船用側(cè)掛式溢油回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)與性能試驗(yàn)*

鄒云飛　張德文　陳　磊　張　鵬

(交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院　北京　100088)

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船用側(cè)掛式溢油回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)與性能試驗(yàn)*

鄒云飛張德文陳磊張鵬

(交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院北京100088)

摘要：船用側(cè)掛式溢油回收系統(tǒng)是大型海上溢油污染事故溢油回收的一種重要工具.針對(duì)現(xiàn)有船用側(cè)掛式溢油回收系統(tǒng)在溢油處置快速性和高效性所存在的問(wèn)題，提出了液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)方案、輸油泵設(shè)計(jì)改進(jìn)方案、四連桿同步定向機(jī)構(gòu)方案和輸油泵及收油帶智能控制技術(shù)，進(jìn)行了回收速率、回收效率、垃圾適應(yīng)性等性能試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果顯示，改進(jìn)后的船用側(cè)掛式溢油回收系統(tǒng)具有較高的回收速率與回收效率和良好的垃圾適應(yīng)性，驗(yàn)證了船用側(cè)掛式溢油回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)方案的有效性和合理性.

關(guān)鍵詞：溢油回收系統(tǒng)；液壓系統(tǒng)；輸油泵；回收速率；回收效率

0引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水污染問(wèn)題也越來(lái)越突出，突發(fā)性水污染事故已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)不可忽略的問(wèn)題[1-2].20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)把海洋資源開發(fā)作為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容.沿海區(qū)域經(jīng)濟(jì)和海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展卻給近海環(huán)境保護(hù)造成了巨大壓力[3].大連“7·16”溢油事件、墨西哥灣的石油泄漏事件、康菲漏油事件等使海洋溢油問(wèn)題吸引了全世界的注意力[4].

溢油回收是解決海洋環(huán)境污染、原油泄漏的有效方法之一，是原油泄漏回收重復(fù)利用的必經(jīng)途徑[5]，而溢油回收系統(tǒng)是溢油回收最主要的設(shè)備，其快速性和高效性直接決定了溢油事故應(yīng)急處置能力.

船用溢油回收系統(tǒng)根據(jù)其與船舶的匹配關(guān)系和安裝位置可分為船用側(cè)掛式和船用內(nèi)置式[6-7].本文將重點(diǎn)以提高系統(tǒng)溢油回收快速性和高效性為目的，針對(duì)現(xiàn)有船用側(cè)掛式溢油回收系統(tǒng)提出了其設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題和改進(jìn)方案，并進(jìn)行相關(guān)性能指標(biāo)試驗(yàn).

1船用側(cè)掛式溢油回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

船用側(cè)掛式溢油回收系統(tǒng)一般由撇油器、動(dòng)力站、導(dǎo)油裝置、浮力裝置、儲(chǔ)油裝置、電氣控制系統(tǒng)和油管線組等關(guān)鍵部件組成[8].

撇油器由機(jī)體、收油帶及傳動(dòng)裝置、輸油泵和垃圾格柵等部件組成；動(dòng)力站采用電起動(dòng)柴油機(jī)，給撇油器執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)；導(dǎo)油裝置采用雙臂架形式，雙臂架分別由兩根液壓油缸獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，并采用溫度壓力補(bǔ)償?shù)恼{(diào)速閥開環(huán)同步控制系統(tǒng)保證雙臂架同步工作，從而實(shí)現(xiàn)雙臂架0°～120°開口角度的變化；浮力裝置為2個(gè)薄板箱型結(jié)構(gòu)的浮桶，設(shè)置于撇油器兩側(cè)，給撇油器提供浮力；電氣控制系統(tǒng)為溢油回收系統(tǒng)的控制中樞，具有遠(yuǎn)程無(wú)線遙控功能；管線組由卷管架、排油軟管、液壓膠管等組成.

