大型郵輪艙底水系統(tǒng)設(shè)計分析

李成恩，白秀琴

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

船舶艙底水系統(tǒng)收集船上機器設(shè)備運行時產(chǎn)生的含油污水，以防止污染海洋環(huán)境，且在船舶破損等緊急事故發(fā)生時，可以排水抗沉[1]，是船舶航行的重要保船系統(tǒng)。大型郵輪是一種高技術(shù)高附加值船舶，功能繁多，載客人數(shù)達上千人，其安全性和環(huán)保性尤為重要，在規(guī)范和設(shè)計方面比常規(guī)船舶要求更高。為了滿足功能要求和設(shè)計規(guī)范，結(jié)合某大型郵輪的設(shè)計實例，對郵輪艙底水系統(tǒng)的設(shè)計進行研究分析，從而得出大型郵輪艙底水系統(tǒng)設(shè)計過程中的相關(guān)結(jié)論。

1 船型概述

某大型郵輪的主要尺度為：船長323.6 m；垂線間長L為287.1 m；型深D為11.2 m；型寬B為37.2 m；總噸位133 500 t；最大乘客數(shù)4 988 人。大型郵輪的設(shè)計需滿足國際公約和法規(guī)，由于大型郵輪屬于客船，需滿足的規(guī)范及規(guī)則有英國勞氏船級社規(guī)范、《1974年國際海上人命安全公約》2016年綜合文本(簡稱SOLAS公約)、《1973年國際防止船舶污染公約》2016年綜合文本(簡稱MARPOL公約)、意大利船級社規(guī)范和IMO 《綜合艙底水處理系統(tǒng)(IBTS)導(dǎo)則》2008修正案。

艙底水系統(tǒng)主要是由艙底泵、污水井、泥箱、止回閥、管道、濾器、艙底水艙、油水分離器、油分濃度計、液位開關(guān)及警報等構(gòu)成。根據(jù)該大型郵輪艙底水系統(tǒng)的功能劃分，可分為規(guī)范艙底水系統(tǒng)、日常油性艙底水收集系統(tǒng)和含油艙底水分離系統(tǒng)3個子系統(tǒng)。

2 規(guī)范艙底水系統(tǒng)

規(guī)范艙底水系統(tǒng)也可稱為主艙底水系統(tǒng)，包括動力艙底泵、艙底水總管與支管、吸入濾網(wǎng)箱、泥箱、蝶閥(隔離閥)、液控止回閥、截止止回閥等設(shè)備及部件。

2.1 規(guī)范艙底水系統(tǒng)計算

根據(jù)SOLAS公約規(guī)則第II-1/35-1條第3條目內(nèi)容對規(guī)范艙底水系統(tǒng)的要求，對于國際航行的客船，若艙底泵衡準數(shù)大于或等于30，則要求設(shè)置獨立動力泵3臺，主機驅(qū)動或獨立動力泵1臺。該大型郵輪作為國際航行客船，艙底泵衡準數(shù)大于30，郵輪規(guī)范艙底水系統(tǒng)設(shè)置4臺動力艙底泵。

艙底水總管內(nèi)徑dm不得低于以下計算公式：

(1)

則艙底水總管內(nèi)徑計算值為223 mm，查閱碳鋼公稱直徑，選取公稱直徑250 mm，實際內(nèi)徑254.46 mm，大于計算內(nèi)徑值，滿足規(guī)范要求。

機器處所的艙底水吸入支管內(nèi)徑db計算公式如下：

(2)

式中，l為艙室長度，m。

該郵輪機器處所的艙底水支管內(nèi)徑計算表如表1所示。

表1 艙底水支管內(nèi)徑計算表

機器處所的艙底水吸入支管內(nèi)徑值不應(yīng)小于式(2)的計算值，但實際內(nèi)徑值與計算值相差不超過5 mm，也滿足規(guī)范要求，同時在任何情況下，艙底水吸入支管徑不得小于50 mm。該郵輪規(guī)范艙底水系統(tǒng)中，管道材料為熱浸鍍鋅無縫鋼管，船首處錨鏈艙、水手艙和側(cè)推間的艙底水管道內(nèi)徑按不得小于50 mm選擇，實際內(nèi)徑選取51.56 mm。

為保證艙底水吸入總管的流速v不低于2 m/s，每一臺動力艙底泵的排量Q不應(yīng)小于式(3)的計算值：

(3)

