通過能量轉(zhuǎn)換監(jiān)測船舶壓載水余氯的方法

張瑞祥，王玉玲

(青島雙瑞海洋環(huán)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(shù)之一，多應(yīng)用于壓載泵流量較大的大中型遠(yuǎn)洋船舶。該技術(shù)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(dá)到一定質(zhì)量濃度，持續(xù)殺滅生物至壓載水公約標(biāo)準(zhǔn)。

壓載水處理系統(tǒng)電解海水過程中，需要余氯分析儀來監(jiān)測壓載水中余氯的質(zhì)量濃度，作為電解電流的調(diào)節(jié)依據(jù)。余氯分析儀配套復(fù)雜，使用及維護(hù)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(tǒng)更需要一種經(jīng)濟(jì)、可靠的余氯監(jiān)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(tǒng)為例，論證通過電解過程中的電能與化學(xué)能、熱能的能量轉(zhuǎn)換，來監(jiān)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(yè)化應(yīng)用于現(xiàn)有系統(tǒng)需要的改進(jìn)措施。

1 船舶壓載水處理系統(tǒng)的TRO

總剩余氧化物(total residual oxidant，TRO)，在電解法壓載水處理系統(tǒng)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(tǒng)通常使用布置在壓載水管線的余氯分析儀監(jiān)測實時TRO的質(zhì)量濃度，并作為反饋數(shù)據(jù)進(jìn)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(biāo)值范圍內(nèi)。

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(rèn)證的TRO目標(biāo)范圍通常都包含在5～10 mg/L區(qū)間內(nèi)，見表1。

由表1可見，各廠商均使用了同一個生產(chǎn)商的余氯分析儀，該儀表已經(jīng)成為電解法壓載水處理系統(tǒng)不可或缺的一部分。儀表主要技術(shù)規(guī)格見表2。

表1 電解法的主要廠商及TRO參數(shù)表 mg/L

表2 HF Scientific余氯分析儀主要技術(shù)參數(shù)

該儀表檢測時從壓載水主管路取水樣，并在儀表內(nèi)部對水樣進(jìn)行分析。儀表配套使用的特殊試劑對環(huán)境、時效都有限制要求，整套監(jiān)測系統(tǒng)組成復(fù)雜，使用和維護(hù)成本較高。配套取樣系統(tǒng)和壓載水水流對TRO的質(zhì)量濃度均勻性的影響，將使儀表使用精度低于標(biāo)稱值。壓載水處理設(shè)備廠商Techcross在DNV GL船級社認(rèn)證過程的實船測試階段，證書記錄的7個有效測試循環(huán)中，即出現(xiàn)一次TRO均值過低的測試循環(huán)，船級社根據(jù)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(zhǔn)確。

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

2 監(jiān)測原理分析

電解法壓載水處理系統(tǒng)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(shè)備主要功能是由整流器(rectifier)驅(qū)動電解槽(electrolyzer)，對流經(jīng)其中的海水進(jìn)行電解，在電解槽內(nèi)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成次氯酸鈉溶液，與壓載水混合實現(xiàn)殺生效果。整個流程是一個電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的過程。

圖1 壓載水處理流程示意

2.1 系統(tǒng)電解過程能量轉(zhuǎn)換的分析

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

由系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)的效率與各廠商的技術(shù)細(xì)節(jié)和設(shè)備工況有關(guān)。整流器輸出的能量除轉(zhuǎn)換為化學(xué)能外，部分能量將加熱流經(jīng)電解槽內(nèi)部的海水，還有少量的能量負(fù)擔(dān)電氣線路發(fā)熱損耗等。因此，整個過程能量轉(zhuǎn)換表現(xiàn)為

整流器輸出能量=產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)氯功率+加熱海水功率+輸電線路熱損功率。

2.2 各項能量監(jiān)測的可行性

壓載水處理系統(tǒng)安裝的各個設(shè)備和傳感器可以對系統(tǒng)的電流、電壓、溫度等進(jìn)行實時監(jiān)測，各個傳感器返回的數(shù)據(jù)為整套系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的監(jiān)測提供了可能。

2.2.1 整流器輸出能量的監(jiān)測

由整流器內(nèi)部安裝的電流、電壓或功率傳感器可以獲得較為準(zhǔn)確的輸出電壓和輸出電流值。取得測量數(shù)據(jù)后，進(jìn)行如下?lián)Q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(jiān)測

在系統(tǒng)電解的過程中，高速流經(jīng)電解槽的海水會帶走電解槽產(chǎn)生的熱量，同時海水自身的溫度上升。通過電解槽進(jìn)出口安裝溫度(或溫差)傳感器，精確監(jiān)測溫差，結(jié)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(fā)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(shù)、使用的電纜長度和電纜根數(shù)有關(guān)。

