大型豪華郵輪供水系統設計技術

苗子華，郭智威，袁成清

(1.武漢理工大學船舶動力工程技術交通行業重點實驗室，湖北武漢430063；2.國家水運安全工程技術研究中心可靠性工程研究所，湖北武漢430063)

0 引言

郵輪是以旅游為目的的高端客船，通過船上配備的各類生活娛樂設施，為乘客提供文化、體育、餐飲、購物、住宿、觀光等旅游休閑服務[1]。豪華郵輪與液化天然氣（LNG）運輸船以及航空母艦并稱的“造船皇冠上的明珠”，目前國內尚無法自主完成豪華郵輪的設計與建造，摘下最后這顆明珠也是中國幾代造船人的夢想。

郵輪舒適性是衡量船舶性能的重要指標，郵輪功能區眾多，供水系統作為其重要組成部分，其可靠性將直接影響船舶的舒適度和運營效益，在這艘承載了幾千人的大型客船上，飲用水是否能正常、有效地供應直接影響到了乘客的舒適度。

建筑給水排水已經有了很久的歷史，國內外也發布了許多相關規范，但大型豪華郵輪具有載客數量大、航行時間長、甲板層數高、舒適性要求高等特點，其設計理念與一般建筑物的區別較大，在設計時不能完全照搬建筑或一般船舶上的供水系統設計方案。基于以上問題，本文對豪華郵輪供水系統的設計方法和應用進行探究，總結適用于大型豪華郵輪供水系統的設計方案，為其供水系統的設計提供理論依據。

1 豪華郵輪供水系統的相關規范

飲用水（Potable water）在ISO15748[2]中被定義為：符合有關法規規定的水質要求，適合人類飲用和使用的水，這部分水包括：1）來自中央公共飲用水供應系統的水；2）溫度超過80℃時海水蒸發轉化而成的水；3）水溫低于80℃時，海水蒸發轉化而成、并經過消毒處理的水；4）反滲透產生的水；5）用合適的熱水器加熱的熱飲用水。從ISO15748給出的定義來看，飲用水不僅指直飲水，還包含日常洗漱、洗衣所用生活用水，但不包含其他系統所需的機械用淡水。

飲用水作為乘客和船員日常生活的必需品，許多公約和規范均對其作了規定：《國際海上人命安全公約》（SOLAS）[3]與《2006年海事勞工公約》[4]均要求船舶應提供符合衛生條件的優質飲用水。中國船級社《郵輪規范（2017）》也規定：郵輪應配備適應航區氣候的生活用水、方便的飲用水，24 h供應冷水和熱水。

目前關于供水系統的設計主要參考國際標準ISO15748 Ships and M arine Technology-PotableW ater Supply on Shipsand Marine Structures。美國公共衛生署和美國疾病防控和預防中心于2018年修訂發布VSP（Vessel Sanitation Program）2018OperationsM anual和VSP 2018Construction Guidelines，協助郵輪業預防和控制郵輪上胃腸道疾病的引入和傳播，在業內較為認可。此外，還有一些用于建筑的供水系統設計標準和規范可供參考，例如EN805Water supply -Requirements for System s and Com ponen ts Ou tside Build ings和GB50015-2003建筑給水排水設計規范。

2 郵輪供水系統設計方案與主要設備

2.1 系統設計方案

2.1.1 總體方案的選擇

船舶供水系統的總體設計方案可以分為重力式、壓力式供水方式，以及單設水泵的直接供水方式，重力式供水方式一般多用于小型船舶以及科考船，目前絕大多數船舶供水系統的設計方案是采用壓力式供水，即采用壓力水柜與泵相結合的方式[5]。

郵輪供水系統與一般船舶的區別在于大型郵輪乘客數量巨大，需要大量且連續的飲用水供應。根據ISO 15748[2]，飲用水可以直接或通過壓力水柜間接供應，如果每小時消耗大量的飲用水，直接供應是合適的，例如在客船上。此外，為解決客船上用戶端需求量變化較大的問題，一般使用變頻水泵來保持水壓的恒定，通過控制電機的轉速來控制泵的流量揚程[6]。根據由壓力傳感器檢測到的管網水壓變化，控制電機的輸出功率，進而帶動泵始終在一個合適的葉輪轉速下工作，從而實現恒壓供水。在此基礎上，為提高水泵的工作效率，可并聯多臺變頻水泵供水[7]，在用水量較低時關閉部分水泵，以適應不同時段的用水需求。