根據(jù)式(3)計算,動力艙底泵的容量為281 m3/h，實際選取動力艙底泵如下：①主動力艙底泵1臺，容量為300 m3/h 的雙缸雙作用往復(fù)泵，布置在c層甲板的前發(fā)電機艙(郵輪最底層為雙層底，甲板再依次往上分別用c/b/a/0/1/2/…/15表示);②艙底消防共用泵1臺，容量為300 m3/h的離心泵，布置在c層甲板的后制淡蒸發(fā)間;③艙底/壓載泵2臺，容量均為300 m3/h 的雙缸雙作用往復(fù)泵，一臺布置在b層甲板尾部的輔壓縮室，另一臺布置在b層甲板靠近艏部的輔機艙。

動力艙底泵和它們的動力源應(yīng)分布在整個船長的方向，在未破損的艙室中至少有一個動力艙底泵可用。

2.2 規(guī)范艙底水系統(tǒng)設(shè)計

圖1為某大型郵輪規(guī)范艙底水系統(tǒng)流程圖。根據(jù)規(guī)范要求，該大型郵輪規(guī)范艙底水系統(tǒng)中的4臺動力艙底泵均與艙底水總管相連且分艙布置，以確保郵輪在發(fā)生碰撞事故破艙后或其他緊急情況下可以通過動力艙底泵來排水抗沉。主動力艙底泵和艙底消防共用泵可將水排至消防、舷外和艙底水艙中，2臺艙底/壓載泵兼具抽壓載水和艙底水的功能。艏尖艙中錨鏈艙、水手艙和側(cè)推間的艙底水可由位于b層甲板側(cè)推間處容量為3.5 m3/h的螺桿泵抽出至c層甲板的一個污水井中，也可通過艙底水總管由動力艙底泵抽出；2個排艙底水管路可互為備用，可供船員選擇啟動哪一條管路排水。

圖1 某大型郵輪規(guī)范艙底水系統(tǒng)流程圖

規(guī)范艙底水系統(tǒng)水密艙室之間的艙底水總管都設(shè)置隔離閥，當某一水密艙室發(fā)生事故界限時，可控制艙底水總管的隔離閥使事故界限外的艙底水總管路正常工作，讓船舶安全返港。安全返港(Safe Return to Port)是SOLAS公約對大中型客船的特殊規(guī)定，為了提高客船在發(fā)生火災(zāi)或進水事故后能夠依靠自身條件返回港口的能力，對船舶的推進系統(tǒng)和艙底水系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)提出要滿足安全返港的要求。同時在郵輪艉部推進器間和艏部側(cè)推間的艙底水管路都另外設(shè)置了安全返港的防火管路，在發(fā)生火災(zāi)或進水時，安全返港防火管路可以保障將推進器間和側(cè)推間的艙底水排出。

根據(jù)規(guī)范要求，該大型郵輪的后空氣壓縮室、推進器變壓器間、后制淡蒸發(fā)間、后燃油凈化室、后機艙、前機艙、前發(fā)電機艙、后輔機艙、前輔機艙都設(shè)置有至動力艙底泵的直通艙底水吸口，直通艙底水吸口管徑與艙底水總管管徑相同。

郵輪雙層底的艙底水吸入管末端處安裝吸入濾網(wǎng)箱，吸入濾網(wǎng)箱布置示意圖如圖2所示，安裝于艙的最低處。在機器處所的艙底水吸入管及直通艙底泵的吸入管處安裝泥箱，泥箱布置示意圖如圖3所示，泥箱安裝在污水井上方，引一直管至污水井，應(yīng)急艙底水吸口無需設(shè)置泥箱。

圖2 吸入濾網(wǎng)箱布置示意圖

圖3 泥箱布置示意圖

該大型郵輪規(guī)范艙底水系統(tǒng)的艙底水管路與灰水收集柜、廚房廢水柜和洗衣廢水柜有連接，其中灰水收集柜7個、廚房廢水柜2個、洗衣廢水柜1個，當這些廢水柜的排水泵故障時，規(guī)范艙底水系統(tǒng)可作為它們的應(yīng)急接口，接軟管由動力艙底泵排出。

3 日常油性艙底水收集系統(tǒng)

