0 引　言

邮轮是以旅游为目的的高端客船，通过船上配备的各类生活娱乐设施，为乘客提供文化、体育、餐饮、购物、住宿、观光等旅游休闲服务^[1]。豪华邮轮与液化天然气（LNG）运输船以及航空母舰并称的“造船皇冠上的明珠”，目前国内尚无法自主完成豪华邮轮的设计与建造，摘下最后这颗明珠也是中国几代造船人的梦想。

邮轮舒适性是衡量船舶性能的重要指标，邮轮功能区众多，供水系统作为其重要组成部分，其可靠性将直接影响船舶的舒适度和运营效益，在这艘承载了几千人的大型客船上，饮用水是否能正常、有效地供应直接影响到了乘客的舒适度。

建筑给水排水已经有了很久的历史，国内外也发布了许多相关规范，但大型豪华邮轮具有载客数量大、航行时间长、甲板层数高、舒适性要求高等特点，其设计理念与一般建筑物的区别较大，在设计时不能完全照搬建筑或一般船舶上的供水系统设计方案。基于以上问题，本文对豪华邮轮供水系统的设计方法和应用进行探究，总结适用于大型豪华邮轮供水系统的设计方案，为其供水系统的设计提供理论依据。

1 豪华邮轮供水系统的相关规范

饮用水（Potable water）在ISO15748^[2]中被定义为：符合有关法规规定的水质要求，适合人类饮用和使用的水，这部分水包括：1）来自中央公共饮用水供应系统的水；2）温度超过80 ℃时海水蒸发转化而成的水；3）水温低于80 ℃时，海水蒸发转化而成、并经过消毒处理的水；4）反渗透产生的水；5）用合适的热水器加热的热饮用水。从ISO15748给出的定义来看，饮用水不仅指直饮水，还包含日常洗漱、洗衣所用生活用水，但不包含其他系统所需的机械用淡水。

饮用水作为乘客和船员日常生活的必需品，许多公约和规范均对其作了规定：《国际海上人命安全公约》（SOLAS）^[3]与《2006年海事劳工公约》^[4]均要求船舶应提供符合卫生条件的优质饮用水。中国船级社《邮轮规范（2017）》也规定：邮轮应配备适应航区气候的生活用水、方便的饮用水，24 h供应冷水和热水。

目前关于供水系统的设计主要参考国际标准ISO15748 Ships and Marine Technology - Potable Water Supply on Ships and Marine Structures。美国公共卫生署和美国疾病防控和预防中心于2018年修订发布VSP（Vessel Sanitation Program） 2018 Operations Manual和VSP 2018 Construction Guidelines，协助邮轮业预防和控制邮轮上胃肠道疾病的引入和传播，在业内较为认可。此外，还有一些用于建筑的供水系统设计标准和规范可供参考，例如EN805 Water supply - Requirements for Systems and Components Outside Buildings和GB50015-2003建筑给水排水设计规范。

2 邮轮供水系统设计方案与主要设备 2.1 系统设计方案 2.1.1 总体方案的选择

船舶供水系统的总体设计方案可以分为重力式、压力式供水方式，以及单设水泵的直接供水方式，重力式供水方式一般多用于小型船舶以及科考船，目前绝大多数船舶供水系统的设计方案是采用压力式供水，即采用压力水柜与泵相结合的方式^[5]。

邮轮供水系统与一般船舶的区别在于大型邮轮乘客数量巨大，需要大量且连续的饮用水供应。根据ISO 15748^[2]，饮用水可以直接或通过压力水柜间接供应，如果每小时消耗大量的饮用水，直接供应是合适的，例如在客船上。此外，为解决客船上用户端需求量变化较大的问题，一般使用变频水泵来保持水压的恒定，通过控制电机的转速来控制泵的流量扬程^[6]。根据由压力传感器检测到的管网水压变化，控制电机的输出功率，进而带动泵始终在一个合适的叶轮转速下工作，从而实现恒压供水。在此基础上，为提高水泵的工作效率，可并联多台变频水泵供水^[7]，在用水量较低时关闭部分水泵，以适应不同时段的用水需求。

2.1.2 管网的布置

一个完整的供水管网（不含循环管路）应包含3部分^[3]。

1）干管：供应线的垂直立管部分，也被称作供水总管；

2）甲板管路：甲板内从干管分出的供水线部分；

3）服务管路：即用户端的连接管路，一般为单向的供给线，从甲板管路到用户的供应线的一部分。

2.1.3 循环管路的设置

在船舶上循环管路的作用相似，当热水环线长度较大时，应设置热水循环管路，使主水温保持在60 ℃～70 ℃范围内。同时建议冷水循环使用，以防止在冷水供应管路中出现较高浓度的军团菌，以确保人体健康所需的标准^[2]，冷水循环管路中应包含灭菌装置。此外应当注意的是，热水循环泵的运行介质为60 ℃～70 ℃的热水，在选泵时应予以注意。