(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(lián)電纜根數(shù)；′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(chǎn)氯功率，W；為整流器輸出功率，W；為電解槽加熱海水的發(fā)熱功率，W；為輸電線路熱損功率，W。

2.2.4 每小時產(chǎn)氯量

電解槽產(chǎn)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(jù)產(chǎn)氯功率所得每小時產(chǎn)氯量為

(6)

式中：為產(chǎn)氯量，kg/h；為整流器輸出功率中有效產(chǎn)氯功率，W；為電解槽中電解單元數(shù)量，根據(jù)各廠商設(shè)備參數(shù)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(chǎn)氯量要求的產(chǎn)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(zhì)量濃度

通過壓載水管路流量計監(jiān)測壓載水實時流量，進(jìn)而可以得知該壓載狀態(tài)下的實時TRO的質(zhì)量濃度。

(7)

式中：為壓載水管路實時TRO數(shù)值，mg/L；為每小時產(chǎn)氯量，kg/h；為壓載水主管路流量，m/h。

經(jīng)過對電解法船舶壓載水處理系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換分析，可見只要具備相應(yīng)的測量條件來獲取各項參數(shù)，通過監(jiān)測能量的轉(zhuǎn)換來換算壓載水實時TRO的質(zhì)量濃度是可行的。

3 實船監(jiān)測示例

通常如果船舶安裝有電解法船舶壓載水處理系統(tǒng)，一般系統(tǒng)會自帶1套或多套HF Scientific的余氯分析儀，用以監(jiān)測壓載水管路中實時TRO數(shù)值。下面以明德號貨輪的壓載水處理系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)為示例，分析以能量轉(zhuǎn)換來測算實時TRO值的可行性，并與余氯分析儀測量示數(shù)進(jìn)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(tǒng)：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(tǒng)實船運(yùn)行數(shù)據(jù)

1)實船運(yùn)行數(shù)據(jù)見表3。

表3 明德輪壓載處理運(yùn)行數(shù)據(jù)表

2)監(jiān)測及計算過程參數(shù)見表4。

表4 明德輪壓載水處理系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)表

3.2 TRO測算

根據(jù)已有數(shù)據(jù)和參數(shù)，結(jié)合前一章節(jié)，最終TRO測算數(shù)據(jù)見表5。表5中第1、2項為系統(tǒng)及TRO儀表啟動過程，該過程中， TRO測算值比儀表數(shù)據(jù)有更高的參考價值；第3、4項為系統(tǒng)正常工作狀態(tài)，測算數(shù)據(jù)與正常工作的儀表測量示數(shù)較為接近，二者符合度較高。

表5 測算數(shù)據(jù)與儀表示數(shù)表

4 結(jié)果與改進(jìn)分析

電解過程能量轉(zhuǎn)換監(jiān)測數(shù)據(jù)和實船安裝的TRO儀表示數(shù)較為接近，說明通過能量轉(zhuǎn)換監(jiān)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(jiān)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(tǒng)減少TRO儀表、取樣水管路及其附屬設(shè)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(tǒng)的可靠性，相關(guān)故障點(diǎn)將大幅減少。船員使用設(shè)備過程中，減少或取消對TRO分析儀的操作和維護(hù)，使用成本也隨之降低。

在實船示例過程中，可以實現(xiàn)船舶壓載水中余氯的監(jiān)測，但因安裝的壓載水處理系統(tǒng)設(shè)計之初并沒有考慮該監(jiān)測方法的使用，有限的實船條件下，數(shù)據(jù)只作為參考。

4.1 海水溫升測量改進(jìn)

在該監(jiān)測方法中，流經(jīng)電解槽的海水溫升數(shù)據(jù)是一項非常重要的數(shù)據(jù)，其測量精度將直接影響最終的監(jiān)測精度。目前電解法壓載水處理裝置通常是在電解槽進(jìn)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(jiān)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(jìn)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(jiān)測TRO的偏差保持在合適范圍。以明德輪第4組數(shù)據(jù)為例，溫差對TRO測算數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的影響

由表6可見，當(dāng)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(yōu)化安裝設(shè)計，使測量的溫差精度不高于±0.2 ℃為宜。目前，多數(shù)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(tǒng)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(tǒng)相比，電解水流量約是其百分之一的支路電解法處理系統(tǒng)更適合使用該監(jiān)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(tǒng)的多數(shù)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(jìn)行反沖洗排污(海水較臟時，工作過程中濾器會持續(xù)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(dāng)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(shù)中。但反沖洗水流通過排污管線排回大海，不進(jìn)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(chǎn)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(zhǔn)確，進(jìn)而提高TRO實時監(jiān)測精度。

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

4.3 其他方面的能量轉(zhuǎn)換

除去已經(jīng)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(zhuǎn)換，如：解槽與周圍環(huán)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(nèi)部有常溫海水流通，可視為水冷設(shè)備模型，與所在空間發(fā)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(nèi)。