船舶壓載水處理系統改裝設計

肖德浩，蔡家鑫，柴俊鍇

（上海江南長興造船有限責任公司，上海 201913）

0 引言

在沒有任何防護和控制措施的情況下，船舶壓載水易引起有害水生物和病原體的傳播，進而對海洋生態系統、社會經濟及公眾健康造成危害。為此，國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）通過了《壓載水管理公約》，對壓載水中可存活生物的種類及數量作出明確規定，并對船舶提出配置壓載水處理裝置（Ballast Water Management System，BWMS）的要求。

目前，BWMS已成為新造船的標準配置，但許多已運營的船舶卻仍未安裝此設備。本文對主流船舶壓載水處理系統的工作原理進行介紹，結合項目實例對船舶壓載水處理系統中電氣系統的設計思路、設備布要點等進行說明。

1 BW MS簡介

為使船舶壓載水滿足公約要求，許多廠家推出相應系統供船東進行選擇。目前市場上主流的BWMS可分為紫外線（Ultraviolet，UV）系統和電解系統。

UV系統首先通過濾器去除水生生物與顆粒物，再利用祡外線對壓載水中殘余的水生生物進行消殺。在排除前，壓載水還需再次進行紫外線消殺，確保排出的壓載水能滿足公約的要求。UV系統的布置相對緊湊，對改裝船的空間要求相對較低。UV系統的工作效果不受水的鹽度和溫度變化的影響，但受制于所加壓載水的透射比，壓載水越混濁，系統消殺效果越差。UV系統的工作原理見圖1。

圖1 UV系統的工作原理

電解系統首先通過濾器對壓載水進行預處理，再通過電解海水產生高濃度次氯酸鈉溶液對剩余水生生物和病原體進行消殺。當船舶排放壓載水前，需要通過系統檢測水中的氯含量，并根據設定自動進行中和處理以滿足公約要求。

相較于UV系統，電解系統對壓載水的處理能力更強，更適合安裝于壓載水容量較大的大型船舶。然而，電解系統具有以下缺點：1）在淡水和低溫環境中運行時，其工作效果將受到負面的影響；2）系統能耗相對較高；3）電解過程會產生少部分氫氣，可能產生安全隱患。電解系統的工作原理見圖2。

圖2 電解系統的工作原理

2 電氣系統設計

不同BWMS的工作原理不同，但其電氣系統的設計思路大同小異。在BWMS電氣設計中，需要繪制并送審船級社的詳細設計圖紙包括以下8個部分：1）電力負荷計算書；2）短路電流計算書；3）BWMS電氣系統圖；4）電力系統圖；5）電力設備布置圖；6）監測報警系統圖；7）閥門遙控電氣系統圖；8）衛星定位（Differential Global Positioning System，DGPS）系統圖。

在BWMS改裝設計初期，需要根據電力負荷計算書對原船電力負荷進行評估。在考慮新加裝的BWMS各設備參數的基礎之上，參照原船負荷計算方法對改裝后的電力負荷數據進行計算和評估。為保證計算的準確性，需要考慮不同工況下各設備的運行情況。

改裝過程若涉及電網變化，船級社通常會要求提供新的短路電流計算書用于核查電網的短路電流，并校核各斷路器的分斷能力及接通能力是否仍能滿足要求。短路電流可通過多種專業軟件進行計算，通常使用中國船級社（China Classification Society，CCS）的COMPASS軟件進行計算。將電力系統中各核算點的短路電流值與斷路器分斷電流值、合閘電流值進行對比，確保各斷路器在改裝后仍能滿足要求。斷路器相關電流參數與計算得到的各短路電流值之間的關系見式（1）。

式中：為斷路器的短路分斷能力；為斷路器的短路接通能力；為計算得到的對稱短路電流；為計算得到的最大短路電流峰值。

在繪制BWMS的電氣系統圖時，需要參照設備廠家提供的控制原理圖以及電氣單線圖，不斷完善和細化。需要注意根據各設備的輸入功率對電纜進行匹配。在選擇設備電源電纜時，有如下注意事項：

1）根據廠家資料，核查各設備的負載電流值。若設備未提供負載電流值，可通過計算獲得。三相交流用電設備和單相交流用電設備負載電流值的計算公式分別見式（2）和式（3）。

