关于船舶通海式压载系统的设想

摘 要：MO已经把通过船舶压载水带来的海洋物种入侵列为四个最具威胁的海洋问题之一。如何彻底的解决压载水异地排放问题，又能满足船舶的正常航行，本篇将就这一问题提出自己的观点，并给出概念性的分析。

关键词：船舶；通海式压载水；气囊式；水封式

An Idea of Discharging Ballast Water Directly Overboard

GUO Rui , ZHANG Jihong

( Guangzhou Wenchong Shipyard Co., Ltd. Guangzhou 510725 )

Abstract: IMO has already considered that Marine species invasion caused by ballast water as one of the four most threatened marine problems. This article discusses how to solve the remote emission problem of ballast water as the normal sailing of ships is kept and gives the conceptual analysis on it.

Key words: Vessel; Ballast water discharged directly overboard; Air bag type; Water Seal type

1 前言

就传统的船舶设计来说，压载水系统是重要的船舶系统，是船舶能够安全航行的重要保证。尤其是在货船空船的情况下，我们需要足够的压载水来满足船舶的吃水要求，从而保证船舶能够正常航行，主要是提供必需的推进装置吃水和减少横吹对船舶带来的不利影响。近年来，国际组织和各国政府对有关压载水排放的限制变得越来越严厉。2004年，IMO已经通过了《关于船舶压载水及其沉淀物控制和管理的国际公约》，对压载水的控制和管理提出了明确的要求。公约规定，实施的压载水管理的船舶所排放的压载水，应满足D-2标准，即对各类生物、微生物的单位体积含量给出了比较苛刻的要求。目前，船舶建造的各方都在积极应对，主要是利用压载水处理装置的处理使得压载水中所含生物、微生物的含量满足公约要求的标准。

要解决压载水污染的问题，目前主要有2个方向。

1）通过处理压载水，杀死压载水中所含的海洋生物，使得排出舷外的压载用海水满足排放要求。这一方案，目前在大量的船舶中使用，只是体积庞大的压载水处理装置会使机舱内更加拥挤，处理大量海水所需要的能源会提高碳排量，一些需要加药的压载水处理装置更是对使用和维护带来麻烦。对海生物的杀死、排放操作，也会在一定程度上影响海洋系统本身的平衡，只是个治标不治本的方法。

2）改变船舶系统的设计思路，代替压载水来控制船舶的吃水。无压载水船舶，目前主要有V型船身设计、贯通流系统船身设计和单一结构船身设计。从这一角度出发，参考无压载水船舶的特点，结合具体的情况，提出通海式压载水船舶的设想，这种船舶本身也有压载水，只是压载水不进入船舶内部，压载舱与外界海域直接连通，利用海洋自身的生态平衡来解决生物异地入侵问题，以此解决异地排放压载水所带来的污染问题。

2 分析

依据气囊下水的概念和游泳圈的工作原理，以及在沉船打捞中应用的压气排水打捞法。在压载舱位于轻载水线以下部分安装格栅（类似海底门格栅形式），用以直接连通海水，舱顶需布置有透气阀门，且处于常开状态，在压载舱内部安装气囊，气囊通过水密壁处的通舱件与船舱内部的管路连接，为了使得受力均匀，气囊连接适合顶入式。分析得知，此时的压载舱与附近的海水形成连通器，根据连通器原理，压载舱内的液面和舱外的液面同高。向气囊注入一定量空气，就会排出相当体积的水，即通过控制气囊内部气体的量来控制船舶的重量，当然也就能够控制船舶的吃水状态。

当船舶需要装载货物时，向气囊注入足量压缩空气，根据连通器原理，能够减轻船舶的载重量。根据阿基米德定律，船舶会上浮以减少其排水量。于是通过向气囊注入压缩空气来满足减小船舶吃水的要求。反之，当船舶需要卸载货物时，由于载重量减小，则船舶会浮起来，减少气囊内部的气体量，则外界的海水会填充入压载舱来占据原来气体的体积，替换由于卸货所导致的载重量减小。特别需要指出，由于在装卸货时，气囊的内部气压会有少量变化。则应利用吃水传感器和气体流量计来通过开式和反馈系统来控制整个压舱过程，来满足各个压载舱的压载量调节。气囊式压载布置见图1。