2.1.2 管網的布置

一個完整的供水管網（不含循環管路）應包含3部分[3]。

1）干管：供應線的垂直立管部分，也被稱作供水總管；

2）甲板管路：甲板內從干管分出的供水線部分；

3）服務管路：即用戶端的連接管路，一般為單向的供給線，從甲板管路到用戶的供應線的一部分。

2.1.3 循環管路的設置

在船舶上循環管路的作用相似，當熱水環線長度較大時，應設置熱水循環管路，使主水溫保持在60 ℃～70℃范圍內。同時建議冷水循環使用，以防止在冷水供應管路中出現較高濃度的軍團菌，以確保人體健康所需的標準[2]，冷水循環管路中應包含滅菌裝置。此外應當注意的是，熱水循環泵的運行介質為60℃～70℃的熱水，在選泵時應予以注意。

2.2 系統設計要點

除以上常規設計外，郵輪供水系統的設計還應注意以下幾個方面：

1）豪華郵輪對水質的要求較高。VSP 2018Operations M anual[8]規定，在系統投入使用之前，對飲用水艙和飲用水系統的所有部件進行清潔、消毒和沖洗。ISO 15 748[2]推薦了3種有效且經濟的飲用水消毒方法：使用燭式過濾器過濾水；用紫外線照射；向水中添加殺菌劑。

2）管線布置方面，供水管路用于傳輸飲用水，需要對其進行保護以保證飲用水不被污染，需要對供水管道按照ISO14726[9]進行標識，將供水管線與其他管路區分開來，防止管路間的交叉污染。

3）除使用主要的水加熱器對飲用水進行加熱外，出于節約資源的角度考慮，還可以考慮利用船舶的余熱進行加熱。但需要注意的是，在選擇主加熱器的功率時應按照沒有預熱情況下入口的冷水溫度設計，以確保郵輪靠港或預加熱系統故障時，仍可正常供應熱水。

2.3 系統主要設備

為實現以上功能，根據SOLAS（International Convention for Safety of Life at Sea）[3]、VSP 2018Construction Guidelines[10]及ISO 15748[2]的要求，供水系統應包含以下基本組成成分和部件：水源、飲用水艙、動力源、熱交換器、減壓裝置、變頻控制模塊等。

1）水源。根據VSP要求，船舶飲用水的來源有2種：一是岸上供給，二是海上生產。其中從岸上供應的飲用水必須來自符合世界衛生組織可用水標準的飲用水源，對于遠洋船舶，還需在航行中使用海水淡化裝置制備淡水。

2）飲用水艙。飲用水艙是供水系統的關鍵設備之一，其作用是儲存用于供水系統的可飲用水。飲用水艙在設計與制造時應充分考慮避免非飲用水管道或器件對水質的污染。根據ISO5620[11]，飲用水艙應當連接注入系統，主要指注入管道，用于連接另一艘船舶或陸地飲用水分配系統的管道，向飲用水艙中注入飲用水。此外，還應配備排水裝置，即設計與入口管道的直徑相匹配的排水口。

3）動力源。在已經基本不再使用壓力水柜供水的豪華郵輪上，動力源一般為泵組，由泵組直接向各飲用水服務點供給飲用水。飲用水泵需滿足船舶最大容量的使用要求，且飲用水泵不能用于任何其他用途。如果飲用水艙位于供應泵的安裝平面以下，則應選用自吸泵。

4）熱交換器。飲用水的加熱裝置一般有3種布置方式：個人供應、分組供應、集中供應，實際中設計加熱類型時應考慮經濟因素和裝備的物體或結構的尺寸。常規熱交換器應具備以下設備：排水管、溫度計、加熱介質和恒溫控制器。在設計制造時應注意，在發生損壞時，飲用水質量不會受到傳熱或中間介質的影響。

5）減壓裝置。豪華郵輪一般具有較多的甲板層數，正常供水時由于飲用水供應泵的較高揚程，會導致下層甲板靜水水壓過大，因此需要設置減壓裝置，一般為帶隔離閥和旁通管的減壓閥，用于維持每個區域的水壓恒定。

6）變頻控制模塊。泵組需要一套變頻控制模塊對其電機轉速進行控制，使得水壓盡可能保持穩定，實現恒壓供水。恒壓供水一般為一個變頻器控制一個水泵機組，在實際設計中，應使泵在額定轉速時的工作點，位于水泵高效區的末端。

