通过能量转换监测船舶压载水余氯的方法

张瑞祥，王玉玲

(青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司， 山东 青岛 266101)

电解法作为船舶压载水处理的主流技术之一，多应用于压载泵流量较大的大中型远洋船舶。该技术通常采用“过滤+电解”处理方法。“电解”部分使用电解槽电解海水生成杀生剂(次氯酸钠等)，与压载水混合达到一定质量浓度，持续杀灭生物至压载水公约标准。

压载水处理系统电解海水过程中，需要余氯分析仪来监测压载水中余氯的质量浓度，作为电解电流的调节依据。余氯分析仪配套复杂，使用及维护难度大，实船工况下的测量精度有限，并且测量过程易受各种工况等因素影响，实船系统更需要一种经济、可靠的余氯监测方法。为此，以市场接受度较高的支路电解海水制取次氯酸钠溶液为杀菌剂的压载水处理系统为例，论证通过电解过程中的电能与化学能、热能的能量转换，来监测压载水管路中实时余氯浓度的可行性，分析影响因素及工业化应用于现有系统需要的改进措施。

1 船舶压载水处理系统的TRO

总剩余氧化物(total residual oxidant，TRO)，在电解法压载水处理系统中指压载水中的总氯(或称为余氯)含量。在船舶压载水处理过程中，处理系统通常使用布置在压载水管线的余氯分析仪监测实时TRO的质量浓度，并作为反馈数据进而控制制取次氯酸钠的量，以保证在主压载管路混合后的TRO浓度保持在目标值范围内。

目前，以电解海水制取次氯酸钠为杀生剂的主要电解法压载水处理厂商认证的TRO目标范围通常都包含在5～10 mg/L区间内，见表1。

由表1可见，各厂商均使用了同一个生产商的余氯分析仪，该仪表已经成为电解法压载水处理系统不可或缺的一部分。仪表主要技术规格见表2。

表1 电解法的主要厂商及TRO参数表 mg/L

表2 HF Scientific余氯分析仪主要技术参数

该仪表检测时从压载水主管路取水样，并在仪表内部对水样进行分析。仪表配套使用的特殊试剂对环境、时效都有限制要求，整套监测系统组成复杂，使用和维护成本较高。配套取样系统和压载水水流对TRO的质量浓度均匀性的影响，将使仪表使用精度低于标称值。压载水处理设备厂商Techcross在DNV GL船级社认证过程的实船测试阶段，证书记录的7个有效测试循环中，即出现一次TRO均值过低的测试循环，船级社根据电解电流情况判定为测试过程中余氯分析仪对TRO的检测不准确。

因此，压载水处理系统若能减小对余氯分析仪的依赖，便可简化系统，增加整体运行的稳定性，降低压载水处理设备成本的同时，系统的设计、使用和售后成本也将有不同程度的下降。

2 监测原理分析

电解法压载水处理系统主要组成部分有：过滤器、电解槽、整流器、水泵、仪表、阀门等。其处理流程如图1所示。设备主要功能是由整流器(rectifier)驱动电解槽(electrolyzer)，对流经其中的海水进行电解，在电解槽内产生化学反应，生成次氯酸钠溶液，与压载水混合实现杀生效果。整个流程是一个电能转换为化学能的过程。

图1 压载水处理流程示意

2.1 系统电解过程能量转换的分析

在整个流程中，生成次氯酸钠的化学反应式为NaCl + HO +2e→NaOCl + H↑

由系统设备的配置和工艺流程可知，电解海水制取次氯酸钠所需的能量全部由整流器提供。实际过程中，整套系统的效率与各厂商的技术细节和设备工况有关。整流器输出的能量除转换为化学能外，部分能量将加热流经电解槽内部的海水，还有少量的能量负担电气线路发热损耗等。因此，整个过程能量转换表现为

