肖德浩,蔡家鑫,柴俊鍇
(上海江南長(zhǎng)興造船有限責(zé)任公司,上海 201913)
在沒(méi)有任何防護(hù)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(jìn)而對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)及公眾健康造成危害。為此,國(guó)際海事組織(International Maritime Organization,IMO)通過(guò)了《壓載水管理公約》,對(duì)壓載水中可存活生物的種類(lèi)及數(shù)量作出明確規(guī)定,并對(duì)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(biāo)準(zhǔn)配置,但許多已運(yùn)營(yíng)的船舶卻仍未安裝此設(shè)備。本文對(duì)主流船舶壓載水處理系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行介紹,結(jié)合項(xiàng)目實(shí)例對(duì)船舶壓載水處理系統(tǒng)中電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、設(shè)備布要點(diǎn)等進(jìn)行說(shuō)明。
為使船舶壓載水滿足公約要求,許多廠家推出相應(yīng)系統(tǒng)供船東進(jìn)行選擇。目前市場(chǎng)上主流的BWMS可分為紫外線(Ultraviolet,UV)系統(tǒng)和電解系統(tǒng)。
UV系統(tǒng)首先通過(guò)濾器去除水生生物與顆粒物,再利用祡外線對(duì)壓載水中殘余的水生生物進(jìn)行消殺。在排除前,壓載水還需再次進(jìn)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(tǒng)的布置相對(duì)緊湊,對(duì)改裝船的空間要求相對(duì)較低。UV系統(tǒng)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(tǒng)消殺效果越差。UV系統(tǒng)的工作原理見(jiàn)圖1。
圖1 UV系統(tǒng)的工作原理
電解系統(tǒng)首先通過(guò)濾器對(duì)壓載水進(jìn)行預(yù)處理,再通過(guò)電解海水產(chǎn)生高濃度次氯酸鈉溶液對(duì)剩余水生生物和病原體進(jìn)行消殺。當(dāng)船舶排放壓載水前,需要通過(guò)系統(tǒng)檢測(cè)水中的氯含量,并根據(jù)設(shè)定自動(dòng)進(jìn)行中和處理以滿足公約要求。
相較于UV系統(tǒng),電解系統(tǒng)對(duì)壓載水的處理能力更強(qiáng),更適合安裝于壓載水容量較大的大型船舶。然而,電解系統(tǒng)具有以下缺點(diǎn):1)在淡水和低溫環(huán)境中運(yùn)行時(shí),其工作效果將受到負(fù)面的影響;2)系統(tǒng)能耗相對(duì)較高;3)電解過(guò)程會(huì)產(chǎn)生少部分氫氣,可能產(chǎn)生安全隱患。電解系統(tǒng)的工作原理見(jiàn)圖2。
圖2 電解系統(tǒng)的工作原理
不同BWMS的工作原理不同,但其電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路大同小異。在BWMS電氣設(shè)計(jì)中,需要繪制并送審船級(jí)社的詳細(xì)設(shè)計(jì)圖紙包括以下8個(gè)部分:1)電力負(fù)荷計(jì)算書(shū);2)短路電流計(jì)算書(shū);3)BWMS電氣系統(tǒng)圖;4)電力系統(tǒng)圖;5)電力設(shè)備布置圖;6)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)圖;7)閥門(mén)遙控電氣系統(tǒng)圖;8)衛(wèi)星定位(Differential Global Positioning System,DGPS)系統(tǒng)圖。
在BWMS改裝設(shè)計(jì)初期,需要根據(jù)電力負(fù)荷計(jì)算書(shū)對(duì)原船電力負(fù)荷進(jìn)行評(píng)估。在考慮新加裝的BWMS各設(shè)備參數(shù)的基礎(chǔ)之上,參照原船負(fù)荷計(jì)算方法對(duì)改裝后的電力負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和評(píng)估。為保證計(jì)算的準(zhǔn)確性,需要考慮不同工況下各設(shè)備的運(yùn)行情況。
改裝過(guò)程若涉及電網(wǎng)變化,船級(jí)社通常會(huì)要求提供新的短路電流計(jì)算書(shū)用于核查電網(wǎng)的短路電流,并校核各斷路器的分?jǐn)嗄芰敖油芰κ欠袢阅軡M足要求。短路電流可通過(guò)多種專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行計(jì)算,通常使用中國(guó)船級(jí)社(China Classification Society,CCS)的COMPASS軟件進(jìn)行計(jì)算。將電力系統(tǒng)中各核算點(diǎn)的短路電流值與斷路器分?jǐn)嚯娏髦?、合閘電流值進(jìn)行對(duì)比,確保各斷路器在改裝后仍能滿足要求。斷路器相關(guān)電流參數(shù)與計(jì)算得到的各短路電流值之間的關(guān)系見(jiàn)式(1)。
式中:為斷路器的短路分?jǐn)嗄芰?;為斷路器的短路接通能力;為?jì)算得到的對(duì)稱(chēng)短路電流;為計(jì)算得到的最大短路電流峰值。
在繪制BWMS的電氣系統(tǒng)圖時(shí),需要參照設(shè)備廠家提供的控制原理圖以及電氣單線圖,不斷完善和細(xì)化。需要注意根據(jù)各設(shè)備的輸入功率對(duì)電纜進(jìn)行匹配。在選擇設(shè)備電源電纜時(shí),有如下注意事項(xiàng):
1)根據(jù)廠家資料,核查各設(shè)備的負(fù)載電流值。若設(shè)備未提供負(fù)載電流值,可通過(guò)計(jì)算獲得。三相交流用電設(shè)備和單相交流用電設(shè)備負(fù)載電流值的計(jì)算公式分別見(jiàn)式(2)和式(3)。
