海上泄漏石油收集器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉峻杭 周 龍 車(chē) 麗

（大連海事大學(xué)船舶電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116026）

海洋占地球表面積的70.8%，有龐大的生物資源和礦產(chǎn)資源，是生物生存的氣候調(diào)節(jié)器，巨大的水資源是天然的氣溫調(diào)節(jié)器,合理利用開(kāi)發(fā)將極大的推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。自20 世紀(jì)50 年代以來(lái)，隨著各國(guó)的生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)發(fā)展，向海洋排放的污染物越來(lái)越多，對(duì)海洋的污染愈演愈烈，造成了不同程度的破壞。污染物主要是石油①及其產(chǎn)品、重金屬、酸堿、有機(jī)物、放射性核素、固體廢物等，其中石油及其產(chǎn)品對(duì)海洋危害巨大，是海洋生物和生態(tài)環(huán)境的頭號(hào)殺手。

以2010 年7 月16 日發(fā)生在大連灣輸油管爆炸事故為例，有1500 多噸的石油在短時(shí)間內(nèi)泄漏到大連附近海域，造成了至少50 萬(wàn)平方公里的海域被原油污染，對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、城市形象、漁業(yè)、附近居民都造成了惡劣影響。海上泄漏石油收集器針對(duì)短時(shí)間集中泄漏的石油進(jìn)行處理，及時(shí)遏制石油對(duì)大海的污染。同時(shí)石油作為不可再生能源，是工業(yè)的“血液”，具有非常重要的戰(zhàn)略意義，尤其是在當(dāng)今，自然資源逐漸枯竭，環(huán)境漸漸惡化，對(duì)于環(huán)境做出有效保護(hù)措施已經(jīng)刻不容緩。海上泄漏石油收集器的開(kāi)發(fā)利用，為保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，減少二次污染，資源重復(fù)利用，為船舶清理航道等做出貢獻(xiàn)，對(duì)人與自然和諧相處和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義，也為愛(ài)好海上泄漏石油收集器的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)者提供參考。

1 海上泄漏石油收集器特點(diǎn)

目前國(guó)際上通行的治理及回收石油的技術(shù)、方法主要可以分為物理處理法、化學(xué)處理法、生物處理法三種方法。海上泄露石油收集器處理油污染物的方法屬于物理處理法，相比于化學(xué)處理法和生物處理法，物理處理法有資源再利用、對(duì)生態(tài)環(huán)境影響小、無(wú)二次污染、易于操控、精準(zhǔn)收集等優(yōu)點(diǎn)。

傳統(tǒng)物理方法人工打撈效率低，且工作環(huán)境惡劣。傳統(tǒng)的化學(xué)處理法雖然有處理方便、效果明顯的優(yōu)點(diǎn)，并且在實(shí)際情況下廣泛應(yīng)用，但油分散劑的使用或者利用助燃劑燃燒對(duì)環(huán)境的污染較大，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生二次污染，利用助燃劑燃燒還會(huì)污染空氣，影響靠海聚居人們的生活。生物處理法有無(wú)殘毒、成本低、反應(yīng)迅速的優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)微生物的人工選擇、改良、培育的技術(shù)要求較高，不同微生物對(duì)于不同的環(huán)境的適應(yīng)性不同，并且微生物降解石油烴要受很多因素的影響，降解速率和微生物的種類(lèi)和數(shù)量以及介質(zhì)的溫度有很大的關(guān)系，同時(shí)石油成分的比例和分散程度都要對(duì)應(yīng)分析，所以生物處理法的使用受到多個(gè)因素限制，對(duì)于現(xiàn)實(shí)應(yīng)用具有一定的局限性。

海上泄漏石油收集器對(duì)于泄漏石油的回收利用，變廢為寶，趨利避害，具有其它兩種方法沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)能高效率收集海面油污，處理油污量大，操控方便，控制船舶精準(zhǔn)收集水面石油，油水分離后油的純度高等特點(diǎn)，對(duì)解決實(shí)際問(wèn)題具有現(xiàn)實(shí)意義。

2 收集原理

海上泄漏石油收集器基于對(duì)泄漏石油收集-處理-儲(chǔ)存的思想，將整個(gè)裝置分為3 個(gè)部分：吸收裝置、過(guò)濾裝置和凈化裝置。每個(gè)裝置基于船舶機(jī)艙現(xiàn)有設(shè)備，配合泵的改裝，將海面的石油吸收并傳輸?shù)轿鬯校俳?jīng)過(guò)過(guò)濾裝置粗過(guò)濾后，分離出大部分水分，再送到凈化裝置凈化，使最終得到的石油能達(dá)到機(jī)器設(shè)備使用的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)變廢為寶的愿景。

3 收集過(guò)程

海上泄漏石油具有面積廣、泄漏量大、易擴(kuò)散的特點(diǎn)。吸收裝置首先將彌散在海面上的石油匯聚到靠近船舶的一個(gè)點(diǎn)上，在匯聚點(diǎn)的水面下方安裝螺桿泵，在螺桿泵的作用下，將油水一起吸收到污水井中，因?yàn)榇藭r(shí)的油水混合物中水的占比較大，而且在低溫環(huán)境下，石油的黏度較低，導(dǎo)致油水在管道中的流速較低，配合油水分離器的加熱器使油水溫度上升，提高運(yùn)行效率；到達(dá)污水井的油水經(jīng)過(guò)油水分離器粗分離后，再輸送到分油機(jī)中離心凈化，除去其中的雜質(zhì)和水分，得到的干凈油就可以用于機(jī)器消耗或者存儲(chǔ)起來(lái)，見(jiàn)圖1。