2設(shè)計(jì)改進(jìn)方案

2.1液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)

根據(jù)現(xiàn)有荷蘭VOS、美國(guó)DIP青島光明環(huán)保技術(shù)有限公司的DXS船用側(cè)掛式溢油回收系統(tǒng)顯示，隨著系統(tǒng)功能的增加，撇油器執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)量也隨之增多.為保證供給執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載相匹配的壓力和流量，有效降低了動(dòng)力站的設(shè)計(jì)功率儲(chǔ)備，溢油回收系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)為負(fù)荷敏感變排量開環(huán)系統(tǒng)[9]，可有效降低系統(tǒng)功率損失和發(fā)熱量，具有較好的節(jié)能效果.

由于在溢油回收作業(yè)中，動(dòng)力站布置于船甲板上，撇油器在水面工作，動(dòng)力站是通過(guò)液壓管道給執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)量的增多直接造成兩者之間連接管道數(shù)量的增多，且管道分布較為零散.同時(shí)也隨著系統(tǒng)收油速率的增大，輸油管道和液壓管道的通流直徑和重量隨之增大，在系統(tǒng)實(shí)際布放作業(yè)、及連接動(dòng)力站與執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的液壓管道較為困難，所需操作人員也較多，連接費(fèi)時(shí)，極大地影響了系統(tǒng)布放和安裝的快速性.

為解決系統(tǒng)布放和安裝的快速性問(wèn)題，系統(tǒng)可將負(fù)荷敏感液壓控制閥組設(shè)置于撇油器上(見(jiàn)圖1a))，動(dòng)力站與液壓控制閥組間只需3條液壓管道——進(jìn)油管、回油管和泄油管，動(dòng)力站所對(duì)應(yīng)的油口為進(jìn)油口、回油口和泄油口(見(jiàn)圖1b)).將原有的9條液壓管道變?yōu)?條液壓管道，大大降低了操作人員的工作量，提高了溢油處置的快速性.

圖1　液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)

2.2輸油泵設(shè)計(jì)改進(jìn)

海上收油作業(yè)條件惡劣，尤其靠近海邊水面往往漂浮許多較大塊垃圾，由于輸油泵泵體與轉(zhuǎn)子的配合間隙較小，一旦垃圾進(jìn)入到泵體內(nèi)，會(huì)造成輸油泵嚴(yán)重堵塞，進(jìn)而失效.以大連“7·16”溢油事故為例，由于溢油中參雜有大量的漂浮垃圾(蘆葦、草袋子等吸油材料)，造成輸油泵輸油效率急劇降低，乃至無(wú)法工作.為解決上述問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)了可切割大塊垃圾輸油泵，其在油液入口處設(shè)計(jì)切刀組，切刀組高速旋轉(zhuǎn)將大塊垃圾橫切破碎成小顆粒.切刀組可單獨(dú)工作和控制，在水面有垃圾時(shí)，可根據(jù)垃圾的種類、尺寸和數(shù)量，調(diào)節(jié)切刀組速度，在水面無(wú)垃圾時(shí)，可停止切刀組工作，以減小能量消耗.

2.3四連桿同步定向機(jī)構(gòu)

由于荷蘭VOS系列雙臂架溢油回收系統(tǒng)在實(shí)際收油作業(yè)中是由鋼絲繩牽引拖帶雙臂架向前回收溢油，由于鋼絲繩具有一定的柔性，雙臂架在水流不平衡作用下，雙臂架會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)(見(jiàn)圖2a))，撇油器后浮桶會(huì)轉(zhuǎn)向船體，與船體接觸，從而使其雙臂架展開方向與船體不平行(見(jiàn)圖2b))，嚴(yán)重影響其收油效果，甚至發(fā)生溢油向外側(cè)臂架端部外跑漏問(wèn)題.

