船舶压载水处理系统实船TRO取样相关问题分析和探讨

冷宁

大连中远海运川崎船舶工程有限公司 辽宁省 大连市 116052

摘 要：余氯浓度TRO（Total residual oxidant）取样分析作为船舶压载水处理系统的关键环节，直接影响着压载水处理系统的可靠性和稳定性。本文通过对实船上出现的TRO取样问题进行探讨和分析，结合以往的设计和使用经验，总结出TRO取样分析的设计要点和注意事项，为船舶相关设计人员、工程人员和使用人员提供一定参考。

关键词：船舶压载水处理系统；TRO分析仪；气动取样泵

1.引言

随着《2004年国际船舶压载水和沉积物控制和管理公约》的生效实施，船舶压载水处理系统在实船中已广泛安装和使用[1]。美国海岸警卫队（USCG）甚至颁布了制度法令，要求进入美国海域的远洋船舶必须安装经过USCG型式认可的压载水处理系统[2]。但是，美国船级社（ABS）对已安装船舶的压载水处理系统使用情况调研结果显示，仅35%的压载水处理系统被认为是可操作的[3]。因此，如何保证压载水处理系统工作的可靠性和稳定性是船舶设计人员、船厂工程人员和使用人员要面临的突出问题。TRO取样分析作为压载水处理系统的关键组成之一，需要从设计选型、安装调试以及现场使用等各个环节加以保证。

2.TRO取样分析系统设计原理及相关要求

TRO取样分析系统通常由海水过滤器、空气调压过滤器、气动取样泵、TRO分析仪、管路及阀件等组成[4]，如图1所示。

图1 TRO取样分析管系原理图

气动取样泵是TRO取样分析系统的核心设备，以压缩空气驱动。从上图1可以看出，气动取样泵从压载管路中“a”抽取待分析的水样，一部分水样经“b”进入TRO分析仪进行分光光度分析，多余水样经“b”回流至压载管路，为保证回水压力稳定，且背压较低，通常回水点设计在压载泵入口[4]。取样分析过程既要保证气动取样泵能够从管路中顺利取上水，又要保证水样分析的及时有效性。因此，对气动取样泵的选型和布置，取样管径、管路长度和取样点的设计等均有一定要求。

TRO分析仪正常工作时对水样有如下要求：进水压力为0.34 -10.3Bar；进水量为200 - 400ml/min；取样间隔时间为60s[5]，取样泵通常选用气动隔膜泵，具有一定的自吸能力，易于流量调节，且能够使用在防爆和非防爆区域，气动泵性能曲线如下图2。

图2 气动取样泵性能曲线

调节空气调压过滤器，控制取样泵气源压力为3Bar；调节回流管阀门，使TRO分析仪进水压力（气动泵排出压力）为2Bar。根据图2性能曲线可知，此时流量约为15L/Min，为保证取水速率同时避免管径过小造成堵塞，取样管径通常设计为DN15，管中流速约为1.4m/s，TRO分析仪入口管径为φ6，入水流量按照最低流量200ml/min计算，则L1段流速约为0.02m/s，L2段流速约为0.12m/s。

为保证水样分析时效性，提高系统响应速度，水样经取样点“a”至分析完成一个完整取样周期时间为60s。

1）要求水样经取样点“a”至回流支点“b”的时间应小于20s，因此此段管路长度应小于28m，同时为保证取样泵抽吸性能，应使取样泵尽可能靠近取样点“a”进行布置；

2）要求水样经L1和L2时间小于30s，

即： （1）

可得： （2）

根据TRO分析仪厂家要求，L2不应超过2m[5]，取最大值2m时，L1应小于0.3m，由于L1和L2管路流速很低，应尽量减少其长度，尤其是L1的长度。

3.实船典型案例分析

下图3是某船TRO取样管路布置图（船舶设计软件三维建模图形，与船舶上设备和管路等实际布置完全一样）。实船将气动取样泵、海水过滤器和空气调压过滤器集成在一个模块内（以下简称取样模块，如红色字“TRO Sampling unit”位置所示），取样模块竖直固定在舱壁上。另外，取样点（如红色字“sampling point”位置所示）距离取样模块高度差为：W=5817.5mm，入口管路总长度为：U+V+W=9925mm。实际工作过程中，气动取样泵无法正常取水，TRO分析仪（如红色字“TRO analyzer”位置所示）出现故障报警。

