5万t半潜船压载水处理系统设计

盛卫明，黄 吉，仲伟东，于再红

（1. 中港疏浚有限公司，上海 200120；2. 中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

0 引 言

压载水中含有多种生物体，其中有细菌、病毒和生活在海中和海岸线上的多种成年或幼年期动植物。虽然这些生物体大部分会在压载水排放时死亡，但仍有一些能在新环境中生存下来。这些“非本土物种”一旦扎根，会对当地的生态、经济和公共卫生产生一系列影响。

国际海事组织（IMO）于 2004年召开的国际船舶压载水管理大会通过了《国际船舶压载水与沉积物控制管理公约》，对压载水的排放进行管理，旨在减少由船舶压载水引起的外来物种入侵的风险。该公约的D-2条规定了压载水的处理要求，表1[1]为IMO D-2标准对压载水排放的要求。

公约最终目的是要求船舶实施压载水处理以满足基于存活生物和微生物浓度的压载水排放标准。为了满足这一要求，配置并使用压载水舱的船舶需要安装压载水处理装置。

表1 IMO D-2压载水排放标准

虽然目前《国际船舶压载水与沉积物控制管理公约》还没有在全球范围内生效（预计最快会在 2014年生效），但美国和澳大利亚都发布进入美国和澳大利亚水域的船舶压载水活生物体排放标准，标准与IMO的D-2排放标准相同。因此目前新造船在设计初期就应考虑设置压载水处理装置。

由于大型半潜船的压载水量十分大，因此在进行半潜船压载水设计时要充分考虑采取适当的压载水处理方式来满足公约要求。现以5万 t半潜船为例，提出该船压载水系统和压载处理系统的设计方法，给大型半潜船压载水处理系统的设计一些启发。

1 压载水系统

1.1 半潜船压载水功能

5万t半潜船为一艘具有DP2能力，采用电力驱动，可在无限航区航行及作业的工程船。主要从事大型海洋结构物的装卸、运输、安装（浮托法或沉浮法）等作业工作。根据作业工况的不同，半潜船对压载水的需求和使用方法也不同。下面就不同作业工况的压载水使用情况作简单说明。

1) 码头装载：在码头装载过程，半潜船需要利用当地码头压载水调整船舶浮态，以满足货物装船过程造成的船体浮态（横倾或纵倾）及码头潮差的变化。例如：船体艉部上货时，可先将半潜船调平，使船舶甲板面轨道与码头轨道对齐。上货过程中，随着货物重量逐步转移至半潜船体上，需要将部分艉部压载水排出，或艏部注入部分压载水；随着货物逐步转移至半潜船上指定装载位置，艏艉压载舱仍需以压载水进行调节浮态，待货物就位，船体平浮之后，进行货物绑扎固定，完成准备工作后，进行长距离运输；

2) 航行运输：半潜船载货航行时，为消除燃油或淡水消耗产生的浮态变化，需要利用航路上的压载水补充或调整部分压载舱；

3) 码头卸货：大型货物若要卸载到指定码头，则卸货过程与码头装货过程基本互逆，需要利用卸货码头当地压载水调整浮态；

4) 压载航行：船舶在海上调遣航行时易受风浪的影响，为保证船舶安全往往需要调整为抵抗风暴的重压载，此时也需要利用航路上的压载水适时调节船舶的吃水及浮态；

5) 卸货（沉浮法或浮托法）：半潜船较为常见的卸货方式为沉浮法或浮托法，即通过半潜船本身下潜起浮作业的方式将货物卸放到指定水域。此时需要利用大量的卸货水域的压载水；

6) 装货（沉浮法）：半潜船采用下潜起浮的方法装载货物，过程和压载水的需求与第五类相似。

5万t半潜船为满足上述各类作业要求，设计了87个压载舱，压载舱总舱约110000m3，最大下潜深度为 27m。根据任务要求，在 4h内从最大下潜深度起浮至满载航行吃水，需排放的压载水量超过了75000m3，如此大量的压载水排量给压载水系统和压载水处理系统的设计带来了极大的挑战。

