針對海淡水交替港口的火車滾裝船壓載水處理系統

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.上海船舶設計研究院，上海 201203)

0 引 言

為滿足《國際船舶壓載水及沉積物管理與控制公約》(簡稱《壓載水管理公約》)的D-2標準要求，應根據船舶自身情況配置合適的壓載水處理裝置。常見的壓載水處理技術一般分為紫外線(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械處理+物理處理(過濾+UV、水力旋流分離+超聲波預過濾+UV)、機械處理+化學處理(過濾+電解、過濾+電催化、過濾+膜分離+充氮驅氧)等。

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

1 壓載水處理裝置選型

1.1 產品選擇

美國海岸警衛隊(USCG)官網于2018年11月發布持有USCG證書的壓載水處理裝置廠家及產品特性如表1所示。

表1 持有USCG證書的壓載水處理裝置廠家及產品特性

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目要求。根據船舶所有人反饋，該船火車裝卸作業要求(總耗時持續8～10 h)如表2所示。由表2可知：在火車裝卸過程中，壓載水同步壓排載以維持船舶與碼頭之間的相對靜止。該信息涉及壓載水處理裝置的存艙時間要求，即實際操作決定壓載水處理裝置不能有存艙時間。由表1可知：只有青島雙瑞公司、Erma First公司和OceanSaver公司等3個壓載水處理裝置廠家無存艙時間(均為電解形式的壓載水處理系統)，其他廠家排除在外。

表2 火車裝卸作業要求

根據美國政府相關官網數據，莫比爾港口的水質會出現低于1.00 PSU的情況。由表1可知：Erma First公司的產品可處理>0.90 PSU的壓載水[1]，OceanSaver公司的產品可處理>20.00 PSU的壓載水[2]，青島雙瑞公司的產品可處理>15.00 PSU的壓載水[3]。在待處理壓載水的鹽度值低于USCG證書中的數值時，對應的壓載水處理裝置無法實現電解制氯的能力，此時的壓載水不能滿足《壓載水管理公約》中的D-2標準要求。最接近項目特殊要求的3個廠家，其產品不能覆蓋至淡水區域的壓載水壓排載作業，需要對船舶的設計和運營進行一定的修改。

1.2 高鹽度海水處理

根據現有主流散貨船船型設計，尾尖艙一般裝載壓載海水(可根據船舶運營情況設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艙內。在船舶需要在淡水或低鹽度區域內對壓載水進行壓排載作業時，尾尖艙的高鹽度壓載水處理有2個方案：(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行反應，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備間，距離機艙和尾尖艙較遠，因此根據實際船型，高鹽度海水艙不適宜布置在尾尖艙。若新增1個高鹽度海水艙，則該艙介質會作為固定裝載量出航，減少該船火車的裝載量。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，以代替專門的高鹽度海水艙；但這樣設計，需要船舶在海上進行兼用艙的壓載水置換功能，增加船舶操作量。綜合考慮該船火車數量已確定，須保證裝載量，且該船在美國至墨西哥之間的固定航線上可直接獲取高鹽度海水，無須修改船舶運營航線，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。考慮不可預估的風險及在壓載到港時第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，方便船員根據實際情況自由選擇其中1個艙裝載高鹽度海水。

經總體核算，船舶裝卸貨工況壓載水用量為17 000.00 m3/h，項目電解式壓載水處理裝置設計流量為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]。在項目中對于高鹽度海水用量，OceanSaver公司的產品最大，青島雙瑞公司的產品最小，因此項目中的高鹽度海水艙統一按600.00 m3進行下一步的探討和排除。

1.3 壓載水處理系統參數

各廠家壓載水處理系統參數如表3所示，其中：IWL為艙內液位。OceanSaver公司和青島雙瑞公司的壓載水處理系統設計屬于支路電解，其電解單元對被電解的海水溫度有具體要求，如OceanSaver公司的進口海水在低于17 ℃時需要加熱[2]。由表3可知：若被電解的海水需要加熱，OceanSaver公司的產品需要額外消耗193.00 kW[2]，青島雙瑞公司的產品需要額外消耗120.00 kW[3]。綜合計算，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 各廠家壓載水處理系統參數

1.4 選型確定

考慮不可預估的風險，結合電力負荷計算書等數據，選用Erma First公司的壓載水處理裝置。

2 壓載水處理系統設計

2.1 設計方案

在壓載水處理系統設計初期，參考其他客滾船的實例，初始設計為：在壓載工況時，海水添加泵將舷外海水輸送至濾器過濾，進入壓載水處理裝置進行電解，輸送至相應壓載艙；在排載工況時，各艙里的壓載水通過壓載泵直接駁運至壓載水處理裝置排出管路，通過監測和控制，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初始設計需要改進，以確保該船壓排載作業可在低于0.90 PSU的水域進行，即該船需要增加高鹽度海水至壓載水處理系統，混合電解單元前的壓載水，以提升整體壓載水的鹽度值，對此提出2個方案。

方案1：將FR98～FR137的空艙改為高鹽度海水艙。該方案會出現如下變動：(1)在淡水季節時，空艙需要提前裝載高鹽度海水，增加作業流程；(2)增加的海水會視為固定壓載，導致火車裝載量減少和該船設計水線修改；(3)根據電力負荷計算，在裝載高鹽度海水過程中需要開啟2臺主發電機組(原方案為1臺)。根據火車裝卸作業情況計算，高鹽度海水需要增加600.00 m3/h。若采用方案1，船舶運營方在單航次中會損失600 t的載貨量。該船計劃每周2個航次，累計損失量較大。