图3 实船TRO取样布置图

原因分析如下：

（1）该船配备的压载泵为潜水泵，压载水处理设备布置的位置较高，且取样点布置在水流竖直向下管道。在船舶压载初期，当压载舱内液位较低时，由于排出末端背压接近大气压力，竖直管道取样点处可能出现虹吸现象，甚至出现负压，同时可能存在不满管现象，导致气动取样泵抽取不上水或出现抽空情况；

（2）该船配备的气动取样泵为容积式隔膜泵，其具有一定的自吸能力，最大干吸可达6.4m，而取样点至取样模块的静高度差为5817.5mm，长度为9925mm，管路压降已接近其最大干吸能力；

（3）取样模块固定在竖直舱壁上，气动取样泵平行于地面，其进出口单向阀芯不能在重力作用下回落，导致密封不严，最终造成其自吸能力和整体工作性能下降；

（4）取样管安装方式要求如下图4所示，取样插入管末端开有45°斜切口，安装时斜切口应正对水流来水方向，实船安装可能与要求不符，不利于水流流入取样管。

图4 TRO取样点安装要求

4.解决方案探讨

根据上述原因分析，可以采取相应的改善措施，具体如下：

（1）改善取样点流态和压力状况。该船压载主管管径为DN400，可考虑在取样点后主管道上增加一个Φ255mm的孔板，该孔板可使其前后产生0.5bar的压差，或在取样点后管路增加调节阀，以增加取样点管路背压，使取样点始终处于正压和满管状态。

（2）提高气动取样泵工作能力。根据气动取样泵的性能曲线可知，工作气源压力增大，气动取样泵的排出压力和排出流量会相应增大，同时其自吸能力也会相应增大，正常情况下，气动取样泵的气源压力控制在3bar左右，但其能承受的最大气源压力接近8.6bar，因此可以通过调节空气调压过滤器来增大工作气源压力，使其自吸能力达到理想状态。

（3）改善气动取样泵安装状态。气动取样泵为隔膜泵，由其工作原理可知，其液体吸入排出口阀球起到密封闭锁作用，随着液体的吸入排出过程而能够不断的开启回落，因此，取样模块应调整为水平安装，保证气动取样泵直立和其进出口阀球能够在重力作用下回落。同时，应降低其安装高度，减小气动取样泵吸入管路压力损失。

（4）改善取样点吸入状态。检查取样点安装情况，保证插入管斜切口正对来水方向，且插入深度要达到压载管直径的3/4长度（具体如上图4所示）。

5.思考与总结

通过以上实船TRO取样案例分析，可总结出以下船舶设计、现场施工等操作方面的注意事项，为相关从业人员提供一定的借鉴和参考。

（1）在进行船舶设计时，首先应保证气动取样泵垂直安装，使其阀球能够依靠重力自然回落；其次，应注意取样点与气动取样泵之间的高度差和管路长度的相关要求。正常情况，气源压力控制在2～3bar，此时气动泵干吸能力3～4m，考虑管路损失和吸入点情况，高度差应控制在2m以内，管路长度8m以内为宜。同时，为了满足TRO取样分析的时间间隔周期，各管段长度应满足本文上述要求。最后，应避免在竖直向下的管道上进行取样，以免在设备工作时出现虹吸和不满管的现象。

（2）在船厂现场实际安装时，应严格按照图纸施工，保证取样点斜切口正对来水方向，有助于水样流入取样管路，当气动泵由干抽变为湿抽后，其最大自吸能力也将由6.4m提高至9m。

（3）在设备正常运行时，当气动取样泵无法正常取水时，可适当调大其工作气源压力，以提高其自吸能力。但同时应注意工作气源压力越大，其隔膜损坏的可能性也越大，切忌超过其最大可承受气源压力。

参考文献

[1]程昆仑，船舶压载水管理公约生效后CCS的对策研究[R]，上海海事大学，2016:16

[2]宋金金，徐凤麒，李樱等，应用于船舶压载水处理系统的自清洗过滤器技术[J]，船舶工程，2018（12）:10-12

[3]ABS. Best Practices for Operations of Ballast Water Management Systems Report[R].2019

[4]李超，TRO取样管路设计优化方案及试验[C]，青岛：青岛双瑞，2018：179-182

[5]HF scientific，Owner’s Manual of Chlorine and Total Residual Oxidant Monitor.