一種新型船舶排油監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱會(huì)東

(阜新高等專科學(xué)校 機(jī)械系，遼寧 阜新 123000)

船舶污油水排放監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是用來監(jiān)測(cè)和控制油船含油壓載水的排放，它是防止海洋污染的重要設(shè)備[1,2]。《MARPOL73/78公約》附則I規(guī)定了船舶操作性的排放標(biāo)準(zhǔn)[3,4]：排入海中的總油量，不得超過這項(xiàng)殘油所屬的該種貨油總量的1/30 000；未經(jīng)稀釋的排出物含油量不超過15×10-6；油量瞬間排放率不超過30 L/n mile。本文研究設(shè)計(jì)的一種PL-ODME新型排油監(jiān)控系統(tǒng)，達(dá)到了《MARPOL73/78公約》的標(biāo)準(zhǔn)，很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)油份濃度信號(hào)、船速信號(hào)及流量信號(hào)等采集與監(jiān)測(cè)，計(jì)算出油量瞬間排放率和排放總量，進(jìn)而確定是否打開舷外排放閥進(jìn)行排放。

1 排油監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文研制的排油監(jiān)控系統(tǒng)是一種專用的油輪防污染設(shè)備，主要用于監(jiān)視油輪每航次累計(jì)排放的總油量和壓載水排放期間含油物質(zhì)的瞬時(shí)排放率。當(dāng)排油總量或瞬時(shí)排放率達(dá)到規(guī)定要求時(shí)，或排油監(jiān)控裝置出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉排放控制閥，停止壓載水的排放運(yùn)行。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，主要由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、閥控系統(tǒng)等組成。

1.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)如圖2所示，主要由控制單元、計(jì)算單元、分析單元、監(jiān)測(cè)報(bào)警單元、顯示單元、打印控制單元等部分組成。計(jì)算單元將根據(jù)測(cè)量單元來的信號(hào)計(jì)算出排放水的實(shí)際含油量，并按計(jì)程儀和流量計(jì)的信號(hào)計(jì)算出瞬時(shí)排放率。控制單元用于控制排放系統(tǒng)的運(yùn)行方式，當(dāng)排放總量、瞬時(shí)排放率超值，或系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，將自動(dòng)向閥控系統(tǒng)發(fā)出關(guān)閉舷外排放閥，停止壓載水的排放指令。同時(shí)，控制單元還設(shè)有啟動(dòng)連鎖功能。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)運(yùn)行參數(shù)將自動(dòng)在顯示器上進(jìn)行顯示，并由打印機(jī)進(jìn)行記錄。此外，計(jì)算機(jī)控制單元還設(shè)有人機(jī)交換界面，選擇外來信號(hào)的輸入方式或接受人工輸入的信號(hào)。

1.2 采樣系統(tǒng)

采樣系統(tǒng)主要包括采樣探頭、取樣泵單元和取樣單元，如圖3所示。

1)取樣探頭用來收集主排放管路的排放水，并把經(jīng)過檢測(cè)的樣水，沖洗水排回到排放總管。取樣探頭由不銹鋼的吸口管和回水管組成，為了使抽取的樣品更具有代表性、吸口管應(yīng)插入到排水總管內(nèi)部，插入深度為排水總管內(nèi)徑的1/2。回水管的位置，按照排水總管里排放水的流向，設(shè)在吸水管的下游部位，以避免吸入的樣水被回水管流回的液體污染。

2)取樣泵單元主要功能是采集樣水，是一個(gè)組裝件，它的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和取樣泵被固定在一塊共用的底板上。取樣泵單元安裝在機(jī)艙和泵艙之間的隔艙壁上。它的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)放在機(jī)艙一側(cè)，取樣泵放在泵房一側(cè)。取樣泵組件設(shè)有一個(gè)驅(qū)動(dòng)軸穿艙件，它是一個(gè)專用的密封機(jī)構(gòu)，以保證泵運(yùn)行期間機(jī)艙和泵艙之間保持氣密。

3)取樣單元里設(shè)有一個(gè)帶有光學(xué)測(cè)量器件的油份濃度測(cè)量裝置，從取樣泵來的樣水由測(cè)量裝置的入口進(jìn)入，然后從出口流回到排水總管。光學(xué)測(cè)量器件將流過測(cè)量裝置的樣水中含油量的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的光信號(hào)，并通過光纖傳遞到測(cè)量單元。

1.3 測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)主要包括取樣測(cè)量單元和流量測(cè)量單元，如圖3所示。

1)取樣測(cè)量單元由微處理器和光電器件組成，從取樣單元來的光信號(hào)，在測(cè)量單元里被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，傳送到計(jì)算機(jī)單元。

