關于船舶通海式壓載系統的設想

摘 要：MO已經把通過船舶壓載水帶來的海洋物種入侵列為四個最具威脅的海洋問題之一。如何徹底的解決壓載水異地排放問題，又能滿足船舶的正常航行，本篇將就這一問題提出自己的觀點，并給出概念性的分析。

關鍵詞：船舶；通海式壓載水；氣囊式；水封式

An Idea of Discharging Ballast Water Directly Overboard

GUO Rui ， ZHANG Jihong

( Guangzhou Wenchong Shipyard Co.， Ltd. Guangzhou 510725 )

Abstract: IMO has already considered that Marine species invasion caused by ballast water as one of the four most threatened marine problems. This article discusses how to solve the remote emission problem of ballast water as the normal sailing of ships is kept and gives the conceptual analysis on it.

Key words: Vessel; Ballast water discharged directly overboard; Air bag type; Water Seal type

1 前言

就傳統的船舶設計來說，壓載水系統是重要的船舶系統，是船舶能夠安全航行的重要保證。尤其是在貨船空船的情況下，我們需要足夠的壓載水來滿足船舶的吃水要求，從而保證船舶能夠正常航行，主要是提供必需的推進裝置吃水和減少橫吹對船舶帶來的不利影響。近年來，國際組織和各國政府對有關壓載水排放的限制變得越來越嚴厲。2004年，IMO已經通過了《關于船舶壓載水及其沉淀物控制和管理的國際公約》，對壓載水的控制和管理提出了明確的要求。公約規定，實施的壓載水管理的船舶所排放的壓載水，應滿足D-2標準，即對各類生物、微生物的單位體積含量給出了比較苛刻的要求。目前，船舶建造的各方都在積極應對，主要是利用壓載水處理裝置的處理使得壓載水中所含生物、微生物的含量滿足公約要求的標準。

要解決壓載水污染的問題，目前主要有2個方向。

1）通過處理壓載水，殺死壓載水中所含的海洋生物，使得排出舷外的壓載用海水滿足排放要求。這一方案，目前在大量的船舶中使用，只是體積龐大的壓載水處理裝置會使機艙內更加擁擠，處理大量海水所需要的能源會提高碳排量，一些需要加藥的壓載水處理裝置更是對使用和維護帶來麻煩。對海生物的殺死、排放操作，也會在一定程度上影響海洋系統本身的平衡，只是個治標不治本的方法。

2）改變船舶系統的設計思路，代替壓載水來控制船舶的吃水。無壓載水船舶，目前主要有V型船身設計、貫通流系統船身設計和單一結構船身設計。從這一角度出發，參考無壓載水船舶的特點，結合具體的情況，提出通海式壓載水船舶的設想，這種船舶本身也有壓載水，只是壓載水不進入船舶內部，壓載艙與外界海域直接連通，利用海洋自身的生態平衡來解決生物異地入侵問題，以此解決異地排放壓載水所帶來的污染問題。

2 分析

依據氣囊下水的概念和游泳圈的工作原理，以及在沉船打撈中應用的壓氣排水打撈法。在壓載艙位于輕載水線以下部分安裝格柵（類似海底門格柵形式），用以直接連通海水，艙頂需布置有透氣閥門，且處于常開狀態，在壓載艙內部安裝氣囊，氣囊通過水密壁處的通艙件與船艙內部的管路連接，為了使得受力均勻，氣囊連接適合頂入式。分析得知，此時的壓載艙與附近的海水形成連通器，根據連通器原理，壓載艙內的液面和艙外的液面同高。向氣囊注入一定量空氣，就會排出相當體積的水，即通過控制氣囊內部氣體的量來控制船舶的重量，當然也就能夠控制船舶的吃水狀態。

當船舶需要裝載貨物時，向氣囊注入足量壓縮空氣，根據連通器原理，能夠減輕船舶的載重量。根據阿基米德定律，船舶會上浮以減少其排水量。于是通過向氣囊注入壓縮空氣來滿足減小船舶吃水的要求。反之，當船舶需要卸載貨物時，由于載重量減小，則船舶會浮起來，減少氣囊內部的氣體量，則外界的海水會填充入壓載艙來占據原來氣體的體積，替換由于卸貨所導致的載重量減小。特別需要指出，由于在裝卸貨時，氣囊的內部氣壓會有少量變化。則應利用吃水傳感器和氣體流量計來通過開式和反饋系統來控制整個壓艙過程，來滿足各個壓載艙的壓載量調節。氣囊式壓載布置見圖1。