2.2 系统设计要点

除以上常规设计外，邮轮供水系统的设计还应注意以下几个方面：

1）豪华邮轮对水质的要求较高。VSP 2018 Operations Manual^[8]规定，在系统投入使用之前，对饮用水舱和饮用水系统的所有部件进行清洁、消毒和冲洗。ISO 15748^[2]推荐了3种有效且经济的饮用水消毒方法：使用烛式过滤器过滤水；用紫外线照射；向水中添加杀菌剂。

2）管线布置方面，供水管路用于传输饮用水，需要对其进行保护以保证饮用水不被污染，需要对供水管道按照ISO14726^[9]进行标识，将供水管线与其他管路区分开来，防止管路间的交叉污染。

3）除使用主要的水加热器对饮用水进行加热外，出于节约资源的角度考虑，还可以考虑利用船舶的余热进行加热。但需要注意的是，在选择主加热器的功率时应按照没有预热情况下入口的冷水温度设计，以确保邮轮靠港或预加热系统故障时，仍可正常供应热水。

2.3 系统主要设备

为实现以上功能，根据SOLAS（International Convention for Safety of Life at Sea） ^[3]、VSP 2018 Construction Guidelines^[10]及ISO 15748^[2]的要求，供水系统应包含以下基本组成成分和部件：水源、饮用水舱、动力源、热交换器、减压装置、变频控制模块等。

1）水源。根据VSP要求，船舶饮用水的来源有2种：一是岸上供给，二是海上生产。其中从岸上供应的饮用水必须来自符合世界卫生组织可用水标准的饮用水源，对于远洋船舶，还需在航行中使用海水淡化装置制备淡水。

2）饮用水舱。饮用水舱是供水系统的关键设备之一，其作用是储存用于供水系统的可饮用水。饮用水舱在设计与制造时应充分考虑避免非饮用水管道或器件对水质的污染。根据ISO5620^[11]，饮用水舱应当连接注入系统，主要指注入管道，用于连接另一艘船舶或陆地饮用水分配系统的管道，向饮用水舱中注入饮用水。此外，还应配备排水装置，即设计与入口管道的直径相匹配的排水口。

3）动力源。在已经基本不再使用压力水柜供水的豪华邮轮上，动力源一般为泵组，由泵组直接向各饮用水服务点供给饮用水。饮用水泵需满足船舶最大容量的使用要求，且饮用水泵不能用于任何其他用途。如果饮用水舱位于供应泵的安装平面以下，则应选用自吸泵。

4）热交换器。饮用水的加热装置一般有3种布置方式：个人供应、分组供应、集中供应，实际中设计加热类型时应考虑经济因素和装备的物体或结构的尺寸。常规热交换器应具备以下设备：排水管、温度计、加热介质和恒温控制器。在设计制造时应注意，在发生损坏时，饮用水质量不会受到传热或中间介质的影响。

5）减压装置。豪华邮轮一般具有较多的甲板层数，正常供水时由于饮用水供应泵的较高扬程，会导致下层甲板静水水压过大，因此需要设置减压装置，一般为带隔离阀和旁通管的减压阀，用于维持每个区域的水压恒定。

6）变频控制模块。泵组需要一套变频控制模块对其电机转速进行控制，使得水压尽可能保持稳定，实现恒压供水。恒压供水一般为一个变频器控制一个水泵机组，在实际设计中，应使泵在额定转速时的工作点，位于水泵高效区的末端。

实际中，邮轮供水系统的主要设备与部件可能会与以上所列举部分有所差异，设备的安装与布置也应考虑实际情况，但总体需要实现的功能与设计的基本要求应保持一致。

3 大型豪华邮轮供水系统设计及计算 3.1 系统设计实例分析

以某型豪华邮轮供水系统为例，对系统的总体设计进行分析。

图1为该邮轮的供水系统底层部分的原理图，包括饮用水舱、供应泵、干管和循环管路等组成部分。

在该型邮轮中，采用直接供应的方式，即饮用水从水舱经泵组加压直接向用户供应。系统设置了3个自吸式离心泵用于供应可饮用水，3个离心泵并联作为1个离心泵组，泵A和泵B分别为“主泵”和“从泵”，其中“从泵”在“主泵”的高负荷（供应需求高，高抽水率）情况下启动，第3台泵C作为备用泵使用，在主泵和从泵的低压或故障时启动。

