CC BY
82УДК 629.12.061.014.72
В.В. Захарова, аспирант, ФБОУВПО «ВГАВТ». Е.Г. Бурмистров, д. т. н., проф., ФБОУ ВПО «ВГАВТ». 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5А.
АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ И ПЕРСПЕКТИВНЫХ ТИПОВ БАЛЛАСТНЫХ СИСТЕМ СУДОВ ВНУТРЕННЕГО И СМЕШАННОГО (РЕКА-МОРЕ) ПЛАВАНИЯ
Применение балласта на судах является необходимым для их эффективной эксплуатации. Однако, использование жидкого балласта влечёт за собой ряд негативных последствий: завышение энергоёмкости балластного оборудования, перерасход ГСМ, экологическое загрязнение водоёмов чужеродными микроорганизмами и др. традиционные методы решения этих проблем по экономическим причинам являются недостаточно эффективными. Более рациональным представляется внедрение в практику судостроения принципов безбалластного судна. Для разработки концепции такого судна в данной статье выполнен анализ современных и перспективных типов балластных систем судов внутреннего и смешанного «река-море» плавания.
Балластные системы появились на судах в середине XIX в., когда твёрдый балласт (песок, щебень, камни) стали заменять жидким - забортной водой. В начале XX в. балластные системы использовали также для приёма и удаления пресной воды, хранящейся в междудонных цистернах.
На современных судах балластные системы являются общесудовыми системами, предназначенными для приёма водного балласта, для перекачки и удаления его с судна с целью изменения осадки и остойчивости, выравнивания или создания искусственного крена и дифферента при выполнении погрузочно-разгрузочных работ, плавании во льдах и в аварийных ситуациях, а также в связи с расходованием запасов топлива и воды. Данные системы служат для придания судну необходимых мореходных и эксплуатационных качеств изменением осадки, крена и дифферента. Балластными системами, используемыми для изменения осадки, оборудуют суда смешанного плавания (река-море). Приём балласта (перед выходом в море) приводит к увеличению осадки, что в свою очередь повышает остойчивость судна, снижает ветровую нагрузку, улучшает управляемость. Балластировку применяют также в целях сохранения расчётной осадки, изменяющейся по мере расходования запасов топлива, и обеспечения работы движителя с максимальным к.п.д.
В группу балластных систем входят креновые и дифферентные системы. К р е -новые - служат для устранения или компенсации кренящих моментов, возникающих от несимметрично расположенных грузов относительно диаметральной плоскости судна (ДП). Эти системы характерны главным образом для специальных судов.
Дифферентными системами оборудуют грузовые и ледокольные суда. Дифферент в корму, который создаётся у грузовых судов при плавании порожнём, снижает устойчивость их на курсе и затрудняет управляемость. Нежелательный дифферент устраняют приёмом воды в носовые балластные цистерны.
Креново -дифферентная система является неотъемлемой частью нефтеналивных судов, на которых её используют для придания крена и дифферента, необходимых при погрузке и выгрузке нефтепродуктов.
Балластная система состоит из цистерн (отсеков) для водяного балласта; насосов и трубопроводов для его приёма и выкачки; измерительных труб или других средств контроля количества принятого балласта; воздушных труб для обеспечения входа и выхода воздуха в балластные цистерны. Балластные цистерны стремятся располагать
как можно ниже. Это способствует повышению остойчивости судна и облегчает наполнение цистерн (в том числе самотёком).
На крупных судах, нефтенавалочниках, ледоколах для быстрой перекачки больших масс балласта в балластных системах используют осевые насосы, в том числе реверсивного действия, а трубопроводы выполняют в виде корпусных коридоров с разгрузочными каналами, сообщающимися с атмосферой [1].
К балластным системам предъявляют следующие основные требования:
1. Они должны обеспечивать заполнение и опорожнение каждой цистерны в отдельности, а также одновременно нескольких или всех цистерн;
2. Обеспечивать возможность перекачки балласта из одной цистерны в другую;
3. Их устройство должно исключать возможность попадания воды в балластные цистерны из-за борта и из балластных цистерн в другие отсеки и цистерны.
