船舶压载水处理系统改装设计

2022-08-23肖德浩蔡家鑫柴俊锴

船舶标准化工程师 2022年4期

肖德浩，蔡家鑫，柴俊锴

（上海江南长兴造船有限责任公司，上海 201913）

0 引言

在没有任何防护和控制措施的情况下，船舶压载水易引起有害水生物和病原体的传播，进而对海洋生态系统、社会经济及公众健康造成危害。为此，国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）通过了《压载水管理公约》，对压载水中可存活生物的种类及数量作出明确规定，并对船舶提出配置压载水处理装置（Ballast Water Management System，BWMS）的要求。

目前，BWMS已成为新造船的标准配置，但许多已运营的船舶却仍未安装此设备。本文对主流船舶压载水处理系统的工作原理进行介绍，结合项目实例对船舶压载水处理系统中电气系统的设计思路、设备布要点等进行说明。

1 BW MS简介

为使船舶压载水满足公约要求，许多厂家推出相应系统供船东进行选择。目前市场上主流的BWMS可分为紫外线（Ultraviolet，UV）系统和电解系统。

UV系统首先通过滤器去除水生生物与颗粒物，再利用祡外线对压载水中残余的水生生物进行消杀。在排除前，压载水还需再次进行紫外线消杀，确保排出的压载水能满足公约的要求。UV系统的布置相对紧凑，对改装船的空间要求相对较低。UV系统的工作效果不受水的盐度和温度变化的影响，但受制于所加压载水的透射比，压载水越混浊，系统消杀效果越差。UV系统的工作原理见图1。

图1 UV系统的工作原理

电解系统首先通过滤器对压载水进行预处理，再通过电解海水产生高浓度次氯酸钠溶液对剩余水生生物和病原体进行消杀。当船舶排放压载水前，需要通过系统检测水中的氯含量，并根据设定自动进行中和处理以满足公约要求。

相较于UV系统，电解系统对压载水的处理能力更强，更适合安装于压载水容量较大的大型船舶。然而，电解系统具有以下缺点：1）在淡水和低温环境中运行时，其工作效果将受到负面的影响；2）系统能耗相对较高；3）电解过程会产生少部分氢气，可能产生安全隐患。电解系统的工作原理见图2。

图2 电解系统的工作原理

2 电气系统设计

不同BWMS的工作原理不同，但其电气系统的设计思路大同小异。在BWMS电气设计中，需要绘制并送审船级社的详细设计图纸包括以下8个部分：1）电力负荷计算书；2）短路电流计算书；3）BWMS电气系统图；4）电力系统图；5）电力设备布置图；6）监测报警系统图；7）阀门遥控电气系统图；8）卫星定位（Differential Global Positioning System，DGPS）系统图。

在BWMS改装设计初期，需要根据电力负荷计算书对原船电力负荷进行评估。在考虑新加装的BWMS各设备参数的基础之上，参照原船负荷计算方法对改装后的电力负荷数据进行计算和评估。为保证计算的准确性，需要考虑不同工况下各设备的运行情况。

改装过程若涉及电网变化，船级社通常会要求提供新的短路电流计算书用于核查电网的短路电流，并校核各断路器的分断能力及接通能力是否仍能满足要求。短路电流可通过多种专业软件进行计算，通常使用中国船级社（China Classification Society，CCS）的COMPASS软件进行计算。将电力系统中各核算点的短路电流值与断路器分断电流值、合闸电流值进行对比，确保各断路器在改装后仍能满足要求。断路器相关电流参数与计算得到的各短路电流值之间的关系见式（1）。

式中：为断路器的短路分断能力；为断路器的短路接通能力；为计算得到的对称短路电流；为计算得到的最大短路电流峰值。

在绘制BWMS的电气系统图时，需要参照设备厂家提供的控制原理图以及电气单线图，不断完善和细化。需要注意根据各设备的输入功率对电缆进行匹配。在选择设备电源电缆时，有如下注意事项：

1）根据厂家资料，核查各设备的负载电流值。若设备未提供负载电流值，可通过计算获得。三相交流用电设备和单相交流用电设备负载电流值的计算公式分别见式（2）和式（3）。

式（2）和式（3）中：为负载电流值；为额定功率；为功率因子；为额定电压。

2）新增电缆通常成束敷设，修正系数可取0.85。

3）若各压载水处理设备布置较为分散，其电缆较长，需要核算回路电压降，其计算公式为

式中：Δ为交流单相两线制回路电压降；Δ为交流三相三线制回路电压降；为电缆长度；为电流；为额定电压；为电缆截面积；为电导率；为导体温度系数，取1.27。

4）在确定电缆截面积时，要同步考虑断路器保护装置的动作特性与电缆的保护协调技术。断路器的整定电流值、电缆载流量及负载额定电流间的关系为

式中：为断路器的整定电流值；为电缆载流量；为负载额定电流值。

除电力部分的设计工作外，还需考虑本系统与外部其他系统间信号及控制接口问题：

1）电解系统需考虑机舱风机运行状态联锁控制功能。

2）为反馈BWMS的工作情况，需要输出系统故障报警等信号到原船的监测报警系统。

3）需要为BWMS接入全球定位系统（Global Positioning System，GPS）信号接口。

4）部分电站功率偏小的船舶在加装BWMS时需要在电站中增加重载问询功能，以免系统启动时因电网波动而超出规范要求。BWMS与配电板（Power Management System，PMS）间重载问询信号见图3。

图3 BWMS与配电板间重载问询信号

船舶新装BWMS涉及对原船压载水管路的修改调整，部分原船阀门开闭状态信号需要输入至BWMS。当BWMS需要输入原船手动阀的开闭状态信号时，可通过在手动阀的阀杆上增加限位开关的方案来满足要求。该方案不仅改装施工方便、改装工期短，还能有效降低改装成本。

3 BWMS布置设计

BWMS各设备在进行布置设计前需要对实船进行勘验或查看原船3D扫描数据以了解原船设备的实际布置和空间结构情况，在此基础之上进行设备初步布置。设备布置时需要综合考虑以下4点：

1）空间问题。少部分已运营的船舶在新建时已提前考虑了后期BWMS加装需求，并提前在机舱预留相应空间，对此类船舶进行设备布置相对容易。然而，大多数船舶在新建时未预留相应空间，需要评估处理装置在船舶上的安装位置。综合考虑机舱布置图、泵舱布置图、全船布置图、电力设备布置图等原船图纸以及BWMS各设备尺寸进行初步布置。

2）维护保养问题。在布置 BWMS各设备时，应通过设备资料检查各设备后续维护要求。对于滤器单元、紫外线、加药单元、电解单元、电气控制箱等设备，不仅要保证成功安装，还要满足设备平时维护保养和操作空间的要求，电气控制箱应尽可能就近布置。

3）设备电缆路径走向问题。在新造船项目中，电缆路径相关问题可在模型设计阶段通过专业间沟通得到及时解决。对于改装船，在设备安装位置确定后，需要根据原船具体情况对电缆路径进行合理规划，需综合考虑是否施工简便、是否涉及油舱动火、是否需要大量搭架工程等方面。

4）在设备布置时，若可供选用的空间不多，在层高足够的情况下可考虑增加舾装平台用于设备布置。图4为某170 000 t散货船模型，原船机舱空间较小，需要安装的BWMS设备较多，还需要保证滤器设备维护保养时的吊高要求、电极单元四周维护空间要求以及现场改装施工的便利性要求。综合考虑各种方案，最终确定将系统各设备集中布置于机舱底层右舷处，通过在右舷增加舾装平台、增加垂向空间来满足相关要求。