饮用水在经过饮用水处理系统进行杀菌、消毒以及矿化后，一部分水作为冷饮用水直接向用户端供应，一部分水经热交换器加热后向用户端供应热水，其中热交换器为管式热交换器，由饱和蒸汽对水进行加热。

冷水供应系统和热水供应系统均设置了循环管路，但基本作用不完全相同。热水循环管路及热水循环泵的设置使供水管网中的热水可以不断流动，保持水温的恒定。冷水循环管路的主要作用是使未被使用的冷水进入循环管路，以防止用户的用水需求量小于供应泵的输出流量，使管网水压增大。这部分未被使用的水重新经饮用水处理系统再次消毒，防止细菌的滋生，冷水的循环起到辅助作用，对每小时循环的次数不作要求，因此不再设置冷水循环泵。

此外，该系统设置了冷饮用水冷却器和热饮用水预热器2个板式热交换器分别对水进行冷却和预热，再输送近相应的冷、热供水系统。

图2为某型邮轮某层甲板的热水供水及循环管路。

某型邮轮的热水供水总管与甲板管路的连接处设置有减压装置，隔离开供水总管和甲板管路，以保持甲板供水管网的水压恒定，防止供水总管过大的水压损坏用水设备，同时减压装置设置有旁通管路，当不使用减压装置或减压装置发生故障时仍可正常供应热水。

甲板管路选用了环状管网的布置形式，热水经供水总管供应至甲板管路，在环网的中端分两路进入环网，循环管路设置在供水管路的最远端，最终将汇合进入循环总管。这样布置的好处是任一用户端的服务管路均有至少两路管道连接，大大提高了系统的稳定性，且易于对管路进行检修。

3.2 系统计算 3.2.1 饮用水消耗量的计算

饮用水的消耗量应根据实际使用情况采用定量和定性调查的方法确定^[12]。但为了方便设计，根据ISO 15748^[2]，对于客船（包含豪华邮轮），船上饮用水的消耗量由表1各个耗水地点的数量相加计算确定。饮用水舱应与承包商协商提供，该计算数值可提供参考。

3.2.2 供水峰值流量的计算

用水峰值流量是整个供水系统较为关键的数据，但其计算方法不论在建筑还是船舶上都是一个难点。

在建筑给水排水设计中有一种算法是根据每日饮用水的消耗量计算用水时段的平均消耗量，乘以根据经验得出的流量系数。根据EN 805∶2000^[13]，人数在10000以上时，峰值流量为平均饮用水消耗量的1.5倍，人数在2000以下时，平均饮用水消耗量的2倍多，但这一系数并无一个可靠确定的值，当使用者已存储饮用水时，高峰小时流量系数可能显著低于上述值，且技术用水和其他特殊需求也会影响流量系数。

ISO15748^[2]给出了一张用于估计峰值流量的图表，用于估算供水峰值流量，如图3所示。

图中横轴为计算得出的所有饮用水服务点的总流量（L/s），纵轴为对应的峰值流量（L/s），曲线1为客船的峰值流量曲线，曲线2为货船，可用于估算不同船型的供水峰值流量。

3.2.3 管路水力计算

1）水流速度的计算

由以下公式计算：

$ {d}_{i}=0.0188\sqrt{\frac{{q}_{v}}{\upsilon }}\text{。} $

(1)

式中：d_i为管子内径，m；q_v体积流量，m³/h；v为管内流体流速，m/s。

2）单位长度水头损失的计算

海澄―威廉公式是目前许多国家用于供水管道水力计算的公式。它的主要特点是，可以利用海澄-威廉系数的调整，适应不同粗糙系数管道的水力计算。使用海澄-威廉公式，给水管道各管段的沿程水头损失可按下式计算：

$ {i}=105{{C}_{h}}^{-1.85}{{d}_{j}}^{-4.87}{{q}_{g}}^{1.85}\text{。} $

(2)

式中：i为管道单位长度水头损失，kPa/m；d_j为管道计算内径，m；q_g为给水设计流量，m³/s；C_h为海澄-威廉系数。

海澄-威廉系数C_h是一个和管道粗糙度、使用时间有关的经验系数，各种塑料管、内衬（涂）塑管C_h=140；铜管、不锈钢管C_h=130；内衬水泥、树脂的铸铁管C_h =130；普通钢管、铸铁管C_h =100。此外，对于热水供应系统，C_h需要乘以一个温度修正系数。

局部水头损失的计算中，需参考相关产品给出的压力损失值，而阀门和螺纹管件的摩阻损失可补偿为管路的长度，与沿程水头损失一起相加计算。

3）环状管网的计算^[14-15]