圖1 氣囊式壓載布置示意圖

通過分析氣囊式通海壓載系統，如果關閉艙頂部的透氣閥，則可以利用艙頂封閉的氣體來代替氣囊，通過注入或者排出壓載艙頂部的氣體，則可以調節該封閉氣體的氣壓。對壓載艙通海格柵處的海水進行力學平衡分析，提高封閉氣體氣壓可以將壓載艙內部海水的液面降低，也就提高了吃水量。反之，排出一定量氣體，則可以增大船舶的載重量，降低吃水量。同時，利用吃水傳感器、氣體流量計結合真空式壓力計的測量參數，對船舶的吃水狀態做出調節和監測。水封式壓載布置見圖2。

圖2 水封式壓載布置示意圖

對比以上兩種情況，可以分析出氣囊式通海和水封式通海的特點。

1）氣囊式：由于氣囊最大程度也就只能做到完全不充入氣體，且此時的壓載艙載重量最大，加大吃水量，但是若想進一步加大載重量則無法滿足，需要在初步設計時根據船舶的類型予以考慮。由于結構的限制，對氣囊的形狀也有一定的要求，對大規模生產帶來了不便。同時，每個壓載艙應安裝備用氣囊，確保船舶和人員的安全。由于氣囊是封閉的，對其的監測可以使得船舶傾斜對吃水的控制影響較小，方便調控。壓載艙頂部的透氣閥常開，艙內氣壓為標準大氣壓，因此船體結構的強度不需要特殊考慮，參照傳統船舶的要求即可。

2）水封式：對比海面大氣壓強，有正壓和負壓之分，操控的幅度較大。但是，由于有了正壓到負壓之分，也需要加大相關結構強度，應在設計和施工時予以考慮。船舶傾斜時，由于重力作用，會對封閉氣體的壓力造成影響，降低了控制精度。

從設計上來講將大量的壓載水管用壓縮空氣管來代替，同樣流量的壓縮空氣管的通徑要比壓載水管要小，且安裝和維修工作得以大大簡化，也減少了建造成本。

對緊急狀況的應對。由于壓載艙格柵附近安裝液壓水密裝置，則可以在海上環境惡劣時臨時關閉液壓裝置，則可以使得通海式的壓載艙變成獨立密閉的壓載艙。也可以通過關閉頂部透氣閥來控制，但這些操作只限于在公海內關閉，且關閉的行程量應該給予限制，以避免遠距離的海水造成異地生物入侵。此種設計避免了壓載水進入船舶內部，利用海洋本身的生物平衡來解決壓載水的污染問題。環境異常惡劣這種狀況一般只會在深海遇到，只要控制好開啟水密裝置的時間和行程量，同樣避免了不同水域之間的水污染問題。如若氣囊出現問題，則需要進廠維修，同時為了安全起見，需要對氣囊的生產資質和使用周期做出細致的規定。

3 結論及展望

船舶大致分工程類船舶和運輸類船舶，現就這兩類船型作出分析。

工程類船舶，通常只有少量的壓載艙，且艙的容積比較小，更方便通海式壓載設計的應用。通過對其油水艙的合理布局，以最小的壓載量來滿足船舶的航行和系泊狀況，就可以減少通海式壓載所需要的通海數量和面積，適合氣囊式通海壓載系統。對于無推進或者輔助推進的海工平臺，用壓縮空氣來控制平臺的載重情況，可以減少平臺內部設備艙的布置空間，減少管路的安裝和維護，增大平臺的裝載量。

運輸類船舶，通常需要大量的空間來存放壓載水，以平衡其在裝卸載貨物時的造成的載重差，在一定程度上需求的壓載水越多，其相應的載貨能力也越強。由于壓載艙的數量和容積都比較大，相對適合水封式通海壓載系統。

從效率上講，以壓縮空氣來控制壓載水比用壓載水泵來控制壓載水方便。同樣通徑管路中，壓縮空氣管路的氣體流量比壓載水管路的液體流量要大的多，也就能更加迅速的對船舶的載重狀態予以控制。降低了管路的安裝和維護難度。

總的來說，目前是以壓載水處理裝置作為主流的壓載水污染控制手段，但是就長遠的角度來說，壓載水處理系統需要消耗巨大。以活性氧化技術處理1000 t水用電12 kWh，而IMO估計每年全球各地轉運的壓載水高達100億t，則一年為處理壓載水所花費的電量為1.2億kWh。在環保和低碳已經變得日益重要的今天，應該進一步的減少對資源的浪費。怎樣才能不處理壓載水，又不會造成排放污染將變得越來越迫切。文中只是給出了一個思路，如何才能實現這一設想還需要很長的路要走。

參考文獻

[1] 楊清雙、陳凡、熊煥昌. 國外船舶壓艙水管理和處理技術 [M] .

[2] 2004年國際船舶壓載水和沉積物控制與管理公約 [S]. 2004

[3] 孫樹民，李悅.鋼質沉船打撈方法 [M].