整流器输出能量=产氯能量+加热海水能量+电气线路热损耗。

整流器输出能量为整流器输出的全部电能；

加热海水能量为电解过程中海水温度升高增加的热能；

电气线路损耗为输电线路中电流产生的热能；

由于各项能量即为各项功率与时间的乘积，因此各项功率等式为

整流器输出功率=产氯功率+加热海水功率+输电线路热损功率。

2.2 各项能量监测的可行性

压载水处理系统安装的各个设备和传感器可以对系统的电流、电压、温度等进行实时监测，各个传感器返回的数据为整套系统能量转换的监测提供了可能。

2.2.1 整流器输出能量的监测

由整流器内部安装的电流、电压或功率传感器可以获得较为准确的输出电压和输出电流值。取得测量数据后，进行如下换算。

=×

(1)

式中：为整流器输出功率，W；为整流器直流输出电压，V；：整流器直流输出电流，A。

2.2.2 加热海水能量的监测

在系统电解的过程中，高速流经电解槽的海水会带走电解槽产生的热量，同时海水自身的温度上升。通过电解槽进出口安装温度(或温差)传感器，精确监测温差，结合电解单元流量换算为电解槽加热海水的功耗。

(2)

式中：为电解槽加热海水的发热功率，W；为海水比热容，4 096 J/(kg·℃)；为电解槽海水流量，m/h；为海水平均密度，1.025×10kg/m；Δ为通过电解槽海水的温差(温升)，℃。

2.2.3 电气线路热损耗功率

电解过程中整流器至电解槽的电缆线路损耗功率大小由整流器的输出电流和线路电缆电阻决定。线路电缆电阻与每千米电缆电阻参数、使用的电缆长度和电缆根数有关。

(3)

(4)

式中：为电气线路热损功率，W；为整流器直流输出电流，A；为每千米电缆电阻值，Ω/km；为整流器、电解槽连接电缆长度，m；为输电线路单极并联电缆根数；′为输电线路电压降，V；

由以上可得：

=--

(5)

式中：为整流器输出功率中有效产氯功率，W；为整流器输出功率，W；为电解槽加热海水的发热功率，W；为输电线路热损功率，W。

2.2.4 每小时产氯量

电解槽产氯量、流量计测量单位及压载泵流量单位等通常以h为单位，根据产氯功率所得每小时产氯量为

(6)

式中：为产氯量，kg/h；为整流器输出功率中有效产氯功率，W；为电解槽中电解单元数量，根据各厂商设备参数确定；为每安培小时电量有效氯的生成量，1.323 g/(A·h)；为每小时产氯量要求的产氯时间，1 h；为整流器直流输出电压，V；′为输电线路电压降，V。

2.2.5 实时TRO的质量浓度

通过压载水管路流量计监测压载水实时流量，进而可以得知该压载状态下的实时TRO的质量浓度。

(7)

式中：为压载水管路实时TRO数值，mg/L；为每小时产氯量，kg/h；为压载水主管路流量，m/h。

经过对电解法船舶压载水处理系统的能量转换分析，可见只要具备相应的测量条件来获取各项参数，通过监测能量的转换来换算压载水实时TRO的质量浓度是可行的。

3 实船监测示例

通常如果船舶安装有电解法船舶压载水处理系统，一般系统会自带1套或多套HF Scientific的余氯分析仪，用以监测压载水管路中实时TRO数值。下面以明德号货轮的压载水处理系统运行数据为示例，分析以能量转换来测算实时TRO值的可行性，并与余氯分析仪测量示数进行比较。