环状网的几何特性为：

$ {P}={J}+{L}-1 \text{。}$

(3)

式中：P为管段数；J为节点数；L为环数。

虽然环状管网和树状管网具有不同的布置方式，但其水力学基本原理和计算方法类似，都满足能量与质量守恒定律，除了满足上面已经介绍的计算公式外，对于任意节点还满足：

$ \left({q}_{i}+\sum\limits_1^N {{q_{ij}}}\right)=0 \text{。}$

(4)

式中：q_i为该节点的流入流量，L/s； $\displaystyle\sum\limits_1^N {{q_{ij}}} $ 为节点的所有流出流量之和，L/s。

对任一闭合环路，如果约定水流顺时针方向的管段水头损失为正，逆时针方向为负，则有以下能量方程：

$ \sum\limits_{l=1}^{L}\left({h}_{ij}\right)=0\text{。} $

(5)

式中：h_ij为单个管段的水头损失，kPa。

3.2.4 饮用水供应泵的参数计算

冷水供应系统与热水供应系统一般使用同一供应泵或泵组。

1）水泵设计流量计算

$ {Q}_{b}={q}_{g}\text{。} $

(6)

式中：Q_b为水泵设计流量，L/ s；q_g为供水总管给水峰值流量，L/s。

2）水泵设计扬程的计算^[3]

$ {H}_{b}={h}_{0}+Z+\sum h\text{。} $

(7)

式中：H_b为水泵设计扬程，m；h₀为最低工作压力，m；Z为最不利卫生器具最低水位的几何高差，m； $\displaystyle\sum h $ 为最不利卫生器具的管路总水头损失，m。

管路总水头损失 $\displaystyle\sum h $ 等于各个管段的单位长度水头损失 $ \mathrm{i} $ 乘管段长度。

3.2.5 加热系统的能量计算

有电加热和蒸汽加热2种加热方式：

1）电加热

$ \mathrm{E}=\frac{W({T}_{h}-{T}_{w})}{860\eta }\text{。} $

(8)

式中：W为加热水量，kg/h；E为需要的功率，kW；T_h为热水温度，℃；T_w为给水（冷水）温度，℃；η为加热效率，取0.8，该数值可修改。

2）蒸汽加热

$ {\mathrm{W}}_{s}=\frac{W({T}_{h}-{T}_{w})\cdot c}{i\cdot \eta }\text{。} $

(9)

式中：W_s为蒸汽消耗量，kg/h；W为加热水量，kg/h；T_h为热水温度，℃；T_w为给水（冷水）温度，℃；i为相应蒸汽压力下的气化潜热，kJ/kg；c为水的比热容，4.2 kJ/kg/K；η为加热效率，对于铜盘管为0.9，对于刚盘管为0.7。

3.2.6 循环系统的设计计算

1）循环管路的公称直径

循环管路的管径设计仍遵循供水管路的设计，如果尚无法确定循环水量，根据ISO15748^[2]，循环管路管段的公称直径可由与该管段相连的供水管路公称直径确定，其对应关系如表2所示。

2）循环泵的扬程计算

冷水循环泵和热水循环泵的扬程H_UP应按下式计算：

$ {H}_{UP}={h}_{p}+{h}_{x}\text{。} $

(10)

式中：H_UP为循环水泵的扬程，kPa；h_p为循环水量通过配水管网的水头损失，kPa；h_x为循环水量通过回水管网的水头损失，kPa。

3）循环泵的流量计算

冷水和热水循环泵的流量计算方法如下：

所需的泵输送流量V_UP由供水和循环管线的总容积V_tot（不包括储存容器或水加热器容量）和每小时的水循环数确定，具体如下：

$ {V}_{UP}=n\cdot{V}_{tot}\text{。} $

(11)

式中：V_UP为泵输送流量，L/h；n为每小时的流通数量，对于热水，每小时循环3次热水就足以防止水过度冷却；V_tot为供水和循环线水的总量，L。

4 结　语

根据邮轮功能需求，以及相关设计规范，大型豪华邮轮供水系统在方式选择、管网布置、循环管路的设置等方面均有着不同的设计方案，在设计时应根据实际情况选择不同的设计方案。此外，在设备制造、管路布置等方面应注重对水质的保护。豪华邮轮供水系统的设计并不完全依靠于供应商的设备，但对各个设备以及管网的布置有较高的设计与建造要求，需充分考虑正常的供应要求和饮用水的水质要求。本文提供了系统的计算方法，但实际中的计算还需要根据供应商提供的设备参数，考虑管网的实际布置情况，形成最终设计方案。