為解決上述問(wèn)題，撇油器可在船體側(cè)掛一側(cè)設(shè)計(jì)四連桿同步定向機(jī)構(gòu)，其主要由兩組桁架桿和鉸軸組成，通過(guò)鉸軸連接，桁架桿兩端與撇油器前后兩端鉸接，雙臂架在液壓缸的作用下展開，桁架桿在雙臂架的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，鉸軸平動(dòng)，直至雙臂架前浮桶前端和鉸軸兩者接觸至船體側(cè)舷，兩接觸點(diǎn)連線與船舷平行(見(jiàn)圖2c))，撇油器后浮桶不與船舷接觸，從而始終保證撇油器的雙臂架開口方向與船體航行方向保持平行，有效提高了溢油回收系統(tǒng)的回收效率.

圖2　四連桿同步定向機(jī)構(gòu)的方案原理

2.4智能化控制系統(tǒng)

1) 輸油泵的智能啟停和轉(zhuǎn)速變化撇油器的集油井內(nèi)適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置油水界面探測(cè)儀，用于監(jiān)測(cè)集油井內(nèi)油水界面和油膜厚度數(shù)據(jù)，在輸油泵控制程序中設(shè)定特定油膜厚度值εt，超過(guò)εt，輸油泵啟動(dòng)，低于εt，輸油泵停止.

由油水界面探測(cè)儀的油膜厚度值ε，可微分計(jì)算得到油膜厚度增速vy，根據(jù)集油井的長(zhǎng)Lj和寬Wj，輸油泵的最理想狀態(tài)為輸出溢油量Vb(輸油泵的回收速率)與集油井溢油量增加速度相等.

根據(jù)輸油泵驅(qū)動(dòng)為低速大扭矩液壓馬達(dá)，通過(guò)調(diào)節(jié)輸油泵驅(qū)動(dòng)液壓路的電磁比例換向閥的輸入信號(hào)，改變液壓路的流量，進(jìn)而改變輸油泵驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，最終改變輸油泵的回收速率，以適應(yīng)進(jìn)入撇油器的溢油增速，既得到油膜厚度增速vy與輸油泵驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速n的匹配關(guān)系為

式中：η為電磁比例換向閥的輸入信號(hào)與輸油泵驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的關(guān)系系數(shù).

所以，智能調(diào)節(jié)輸油泵的轉(zhuǎn)速，控制輸油泵的收油速率以適應(yīng)集油井內(nèi)油膜厚度的增速.

2) 收油帶速度的智能控制通過(guò)文獻(xiàn)[10]的溢油回收系統(tǒng)撇油器收油數(shù)值仿真可知，在水流流速保持恒定時(shí)，隨著收油帶速度的增大，撇油器的收油效果從無(wú)明顯收油效果到最佳收油效果，再到收油過(guò)度的油和水的混合和乳化效果，并仿真研究得出了在一定油膜厚度時(shí)水流速度與收油帶線速度匹配曲線.所以，在撇油器垃圾格柵后方，收油帶前方或側(cè)掛船舷水下100 mm處安裝水流流速計(jì)，用于監(jiān)測(cè)撇油器與水流的相對(duì)速度，應(yīng)用文獻(xiàn)[10]的研究成果，智能調(diào)節(jié)收油帶的速度.

3性能試驗(yàn)

針對(duì)上述船用側(cè)掛式溢油回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)，進(jìn)行了回收系統(tǒng)在靜水條件下的整機(jī)真油試驗(yàn)，主要測(cè)試了回收系統(tǒng)的回收速率和回收效率等技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)驗(yàn)證回收系統(tǒng)的垃圾適應(yīng)性等.船用側(cè)掛式溢油回收系統(tǒng)實(shí)物和真油性能試驗(yàn)分別見(jiàn)圖3～4.

圖3　船用側(cè)掛式溢油回收系統(tǒng)實(shí)物

圖4　船用側(cè)掛式溢油回收系統(tǒng)真油性能試驗(yàn)

在模擬相對(duì)水流速度3 kn條件下，船用側(cè)掛式溢油回收系統(tǒng)的回收速率為237 m3/h，回收效率97.396%，從輸油泵排出的油水混合物中過(guò)濾得到的垃圾尺寸較小(見(jiàn)圖5)，最大尺寸不超過(guò)30 mm，試驗(yàn)充分證明了可切割大塊垃圾輸油泵能夠可靠高效的垃圾切碎功能，具有較好垃圾適應(yīng)性.

