大型邮轮舱底水系统设计分析

李成恩，白秀琴

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063)

船舶舱底水系统收集船上机器设备运行时产生的含油污水，以防止污染海洋环境，且在船舶破损等紧急事故发生时，可以排水抗沉[1]，是船舶航行的重要保船系统。大型邮轮是一种高技术高附加值船舶，功能繁多，载客人数达上千人，其安全性和环保性尤为重要，在规范和设计方面比常规船舶要求更高。为了满足功能要求和设计规范，结合某大型邮轮的设计实例，对邮轮舱底水系统的设计进行研究分析，从而得出大型邮轮舱底水系统设计过程中的相关结论。

1 船型概述

某大型邮轮的主要尺度为：船长323.6 m；垂线间长L为287.1 m；型深D为11.2 m；型宽B为37.2 m；总吨位133 500 t；最大乘客数4 988 人。大型邮轮的设计需满足国际公约和法规，由于大型邮轮属于客船，需满足的规范及规则有英国劳氏船级社规范、《1974年国际海上人命安全公约》2016年综合文本(简称SOLAS公约)、《1973年国际防止船舶污染公约》2016年综合文本(简称MARPOL公约)、意大利船级社规范和IMO 《综合舱底水处理系统(IBTS)导则》2008修正案。

舱底水系统主要是由舱底泵、污水井、泥箱、止回阀、管道、滤器、舱底水舱、油水分离器、油分浓度计、液位开关及警报等构成。根据该大型邮轮舱底水系统的功能划分，可分为规范舱底水系统、日常油性舱底水收集系统和含油舱底水分离系统3个子系统。

2 规范舱底水系统

规范舱底水系统也可称为主舱底水系统，包括动力舱底泵、舱底水总管与支管、吸入滤网箱、泥箱、蝶阀(隔离阀)、液控止回阀、截止止回阀等设备及部件。

2.1 规范舱底水系统计算

根据SOLAS公约规则第II-1/35-1条第3条目内容对规范舱底水系统的要求，对于国际航行的客船，若舱底泵衡准数大于或等于30，则要求设置独立动力泵3台，主机驱动或独立动力泵1台。该大型邮轮作为国际航行客船，舱底泵衡准数大于30，邮轮规范舱底水系统设置4台动力舱底泵。

舱底水总管内径dm不得低于以下计算公式：

(1)

则舱底水总管内径计算值为223 mm，查阅碳钢公称直径，选取公称直径250 mm，实际内径254.46 mm，大于计算内径值，满足规范要求。

机器处所的舱底水吸入支管内径db计算公式如下：

(2)

式中，l为舱室长度，m。

该邮轮机器处所的舱底水支管内径计算表如表1所示。

表1 舱底水支管内径计算表

机器处所的舱底水吸入支管内径值不应小于式(2)的计算值，但实际内径值与计算值相差不超过5 mm，也满足规范要求，同时在任何情况下，舱底水吸入支管径不得小于50 mm。该邮轮规范舱底水系统中，管道材料为热浸镀锌无缝钢管，船首处锚链舱、水手舱和侧推间的舱底水管道内径按不得小于50 mm选择，实际内径选取51.56 mm。

为保证舱底水吸入总管的流速v不低于2 m/s，每一台动力舱底泵的排量Q不应小于式(3)的计算值：

(3)

根据式(3)计算,动力舱底泵的容量为281 m3/h，实际选取动力舱底泵如下：①主动力舱底泵1台，容量为300 m3/h 的双缸双作用往复泵，布置在c层甲板的前发电机舱(邮轮最底层为双层底，甲板再依次往上分别用c/b/a/0/1/2/…/15表示);②舱底消防共用泵1台，容量为300 m3/h的离心泵，布置在c层甲板的后制淡蒸发间;③舱底/压载泵2台，容量均为300 m3/h 的双缸双作用往复泵，一台布置在b层甲板尾部的辅压缩室，另一台布置在b层甲板靠近艏部的辅机舱。

动力舱底泵和它们的动力源应分布在整个船长的方向，在未破损的舱室中至少有一个动力舱底泵可用。

2.2 规范舱底水系统设计

图1为某大型邮轮规范舱底水系统流程图。根据规范要求，该大型邮轮规范舱底水系统中的4台动力舱底泵均与舱底水总管相连且分舱布置，以确保邮轮在发生碰撞事故破舱后或其他紧急情况下可以通过动力舱底泵来排水抗沉。主动力舱底泵和舱底消防共用泵可将水排至消防、舷外和舱底水舱中，2台舱底/压载泵兼具抽压载水和舱底水的功能。艏尖舱中锚链舱、水手舱和侧推间的舱底水可由位于b层甲板侧推间处容量为3.5 m3/h的螺杆泵抽出至c层甲板的一个污水井中，也可通过舱底水总管由动力舱底泵抽出；2个排舱底水管路可互为备用，可供船员选择启动哪一条管路排水。

