船舶壓載水管理系統在油船上的設計和應用

隋秀蔚，尹海山，李 超

（青島雙瑞海洋環境工程股份有限公司，山東青島 266101）

0 引言

近年來，海洋環境保護、綠色航運成為業內關注焦點，國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）日益重視由船舶壓載水排放引起的生物多樣性破壞問題。

為解決船舶壓載水引起的微生物入侵和污染問題，IMO制定了International Convention for theControl and Management of Ships' Ballast Water and Sediments[1]，并于2017年9月8日正式生效。該公約附則部分對壓載水排放標準做出了嚴格規定，同時對現有船舶安裝壓載水管理系統（需要滿足D-2標準）提出了追溯要求。因此，近年來大量船舶加裝各式各樣的壓載水管理系統，但由于缺乏實際經驗、不熟悉系統原理，往往在系統設計、安裝和調試過程中出現不少問題，這嚴重影響了船舶建造或改造周期，浪費了較多的人力、物力成本，也給后期船舶營運造成了隱患。

本文結合多年壓載水管理系統實船設計經驗，對船舶壓載水排放標準及主流壓載水管理系統處理方法進行介紹，并以某加裝青島雙瑞 BalClor?BWMS壓載水管理系統的30萬噸原油船為例，深入分析系統原理、設備選型及管路設計要點，以期降低系統風險，保障其穩定運行。

1 船舶壓載水排放標準和處理方法

1.1 壓載水定義及排放標準

船舶壓載水指為控制船舶橫傾、縱傾、吃水、穩性或應力而加裝到船上的水及懸浮物質。

IMO發布的壓載水公約和美國海岸警衛隊（United States Coast Guard，USCG）發布的壓載水管理法規分別對壓載水排放標準進行了規定，具體見表1。

表1 IMO和USCG壓載水處理排放標準

根據IMO的最新要求，2022年6月1日之后新交付或改裝的船舶，均需按照相應排放標準強制進行生物有效性檢測。USCG法規不受IMO相關公約生效的限制，其管轄范圍適用于所有航運在美國海域的商用船舶，并須單獨進行船舶通用許可證（Vessel General Permit，VGP）相關測試。VGP除對活性生物排放按照USCG標準外，還對殺菌劑或殘留物的瞬時最大質量濃度有嚴格要求，見表2。

表2 VGP對殺菌劑或殘留物的排放標準

若壓載水系統所使用或產生的殺菌劑及其衍生物未列在表2或美國環保署的國家推薦水質標準中，則至少在使用前120天通知美國環保署，并提供相關的水生毒性數據。

1.2 船舶壓載水處理方法

根據處理原理和方式的不同，船舶壓載水處理方法主要可分為機械處理、物理處理和化學處理等[2]。

機械處理主要包括過濾法和旋流分離法等。過濾法利用固定式篩網或帶有反沖洗功能的濾芯對海水中較大微生物和雜質進行過濾，其對較小的微生物處理效果不佳，若提高濾器精度來進行完全過濾，則成本較高且濾器極易堵塞，可行性較差[3]。旋流分離法利用高速水流旋轉運動的離心力和各物質間存在的相對密度差來去除海水中大多數的微生物和顆粒物質，但對與海水密度相近的微生物的處理效果較差。

物理處理主要包括紫外線法和超聲波法等。紫外線法利用紫外線的輻射改變或破壞微生物的脫氧核糖核酸（DeoxyriboNucleic Acid，DNA）結構，從而達到殺菌的目的。紫外線法技術成熟，簡捷方便，且無二次污染，應用較為廣泛，可殺死大部分微生物，但殺菌效果受水渾濁度的制約較大，耗電量大[4]。超聲波法利用空化作用殺菌，同樣存在能耗大、處理水量有限的問題。

化學處理法主要包括氯或氯化物法、羥基滅菌法和臭氧處理法等。氯或氯化物法是通過電解海水或直接加入次氯酸鹽來產生次氯酸，利用其超強的氧化性殺滅海水中的微生物。電解海水技術成熟，應用廣泛，但會造成二次污染。在排放壓載水時，需要加入中和藥劑來減少其對海洋環境產生的不良影響。羥基滅菌法，又稱高級催化氧化法，該方法借助羥基自由基的高氧化電位和強氧化能力對船舶壓載水進行殺菌和滅菌[5]。殺菌后羥基與氫離子結合成為水，不會產生二次污染，但該方法耗電量較大。臭氧處理法利用臭氧超強的氧化性進行殺菌，其氧化還原電位可達到2.07 V，足以殺滅海水中所有微生物。該方法不會產生二次污染，但配置成本較高，長期使用會對壓載艙產生腐蝕。