日常油性艙底水收集系統(tǒng)主要收集各艙室機械設(shè)備和管路的凝水、泄漏水、燃油和潤滑油等艙底水。系統(tǒng)主要包括：日用艙底泵、污水井、污水溝、泥箱、液控止回閥、截止止回閥、艙底水管道、污油艙、艙底水艙、岸上排放設(shè)備、液位開關(guān)和液位警報等。日常油性艙底水收集系統(tǒng)在國內(nèi)船舶尚比較少見，但隨著我國首艘豪華郵船項目的落地以及智能船、無人船的發(fā)展，該系統(tǒng)在未來幾年將逐漸普及[2]。

3.1 艙底水艙容積計算

艙底水艙容積的計算應(yīng)考慮不經(jīng)常啟動油水分離器的特點，根據(jù)規(guī)范要求，艙底水艙容積要求見表2。

表2 艙底水艙容積要求

該大型郵輪5臺主機功率總和62 400 kW，大于20 000 kW，容積計算為164.8 m3。該大型郵輪艙底水艙容積94.2 m3，艙底水存放艙容積89.0 m3，艙底水艙總?cè)莘e183.2 m3，大于計算值，滿足設(shè)計要求。艙底水艙分為2個艙，一個為臟污側(cè)，另一個為干凈側(cè)，臟污側(cè)和干凈側(cè)艙的容積都為47.1 m3。

3.2 日常油性艙底水收集系統(tǒng)設(shè)計

該大型郵輪的艙底水系統(tǒng)配置有集成的報警、監(jiān)測與控制系統(tǒng)(IAMCS)，對郵輪艙底水系統(tǒng)的遠程控制閥(蝶閥和液控止回閥)、艙底泵啟閉、污水井液位、艙底水艙液位和溫度、艙底水油分濃度等進行監(jiān)測報警和控制。傳統(tǒng)的規(guī)范艙底水系統(tǒng)包含日常艙底水系統(tǒng)，而該大型郵輪日常油性艙底水收集系統(tǒng)與規(guī)范艙底水系統(tǒng)是2套不同的系統(tǒng)，獨立于規(guī)范艙底水系統(tǒng)，自動化程度更高。

日常油性艙底水收集系統(tǒng)可細分為日常艙底水收集管路系統(tǒng)和油性艙底水收集管路系統(tǒng)。2個收集管路系統(tǒng)收集的艙底水都會含有油類等有機物質(zhì)，通過日用艙底泵將含油艙底水排至艙底水艙、污油艙或岸上排放設(shè)備。油性艙底水收集管路系統(tǒng)對后制淡蒸發(fā)室、后燃油凈化室、后機艙、焚燒室、前機艙以及后輔機艙的含油艙底水進行收集，這些艙室的含油艙底水含油量較多，其它機器處所的含油艙底水主要由日常艙底水收集管路收集。含油艙底水具有腐蝕性，兩者收集系統(tǒng)的管道材料選擇Cu Ni10Fe1Mn銅鎳合金，耐腐蝕性能好。

污油艙常規(guī)設(shè)計應(yīng)布置在分油機下方及雙層底，雙層底的污油艙有不超過40 m3的容積要求[3]，該大型郵輪的污油艙布置在雙層底的重油污油艙中，容積為31.4 m3，緊急情況下雙層底的滑油污油艙可作為污油艙，容積為26.2 m3。

日常油性艙底水收集系統(tǒng)自動化控制程度高，當機器處所污水井內(nèi)的含油艙底水液位達到高液位時，液位開關(guān)自動發(fā)出信號，打開該污水井對應(yīng)管路的液控止回閥，開啟日用艙底泵，將污水井內(nèi)的含油艙底水排至艙底水艙、污油艙或岸上排放設(shè)備中。當污水井內(nèi)的含油艙底水達到低液位時，液位開關(guān)發(fā)出低液位信號，關(guān)閉對應(yīng)管路的液控止回閥；當所有的污水井對應(yīng)管路的液控止回閥都關(guān)閉時，將自動關(guān)閉日用艙底泵，這樣自動化程度高，大大減少船員的工作勞動負荷。其中，管路中的液控止回閥代替了傳統(tǒng)管路設(shè)計中的普通閥和止回閥2臺閥門，一閥代兩閥，能夠減少和防止管路系統(tǒng)中流體的倒流及產(chǎn)生過大的水錘。

4 含油艙底水分離系統(tǒng)

