压载水系统设计应用及前景分析
  
作者：李 芳   出处：中国船舶与海洋工程网信息中心   分类：船舶工程
   发布时间：2012/3/15 12:49:18

【摘 要】：随着《国际船舶压载水和沉积物管理与控制公约》的生效期日渐临近，船东越来越关注的压载水问题，本文通过对工程船舶和运输船舶不同的压载水系统的设计方案进行分析，从而得出实船中满足不同要求的压载水系统优化设计，并介绍了世界上压载水领域研究的最新进展。

【关键词】：压载水系统；压载水处理；无压载水舱

1. 压载水重要性

船舶设置压载水的主要目的是：船员通过加装、转驳、排放压载水来调整船舶的横倾、纵倾、吃水、稳性和船体内部应力, 以确保船舶在航行和装卸货物期间的安全。压载水系统有常规压载水系统和专用压载水系统。而船东对系统又有不同的要求，这里就在实际工作中设计方法作一分析。

2. 运输船中压载水系统设计

在8000DWT化学品船的设计中，船东要求专用压载水系统不仅在打入压载水和排放压载水时间不可以影响装卸货的时间（排放压载水时间不可以超过8小时），还要求应急压载至集管，进而打入一对预设定的液货舱，满足稳性要求，这套专用压载水系统还要求专用压载海水箱中的海水可通过重力注入至压载舱中。基于以上种种要求，设计系统如下：

            图Ⅰ                              图Ⅱ                        图Ⅲ

            图Ⅳ                             图Ⅴ                         图Ⅵ

上述各图为系统实现不同功能时管路走向图。

图Ⅰ：普通压载，压载水通过压载泵由海水箱打入各压载舱；

图Ⅱ：重力注入压载水，海水可通过重力注入至各压载舱；

图Ⅲ：普通排放压载水，各压载舱压载水通过压载泵排至舷外；

图Ⅳ：喷射泵排放压载水，各压载舱压载水通过喷射泵排至舷外，其驱动海水由压载泵提供，可满足扫舱功能；

图Ⅴ：备用压载，当其中一台压载泵发生故障，只用一台压载泵实现压载水注入。

图Ⅵ：应急压载到NO.3液货舱左、右，可作应急风暴压载。

3. 工程船中压载水系统设计

l 起重铺管驳

在2000/3000吨起重铺管驳（起重能力3000吨（固定式）/2000吨（全旋转式））的设计中，压载泵兼作横倾平衡泵。应船东要求，压载水系统要满足在管吊起吊工作时，20分钟内调拨9000T调平压载水水量，因此配备4台流量为2200m3/h的压载泵，通过计算得压载总管达到1000mm，这就大大增加管系布置及走向的难度。

通过多方协调，设计方案如下：在机舱平台左右舷各增加一个小管弄，用以布置1000mm的主管路，并在辅机舱内设置两对高低位海水门，从而减小管路通径。这样只有最在危险工况，即尾部起吊2000吨，回转至侧方90度时，才需要通过总管在E、F之间调拨9000T调平压载水水量。这套系统还可满足A、B、C、D间互相左右调拨，从而满足其它工况稳性要求。详细管路走向见下图：

图Ⅶ

上述系统已通过船级社认可，实船也已下水。实践证明，这套系统在便于生产放样的同时，也降低船厂的施工难度和工作量，得到船厂、船东的一致认可。

l 自航半潜船

22000吨级自航半潜船的特点为：当举升甲板上无货物时能够利用压载水系统下潜到最大潜深18m（举升甲板以上8m）。当举升甲板上载运货物时可以利用压载水系统下潜到所需的吃水以达到卸货的目的。从最大潜深18m上浮到设计吃水7m时，排出所需的最大压载水总用时间大约为4小时；从设计吃水7m下潜至最大潜深18m的时间小于4小时，因此单台压载泵达1600m3/h，共四台。

此前此船型均采用压缩空气-水泵压排系统方案（见图Ⅷ），即利用压缩空气来实现高速进、排压载水的功能。其原理是，当需要排出压载水时，将压缩空气通过管路送入到压载舱内，从而在压载水的自由液面上方形成高压的空气垫，排出压载水。如果压载舱位于水线以下，通过放气或空压机抽气使压载水自由液面上的空气垫压力减小，外界的海水即可进入压载舱；当压载舱水位位于舷外水线以上时，则使用压载水泵。此种结合的方式，既避免了单独使用的缺点，又增加了二者兼备的优点，但设备的复杂性大大增加了，其不适用于本自航船的主要原因是无法进行压载水处理，故仍选用常规水泵压排系统方案。

在实际方案设计中就遇到了比较棘手的问题：首先现在可选的压载水处理装置（处理量为3200m3/h）尺寸很大，相应的管路尺寸也很大，这就给机舱布置带来很大的难题；其次压载水处理装置的功率非常大，这就大大增加了全船的电负荷，经济型很差。经过合理的考虑其作业工况，采用如下方案：航行出港前，通过压载水处理装置（处理量为300m3/h）打入航行压载水，行至作业区，不需经压载水处理装置完成下潜上浮作业后，回航至港口，在港口通过压载水处理装置（处理量为300m3/h）进行压载水置换，为下次航行做准备。这样既满足《国际船舶压载水和沉积物管理与控制公约》的要求，又降低了运行成本。此种方法虽未实船应用过，但就其给船东节约的经济利益而言，相信会被广泛采用！

