通過能量轉換監測船舶壓載水余氯的方法

張瑞祥，王玉玲

(青島雙瑞海洋環境工程股份有限公司， 山東 青島 266101)

電解法作為船舶壓載水處理的主流技術之一，多應用于壓載泵流量較大的大中型遠洋船舶。該技術通常采用“過濾+電解”處理方法。“電解”部分使用電解槽電解海水生成殺生劑(次氯酸鈉等)，與壓載水混合達到一定質量濃度，持續殺滅生物至壓載水公約標準。

壓載水處理系統電解海水過程中，需要余氯分析儀來監測壓載水中余氯的質量濃度，作為電解電流的調節依據。余氯分析儀配套復雜，使用及維護難度大，實船工況下的測量精度有限，并且測量過程易受各種工況等因素影響，實船系統更需要一種經濟、可靠的余氯監測方法。為此，以市場接受度較高的支路電解海水制取次氯酸鈉溶液為殺菌劑的壓載水處理系統為例，論證通過電解過程中的電能與化學能、熱能的能量轉換，來監測壓載水管路中實時余氯濃度的可行性，分析影響因素及工業化應用于現有系統需要的改進措施。

1 船舶壓載水處理系統的TRO

總剩余氧化物(total residual oxidant，TRO)，在電解法壓載水處理系統中指壓載水中的總氯(或稱為余氯)含量。在船舶壓載水處理過程中，處理系統通常使用布置在壓載水管線的余氯分析儀監測實時TRO的質量濃度，并作為反饋數據進而控制制取次氯酸鈉的量，以保證在主壓載管路混合后的TRO濃度保持在目標值范圍內。

目前，以電解海水制取次氯酸鈉為殺生劑的主要電解法壓載水處理廠商認證的TRO目標范圍通常都包含在5～10 mg/L區間內，見表1。

由表1可見，各廠商均使用了同一個生產商的余氯分析儀，該儀表已經成為電解法壓載水處理系統不可或缺的一部分。儀表主要技術規格見表2。

表1 電解法的主要廠商及TRO參數表 mg/L

表2 HF Scientific余氯分析儀主要技術參數

該儀表檢測時從壓載水主管路取水樣，并在儀表內部對水樣進行分析。儀表配套使用的特殊試劑對環境、時效都有限制要求，整套監測系統組成復雜，使用和維護成本較高。配套取樣系統和壓載水水流對TRO的質量濃度均勻性的影響，將使儀表使用精度低于標稱值。壓載水處理設備廠商Techcross在DNV GL船級社認證過程的實船測試階段，證書記錄的7個有效測試循環中，即出現一次TRO均值過低的測試循環，船級社根據電解電流情況判定為測試過程中余氯分析儀對TRO的檢測不準確。

因此，壓載水處理系統若能減小對余氯分析儀的依賴，便可簡化系統，增加整體運行的穩定性，降低壓載水處理設備成本的同時，系統的設計、使用和售后成本也將有不同程度的下降。

2 監測原理分析

電解法壓載水處理系統主要組成部分有：過濾器、電解槽、整流器、水泵、儀表、閥門等。其處理流程如圖1所示。設備主要功能是由整流器(rectifier)驅動電解槽(electrolyzer)，對流經其中的海水進行電解，在電解槽內產生化學反應，生成次氯酸鈉溶液，與壓載水混合實現殺生效果。整個流程是一個電能轉換為化學能的過程。

圖1 壓載水處理流程示意

2.1 系統電解過程能量轉換的分析

在整個流程中，生成次氯酸鈉的化學反應式為NaCl + HO +2e→NaOCl + H↑

由系統設備的配置和工藝流程可知，電解海水制取次氯酸鈉所需的能量全部由整流器提供。實際過程中，整套系統的效率與各廠商的技術細節和設備工況有關。整流器輸出的能量除轉換為化學能外，部分能量將加熱流經電解槽內部的海水，還有少量的能量負擔電氣線路發熱損耗等。因此，整個過程能量轉換表現為