Для размещения балластных цистерн обычно используют форпик и ахтерпик, а на судах с двойным дном - отсеки междудонного пространства. Вместимость балластных цистерн и их расположение предусматриваются такими, чтобы обеспечивался приём балласта в количестве, необходимом для изменения осадки и посадки судна.
На некоторых судах осуществляют дистанционный контроль за уровнем воды в балластных цистернах с помощью датчиков, показания которых передаются на пост управления, где выполняются нужные операции по управлению системой.
Балластную систему современных грузовых судов строят, как правило, по централизованному принципу. Схема системы данного типа приведена на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема балластной системы, выполненной по централизованному принципу: 1 - насос; 2 - клапанная коробка; 3 - невозвратно-запорный клапан; 4 - приёмник; 5 - днищевой кингстон
Это позволяет не только наполнять и осушать балластные цистерны, производя управление из машинного отделения, но и перекачивать воду из одних цистерн в другие. Осушение балластных цистерн производится через тот же трубопровод, что и их наполнение. С целью обеспечения данного условия клапанные коробки балластной системы выполняются запорного типа.
По централизованному принципу осуществлены балластные системы на сухогрузных теплоходах типа «Большая Волга» (г/п 2000 т) и «Волго-Дон» (г/п 5000 т), на грузовых судах смешанного плавания типа «50 лет Советской власти» г/п (3300), на танкерах (г/п 5000 т) и др.
На судах старой постройки, а также небольшого водоизмещения и специальных, с малым числом балластных цистерн, можно встретить балластные системы, выполненные по децентрализованному принципу. Их схема приведена на рис. 2.
4 6 Já т п 'tf] W 6
¿Л m т ;! ' 5 ? r¿ X гА
Рис. 2. Принципиальная схема балластной системы, выполненной по децентрализованному принципу: 1 - насос; 2 - клапанная коробка;
3 - невозвратно-запорный клапан; 4 -приемник; 5 - днищевой кингстон;
6 - клапан с палубным приводом
Балластные трубопроводы на современных судах прокладываются как в междудонном пространстве, так и поверх второго дна. Во втором случае предусматривают конструктивную защиту от возможных повреждений грузом.
Трубы и арматуру изготовляют из тех же материалов, что и для осушительной системы (сталь и бронза соответственно). Число и места расположения приёмников балластного трубопровода выбирают из условия обеспечения максимально удобной откачки балласта из любой цистерны, независимо от того, находится ли судно в прямом или накренённом положении. На плоскодонных судах, когда днище имеет подъём к бортам менее 5°, приёмные трубы в балластных цистернах прокладывают по бортам. На острокильных судах, а также в цистернах, расположенных в оконечностях, бортовые приёмные трубы отсутствуют. Каждая половина цистерн, которые делятся продольной переборкой на две части, должна иметь по одной приёмной трубе у ДП.
Забортная вода в балластные цистерны принимается через кингстоны или клинке-ты. С целью предохранения приёмной арматуры от засорения, на всех приёмных отверстиях в наружной обшивке корпуса располагают съёмные защитные решетки. Вода, пар или сжатый воздух для продувания приёмного отверстия и решёток подводятся через клапаны продувания. Ящики забортной воды снабжают задвижками, устанавливаемыми в ящиках, на обшивке корпуса. С помощью задвижки можно прекращать поступление воды в ящик и осушать его на период зимнего отстоя судна.
Балластировка судна является важным элементом его эксплуатации. Однако приём жидкого балласта влечёт за собой ряд негативных последствий, а применение традиционных балластных систем не обеспечивает их предотвращения. В настоящее время наиболее острой проблемой, связанной с применением балластных вод, является проблема экологического загрязнения внутренних водоёмов чужеродными организмами. Инвазивные чужеродные виды являются второй по значению угрозой биоразнообразию природных экосистем (после разрушения мест обитания) [2], а развитие их в новом регионе приводит к весьма серьёзным экологическим, социальным и экономическим последствиям и представляет собой значительную угрозу экологической безопасности России.