壓載水處理方法還有脫氧處理法、絮凝處理法和有機殺生劑法等其他方法[6]，此處不贅述。在選擇壓載水處理方法時，要考慮壓載水鹽度、濁度和溫度等海水特性對處理效果和可靠性的影響。

1.3 國內外主流船舶壓載水管理系統類型

1.2小節介紹的各種壓載水處理方法均存在一定的局限性，不能滿足IMO和USCG對船舶壓載水處理的要求。目前，國內外主流壓載水管理系統大都將2種或2種以上處理方法結合使用。國內外常用壓載水管理系統類型見表3。

表3 國內外常用壓載水管理系統類型匯總

2 壓載水管理系統實船設計安裝案例

本船為新造30萬噸原油船，掛旗國為馬紹爾群島共和國，入籍挪威船級社（Det Norske Veritas，DNV），無限航區。該船選用青島雙瑞海洋環境工程股份有限公司的BalClor?BWMS系統。

2.1 BalClor?壓載水管理系統原理及設備選型

2.1.1 設備原理

BalClor?壓載水管理系統由濾器、電解單元和加藥單元等處理模塊，監測控制系統和取樣設施組成，采用“高效過濾＋電解制氯＋余氯中和”處理技術，原理如下：

1）高效過濾。當海水壓載時，使用過濾精度為50 μm的自動反沖洗濾器對海水進行過濾，過濾掉尺寸大于50 μm的大部分浮游生物及固體顆粒。

2）電解制氯。取適量過濾后的海水加入電解單元，電解海水產生高質量濃度次氯酸鈉溶液，通過加藥單元將次氯酸鈉溶液注入壓載水主管路。經總殘余氧化性物質（Total Residual Oxidants，TRO）分析儀檢測氯離子質量濃度值在6.5～9.0 mg/L后，放壓載水進艙，在艙內進行浮游生物、病原體和細菌的滅活工作，使壓載水排放滿足IMO和USCG的相關標準。

3）余氯中和。在壓載水排載過程中，若余氯質量濃度小于0.1 mg/L，無須啟動中和單元，可直接進行排載；若余氯質量濃度大于0.1 mg/L，則啟動中和單元，向排載管路中注入中和藥劑，中和殘余的氯離子。中和藥劑流量大小由控制系統根據TRO分析儀反饋的質量濃度信息自動控制，使排出的壓載水達到排放標準。

2.1.2 設備選型

本船海水壓排載管系由主壓排載管系和艉尖艙壓排載管系構成。其中，主壓排載管系在泵艙區域設置2臺壓載泵（額定流量為3 000 m3/h，揚程為40 m）。管系采用總管式，每艙均有總管引出的支管用于海水壓排，各艙還配有2臺壓載艙掃艙噴射器，用于提高排載效率。在進行壓載操作時，壓載艙通過海底門吸入海水，在安裝BalClor?壓載水管理系統后，由于濾器工作原理的限制，重力壓載功能被禁止使用。在進行排載操作時，可利用重力、壓載泵或掃艙噴射器將壓載水通過海底門或排舷外口排出艙外，可根據不同工況選擇相應的模式。

艉尖艙壓排載管系在機艙區域設置消防總用泵（額定流量為360 m3/h，揚程為30 m）和艙底-消防總用泵（額定流量為310 m3/h，揚程為110 m），2臺泵一用一備。其中，受 TRO分析儀取樣和生物取樣位置的影響，艉尖艙壓載操作可通過機艙海底門實現，但排載操作只可通過排舷外口。

最終，本船選用2套BC 3000系統，單套系統的額定處理量為3 200 m3/h，主要用于處理主壓載艙的壓載水。另配有一套濾器選型為SIZE 250的艉尖艙處理系統，額定處理量為425 m3/h，主要用于處理艉尖艙的壓載水。由于選用的電解式處理系統存在海水溫度≥5℃和鹽度≥32.43‰的操作限制，本船通過增加換熱器和在艉尖艙預存海水的方案分別解決海水溫度過低和進入淡水航區的壓載問題。由于本船未布置獨立的掃艙管系，不存在壓載泵排載和掃艙同時進行的工況，故選用1 m3中和單元即可滿足船舶排載需求，其余設備按系統標準進行配置。