式（2）和式（3）中：為負載電流值；為額定功率；為功率因子；為額定電壓。

2）新增電纜通常成束敷設，修正系數可取0.85。

3）若各壓載水處理設備布置較為分散，其電纜較長，需要核算回路電壓降，其計算公式為

式中：Δ為交流單相兩線制回路電壓降；Δ為交流三相三線制回路電壓降；為電纜長度；為電流；為額定電壓；為電纜截面積；為電導率；為導體溫度系數，取1.27。

4）在確定電纜截面積時，要同步考慮斷路器保護裝置的動作特性與電纜的保護協調技術。斷路器的整定電流值、電纜載流量及負載額定電流間的關系為

式中：為斷路器的整定電流值；為電纜載流量；為負載額定電流值。

除電力部分的設計工作外，還需考慮本系統與外部其他系統間信號及控制接口問題：

1）電解系統需考慮機艙風機運行狀態聯鎖控制功能。

2）為反饋BWMS的工作情況，需要輸出系統故障報警等信號到原船的監測報警系統。

3）需要為BWMS接入全球定位系統（Global Positioning System，GPS）信號接口。

4）部分電站功率偏小的船舶在加裝BWMS時需要在電站中增加重載問詢功能，以免系統啟動時因電網波動而超出規范要求。BWMS與配電板（Power Management System，PMS）間重載問詢信號見圖3。

圖3 BWMS與配電板間重載問詢信號

船舶新裝BWMS涉及對原船壓載水管路的修改調整，部分原船閥門開閉狀態信號需要輸入至BWMS。當BWMS需要輸入原船手動閥的開閉狀態信號時，可通過在手動閥的閥桿上增加限位開關的方案來滿足要求。該方案不僅改裝施工方便、改裝工期短，還能有效降低改裝成本。

3 BWMS布置設計

BWMS各設備在進行布置設計前需要對實船進行勘驗或查看原船3D掃描數據以了解原船設備的實際布置和空間結構情況，在此基礎之上進行設備初步布置。設備布置時需要綜合考慮以下4點：

1）空間問題。少部分已運營的船舶在新建時已提前考慮了后期BWMS加裝需求，并提前在機艙預留相應空間，對此類船舶進行設備布置相對容易。然而，大多數船舶在新建時未預留相應空間，需要評估處理裝置在船舶上的安裝位置。綜合考慮機艙布置圖、泵艙布置圖、全船布置圖、電力設備布置圖等原船圖紙以及BWMS各設備尺寸進行初步布置。

2）維護保養問題。在布置 BWMS各設備時，應通過設備資料檢查各設備后續維護要求。對于濾器單元、紫外線、加藥單元、電解單元、電氣控制箱等設備，不僅要保證成功安裝，還要滿足設備平時維護保養和操作空間的要求，電氣控制箱應盡可能就近布置。

3）設備電纜路徑走向問題。在新造船項目中，電纜路徑相關問題可在模型設計階段通過專業間溝通得到及時解決。對于改裝船，在設備安裝位置確定后，需要根據原船具體情況對電纜路徑進行合理規劃，需綜合考慮是否施工簡便、是否涉及油艙動火、是否需要大量搭架工程等方面。

4）在設備布置時，若可供選用的空間不多，在層高足夠的情況下可考慮增加舾裝平臺用于設備布置。圖4為某170 000 t散貨船模型，原船機艙空間較小，需要安裝的BWMS設備較多，還需要保證濾器設備維護保養時的吊高要求、電極單元四周維護空間要求以及現場改裝施工的便利性要求。綜合考慮各種方案，最終確定將系統各設備集中布置于機艙底層右舷處，通過在右舷增加舾裝平臺、增加垂向空間來滿足相關要求。

圖4 某170 000 t散貨船模型

4 結論

加裝BWMS對改善海洋生態系統、促進社會經濟及保護公眾健康非常重要，本文對主流船舶壓載水處理系統的工作原理進行介紹。結合項目實例對船舶壓載水處理系統中電氣系統的設計思路、設備布要點等進行說明。合理的系統設計和設備布置可有效節省改裝材料、降低施工難度、縮短改裝周期、提高改裝效率、降低改裝成本。