Проблема экологического загрязнения водоёмов, вызываемая сбросом балластных вод с судов, имеет выраженную актуальность не только для России, но и для всех стран с развитым судоходством. В связи с этим в 2004 г. мировым сообществом принята «Международная Конвенция по контролю и обработке судового водяного балласта и осадков» (International Convention for the Control and Management of Ships' Ballast Water and Sediments,) (далее Конвенция) [3]. Конвенцией предусмотрены два стандарта, касающиеся балластных вод: D -1 - стандарт замены балластных вод и D-2 - стандарт качества балластных вод [4]. Оба стандарта крайне важны для судовладельцев, как при эксплуатации существующего флота, так и при приобретении новых судов.
Стандарт D-1 предусматривает, что теплоходы, построенные до 2009 г. и имеющие объём балластных танков от 1500 до 5000 м3, могут до 2014 г. выполнять требования конвенции, используя способ замены балласта. Для этого на каждом судне должен иметься план балластных операций, учитывающий безопасные и эффективные процедуры по замене балласта. К 2014 г. все эксплуатирующиеся суда смешанного плавания, за исключением теплоходов типа СТК, необходимо оснастить системами обработки балластных вод по стандарту D-2 (суда типа СТК - к 2016 г.).
Суда, построенные в 2009 году и позже, с балластными танками до 5000 м3 должны удовлетворять стандарту D-2 с момента постройки.
На рис. 3 приведена схема контроля балластных вод, установленная Конвенцией.
Конвенция должна вступить в силу через 12 месяцев после ратификации её 30 государствами, представляющими 35% общемирового торгового тоннажа. На конец мая 2011 г. 28 государств, представляющих 25,43% , ратифицировало эту Конвенцию.
По этой причине, в настоящее время, в России и за рубежом активно ведутся разработки в области обезвреживания и обеззараживания судовых балластных вод.
Для предотвращения экологического загрязнения водоёмов балластными водами с судов Конвенцией рекомендовано применять замену балласта на удалении 200 морских миль от ближайшего берега, в местах с глубиной воды более 200 м. Однако данное решение проблемы не применимо для судов внутреннего и смешанного плавания, район эксплуатации которых ограничен 20, 50 и 100-мильной зоной удаления от берега. В то же время данная проблема наиболее актуальна именно для этих судов.
На настоящий момент разработано более 2000 способов обезвреживания и обеззараживания балластных вод. По принципу, применяемому при очистке вод, они делятся на следующие группы:
■ физические (безреагентные);
■ механические;
■ химические (реагентные);
■ комбинированные;
■ биологические.
К физическим методам очистки относят нагревание, обработку ультразвуком, ультрафиолетовое облучение, обработку магнитным полем, применение АВС (аппаратов вихревого слоя). К примеру, компания Hyde Marine BWTS предлагает решение, основанное на отделении твёрдых частиц и обработке воды ультрафиолетовым излучением [5]. Система Hyde Marine использует штатные балластные насосы и трубопроводы. Разработаны и стандартные системы производительностью от 60 м3/час до 1500 м3/час, а также специальные системы производительностью до 6000 м3/час. Система включает необходимую предварительную обработку для удаления твёрдых частиц и крупных водных организмов. Для более мелких балластных систем и устройств, где требуется лучшее удаление крупных частиц, Хайд-фильтр является экономичным и практичным. УФ-излучение разрушает или инактивирует биологиче-
ские организмы, включая зоопланктон, водоросли, бактерии и патогенные микроорганизмы из балластной воды, не оказывая влияния на эксплуатацию судна. При деба-лластировки судна балластная вода также подвергается УФ-обработке.
Основными методами механической очистки являются фильтрование, внесение изменений в конструкцию судна, применение специальных покрытий танков. Наглядным примером эффективного применения данного метода очистки является использование системы непрерывного обновления судовой балластной воды, принцип работы которой основан на непрерывном протекании жидкости через систему с открытыми входом и выходом. При этом, за счёт инжекционного эффекта, создаваемого набегающим потоком воды, исключается образование застойных зон в конструктивных карманах балластных цистерн [6]. Покрытие внутренней части балластных цистерн и трубопроводов специальными защитными составами повышает эффективность данного метода и предотвращает негативные последствия от попадания в водоёмы ржавчины, нефтепродуктов, механических примесей и другие загрязняющих веществ.