1.2 压载水系统设计

半潜船的压排载系统主要有泵压排载系统、压缩空气压排载系统或同时采用两种压排载系统。

泵压排载方式较为传统[2]，在各类船舶中都有广泛应用。利用压载泵从海底门吸取海水打入压载舱，或在排载时通过压载泵将压载水从舱内排出。

压缩空气压排载系统是每个压载舱均设有直接通海的压载水管路和压缩空气管路。排载时，压缩空气通过压缩空气管进入压载舱，利用压缩空气的压力将水排出压载舱；压载时，利用压载舱内外压力差通过通海的管路直接注入海水或开启空压机抽出空气管内的空气以加快压载速度。在重力排放时，压缩空气管兼做压载舱的透气管。原理见图1。

5万t半潜船如采用常规泵压载，则船上需要配置容量巨大的压载泵，据测算至少要配置4台4700m3/h的压载泵，每舱的压载水管径达到500mm，为防止压载舱超压，每个压载舱还需设置直径达 600mm的透气管。半潜船主甲板面不得设置透气管，因此透气管需要穿越主船体内部并集中布置在艏楼内，如此数量和口径的管系布置随着半潜船的大型化和快速压载要求的提高变得愈加难以实现。

图1 压缩空气排载系统原理

压缩空气排载系统中每个舱都是独立的排水管，系统特点是管系简单、口径相比泵压载大为减小，且排载速度快、操作方便。因此压缩空气排载是近年来大型半潜船压排载系统采用的主流配置。

5万t半潜船的压载水系统采用的是泵压排载和压缩空气压排载组合的压载水系统。原则上，主甲板以下的压载舱采用压缩空气压排载方式，主甲板以上的压载舱采用泵压载方式。

2 压载水处理系统

2.1 压载水处理系统原理

目前所有的压载水处理装置都是针对常规的泵压载系统进行设计的。压载水处理的过程为：压载水泵通过海底门吸入压载水，首先让压载水通过过滤器过滤，去除杂质，然后送入压载水处理单元，经过处理的压载水，通过管路送入各压载舱。过滤器可以消除压载水中积聚的沉淀物，每次装压载结束，过滤器要用海水反冲洗，所有清洗过滤器的反冲洗水都在压载水装载地点直接返回海洋。在处理的最终阶段，即排出压载水时，压载水再次通过压载水处理单元，消灭航行期间在船舱中滋生的微生物。图2为常规压载水处理流程。

图2 常规压载水处理流程

常规的压载水处理流程对于采用压缩空气排载系统的半潜船而言是不适用的。从图1压缩空气排载系统原理中可以看出，由于压载舱直接和舷外相通，无法对进舱和排出的水进行过滤及处理，因此对于配置压缩空气排载系统的半潜船而言，压载水处理系统的设计必须另辟蹊径。

2.2 半潜船压载水处理需求

根据半潜船的主要作业工况分析半潜船的压载水处理需求，寻找满足要求且行之有效的解决方法。

1) 码头装载：码头装载结束后，待启运货物前，各压载舱内压载水基本固定，这部分压载水（多数情况下，使用的压载舱均处于空或满的状态）是满足船舶浮态所必需的，因此可能被带到其他港口或水域，需要进行处理；

2) 航行运输：在航行途中为满足半潜船浮态要求，需要补充部分压载水，这部分压载水可能被带到其他港口或水域，需要进行处理；

3) 码头卸货：货物卸到指定码头，需要利用当地压载水调整卸货过程的浮态。因此前出发港或途中携带的压载水需经过处理，就地压载水调整浮态将不必再进行压载水处理；

4) 压载航行：半潜船调遣航行时，如因抗风暴等原因需调整吃水或浮态，这部分使用的压载水应进行处理；

5) 卸货（沉浮法或浮托法）：半潜船经常将运输的货物通过沉浮法或浮托法方式卸放到指定水域，该过程需要使用大量压载水。这部分压载水均为当地压载水，在货物卸除后，半潜船恢复压载航行吃水即可，大量压载水重新排放回原水域，因此压载水不需要进行处理，但在压排载之前和之后，均应保持压载舱的清洁，且不受其他水域残余海水的污染。这部分压载舱除在下潜起浮作业时使用之外，基本上长期处于空舱状态，因此排空后或压载前需进行清洁和检查工作；