實際中，郵輪供水系統的主要設備與部件可能會與以上所列舉部分有所差異，設備的安裝與布置也應考慮實際情況，但總體需要實現的功能與設計的基本要求應保持一致。

3 大型豪華郵輪供水系統設計及計算

3.1 系統設計實例分析

以某型豪華郵輪供水系統為例，對系統的總體設計進行分析。

圖1 為該郵輪的供水系統底層部分的原理圖，包括飲用水艙、供應泵、干管和循環管路等組成部分。

圖1 某型郵輪供水系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of a certain luxury cruise ship potable water supply system

在該型郵輪中，采用直接供應的方式，即飲用水從水艙經泵組加壓直接向用戶供應。系統設置了3個自吸式離心泵用于供應可飲用水，3個離心泵并聯作為1個離心泵組，泵A和泵B分別為“主泵”和“從泵”，其中“從泵”在“主泵”的高負荷（供應需求高，高抽水率）情況下啟動，第3臺泵C作為備用泵使用，在主泵和從泵的低壓或故障時啟動。

飲用水在經過飲用水處理系統進行殺菌、消毒以及礦化后，一部分水作為冷飲用水直接向用戶端供應，一部分水經熱交換器加熱后向用戶端供應熱水，其中熱交換器為管式熱交換器，由飽和蒸汽對水進行加熱。

冷水供應系統和熱水供應系統均設置了循環管路，但基本作用不完全相同。熱水循環管路及熱水循環泵的設置使供水管網中的熱水可以不斷流動，保持水溫的恒定。冷水循環管路的主要作用是使未被使用的冷水進入循環管路，以防止用戶的用水需求量小于供應泵的輸出流量，使管網水壓增大。這部分未被使用的水重新經飲用水處理系統再次消毒，防止細菌的滋生，冷水的循環起到輔助作用，對每小時循環的次數不作要求，因此不再設置冷水循環泵。

此外，該系統設置了冷飲用水冷卻器和熱飲用水預熱器2個板式熱交換器分別對水進行冷卻和預熱，再輸送近相應的冷、熱供水系統。

圖2 為某型郵輪某層甲板的熱水供水及循環管路。

圖 2某型郵輪某層甲板的熱水供應及循環管路布置圖Fig. 2 Hot potable water supply and circulation pipeline layout of a deck of this type of luxury cruise ship

某型郵輪的熱水供水總管與甲板管路的連接處設置有減壓裝置，隔離開供水總管和甲板管路，以保持甲板供水管網的水壓恒定，防止供水總管過大的水壓損壞用水設備，同時減壓裝置設置有旁通管路，當不使用減壓裝置或減壓裝置發生故障時仍可正常供應熱水。

甲板管路選用了環狀管網的布置形式，熱水經供水總管供應至甲板管路，在環網的中端分兩路進入環網，循環管路設置在供水管路的最遠端，最終將匯合進入循環總管。這樣布置的好處是任一用戶端的服務管路均有至少兩路管道連接，大大提高了系統的穩定性，且易于對管路進行檢修。

3.2 系統計算

3.2.1 飲用水消耗量的計算

飲用水的消耗量應根據實際使用情況采用定量和定性調查的方法確定[12]。但為了方便設計，根據ISO 15748[2]，對于客船（包含豪華郵輪），船上飲用水的消耗量由表1各個耗水地點的數量相加計算確定。飲用水艙應與承包商協商提供，該計算數值可提供參考。

表1 客船飲用水的消耗量Tab.1 Passenger ships water consumption

3.2.2 供水峰值流量的計算

用水峰值流量是整個供水系統較為關鍵的數據，但其計算方法不論在建筑還是船舶上都是一個難點。

在建筑給水排水設計中有一種算法是根據每日飲用水的消耗量計算用水時段的平均消耗量，乘以根據經驗得出的流量系數。根據EN 805∶2 000[13]，人數在10 000以上時，峰值流量為平均飲用水消耗量的1.5倍，人數在2000以下時，平均飲用水消耗量的2倍多，但這一系數并無一個可靠確定的值，當使用者已存儲飲用水時，高峰小時流量系數可能顯著低于上述值，且技術用水和其他特殊需求也會影響流量系數。

ISO15748[2]給出了一張用于估計峰值流量的圖表，用于估算供水峰值流量，如圖3所示。

圖3 基于總流量的峰值流量曲線Fig.3 Peak flow as a function of the sum flow

圖中橫軸為計算得出的所有飲用水服務點的總流量（L/s），縱軸為對應的峰值流量（L/s），曲線1為客船的峰值流量曲線，曲線2為貨船，可用于估算不同船型的供水峰值流量。