图1 气囊式压载布置示意图

通过分析气囊式通海压载系统，如果关闭舱顶部的透气阀，则可以利用舱顶封闭的气体来代替气囊，通过注入或者排出压载舱顶部的气体，则可以调节该封闭气体的气压。对压载舱通海格栅处的海水进行力学平衡分析，提高封闭气体气压可以将压载舱内部海水的液面降低，也就提高了吃水量。反之，排出一定量气体，则可以增大船舶的载重量，降低吃水量。同时，利用吃水传感器、气体流量计结合真空式压力计的测量参数，对船舶的吃水状态做出调节和监测。水封式压载布置见图2。

图2 水封式压载布置示意图

对比以上两种情况，可以分析出气囊式通海和水封式通海的特点。

1）气囊式：由于气囊最大程度也就只能做到完全不充入气体，且此时的压载舱载重量最大，加大吃水量，但是若想进一步加大载重量则无法满足，需要在初步设计时根据船舶的类型予以考虑。由于结构的限制，对气囊的形状也有一定的要求，对大规模生产带来了不便。同时，每个压载舱应安装备用气囊，确保船舶和人员的安全。由于气囊是封闭的，对其的监测可以使得船舶倾斜对吃水的控制影响较小，方便调控。压载舱顶部的透气阀常开，舱内气压为标准大气压，因此船体结构的强度不需要特殊考虑，参照传统船舶的要求即可。

2）水封式：对比海面大气压强，有正压和负压之分，操控的幅度较大。但是，由于有了正压到负压之分，也需要加大相关结构强度，应在设计和施工时予以考虑。船舶倾斜时，由于重力作用，会对封闭气体的压力造成影响，降低了控制精度。

从设计上来讲将大量的压载水管用压缩空气管来代替，同样流量的压缩空气管的通径要比压载水管要小，且安装和维修工作得以大大简化，也减少了建造成本。

对紧急状况的应对。由于压载舱格栅附近安装液压水密装置，则可以在海上环境恶劣时临时关闭液压装置，则可以使得通海式的压载舱变成独立密闭的压载舱。也可以通过关闭顶部透气阀来控制，但这些操作只限于在公海内关闭，且关闭的行程量应该给予限制，以避免远距离的海水造成异地生物入侵。此种设计避免了压载水进入船舶内部，利用海洋本身的生物平衡来解决压载水的污染问题。环境异常恶劣这种状况一般只会在深海遇到，只要控制好开启水密装置的时间和行程量，同样避免了不同水域之间的水污染问题。如若气囊出现问题，则需要进厂维修，同时为了安全起见，需要对气囊的生产资质和使用周期做出细致的规定。

3 结论及展望

船舶大致分工程类船舶和运输类船舶，现就这两类船型作出分析。

工程类船舶，通常只有少量的压载舱，且舱的容积比较小，更方便通海式压载设计的应用。通过对其油水舱的合理布局，以最小的压载量来满足船舶的航行和系泊状况，就可以减少通海式压载所需要的通海数量和面积，适合气囊式通海压载系统。对于无推进或者辅助推进的海工平台，用压缩空气来控制平台的载重情况，可以减少平台内部设备舱的布置空间，减少管路的安装和维护，增大平台的装载量。

运输类船舶，通常需要大量的空间来存放压载水，以平衡其在装卸载货物时的造成的载重差，在一定程度上需求的压载水越多，其相应的载货能力也越强。由于压载舱的数量和容积都比较大，相对适合水封式通海压载系统。

从效率上讲，以压缩空气来控制压载水比用压载水泵来控制压载水方便。同样通径管路中，压缩空气管路的气体流量比压载水管路的液体流量要大的多，也就能更加迅速的对船舶的载重状态予以控制。降低了管路的安装和维护难度。

总的来说，目前是以压载水处理装置作为主流的压载水污染控制手段，但是就长远的角度来说，压载水处理系统需要消耗巨大。以活性氧化技术处理1000 t水用电12 kWh，而IMO估计每年全球各地转运的压载水高达100亿t，则一年为处理压载水所花费的电量为1.2亿kWh。在环保和低碳已经变得日益重要的今天，应该进一步的减少对资源的浪费。怎样才能不处理压载水，又不会造成排放污染将变得越来越迫切。文中只是给出了一个思路，如何才能实现这一设想还需要很长的路要走。

参考文献

[1] 杨清双、陈凡、熊焕昌. 国外船舶压舱水管理和处理技术 [M] .

[2] 2004年国际船舶压载水和沉积物控制与管理公约 [S]. 2004

[3] 孙树民,李悦.钢质沉船打捞方法 [M].