4. 压载水处理

随着科学技术的进步，人们不仅关心船舶运输经济效益，还更多的考虑到污染，压载水排放不仅携带引起人类身体健康的有害细菌，部分生物种类会引起对当地生态带严重危害甚至引发当地物种灭绝。因此今后船舶压载水系统设计又新增了一个环节——压载水处理。

而之前建造的船舶压载水排放大部分采用的是压载水置换法，它的原理是：生活在淡水、河口及绝大多数的浅海生物是不可能在深海的环境下生存的，反之亦然；其次被排入到深海中存活的生物被其它船舶再吸入的可能性也很小。8000DWT化学品船就是运用了逐一排空法，即通过图Ⅲ、图Ⅳ的方式将压载水排空，在通过图Ⅰ、图Ⅱ将新的压载水注入，以此法对压载舱逐个操作，达到置换。该方法的缺点是：由于排放压载水会改变船舶的吃水差以及船舶的稳性，同时对船舶的固有剪力和弯矩也会产生影响，因此需要仔细计划和监控，做好精确的计算，确保每一步都能够保证船舶整体和局部强度，稳性和吃水差维持在允许的范围内。

上述方法是09年前最常用的方法之一，还有溢流法，指从压载舱的底部泵入清洁海水，使原来的压载水通过溢流孔从顶部排出的方法；稀释法，通过管路的设计，将清洁海水从压载舱顶部注入同时从底部排出的方法。

而为了满足公约进一步要求，一些压载水处理的技术设备已取得了IMO组织的最终批准，具有实船应用价值。这些压载水设备处理基本原则都是分步进行的，即先把大的水生生物分离出来，再通过物理或化学的方法把微小的水生物除出。因此如何选择适当的压载水处理设备将是船东及船厂面临的重要课题。

5. 无压载水舱

不少人煞费苦心，采用形形色色的方法对付压载水，这些方法各有神通，但无法一劳永逸地解决船舶压载水带来的种种祸害。尤其是压载水处理剂，因为其本身是化学品，也会产生有毒物质，且不谈价格昂贵，经营管理成本高，因此无压载水船舶设计理念被提出并实施。

其中首推V型船身的无压载水超大型油轮，其特点是船体下半部分更加细长，船底呈现明显向下突出的V型，促使船舶水尺深度足够配合船舶空载重量。其设计理念并没有被“无压载水”所约束，在船体内还是安排备用压载水舱，可以在航行途中根据天气和风浪情况决定在备用压载水舱中打进多少压载水，以增加其航行稳性。必须指出，散货船、油轮，尤其集装箱船舶在满载货物时需要压载水并不多，问题是空载时必须携带足够多的压载水，确保船舶平稳安全，这也是此方案最大的难题。

其次单一结构船身设计方案，其最大优势是通过在船底设置一个向后开放的内凹，其船底形状犹如一只倒置的前封后开的拖鞋。这种船型可以促使船舶轻载时产生较大的水尺；但是这种设计方案的缺点是与传统船型相比，其船身湿面积大幅度扩大；通过船底两侧向下排放发动机废气所产生的空气润滑作用，这一不足之处可以降到最低限度，还可让废气中的二氧化碳、一氧化碳、各种颗粒污染物和硫化物溶解在海水中，从而减少船舶对空气和港口环境所造成的威胁。

再次贯通流系统：其原理就是用来替代货舱四周压载水线以下纵向结构的传统型压载水舱，其最大特点是把原来的封闭式压载水舱改为开放式，在船头压载水线下设置进水口，船尾设置排水口，海水从船艏进口处涌入，再迅速地从船尾排水口排出，既可起到原来的压载水舱作用，又可以减少船舶负荷。利用进出口水流的不同压力，控制贯通水舱内的水流速度，同时又能够确保不会把海水带到另外的地方，从而达到国际海事组织保护海洋环境的种种规定。

尽管迄今还没有一种完全可以实际使用和有竞争力的无压载水船舶设计方案，但上述两种成果表明，无压载水船舶设计理念和方案完全切实可行，至少让最悲观的人们看到从根本上解决压载水问题的光明。

6. 结论

由以上不同类型的船舶压载水系统分析，可以看出压载水系统对于不同船舶都起着不容忽视的作用。压载水一般占载重量的20％左右；在恶劣气象条件下，占载重量的40％左右，特殊情况下甚至达载重量的50％～60％。因此在一条船舶设计中，压载水系统的设计更为重要。而且随着压载水处理及排放的部分标准的进一步实施，压载水处理技术也在不断成熟，相信在不久的将来船舶压载水系统在实船中的应用将更加完善，安全可靠。