图1 某大型邮轮规范舱底水系统流程图

规范舱底水系统水密舱室之间的舱底水总管都设置隔离阀，当某一水密舱室发生事故界限时，可控制舱底水总管的隔离阀使事故界限外的舱底水总管路正常工作，让船舶安全返港。安全返港(Safe Return to Port)是SOLAS公约对大中型客船的特殊规定，为了提高客船在发生火灾或进水事故后能够依靠自身条件返回港口的能力，对船舶的推进系统和舱底水系统等辅助系统提出要满足安全返港的要求。同时在邮轮艉部推进器间和艏部侧推间的舱底水管路都另外设置了安全返港的防火管路，在发生火灾或进水时，安全返港防火管路可以保障将推进器间和侧推间的舱底水排出。

根据规范要求，该大型邮轮的后空气压缩室、推进器变压器间、后制淡蒸发间、后燃油净化室、后机舱、前机舱、前发电机舱、后辅机舱、前辅机舱都设置有至动力舱底泵的直通舱底水吸口，直通舱底水吸口管径与舱底水总管管径相同。

邮轮双层底的舱底水吸入管末端处安装吸入滤网箱，吸入滤网箱布置示意图如图2所示，安装于舱的最低处。在机器处所的舱底水吸入管及直通舱底泵的吸入管处安装泥箱，泥箱布置示意图如图3所示，泥箱安装在污水井上方，引一直管至污水井，应急舱底水吸口无需设置泥箱。

图2 吸入滤网箱布置示意图

图3 泥箱布置示意图

该大型邮轮规范舱底水系统的舱底水管路与灰水收集柜、厨房废水柜和洗衣废水柜有连接，其中灰水收集柜7个、厨房废水柜2个、洗衣废水柜1个，当这些废水柜的排水泵故障时，规范舱底水系统可作为它们的应急接口，接软管由动力舱底泵排出。

3 日常油性舱底水收集系统

日常油性舱底水收集系统主要收集各舱室机械设备和管路的凝水、泄漏水、燃油和润滑油等舱底水。系统主要包括：日用舱底泵、污水井、污水沟、泥箱、液控止回阀、截止止回阀、舱底水管道、污油舱、舱底水舱、岸上排放设备、液位开关和液位警报等。日常油性舱底水收集系统在国内船舶尚比较少见，但随着我国首艘豪华邮船项目的落地以及智能船、无人船的发展，该系统在未来几年将逐渐普及[2]。

3.1 舱底水舱容积计算

舱底水舱容积的计算应考虑不经常启动油水分离器的特点，根据规范要求，舱底水舱容积要求见表2。

表2 舱底水舱容积要求

该大型邮轮5台主机功率总和62 400 kW，大于20 000 kW，容积计算为164.8 m3。该大型邮轮舱底水舱容积94.2 m3，舱底水存放舱容积89.0 m3，舱底水舱总容积183.2 m3，大于计算值，满足设计要求。舱底水舱分为2个舱，一个为脏污侧，另一个为干净侧，脏污侧和干净侧舱的容积都为47.1 m3。

3.2 日常油性舱底水收集系统设计

该大型邮轮的舱底水系统配置有集成的报警、监测与控制系统(IAMCS)，对邮轮舱底水系统的远程控制阀(蝶阀和液控止回阀)、舱底泵启闭、污水井液位、舱底水舱液位和温度、舱底水油分浓度等进行监测报警和控制。传统的规范舱底水系统包含日常舱底水系统，而该大型邮轮日常油性舱底水收集系统与规范舱底水系统是2套不同的系统，独立于规范舱底水系统，自动化程度更高。

日常油性舱底水收集系统可细分为日常舱底水收集管路系统和油性舱底水收集管路系统。2个收集管路系统收集的舱底水都会含有油类等有机物质，通过日用舱底泵将含油舱底水排至舱底水舱、污油舱或岸上排放设备。油性舱底水收集管路系统对后制淡蒸发室、后燃油净化室、后机舱、焚烧室、前机舱以及后辅机舱的含油舱底水进行收集，这些舱室的含油舱底水含油量较多，其它机器处所的含油舱底水主要由日常舱底水收集管路收集。含油舱底水具有腐蚀性，两者收集系统的管道材料选择Cu Ni10Fe1Mn铜镍合金，耐腐蚀性能好。