Химические методы очистки балластных вод основаны на добавлении в них реагентов. Наиболее распространёнными методами химической очистки являются озонирование, хлорирование, удаление кислорода, применение биореагентов.
Использование хлора как дезинфицирующего средства для обработки судовых балластных вод получило распространение в некоторых странах Латинской Америки (Чили, Аргентина) после того, как была доказана взаимосвязь сброса балластных вод с судов, прибывших из азиатских портов, и вспышек в этих странах холеры.
Этот метод может быть ограничен в силу значительной продолжительности процесса обработки, зависимости её эффективности от температуры воды и уровня рН, распространённости хлоррезистентной микрофлоры, образования галогенсодержащих канцерогенов, экологических проблем сброса больших масс хлорированных вод в акватории портов.
Диоксид хлора, как окислитель и дезинфектант, нашел широкое применение в технологиях водоподготовки в силу существенного преимущества по сравнению с другими распространёнными средствами (озоном, хлором и хлораминами), а именно оптимальном соотношении биоцидной эффективности, стабильности и последействий как основополагающих критериев оценки химических дезинфектантов.
Среди комбинированных методов известна электро-химическая обработка и одновременная обработка балластных вод ультрафиолетом и (или) озонированием.
На основе комбинированного способа очистки работает система SEDNA. Эта система фирмы Hamann (Safe Effective Deactivation of Non-indigenous Aliens, - безопасная эффективная дезактивация инородных видов в судовых балластных водах) представляет собой встроенную систему обработки балластных вод. Она обрабатывает воду и осадок и может быть установлена на многие типы судов [7]. Система SEDNA состоит из гидроциклонов для удаления осадка, самоочищающегося фильтра 50m для эффективного удаления широкого спектра организмов и полностью биоразлагающего оксиданта (PERACLEAN Ocean) для эффективной дезактивации оставшихся организмов.
Широкую известность получила и система Pure Ballast. Это высоко технологичная система управления качеством балластной воды, осуществляющая фильтрацию и обработку УФ-излучением. Она настолько эффективна, что может уничтожать микроорганизмы размером до 10 мкм [8]. Система полностью компьютеризирована и работает в автоматическом режиме. Во время балластировки главный балластный насос системы Pure Ballast сначала прокачивает воду через фильтр с размером ячейки 50 мкм, предотвращающий попадание внутрь более крупных организмов. Далее вода проходит через один или несколько блоков усовершенствованной окислительной очистки (advanced oxidation technology - активированные окислительные технологии (АОТ)), где под действием интенсивного УФ-излучения уничтожаются все микроорганизмы.
Данная технология работает как в чистой, так и в мутной воде. Вода обеззараживается повторно по технологии AOT при дебалластировке для нейтрализации любого роста микроорганизмов, который мог произойти во время плавания. В зависимости от количества установленных AOT-блоков система Pure Ballast может обрабатывать от 250 до 2500 м3/ч.
На основе комбинированного метода работает также система очистки Unitor, предлагаемая компанией Wilhelmsen Ships Equipment, которая предполагает обработку балластной воды на этапе приёма. Система Unitor сочетает в себе технологии кавитации и электрохлорирования с окислением озоном. Кавитация и применение дезинфицирующих средств происходит в корпусе реактора, в то время как фильтр удаляет крупные живые организмы и примеси. Фильтр размером 40 мкм установлен непосредственно за балластным насосом. Он самоочищается путём обратной промывки, которая включается по истечении заданного промежутка времени или после выявления заданного перепада давления [9].
Биологический способ обработки балласта заключается в добавлении в балластную воду хищных или паразитарных организмов с целью уничтожения вредных водных организмов. Данный метод является наименее удобным из всех вышеперечисленных, в связи с тем, что практически невозможно подобрать вид хищных организмов, который бы универсально подходил для уничтожения всех нежелательных организмов в балластной воде.
Каждый из перечисленных способов обезвреживания и обеззараживания балластных вод имеет свои достоинства и недостатки (см. табл.).