含油艙底水分離系統(tǒng)主要由艙底水艙、三通閥、溫度傳感器、油水分離器、油分濃度計、艙底水存放艙、離心泵等部件組成。

4.1 含油艙底水預(yù)分離系統(tǒng)設(shè)計

該大型郵輪含油艙底水分離系統(tǒng)原理圖如圖4所示，1接口為含油艙底水入口，2接口為干凈艙底水出口，3接口為循環(huán)至艙底，4接口為干凈艙底水入口。日用艙底泵將污水井的含油艙底水收集到艙底水艙中預(yù)分離，預(yù)分離后由油水分離器進一步分離，分離處理后油分質(zhì)量分數(shù)低于15 ×10-6的干凈艙底水可以排向舷外，也可排向艙底水存放艙存儲、在可排放區(qū)域再排舷外。

圖4 該大型郵輪含油艙底水分離系統(tǒng)原理圖

圖5為艙底水艙示意圖，艙底水艙的臟污側(cè)和干凈側(cè)可作為預(yù)沉淀柜進行油水的預(yù)分離，分離為3層，頂層為密度較小的油類等液體，中間層為較干凈的艙底水(含有不易聚結(jié)形成大顆粒的乳化油等物質(zhì))，底層為油渣。臟污側(cè)中間層的含油艙底水通過DN250的管道排至干凈側(cè)中，臟污側(cè)和干凈側(cè)都分別設(shè)置3個不同高度的含油艙底水取樣點，以便分析艙內(nèi)預(yù)分離時的油水界面位置，輪機人員便可及時泄放頂層的油類等液體混合物，減少下一階段油水分離的負荷。

圖5 艙底水艙示意圖

臟污側(cè)內(nèi)設(shè)有加熱盤管加熱，熱源來自蒸汽系統(tǒng)；干凈側(cè)內(nèi)也設(shè)有加熱盤管，熱源來自淡水冷卻水，充分利用輔助系統(tǒng)淡水冷卻水的余熱來加熱，對臟污側(cè)和干凈側(cè)進行加熱促進了油水的分離。

4.2 含油艙底水油水分離器分離系統(tǒng)設(shè)計

如圖4所示，大型郵輪油水分離器采用了聚結(jié)式和離心式2種類型，其中有1臺處理量不低于1 m3/h的聚結(jié)式油水分離器，2臺處理量不低于5 m3/h離心式油水分離器。

聚結(jié)式油水分離器處理量小，分離速度慢，且隨著艙底水成分復(fù)雜性的增強，對郵輪橫搖的動態(tài)性以及艙底水排放的要求更加嚴格，使用聚結(jié)式分離技術(shù)處理復(fù)雜含油艙底水，達到排放要求較難。

離心式油水分離器利用油水及雜質(zhì)的密度不同，使其在同一容器內(nèi)作高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生不同的離心力而實現(xiàn)油水的分離。高速離心式油水分離器的動態(tài)處理是處理復(fù)雜含油艙底水的有效方法，分離速度可達重力分離速度的上千倍，能抵消船舶不斷運動和橫搖帶來的影響，在任何運行條件下，都能保證分離效率。高速離心式油水分離器初期投資較昂貴，而聚結(jié)式油水分離器初期投資成本較低。因此，該大型郵輪含油艙底水分離系統(tǒng)的油水分離器類型采用了離心式和聚結(jié)式的組合，目前效率最高的離心式油水分離器是Alfa Laval的PureBilge，可將含油艙底水油分質(zhì)量分數(shù)處理至5×10-6內(nèi)。

油水分離器處理后并經(jīng)油分濃度計監(jiān)測，油分質(zhì)量分數(shù)低于15×10-6的干凈艙底水可以排向舷外，也可排向艙底水存放艙存儲，在可排放區(qū)域再排舷外。抽取艙底水存放艙干凈艙底水的輸送泵可為離心泵，布置2臺一用一備，排舷外時需再經(jīng)油分濃度計檢測。

5 結(jié)束語

規(guī)范艙底水系統(tǒng)作為重要的保船系統(tǒng)，排量大，排水抗沉能力強，在滿足規(guī)范的同時可作為其它系統(tǒng)(如灰水系統(tǒng)等)的應(yīng)急接口；日常油性艙底水收集系統(tǒng)與規(guī)范艙底水系統(tǒng)獨立，自動化程度高，大大減少船員勞動強度，是未來大型船舶發(fā)展的方向；含油艙底水分離系統(tǒng)的油水分離器可采用離心式和聚結(jié)式的組合，發(fā)揮各自優(yōu)勢，高速離心分離的動態(tài)處理是處理含油艙底水的有效方法。