整流器輸出能量=產氯能量+加熱海水能量+電氣線路熱損耗。

整流器輸出能量為整流器輸出的全部電能；

加熱海水能量為電解過程中海水溫度升高增加的熱能；

電氣線路損耗為輸電線路中電流產生的熱能；

由于各項能量即為各項功率與時間的乘積，因此各項功率等式為

整流器輸出功率=產氯功率+加熱海水功率+輸電線路熱損功率。

2.2 各項能量監測的可行性

壓載水處理系統安裝的各個設備和傳感器可以對系統的電流、電壓、溫度等進行實時監測，各個傳感器返回的數據為整套系統能量轉換的監測提供了可能。

2.2.1 整流器輸出能量的監測

由整流器內部安裝的電流、電壓或功率傳感器可以獲得較為準確的輸出電壓和輸出電流值。取得測量數據后，進行如下換算。

=×

(1)

式中：為整流器輸出功率，W；為整流器直流輸出電壓，V；：整流器直流輸出電流，A。

2.2.2 加熱海水能量的監測

在系統電解的過程中，高速流經電解槽的海水會帶走電解槽產生的熱量，同時海水自身的溫度上升。通過電解槽進出口安裝溫度(或溫差)傳感器，精確監測溫差，結合電解單元流量換算為電解槽加熱海水的功耗。

(2)

式中：為電解槽加熱海水的發熱功率，W；為海水比熱容，4 096 J/(kg·℃)；為電解槽海水流量，m/h；為海水平均密度，1.025×10kg/m；Δ為通過電解槽海水的溫差(溫升)，℃。

2.2.3 電氣線路熱損耗功率

電解過程中整流器至電解槽的電纜線路損耗功率大小由整流器的輸出電流和線路電纜電阻決定。線路電纜電阻與每千米電纜電阻參數、使用的電纜長度和電纜根數有關。

(3)

(4)

式中：為電氣線路熱損功率，W；為整流器直流輸出電流，A；為每千米電纜電阻值，Ω/km；為整流器、電解槽連接電纜長度，m；為輸電線路單極并聯電纜根數；′為輸電線路電壓降，V；

由以上可得：

=--

(5)

式中：為整流器輸出功率中有效產氯功率，W；為整流器輸出功率，W；為電解槽加熱海水的發熱功率，W；為輸電線路熱損功率，W。

2.2.4 每小時產氯量

電解槽產氯量、流量計測量單位及壓載泵流量單位等通常以h為單位，根據產氯功率所得每小時產氯量為

(6)

式中：為產氯量，kg/h；為整流器輸出功率中有效產氯功率，W；為電解槽中電解單元數量，根據各廠商設備參數確定；為每安培小時電量有效氯的生成量，1.323 g/(A·h)；為每小時產氯量要求的產氯時間，1 h；為整流器直流輸出電壓，V；′為輸電線路電壓降，V。

2.2.5 實時TRO的質量濃度

通過壓載水管路流量計監測壓載水實時流量，進而可以得知該壓載狀態下的實時TRO的質量濃度。

(7)

式中：為壓載水管路實時TRO數值，mg/L；為每小時產氯量，kg/h；為壓載水主管路流量，m/h。

經過對電解法船舶壓載水處理系統的能量轉換分析，可見只要具備相應的測量條件來獲取各項參數，通過監測能量的轉換來換算壓載水實時TRO的質量濃度是可行的。

3 實船監測示例

通常如果船舶安裝有電解法船舶壓載水處理系統，一般系統會自帶1套或多套HF Scientific的余氯分析儀，用以監測壓載水管路中實時TRO數值。下面以明德號貨輪的壓載水處理系統運行數據為示例，分析以能量轉換來測算實時TRO值的可行性，并與余氯分析儀測量示數進行比較。