式(2)和式(3)中:為負(fù)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(shè),修正系數(shù)可取0.85。
3)若各壓載水處理設(shè)備布置較為分散,其電纜較長(zhǎng),需要核算回路電壓降,其計(jì)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(zhǎng)度;為電流;為額定電壓;為電纜截面積;為電導(dǎo)率;為導(dǎo)體溫度系數(shù),取1.27。
4)在確定電纜截面積時(shí),要同步考慮斷路器保護(hù)裝置的動(dòng)作特性與電纜的保護(hù)協(xié)調(diào)技術(shù)。斷路器的整定電流值、電纜載流量及負(fù)載額定電流間的關(guān)系為
式中:為斷路器的整定電流值;為電纜載流量;為負(fù)載額定電流值。
除電力部分的設(shè)計(jì)工作外,還需考慮本系統(tǒng)與外部其他系統(tǒng)間信號(hào)及控制接口問(wèn)題:
1)電解系統(tǒng)需考慮機(jī)艙風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)聯(lián)鎖控制功能。
2)為反饋BWMS的工作情況,需要輸出系統(tǒng)故障報(bào)警等信號(hào)到原船的監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。
3)需要為BWMS接入全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)信號(hào)接口。
4)部分電站功率偏小的船舶在加裝BWMS時(shí)需要在電站中增加重載問(wèn)詢功能,以免系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)因電網(wǎng)波動(dòng)而超出規(guī)范要求。BWMS與配電板(Power Management System,PMS)間重載問(wèn)詢信號(hào)見(jiàn)圖3。
圖3 BWMS與配電板間重載問(wèn)詢信號(hào)
船舶新裝BWMS涉及對(duì)原船壓載水管路的修改調(diào)整,部分原船閥門(mén)開(kāi)閉狀態(tài)信號(hào)需要輸入至BWMS。當(dāng)BWMS需要輸入原船手動(dòng)閥的開(kāi)閉狀態(tài)信號(hào)時(shí),可通過(guò)在手動(dòng)閥的閥桿上增加限位開(kāi)關(guān)的方案來(lái)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。
BWMS各設(shè)備在進(jìn)行布置設(shè)計(jì)前需要對(duì)實(shí)船進(jìn)行勘驗(yàn)或查看原船3D掃描數(shù)據(jù)以了解原船設(shè)備的實(shí)際布置和空間結(jié)構(gòu)情況,在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行設(shè)備初步布置。設(shè)備布置時(shí)需要綜合考慮以下4點(diǎn):
1)空間問(wèn)題。少部分已運(yùn)營(yíng)的船舶在新建時(shí)已提前考慮了后期BWMS加裝需求,并提前在機(jī)艙預(yù)留相應(yīng)空間,對(duì)此類(lèi)船舶進(jìn)行設(shè)備布置相對(duì)容易。然而,大多數(shù)船舶在新建時(shí)未預(yù)留相應(yīng)空間,需要評(píng)估處理裝置在船舶上的安裝位置。綜合考慮機(jī)艙布置圖、泵艙布置圖、全船布置圖、電力設(shè)備布置圖等原船圖紙以及BWMS各設(shè)備尺寸進(jìn)行初步布置。
2)維護(hù)保養(yǎng)問(wèn)題。在布置 BWMS各設(shè)備時(shí),應(yīng)通過(guò)設(shè)備資料檢查各設(shè)備后續(xù)維護(hù)要求。對(duì)于濾器單元、紫外線、加藥單元、電解單元、電氣控制箱等設(shè)備,不僅要保證成功安裝,還要滿足設(shè)備平時(shí)維護(hù)保養(yǎng)和操作空間的要求,電氣控制箱應(yīng)盡可能就近布置。
3)設(shè)備電纜路徑走向問(wèn)題。在新造船項(xiàng)目中,電纜路徑相關(guān)問(wèn)題可在模型設(shè)計(jì)階段通過(guò)專(zhuān)業(yè)間溝通得到及時(shí)解決。對(duì)于改裝船,在設(shè)備安裝位置確定后,需要根據(jù)原船具體情況對(duì)電纜路徑進(jìn)行合理規(guī)劃,需綜合考慮是否施工簡(jiǎn)便、是否涉及油艙動(dòng)火、是否需要大量搭架工程等方面。
4)在設(shè)備布置時(shí),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(tái)用于設(shè)備布置。圖4為某170 000 t散貨船模型,原船機(jī)艙空間較小,需要安裝的BWMS設(shè)備較多,還需要保證濾器設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)時(shí)的吊高要求、電極單元四周維護(hù)空間要求以及現(xiàn)場(chǎng)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(tǒng)各設(shè)備集中布置于機(jī)艙底層右舷處,通過(guò)在右舷增加舾裝平臺(tái)、增加垂向空間來(lái)滿足相關(guān)要求。
圖4 某170 000 t散貨船模型
加裝BWMS對(duì)改善海洋生態(tài)系統(tǒng)、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)及保護(hù)公眾健康非常重要,本文對(duì)主流船舶壓載水處理系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行介紹。結(jié)合項(xiàng)目實(shí)例對(duì)船舶壓載水處理系統(tǒng)中電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、設(shè)備布要點(diǎn)等進(jìn)行說(shuō)明。合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備布置可有效節(jié)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。