。

3 大型半潛船壓載水處理典型案例

3.1 單總管動力注入式

下頁圖3為單總管式壓載水處理系統，5萬t半潛船“海洋石油278”即采用這種設計。受船型及空氣管布置制約，壓載艙空氣管口徑最大只能達到DN150。此外，由于是動力注入，空氣管截面積至少應是動力注入管截面積的1.25倍，因此，相應壓載艙的注入管口徑最大只能為DN125。

壓載水進艙時，壓載泵從海水總管取水，經壓載水處理裝置處理后經壓載水處理總管進入各壓載艙；壓載水排出時，壓載泵通過壓載水處理總管從各壓載艙取水，經壓載水處理裝置處理后排舷外。需要說明的是，圖3中的壓載泵是專為壓載水處理裝置服務的小排量壓載泵，船上還配有更大排量的專用壓載泵用于快速壓排載。

2.2.3 內標溶液的制備 精密稱取水楊酸甲酯對照品適量，加乙酸乙酯溶解，制成質量濃度為2.5 mg/mL的內標溶液。

圖3 單總管式壓載水處理系統

由于只有一根總管，該設計無法從某一壓載艙抽取壓載水進行處理后再回到相應壓載。當作業完畢進行壓載水處理時，需逐艙排空，然后置換入經處理后的壓載水。

3.2 雙總管動力注入式

圖4為雙總管式壓載水處理系統。每個壓載艙有一根注入支管和抽出支管，分別與壓載水注入總管和抽出總管相連，5萬t半潛船“華洋龍”即采用這種設計，壓載水處理裝置為紫外線式。壓載艙空氣管口徑為DN150，壓載水注入支管和抽出支管口徑為DN125，壓載水注入總管及抽出總管口徑為DN150，壓載水處理裝置的處理量為200 m3/h。

圖4 雙總管式壓載水處理系統

壓載水進艙時，壓載泵從海水總管取水，經壓載水處理裝置處理后經壓載水處理總管進入各壓載艙；壓載水排出時，壓載泵通過壓載水處理總管從各壓載艙取水，經壓載水處理裝置處理后排舷外。圖4中的壓載泵情況和圖3相同。

由于采用雙總管設計，本系統還可實現壓載水的循環處理，即從某一壓載艙抽取壓載水進行處理后再回到相應壓載艙或其他壓載艙。在作業完畢后進行壓載水處理時，無需逐艙排空置換，可在航行途中對所攜帶的壓載水逐艙進行循環處理，最大限度保障船舶浮態與穩性。另外，船上還設有足夠容積的壓載水收集艙，用來收集濾器的反沖洗水，使該船壓載水處理工作不受時間和地點的制約。

3.3 重力注入式

圖5為重力注入式［4］壓載水處理系統。選用高處的一個壓載艙作為清潔壓載艙，壓載泵從海水總管抽取舷外海水，經處理裝置處理后注入清潔壓載艙，清潔壓載艙內的壓載水利用重力經重力注入總管注入至主船體內的各個壓載艙。10萬t半潛船“新光華”采用了這種設計，壓載水處理裝置為電解式，壓載艙空氣管口徑同樣為DN150。由于規避了動力注入，壓載艙重力注入支管口徑選用DN250，重力注入總管口徑選用了DN400，壓載水處理裝置的處理量為1 500 m3/h。

圖5 重力注入式壓載水處理系統

壓載水進艙時，壓載泵從海水總管取水，壓載水處理裝置從過濾后的壓載水管路中取一個小流量的壓載水進行電解，電解產生的次氯酸鈉溶液回注到壓載水管路中，次氯酸鈉可在壓載艙內持續作用，滅活效果較為徹底。壓載水中的次氯酸鈉可隨時間自行分解，通常在壓載艙內存放超過5天后，余氯濃度便降至IMO規定值以下。由于一個航次所需時間往往遠超5天，因此大多數情況下，壓載水可直接經壓載艙的通海管排至舷外而無需另行處理。如壓載水排出時余氯濃度大于IMO規定值，可通過壓載泵將壓載艙內的壓載水抽出，經中和處理后再排至舷外。

3.4 方案比較

3.4.1 從壓載水處理裝置容量角度

“海洋石油278”和 “華洋龍”處理后的壓載水進艙均采用動力注入，受空氣管及注入管口徑的制約，壓載水處理裝置的容量受限，使壓載水處理裝置的采購成本較低。“新光華”處理后的壓載水進艙采用重力法，規避動力注入，壓載水處理裝置的容量需和專用壓載泵的容量相匹配，容量較大且采購成本較高。

3.4.2 從壓載水處理的靈活性角度

重力法需在航行前，壓載水進艙時同步進行處理；循環法處理則較為靈活，既可以在壓載水進艙時進行處理，也可以在航行途中進行循環處理，不受時間和地點的限制。

3.4.3 從壓載水處理裝置選型角度

大部分采用物理法的壓載水處理裝置都需要對壓載水進行二次處理。以紫外線為例，壓載水進艙時進行過濾+紫外線消毒，壓載水排出時還需要進行第二次紫外線消毒；部分采用化學法的壓載水處理裝置無需對壓載水進行二次處理，以電解法為例，壓載水進艙時進行過濾+電解，經過一個航次的航行到達目的地后，壓載水中的次氯酸鈉濃度將降低至IMO的規定值以下，可不經中和直接排出舷外。

4 結 語

大型半潛船的壓載水系統具有壓載艙數量多、壓載水總量大、壓載水注入或排出的瞬時流量大，以及普遍采用壓縮空氣排載等諸多特點。設計其壓載水處理系統時，只需考慮對跨海區航行時所攜帶的壓載水進行處理，必要時，壓載水處理與壓載水注入/排出操作可錯峰進行。在壓載水處理設備選型上，應盡量選用只需一次處理的設備；在壓載水處理系統設計上，循環處理法和重力注入法是目前解決大型半潛船壓載水處理問題的合理可行方案。