污油舱常规设计应布置在分油机下方及双层底，双层底的污油舱有不超过40 m3的容积要求[3]，该大型邮轮的污油舱布置在双层底的重油污油舱中，容积为31.4 m3，紧急情况下双层底的滑油污油舱可作为污油舱，容积为26.2 m3。

日常油性舱底水收集系统自动化控制程度高，当机器处所污水井内的含油舱底水液位达到高液位时，液位开关自动发出信号，打开该污水井对应管路的液控止回阀，开启日用舱底泵，将污水井内的含油舱底水排至舱底水舱、污油舱或岸上排放设备中。当污水井内的含油舱底水达到低液位时，液位开关发出低液位信号，关闭对应管路的液控止回阀；当所有的污水井对应管路的液控止回阀都关闭时，将自动关闭日用舱底泵，这样自动化程度高，大大减少船员的工作劳动负荷。其中，管路中的液控止回阀代替了传统管路设计中的普通阀和止回阀2台阀门，一阀代两阀，能够减少和防止管路系统中流体的倒流及产生过大的水锤。

4 含油舱底水分离系统

含油舱底水分离系统主要由舱底水舱、三通阀、温度传感器、油水分离器、油分浓度计、舱底水存放舱、离心泵等部件组成。

4.1 含油舱底水预分离系统设计

该大型邮轮含油舱底水分离系统原理图如图4所示，1接口为含油舱底水入口，2接口为干净舱底水出口，3接口为循环至舱底，4接口为干净舱底水入口。日用舱底泵将污水井的含油舱底水收集到舱底水舱中预分离，预分离后由油水分离器进一步分离，分离处理后油分质量分数低于15 ×10-6的干净舱底水可以排向舷外，也可排向舱底水存放舱存储、在可排放区域再排舷外。

图4 该大型邮轮含油舱底水分离系统原理图

图5为舱底水舱示意图，舱底水舱的脏污侧和干净侧可作为预沉淀柜进行油水的预分离，分离为3层，顶层为密度较小的油类等液体，中间层为较干净的舱底水(含有不易聚结形成大颗粒的乳化油等物质)，底层为油渣。脏污侧中间层的含油舱底水通过DN250的管道排至干净侧中，脏污侧和干净侧都分别设置3个不同高度的含油舱底水取样点，以便分析舱内预分离时的油水界面位置，轮机人员便可及时泄放顶层的油类等液体混合物，减少下一阶段油水分离的负荷。

图5 舱底水舱示意图

脏污侧内设有加热盘管加热，热源来自蒸汽系统；干净侧内也设有加热盘管，热源来自淡水冷却水，充分利用辅助系统淡水冷却水的余热来加热，对脏污侧和干净侧进行加热促进了油水的分离。

4.2 含油舱底水油水分离器分离系统设计

如图4所示，大型邮轮油水分离器采用了聚结式和离心式2种类型，其中有1台处理量不低于1 m3/h的聚结式油水分离器，2台处理量不低于5 m3/h离心式油水分离器。

聚结式油水分离器处理量小，分离速度慢，且随着舱底水成分复杂性的增强，对邮轮横摇的动态性以及舱底水排放的要求更加严格，使用聚结式分离技术处理复杂含油舱底水，达到排放要求较难。

离心式油水分离器利用油水及杂质的密度不同，使其在同一容器内作高速旋转，产生不同的离心力而实现油水的分离。高速离心式油水分离器的动态处理是处理复杂含油舱底水的有效方法，分离速度可达重力分离速度的上千倍，能抵消船舶不断运动和横摇带来的影响，在任何运行条件下，都能保证分离效率。高速离心式油水分离器初期投资较昂贵，而聚结式油水分离器初期投资成本较低。因此，该大型邮轮含油舱底水分离系统的油水分离器类型采用了离心式和聚结式的组合，目前效率最高的离心式油水分离器是Alfa Laval的PureBilge，可将含油舱底水油分质量分数处理至5×10-6内。

油水分离器处理后并经油分浓度计监测，油分质量分数低于15×10-6的干净舱底水可以排向舷外，也可排向舱底水存放舱存储，在可排放区域再排舷外。抽取舱底水存放舱干净舱底水的输送泵可为离心泵，布置2台一用一备，排舷外时需再经油分浓度计检测。

5 结束语

规范舱底水系统作为重要的保船系统，排量大，排水抗沉能力强，在满足规范的同时可作为其它系统(如灰水系统等)的应急接口；日常油性舱底水收集系统与规范舱底水系统独立，自动化程度高，大大减少船员劳动强度，是未来大型船舶发展的方向；含油舱底水分离系统的油水分离器可采用离心式和聚结式的组合，发挥各自优势，高速离心分离的动态处理是处理含油舱底水的有效方法。