6) 装货（沉浮法）：半潜船采用沉浮法装载货物，过程与第五类相似，也均采用当地压载水完成装货过程。恢复至航行吃水时，应对航行工况的压载水进行处理。

总之，半潜船对压载水的使用需求和作业方法，主要须考虑航行时的压载水处理问题。半潜船航行途中的压载水量基本固定，故考虑航行途中采用循环法或倒舱法进行压载水处理。

2.3 循环法压载水处理系统

循环法压载水处理系统原理见图3。循环水泵从压载舱吸取压载水进入压载水处理装置，处理后的水再回到压载舱内，推荐循环3次。在航行途中同一压载舱进行循环处理3次或以上，经检测达到排放要求后，可直接通过舱底阀排放或通过循环水泵排放。由于循环法压载水处理方式是在航行途中处理，因此滤器的排污不能直接排入海中，需设置专门的压载污水收集舱，用来储存压载水处理装置中滤器的排污，压载污水收集舱内污水可继续通过循环法处理，合格后排放或排岸处理。图3为循环法压载水处理系统原理。

图3 循环法压载水处理系统原理

2.4 倒舱法压载水处理系统

半潜船无论是载货航行还是压载航行，都会有较大部分的压载舱处于空舱状态。倒舱法压载水处理系统的原理是利用循环水泵从压载舱吸取压载水进入压载水处理装置，处理后的水存到空的压载舱，循环处理直至所有压载水舱内的压载水处理完毕。在航行途中可进行多次操作，处理后的压载水可通过舱底阀直接排放或通过循环水泵排放。同循环法处理方式一样，倒舱法压载水处理方式中滤器的排污也不能直接排入海中，需设置专门的压载污水收集舱。压载污水收集舱内污水可继续通过循环法处理，合格后排放或排岸处理。图4为倒舱法压载水处理系统原理。倒舱法压载水处理方式由于存在一个压载舱从满到空，另一压载舱从空到满的变化，对船舶的稳性强度等会产生影响，因此采用倒舱法压载水处理系统的船舶，在航行前应进行装载计算，核算压载水处理过程的每一步安全性，对每一步操作都应有相应的指导。

图4 倒舱法压载水处理统原理

上述循环法压载水处理系统和倒舱法压载水处理系统均为笔者针对5万t半潜船设计的新型压载水处理系统，已申请了实用新型专利。

3 USCG压载水排放要求

对于“无限航区”的半潜船，还不能忽视美国海岸警卫队（USCG）对压载水管理和控制的要求。USCG于2012年3月23日发布了最终的“美国水域船舶压载水活生物体排放标准”规则，该规则排放标准与IMO（D-2）排放标准完全相同，已于2012年6月21日正式生效。在美国水域进行压载水排放的船舶，应按表2[3]实施时间采用USCG认可的压载水处理系统（BWMS）。

表2 USCG标准实施时间表

4 5万t半潜船压载水处理系统

考虑到倒舱法压载水处理方式每一过程须进行精细核算且操作要求较高，因此5万t半潜船的压载水处理方式采用循环法。所选用的压载水处理装置除具有IMO型式认可证书和CCS证书外，还具有USCG证书。

5万t半潜船压载水处理装置的容量根据半潜船在航行工况装载的压载水量和压载舱空气管阻力核算进行选择，选取了两套小排量的压载水处理装置，在航行途中对压载舱内的压载水进行循环处理，压载水处理装置采用物理法对压载水进行处理。

5 结 语

5万t半潜船选用循环法对航行途中的压载水进行处理，选用具有IMO型式认可证书、CCS证书和USCG证书的压载水处理装置，其设计满足了IMO D-2排放标准。为防止压载舱内的沉积物对压载水的再次污染，应定期清洗压载舱，冲洗锚链，除掉淤泥沉淀物；定期除掉附在船底、管道、压载舱内等的污损生物。5万t半潜船在设计时，将压载舱的底板进行了倾斜设计，并在每个压载舱均预留清洗孔，便于日后压载舱的清理工作。

[1] IMO. 2004年国际船舶压载水与沉积物控制管理公约[S].

[2] 潘锦成. 船舶压载水处理技术及处理系统方案研究[J]. 上海造船，2011, (2): 64-67.

[3] CCS. 压载水管理系统技术及选型介绍[S].