圖5　船用側(cè)掛式溢油回收系統(tǒng)垃圾切割試驗(yàn)

4結(jié) 束 語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有船用側(cè)掛式溢油回收系統(tǒng)在溢油處置快速性和高效性所存在的問(wèn)題，提出了其液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)方案、輸油泵設(shè)計(jì)改進(jìn)方案、四連桿同步定向機(jī)構(gòu)方案和輸油泵及收油帶智能控制技術(shù)，并進(jìn)行了回收速率、回收效率、垃圾適應(yīng)性等性能試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)的船用側(cè)掛式溢油回收系統(tǒng)具有較高的回收速率與回收效率和良好的垃圾適應(yīng)性，從而驗(yàn)證了船用側(cè)掛式溢油回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)方案的有效性和合理性.

參 考 文 獻(xiàn)

[1]劉繼平.關(guān)于我國(guó)水危機(jī)的成因分析與對(duì)策建議[J].環(huán)境工程,2008,28(4):97-99.

[2]翟俊,何強(qiáng),肖海文.三峽流域一體化水污染應(yīng)急管理系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用[J].土木建筑與環(huán)境工程,2010,32(4):128-134.

[3]李智剛,張銀亮,馮迎賓.ROV和潛水員聯(lián)合輔助處理深水沉船溢油事故的方法研究[J].環(huán)境工程,2013,31:54-57.

[4]AL-MAJED A A，ADEBAYO A R，HOSSAIN M E. A sustainable approach to controlling oil spills[J]. Environ Manage, 2012,113:213-227.

[5]王世剛,楊前明,郭建偉,等.船攜式海面溢油回收機(jī)液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2012(3):1-2.

[6]張德文,張同戌,賈志平.全液壓驅(qū)動(dòng)內(nèi)河水上溢油高效回收系統(tǒng)[J].水運(yùn)科學(xué)研究,2010(2):18-22.

[7]袁萍,黃婧.30 m級(jí)內(nèi)河雙體浮油回收船船型優(yōu)化[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版)，2013,37(6):1217-1221.

[8]楊前明,閆九祥,王世剛.基于D-H位移矩陣法的溢油回收系統(tǒng)掃油臂運(yùn)動(dòng)學(xué)建模[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào),2014,33(1):92-97.

[9]韋曉磊.負(fù)荷敏感節(jié)能技術(shù)在集裝箱跨運(yùn)車上的應(yīng)用研究[J].港口裝卸,2014(5):20-21.

[10]鄒云飛,寧偉婷,張德文,等.基于CFX的動(dòng)態(tài)斜面式撇油器收油數(shù)值仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真,2015,32(5):445-448.

Design Improvement and Performance Test of Ship Side Oil Spill Recovery System

ZOU YunfeiZHANG DewenCHEN LeiZHANG Peng

(WaterborneTransportationInstitute,Beijing100088,China)

Abstract：Ship side oil spill recovery system is an important tool for large scale marine oil spill recovery. For mitigating the problem existing in the present ship side oil spill recovery system, the design improvement plan of hydraulic system, oil pump, hanging four connecting rod synchronized orientation mechanism, intelligent control technology of oil pump and recovery belt are put forward in this paper. The recovery rate, recovery efficiency, and garbage adaptability are tested. The test results show that the improved system has high recovery performance and good garbage adaptability. The validity and rationality of the improvement design are verified.

Key words：oil spill recovery system; hydraulic system; oil pump; recovery rate; recovery efficiency

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.02.017

中圖法分類號(hào)：U674.91

收稿日期：2016-02-09

鄒云飛(1980- )：男，博士，副研究員，主要研究領(lǐng)域?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境保護(hù)、溢油應(yīng)急處置技術(shù)及裝備

*國(guó)家發(fā)改委海洋工程裝備研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目、國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAC14B01)資助