Таблица
Сравнительная характеристика эффективности различных способов обезвреживания (обеззараживания) балластных вод
Способ обезвреживания (обеззараживания) Степень эффективности Недостатки
Физический 4 Необходимость закупки дорогостоящего оборудования и обучения экипажей для его эксплуатации
Механический 3 Затраты на приобретение оборудования и покрытий для танков. Усложнение корпусных конструкций судна
Химический 3 Недостаточная эффективность. Необходимость закупки дорогостоящего оборудования, реагентов, затраты на их доставку на судно и обучение экипажей
Комбинированный 5 Большие затраты на приобретение и эксплуатацию оборудования (обуславливается наличием двух степеней очистки)
Кроме перечисленных, известен метод обезвреживания балластных вод путём длительного пребывания их на судне (более 100 суток) и обеззараживание балластных вод на береговых очистных сооружениях. Первый метод является неприемлемым в связи с тем, что средняя продолжительность рейса на судах внутреннего и смешанного (река-море) плавания составляет (5.. .14) сут. Сдача же балластных вод с судов на береговые очистные сооружения значительно увеличит нагрузку на них и вызовет простои флота на длительные промежутки времени. Выполнение рекомендаций по забору балласта на строго определённых участках и забор субмаринных (субакваль-ных) пресных вод в качестве балласта также значительно усложнит процесс эксплуатации флота. Все эти факторы неизбежно повлекут за собой значительные экономические издержки, что наглядно иллюстрируют графики, приведённые на рис. 4.
\
\ М«тоа<учкспа ЬВ
\ §■ 3 8-
5 2 ■
1 3 5 с
N
5-Г
I < - ?
II
1 9
п ~
а Б
2 ?
Рис. 4. Сравнительная стоимость оборудования и эксплуатации для различных способов обезвреживания и обеззараживания балластных вод: 1 - стоимость оборудования для обеззараживания (обезвреживания) балластных вод; 2 - стоимость его эксплуатации.
Анализ рис. 4, а также рассмотренных методов очистки балластных вод показывает, что их практическое применение значительно усложняет эксплуатацию судна, требует специальной подготовки экипажей, значительных затрат на закупку оборудования и реагентов, их доставку на судно, хранение и пр. Нельзя не принимать во внимание и то, что системами очистки балластных вод на настоящий момент оборудовано незначительное количество судов и объективно оценить их эффективность пока не представляется возможным. В результате этого доверие судовладельцев и операторов судов к данным системам невелико [10].
Методы обеззараживания балластных вод путём установки на судах дополнительного оборудования, имеют актуальность для уже построенных и введённых в эксплуатацию судов. Для вновь строящихся судов более рациональными представляются решения, основанные на изменении принципов работы балластных систем.
Весьма интересными в этой связи представляются разработки американских и японских судостроителей в области создания безбалластных судов [11]. Подобные работы активно ведутся и российскими учёными [6].
Корма
Рис. 5. Графическая иллюстрация концепции безбалластного судна
Концепция безбалластного судна предполагает, в частности, что традиционные балластные цистерны будут заменены системой (комплексом) трубопроводов, проходящих в корпусе судна ниже ватерлинии. Вода поступает в трубопроводы самотёком через систему шпигатов, расположенную в носовой оконечности ниже ватерлинии. Её
отвод снова в водоём предусматривается осуществлять через подобную же систему шпигатов, расположенную в районе кормовой оконечности. Управление задвижками, открывающими и закрывающими шпигаты, должно осуществляться дистанционно из центрального поста управления судном. Концептуальная схема такого судна [11] приведена на рис. 5, а вариант конструктивного решения по размещению балластных трубопроводов в корпусе судна, на рис. 6.
Рис. 6. Фрагмент корпуса судна в районе пролегания балластных трубопроводов
Внедрение новых принципов работы балластных систем на судах предполагает ряд усовершенствований и в архитектурно-конструктивном облике судна, в частности:
1) размещение надстройки в средней части судна. Это позволит уменьшить дифферент судна при ходе порожнём, сократить необходимый для удифферентовки объём балластных вод (общую протяжённость балластных трубопроводов), улучшит обзор из центрального поста управления (рулевой рубки), повысить уровень комфортности жилых и служебных помещений.