2)流量測(cè)量單元主要由流量傳感器和差壓變送器組成。流量傳感器采用阿牛巴流量傳感器，設(shè)有5個(gè)測(cè)量孔，用于檢測(cè)流體的動(dòng)壓和靜壓，測(cè)量信號(hào)通過高壓信號(hào)管路和低壓信號(hào)管路傳遞到差壓變送器。差壓變送器的作用是將阿牛巴流量傳感器的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成與排水泵排量相適應(yīng)的4～20 mA 的電流信號(hào)，傳送到計(jì)算機(jī)單元。差壓變送器采用了一個(gè)經(jīng)認(rèn)可的本質(zhì)安全裝置，以保證其工作的安全可靠性。

1.4 閥控系統(tǒng)

閥控系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)指令的執(zhí)行單元，如圖4所示。閥控系統(tǒng)里的電磁閥將按計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出的指令動(dòng)作，然后由壓縮空氣把舷外排放閥和回水控制閥驅(qū)動(dòng)到指令要求的位置。

2 排油監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)主要根據(jù)船舶的航速(由船舶的 GPS 或者計(jì)程儀提供，通過對(duì)排放管的流量及含油污水的含油量的測(cè)定，當(dāng)滿足式(1)和式(2)的條件以及無任何系統(tǒng)運(yùn)行故障(斷電、樣品丟失、測(cè)量或記錄系統(tǒng)重大錯(cuò)、當(dāng)任何傳感器的輸入超過系統(tǒng)的有效容量)時(shí)含油污水允許排放，以減少船舶對(duì)海洋的污染[5,6]。當(dāng)不滿足式(1)或式(2)以及有任何系統(tǒng)運(yùn)行故障時(shí)必須終止排放。

(1)

式(1)中，Q為排量，m3/h；C為油份濃度；V為航速，n mile/h。

(2)

式(2)中，I1為上次裝載量；I2為排放總量。

其中各項(xiàng)的測(cè)量方法如下:

1)航速測(cè)量。船舶的航速由船舶的計(jì)程儀提供，其輸出為脈沖信號(hào)(200脈沖/海里或4～20 mA電流信號(hào))。系統(tǒng)根據(jù)航速計(jì)單位時(shí)間輸出的脈沖數(shù)可得到船舶的航行速度。

2)排量速率。排量速率采用阿牛巴流量計(jì)和差壓變送器測(cè)量含油污水的排量，同其他方法相比，阿牛巴流量計(jì)具有準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)[7]。阿牛巴的準(zhǔn)確度為±1%，穩(wěn)定性為±0.1%，使用過程中的磨損、腐蝕以及粘附的油污灰塵等因素對(duì)阿牛巴流量計(jì)系數(shù)影響不大，它能夠保持長(zhǎng)期輸出非常穩(wěn)定的差壓信號(hào)，保證輸出差壓信號(hào)與管道流量的映射關(guān)系。其系統(tǒng)示意圖如圖5所示，阿牛巴流量計(jì)將流量差壓信號(hào)輸出，然后經(jīng)差壓變送器轉(zhuǎn)變?yōu)?4～20 mA電流信號(hào)，系統(tǒng)對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行采樣，根據(jù)其大小即可得到含油污水的流量。

3)油份濃度及排放總量。油份濃度測(cè)量范圍為(0～999)×10-6，系統(tǒng)通過對(duì)其采樣可得到含油污水的油份濃度。系統(tǒng)根據(jù)相同油份濃度下排放時(shí)間及排放流量計(jì)算出此段時(shí)間的排放量，各個(gè)時(shí)段排放量的累計(jì)即為裝置的排放總量。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)油量瞬間排放率和排放總量達(dá)標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)打開排放控制閥，向舷外排水。如果運(yùn)行期間瞬時(shí)排放率超過15 L/km，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)報(bào)警信號(hào)，并將自動(dòng)關(guān)閉排放控制閥，停止向舷外排水。故障出現(xiàn)時(shí)，顯示屏和聲報(bào)警器發(fā)出相應(yīng)的聲光報(bào)警信號(hào)，打印機(jī)同時(shí)作出相應(yīng)的故障報(bào)警記錄。按下消聲按鈕，聲響報(bào)警器停止聲響，視覺報(bào)警將在顯示屏繼續(xù)保持直到報(bào)警信號(hào)消失。報(bào)警信號(hào)消除后，系統(tǒng)將自動(dòng)恢復(fù)排放運(yùn)行。顯示屏和打印機(jī)將自動(dòng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的變化作出相應(yīng)的顯示和記錄。當(dāng)出現(xiàn)排放總量報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉排放閥，直至本航次結(jié)束。該排油監(jiān)控系統(tǒng)目前已在某大型油船上成功應(yīng)用，系統(tǒng)應(yīng)用部分實(shí)物圖如圖6所示。該系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)性能良好，滿足設(shè)計(jì)要求，功能符合73/78防污公約法的規(guī)定。