3.2.3 管路水力計算

1）水流速度的計算

由以下公式計算：

式中：di為管子內徑，m；qv體積流量，m3/h；v為管內流體流速，m/s。

2）單位長度水頭損失的計算

海澄―威廉公式是目前許多國家用于供水管道水力計算的公式。它的主要特點是，可以利用海澄-威廉系數的調整，適應不同粗糙系數管道的水力計算。使用海澄-威廉公式，給水管道各管段的沿程水頭損失可按下式計算：

式中：i為管道單位長度水頭損失，kPa/m；dj為管道計算內徑，m；qg為給水設計流量，m3/s；Ch為海澄-威廉系數。

海澄-威廉系數Ch是一個和管道粗糙度、使用時間有關的經驗系數，各種塑料管、內襯（涂）塑管Ch=140；銅管、不銹鋼管Ch=130；內襯水泥、樹脂的鑄鐵管Ch=130；普通鋼管、鑄鐵管Ch=100。此外，對于熱水供應系統，Ch需要乘以一個溫度修正系數。

局部水頭損失的計算中，需參考相關產品給出的壓力損失值，而閥門和螺紋管件的摩阻損失可補償為管路的長度，與沿程水頭損失一起相加計算。

3）環狀管網的計算[14–15]

環狀網的幾何特性為：

式中：P為管段數；J為節點數；L為環數。

雖然環狀管網和樹狀管網具有不同的布置方式，但其水力學基本原理和計算方法類似，都滿足能量與質量守恒定律，除了滿足上面已經介紹的計算公式外，對于任意節點還滿足：

式中：qi為該節點的流入流量為節點的所有流出流量之和，L/s。

對任一閉合環路，如果約定水流順時針方向的管段水頭損失為正，逆時針方向為負，則有以下能量方程：

式中：hij為單個管段的水頭損失，kPa。

3.2.4 飲用水供應泵的參數計算

冷水供應系統與熱水供應系統一般使用同一供應泵或泵組。

1）水泵設計流量計算式中：Qb為水泵設計流量，L/s；qg為供水總管給水峰值流量，L/s。

2）水泵設計揚程的計算[3]

3.2.5 加熱系統的能量計算

有電加熱和蒸汽加熱2種加熱方式：

1）電加熱

式中：W為加熱水量，kg/h；E為需要的功率，kW；Th為熱水溫度，℃；Tw為給水（冷水）溫度，℃；η為加熱效率，取0.8，該數值可修改。

2）蒸汽加熱

式中：Ws為蒸汽消耗量，kg/h；W為加熱水量，kg/h；Th為熱水溫度，℃；Tw為給水（冷水）溫度，℃；i為相應蒸汽壓力下的氣化潛熱，kJ/kg；c為水的比熱容，4.2 kJ/kg/K；η為加熱效率，對于銅盤管為0.9，對于剛盤管為0.7。

3.2.6 循環系統的設計計算

1）循環管路的公稱直徑

循環管路的管徑設計仍遵循供水管路的設計，如果尚無法確定循環水量，根據ISO15748[2]，循環管路管段的公稱直徑可由與該管段相連的供水管路公稱直徑確定，其對應關系如表2所示。

表2 循環管路的公稱直徑參考值Tab.2 Nominal w idths of circulating lines

2）循環泵的揚程計算

冷水循環泵和熱水循環泵的揚程HUP應按下式計算：

式中：HUP為循環水泵的揚程，kPa；hp為循環水量通過配水管網的水頭損失，kPa；hx為循環水量通過回水管網的水頭損失，kPa。

3）循環泵的流量計算

冷水和熱水循環泵的流量計算方法如下：

所需的泵輸送流量VUP由供水和循環管線的總容積Vtot（不包括儲存容器或水加熱器容量）和每小時的水循環數確定，具體如下：

式中：VUP為泵輸送流量，L/h；n為每小時的流通數量，對于熱水，每小時循環3次熱水就足以防止水過度冷卻；Vtot為供水和循環線水的總量，L。

4 結語

根據郵輪功能需求，以及相關設計規范，大型豪華郵輪供水系統在方式選擇、管網布置、循環管路的設置等方面均有著不同的設計方案，在設計時應根據實際情況選擇不同的設計方案。此外，在設備制造、管路布置等方面應注重對水質的保護。豪華郵輪供水系統的設計并不完全依靠于供應商的設備，但對各個設備以及管網的布置有較高的設計與建造要求，需充分考慮正常的供應要求和飲用水的水質要求。本文提供了系統的計算方法，但實際中的計算還需要根據供應商提供的設備參數，考慮管網的實際布置情況，形成最終設計方案。