明德号(PACIFIC AWARD)货船船舶信息如下。

船型：6.1万t散货船；

建造年份：2015年；

压载泵额定流量：900 m/h×2台；

压载水处理系统：BalClorBWMS BC2000型，1套；

压载水处理方法：过滤+支路电解法(电解海水制取次氯酸钠)。

3.1 明德轮压载水处理系统实船运行数据

1)实船运行数据见表3。

表3 明德轮压载处理运行数据表

2)监测及计算过程参数见表4。

表4 明德轮压载水处理系统监测参数表

3.2 TRO测算

根据已有数据和参数，结合前一章节，最终TRO测算数据见表5。表5中第1、2项为系统及TRO仪表启动过程，该过程中， TRO测算值比仪表数据有更高的参考价值；第3、4项为系统正常工作状态，测算数据与正常工作的仪表测量示数较为接近，二者符合度较高。

表5 测算数据与仪表示数表

4 结果与改进分析

电解过程能量转换监测数据和实船安装的TRO仪表示数较为接近，说明通过能量转换监测TRO的方法有较大的实际使用意义。

对于电解法压载水处理装置，使用该TRO监测方法可以降低甚至脱离压载处理过程对TRO仪表的依赖，系统减少TRO仪表、取样水管路及其附属设备及压缩空气管路等。不但可大大降低工程成本，还可以提高整套系统的可靠性，相关故障点将大幅减少。船员使用设备过程中，减少或取消对TRO分析仪的操作和维护，使用成本也随之降低。

在实船示例过程中，可以实现船舶压载水中余氯的监测，但因安装的压载水处理系统设计之初并没有考虑该监测方法的使用，有限的实船条件下，数据只作为参考。

4.1 海水温升测量改进

在该监测方法中，流经电解槽的海水温升数据是一项非常重要的数据，其测量精度将直接影响最终的监测精度。目前电解法压载水处理装置通常是在电解槽进水或出水管路配置一个温度传感器，因此无法较精确地实时监测海水流过电解槽的温升。相对较小的温度测量偏差也能够一定幅度的影响最终测算的TRO值。如果采用两个温度传感器同时安装在电解槽进口和出口管路或安装温差测量仪表的方案，并确定合适的温差精度，可以使监测TRO的偏差保持在合适范围。以明德轮第4组数据为例，温差对TRO测算数据的影响见表6。

表6 明德轮压载水处理装置温差波动对TRO测算数据的影响

由表6可见，当温升偏差为0.2 ℃时，测算的值偏差约在8.5%，接近实际使用的余氯分析仪精度(±10%)。因此，需要合理选用温差测量仪表，优化安装设计，使测量的温差精度不高于±0.2 ℃为宜。目前，多数市售的温度传感器和温差测量仪表都能满足该精度。

另外，电解槽通过的海水流量对温升的测量精度有影响，通常水流量较大的系统温升相对较小，受到的温差测量精度影响也更大。因此，与主压载管路电解法的压载水处理系统相比，电解水流量约是其百分之一的支路电解法处理系统更适合使用该监测方法。

4.2 流量仪表安装位置和过滤器排污的影响

电解法压载水处理系统的多数厂商采用的过滤器为自动反冲洗形式，即过滤器需要每隔一定时间间隔进行反冲洗排污(海水较脏时，工作过程中滤器会持续反冲洗)，因过滤器品牌型号不同，反冲洗流量约为压载水管路总流量的5%～15%不等。当压载水管路流量计安装在过滤器之前时，过滤器反冲洗水流量也包含在流量计测量示数中。但反冲洗水流通过排污管线排回大海，不进入压载舱，实际不包含在压载水流量中，这部分流量将对TRO测算值产生不能忽视的影响。因此，将压载水管路流量计安装在过滤器之后，可以使压载水实时流量更为准确，进而提高TRO实时监测精度。

另外，如果电解槽支路取水自海底门使用独立管线泵取海水，也应计入压载水总流量中。

4.3 其他方面的能量转换

除去已经论述的各项能量，电解法处理过程中还有其他多方面能量转换，如：解槽与周围环境的热交换、接地电流损耗等其他较微弱的损耗。因电解槽内部有常温海水流通，可视为水冷设备模型，与所在空间发生的热交换涉及能量微弱；接地电流的实测值为毫安级别，因此分析时没有考虑在内。