對于原油船，泵艙區域屬于危險區域，安裝于此區域的主濾器、濾器反沖洗泵及 TRO分析儀等設備均應滿足相應防爆等級[7]。機艙區域屬于安全區域，安裝于此區域的艉尖艙濾器、反沖洗泵、預過濾器、電解單元、加藥單元、中和單元和 TRO分析儀等選用非防爆設備即可。需要特別注意的是，電解單元內部的防爆風機應具有船級社產品證書。

泵艙及機艙加裝壓載水管理系統后的流程簡圖分別見圖1和圖2。

圖1 30萬噸原油船實船壓載水管理系統流程圖（泵艙）

圖2 30萬噸原油船實船壓載水管理系統流程圖（機艙）

2.2 船舶壓載水管理系統設計要點

2.2.1 設備布置要求

壓載水管理系統及壓載水管系尺寸相對較大，而船上空間有限，一定程度上限制了設備的布置，但仍需滿足以下基本要求：

1）濾器應布置在壓載泵后、電解單元前。濾器具有自動反沖洗功能，反沖洗最小壓差為0.2 MPa。在實際布置時，應注意壓載泵的壓頭和壓載泵到濾器前的壓力損失，以免出現反沖洗效果不佳、濾器經常堵塞的情況。

2）電解單元應布置在遠離鍋爐、發電機和主機等產熱或振動較劇烈的設備周圍。電解單元所在區域應配備機艙風機，風機要滿足船級社每小時至少6次的換氣要求。

3）加藥單元用于將電解單元產生的次氯酸鈉溶液注入到主壓載管中，其入口應不高于電解單元出口，且與電解單元的距離以不大于2 m為宜。

4）中和單元由中和罐、計量泵及其連接管路組成，當船上空間不足，計量泵單獨安裝時，應注意其與中和罐的距離一般不應大于1 m。

5）海水升壓泵用于電解單元的取水，由于沒有自吸能力，應盡量布置在主海水管路取水點周圍，并避免與其他大功率海水泵取水點位置過近。

6）流量計用于監測系統流量，應注意滿足直管段的距離要求，且不可布置在壓載水管系最高處和自上而下的垂直管路上。

7）整流器周圍最好布置專門的通風口，以便輔助其散熱。

8）TRO分析儀的取樣設施對整個系統的監測控制至關重要。當壓載時，TRO分析儀的取樣點應距離次氯酸鈉溶液注入口6～10 m，且取樣點與取樣泵的高度差最好在2 m以內，管路長度在8 m以內，以回水點在泵前為宜。

2.2.2 設計注意事項

除設備布置要求外，壓載水管理系統的管路走向和材質選擇等亦對系統的正常運行十分重要，應著重關注以下5點：

1）電解過程中不可避免會產生氫氣等危險氣體，其透氣管路布置應滿足船級社的相關要求。管路走向只可水平或向上，不可向下，且氫氣管路的連接也應選用套管焊接等方式，不可使用法蘭等連接件，以防泄漏，對船舶和人員安全造成隱患。

2）對于油船等有防爆要求的船舶，當電解液注入管路或加藥管路從安全區進入危險區時，管路應由機艙先經過上甲板，再向下進入泵艙。此外，按規范要求設置專門的隔斷止回閥門和可拆短管以防逆流。

3）為方便后續的維護保養，設備周圍應布置合適的維修通道，尤其對電機等需要經常維護的設備，應在其上方合適位置設置吊耳以便吊裝。

4）對于系統管路，需特別注意電解液注入管和中和單元加藥管的材質。前者可選用碳鋼涂塑、玻璃鋼或其他耐腐蝕性材料，后者應選用SUS316不銹鋼。

5）要特別注意壓載水管理系統與船上其他系統間的接口問題。壓載水管理系統與原船其他系統存在較多接口，如與空氣設備的接口、與船舶電站的接口、與機艙風機的接口、與全球定位系統（Global Positioning System，GPS）的接口、與船舶監測報警系統的接口等，各個接口均不可遺漏。

3 結論

船舶壓載水處理和排放對海洋環境保護和綠色航運非常重要。在結合多年壓載水管理系統實船設計經驗的基礎之上，本文對船舶壓載水排放標準及主流壓載水管理系統處理方法進行介紹，并以某加裝青島雙瑞BalClor? BWMS壓載水管理系統的30萬噸原油船為例，對系統原理、設備選型及設計要點進行深入分析和討論。研究結果表明：本文提出的設計要點和注意事項可有效降低系統由于設計問題出現故障的概率，有益于系統可靠穩定運行和延長使用壽命。