2) изменение конструктивного оформления балластных цистерн с целью оптимизации трассировки балластных трубопроводов, повышения их производственной и эксплуатационной технологичности и ремонтопригодности.
При проведении разработок в области создания балластных систем нового поколения особое внимание следует уделить обоснованию трассировки балластных трубопроводов в корпусе судна и их конструкции, так как установка в корпусе дополнительной системы трубопроводов неизбежно повлечет за собой увеличение его металлоёмкости. Как вариант, может быть предложено применение балластных трубопроводов из полимерных материалов. Кроме снижения металлоёмкости, их применение позволит избежать проблем, связанных с коррозионным износом трубопроводов.
На наш взгляд внедрение проточных балластных систем имеет ряд конкурентных преимуществ и для управления качеством балластных вод, в частности способствует:
■ исключению накопления инвазивных чужеродных микроорганизмов в балластных цистернах судов;
■ решению проблемы экологического загрязнения внутренних водоёмов балластными водами;
■ экономии топливно-энергетических ресурсов (исследования [11], проведённые специалистами Мичиганского университета (США), подтверждают, что применение систем проточного балласта снижает расход топлива при порожнем рейсе судна до 6% по сравнению с судном с традиционной компоновки;
■ исключению необходимости установки на судне дорогостоящего, тяжеловесного и крупногабаритного насосного оборудования для приёма и сброса балласта, а также специального оборудования для обезвреживания и обеззараживания балластных вод.
Таким образом, разработка принципиально новых типов балластных систем позволит не только решить проблему экологического загрязнения водоёмов балластными водами с судов, но и позволит достичь значительных экономических выгод при эксплуатации судна.
Список литературы
[1] Балластная система. Интернет: [http://www.sealib.com.ua/question /32. html].
[2] Сустретова Н.В. Обеспечение экологической безопасности балластных вод на судах смешанного «река-море» плавания: Дисс. канд. техн. наук: 03.02.08 - Н.Новгород, 2011. - 140 с.
[3] Международная конвенция о контроле судовых балластных вод и осадков и управлении ими, 2004, - СПб.: ЗАО ЦНИИ МФ, изд. 2005 г. - 120 с.
[4] Система обработки балластных вод DESMI A/S - решение серьезной экологической проблемы. URL: [kron.spb.ru>page/89/news/330/].
[5] Балластные Системы компании Hyde Marine- Практическое решение проблемы водообра-ботки балластных танков. URL: [marconost.ru>index.php?id=87].
[6] Патент RU №85143 U1 Система обновления судовой балластной воды. Опубл. 27.07.2009. Бюл. №21. МПК: В63В 39/03, В63В 43/06.
[7] SEDNA® (Safe Effective Deactivation of Non-indigenous Aliens): новая система обработки балластных вод. URL: http://www.mbsz.ru/ Морской бизнес северо-запада № 3 сентябрь 2005.
[8] Установка для очистки балластной воды Pure Ballast. URL: http://www.korabel.ru/ equip-ment/item_view/130146.html.
[9] КОНФЕРЕНЦИЯ WILHELMSEN SHIPS SERVICE. URL: [directevent.ru>meropriyatiya/ wilh/181110.html].
[10] Балластные воды-серьезная проблема. URL: http://maritime-zone.Com /articles/ballastnye%20vody%20sereznaya%20problema/.
[11] Американцы спроектировали грузовое судно без балласта. URL: http://www.dived.ru/ events/amerikantsyi-sproektirovali-sudno-bez-ballasta. Html.
ANALYSIS OF PRESENT-DAY AND PROSPECTIVE BALLAST SYSTEMS OF RIVER AND RIVER-SEA VESSELS
V. V. Zakharova, E.G. Burmistrov
The use of ballast on ships is necessary for operating them efficiently. However, the use of liquid ballast entails a number of negative consequences, such as high energy consumption of ballast equipment, over-expenditure of fuel and lubricants, pollution of bodies of water with foreign microorganisms, etc. The traditional methods of solving these problems are not sufficiently efficient for economic reasons. It would be more rational to introduce the principles of ballast-free boat into the practice of shipbuilding. In order to develop such a concept an analysis has been carried out in this article of present-day and prospective ballast systems of river and river-sea vessels.