明德號(PACIFIC AWARD)貨船船舶信息如下。

船型：6.1萬t散貨船；

建造年份：2015年；

壓載泵額定流量：900 m/h×2臺；

壓載水處理系統：BalClorBWMS BC2000型，1套；

壓載水處理方法：過濾+支路電解法(電解海水制取次氯酸鈉)。

3.1 明德輪壓載水處理系統實船運行數據

1)實船運行數據見表3。

表3 明德輪壓載處理運行數據表

2)監測及計算過程參數見表4。

表4 明德輪壓載水處理系統監測參數表

3.2 TRO測算

根據已有數據和參數，結合前一章節，最終TRO測算數據見表5。表5中第1、2項為系統及TRO儀表啟動過程，該過程中， TRO測算值比儀表數據有更高的參考價值；第3、4項為系統正常工作狀態，測算數據與正常工作的儀表測量示數較為接近，二者符合度較高。

表5 測算數據與儀表示數表

4 結果與改進分析

電解過程能量轉換監測數據和實船安裝的TRO儀表示數較為接近，說明通過能量轉換監測TRO的方法有較大的實際使用意義。

對于電解法壓載水處理裝置，使用該TRO監測方法可以降低甚至脫離壓載處理過程對TRO儀表的依賴，系統減少TRO儀表、取樣水管路及其附屬設備及壓縮空氣管路等。不但可大大降低工程成本，還可以提高整套系統的可靠性，相關故障點將大幅減少。船員使用設備過程中，減少或取消對TRO分析儀的操作和維護，使用成本也隨之降低。

在實船示例過程中，可以實現船舶壓載水中余氯的監測，但因安裝的壓載水處理系統設計之初并沒有考慮該監測方法的使用，有限的實船條件下，數據只作為參考。

4.1 海水溫升測量改進

在該監測方法中，流經電解槽的海水溫升數據是一項非常重要的數據，其測量精度將直接影響最終的監測精度。目前電解法壓載水處理裝置通常是在電解槽進水或出水管路配置一個溫度傳感器，因此無法較精確地實時監測海水流過電解槽的溫升。相對較小的溫度測量偏差也能夠一定幅度的影響最終測算的TRO值。如果采用兩個溫度傳感器同時安裝在電解槽進口和出口管路或安裝溫差測量儀表的方案，并確定合適的溫差精度，可以使監測TRO的偏差保持在合適范圍。以明德輪第4組數據為例，溫差對TRO測算數據的影響見表6。

表6 明德輪壓載水處理裝置溫差波動對TRO測算數據的影響

由表6可見，當溫升偏差為0.2 ℃時，測算的值偏差約在8.5%，接近實際使用的余氯分析儀精度(±10%)。因此，需要合理選用溫差測量儀表，優化安裝設計，使測量的溫差精度不高于±0.2 ℃為宜。目前，多數市售的溫度傳感器和溫差測量儀表都能滿足該精度。

另外，電解槽通過的海水流量對溫升的測量精度有影響，通常水流量較大的系統溫升相對較小，受到的溫差測量精度影響也更大。因此，與主壓載管路電解法的壓載水處理系統相比，電解水流量約是其百分之一的支路電解法處理系統更適合使用該監測方法。

4.2 流量儀表安裝位置和過濾器排污的影響

電解法壓載水處理系統的多數廠商采用的過濾器為自動反沖洗形式，即過濾器需要每隔一定時間間隔進行反沖洗排污(海水較臟時，工作過程中濾器會持續反沖洗)，因過濾器品牌型號不同，反沖洗流量約為壓載水管路總流量的5%～15%不等。當壓載水管路流量計安裝在過濾器之前時，過濾器反沖洗水流量也包含在流量計測量示數中。但反沖洗水流通過排污管線排回大海，不進入壓載艙，實際不包含在壓載水流量中，這部分流量將對TRO測算值產生不能忽視的影響。因此，將壓載水管路流量計安裝在過濾器之后，可以使壓載水實時流量更為準確，進而提高TRO實時監測精度。

另外，如果電解槽支路取水自海底門使用獨立管線泵取海水，也應計入壓載水總流量中。

4.3 其他方面的能量轉換

除去已經論述的各項能量，電解法處理過程中還有其他多方面能量轉換，如：解槽與周圍環境的熱交換、接地電流損耗等其他較微弱的損耗。因電解槽內部有常溫海水流通，可視為水冷設備模型，與所在空間發生的熱交換涉及能量微弱；接地電流的實測值為毫安級別，因此分析時沒有考慮在內。