方案2：利用現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。對應的壓載水處理系統設計如圖1所示，其中：A～G為用于原理示意的接口。在淡水區域進行壓載作業時，第2壓載中艙、第3壓載中艙或首尖艙的高鹽度海水經海水添加泵輸送至壓載水總管，混合來自舷外的低鹽度淡水，提高待處理的壓載水鹽度值，以利于電解單元進行電解制氯，殺滅微生物。相關艙出口的隔離閥采用電液閥形式，與該船其他遙控閥門形式保持一樣。鑒于第2壓載中艙和第3壓載中艙布置在貨艙區域，海水添加泵布置在艏部設備間，依據相關規范要求，需要在貨艙和艏部設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。自海水添加泵出來的高鹽度海水經針閥噴入壓載水總管，針閥后的管路斜插入壓載水總管，且該斜插點位置與鹽度計取樣點位置的距離至少應間隔2倍管徑，以便高鹽度海水與舷側壓載水充分混合，從而提升整體鹽度值。

圖1 壓載水處理系統設計

2.2 系統功能

該船采用1套2 000.00 m3/h壓載水處理裝置和2臺1 000.00 m3/h×0.35 MPa壓載水泵。壓載水處理裝置包括：1臺DN600濾器，帶反沖洗功能；2臺電解槽，各1 000.00 m3/h；1臺海水添加泵，70.00 m3/h×40.0 m；1臺鹽度計；1臺流量計；2個TRO監測單元；1組TRO重力泄放柜；2個中和藥劑單元；若干取樣口、注入口及遙控閥門等[1]。

2.2.1 壓載作業

舷側海水通過壓載泵經濾器過濾再經鹽度計進入電解單元進行電解制氯，殺滅微生物。處理后的壓載水分為2路：一路取樣至TRO監測單元1，另一路經流量計輸送至對應的壓載艙。經TRO監測單元1分析后的取樣水回流至主路(在流量計后)。在舷側海水鹽度不足以進行電解制氯時，鹽度計會發出信號至壓載水處理裝置中控系統，船員啟動海水添加泵，此時首尖艙、第2壓載中艙或第3壓載中艙的高鹽度海水經海水添加泵注入鹽度計前的總管，經充分混合輸送至濾器。

2.2.2 排載作業

對應壓載艙的壓載水通過壓載泵排至舷側，在排載總管上設置取樣口，至TRO監測單元1進行檢測。在TRO監測單元1檢測氯離子超出《壓載水管理公約》限值時，啟動中和藥劑單元，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置TRO監測單元2取樣口，進一步取樣并檢測氯離子的質量分數是否滿足排放標準。在靠近排舷外口處設置序號為G2的取樣口，用于第三方人員進行臨時取樣檢測。在需要應急操作時，待處理的壓載水可直接由旁通管路排至舷外，越過壓載水處理裝置的控制，但按壓載水處理規范[4]要求，應急操作閥門的開關信號仍須發送至壓載水處理裝置系統進行記錄并發出報警信號。

2.2.3 加藥作業

在船舶裝卸貨工況中，中和藥劑用量應滿足17 000.00 m3/h壓載水處理的要求。考慮不可預估的風險，中和藥劑用量須按20 000.00 m3/h壓載水處理進行設計。根據相關廠家的用量推薦(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]，項目所需要的中和藥劑用量至少為660 L。由于廠家的中和藥劑罐標準設計為600 L/個[1]，因此項目設置2個600 L中和藥劑罐(塑料材質，外裹不銹鋼存液筒)。

中和藥劑為38%亞硫酸氫鈉溶液[1]，屬于危險化學品，在系統設計和布置時須額外考慮其安全性，須視情況根據對應船級社相關要求提交風險評估報告[6]供其審核。根據該船船型布置，在B甲板露天處設置中和藥劑加注站。在需要加注時，船員在加注站連接管路，中和藥劑通過不銹鋼管路加注至中和藥劑儲存艙(位于艏部設備間5850平臺，不銹鋼316L材質)。在中和藥劑罐需要補充溶液時，船員可通過手搖泵將中和藥劑儲存艙的藥劑泵送至中和藥劑罐(位于艏部設備間底層)。中和藥劑儲存艙和中和藥劑罐均設置滴液盤，管路采用焊接連接，以減少可能的泄漏及船體結構腐蝕。在中和藥劑儲存艙附近設置洗眼裝置，用于船員操作不當導致中和藥劑飛濺身上等情況。中和藥劑儲存艙及中和藥劑罐均布置在機械處所，需要良好的通風。中和藥劑加注站、中和藥劑儲存艙、中和藥劑罐和中和藥劑注入口均布置在同舷，以減少化學品加注管路長度。中和藥劑加注系統如圖2所示。

圖2 中和藥劑加注系統

2.2.4 過濾能力

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

3 結 語

如何衡量并選用合適的壓載水處理裝置型號和數量，需要綜合考慮船舶航線水質特點、船舶作業和船型特點、電力負荷計算和船舶所有人特殊需求等制約因素。對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雜，再加上火車滾裝船的壓載水處理裝置具有短時注排的特點，進一步提高壓載水處理裝置的設計要求，因此需要通過各種研究分析才能選對產品。