圖1 油水收集過(guò)程圖

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)思路

吸收裝置主要由位于船首兩側(cè)的擋片、與海面接觸的連通器管路、單螺桿泵以及泵控電路系統(tǒng)組成；過(guò)濾裝置由艙底水處理系統(tǒng)、油水分離器和相關(guān)管路組成；凈化裝置由分油機(jī)和相關(guān)耗油機(jī)械設(shè)備組成。

船舶在水面正常航行時(shí)，船首擋片處于收縮關(guān)閉狀態(tài)，整個(gè)收集器裝置處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)溢油事故發(fā)生的時(shí)候，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)船首兩側(cè)擋片向兩邊張開(kāi)，船舶在前進(jìn)的同時(shí)與海面石油相對(duì)作用使石油被匯聚，進(jìn)而被收集器收集進(jìn)機(jī)艙進(jìn)行進(jìn)一步處理。

4.2 收集器結(jié)構(gòu)

4.2.1 收集器結(jié)構(gòu)圖。

船舶在海上收集油的過(guò)程中，配合纜繩圍油，減少油污面積，提高油水中油的濃度比例，進(jìn)而提高收集效率，見(jiàn)圖2。

圖2 油水吸收狀態(tài)下的船舶俯視圖

在擋板匯聚口的水下，連接連通器管道，在螺桿泵的作用下，水面上的油水被吸進(jìn)連通器管道，輸送到污水井等待處理。由于螺桿泵不能空轉(zhuǎn)，為了防止船舶因顛簸、傾斜而導(dǎo)致油水吸入口離開(kāi)水面與空氣接觸，設(shè)計(jì)成連通器式的管路結(jié)構(gòu)可以避免螺桿泵空轉(zhuǎn)。當(dāng)連通器管道兩端沒(méi)水的時(shí)候，凹槽下剩下的液體可以短時(shí)間防止螺桿泵空轉(zhuǎn)，見(jiàn)圖3。

圖3 正向船舶右舷截面圖

4.2.2 螺桿泵。螺桿泵就是回轉(zhuǎn)式容積泵，原理螺桿是回轉(zhuǎn)來(lái)吸收和排出液體。具有由于具有流量均勻、工作平穩(wěn)、噪音和振動(dòng)輕、吸入性能好、流量范圍大、對(duì)所輸送液體的攪動(dòng)少、水力損失低、零部件少、體積小、重量輕、維修量少、壽命長(zhǎng)等系列優(yōu)點(diǎn)，滿足當(dāng)前使用條件需求，適合作為油水吸入口的動(dòng)力來(lái)源。

4.2.3 油水分離器。油水分離器起初步粗分離的作用，目的是除去油水中大部分水分。以德國(guó)產(chǎn)的TURBULO MPB2.5 型油水分離器為例，是一種重力分離與聚合分離原理的油水分離裝置。被螺桿泵吸入到污水井的油水，通過(guò)污水泵進(jìn)入到一級(jí)分離筒內(nèi)加熱，由于油和水的密度差，密度小的油就會(huì)浮到頂部，達(dá)到重力分離油水的目的。混雜在水里的小油滴，經(jīng)過(guò)油水凝聚過(guò)濾器聚合成大顆粒的油滴，使浮力大于重力和粘附力而上升。當(dāng)油容量變大達(dá)到分離筒頂部時(shí)，打開(kāi)泄油閥把油排到油渣艙中。

含油密度較小的油水，經(jīng)過(guò)三通閥進(jìn)入到二級(jí)分離筒內(nèi)，同理將油排入油渣艙，二級(jí)分離筒的水經(jīng)油份檢測(cè)儀檢測(cè)后，在油分濃度不超過(guò)15ppm 時(shí)，打開(kāi)排水三通閥排到舷外，不滿足標(biāo)準(zhǔn)就送回到一級(jí)分離筒內(nèi)再次重復(fù)分離，見(jiàn)圖4。

圖4 二級(jí)油水分離器粗分離原理圖

4.2.4 分油機(jī)。經(jīng)過(guò)油水分離器處理的油還才存在許多雜質(zhì)，不能直接供給給機(jī)械使用，還需要經(jīng)過(guò)分油機(jī)的凈化才能到使用標(biāo)準(zhǔn)。

以EPC-50 離心式分油機(jī)為例，基于雜質(zhì)、水、油不同的密度差的工作原理，對(duì)輸入的油水進(jìn)行旋轉(zhuǎn)離心分離。由于油中同正常油艙中的油相比含水量較多，在實(shí)際凈化時(shí)需要控制分油機(jī)的重力環(huán)，調(diào)節(jié)油水分界面內(nèi)移，達(dá)到強(qiáng)濾水的目的。在石油泄漏事故初期流量較大的時(shí)候，需要注意將分油機(jī)并聯(lián)以提高處理量。

5 結(jié)論

在實(shí)際工程運(yùn)用中，需要具體改進(jìn)的部分如下：

5.1 連通器管路在船舶構(gòu)架設(shè)計(jì)的初期，需要將連通器管路布置出來(lái)，設(shè)計(jì)時(shí)注意不能離船首側(cè)推器太近，以免擋片伸縮影響側(cè)推使用，油水吸入口應(yīng)布置在側(cè)推器的前方。

5.2 擋片的長(zhǎng)短厚度需要根據(jù)船舶大小來(lái)設(shè)計(jì)，太長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致阻力增加，擋片有折斷風(fēng)險(xiǎn)；太短則圍油效果不好，影響石油收集效率。

5.3 不同管路之間的連接，可以通過(guò)各種閥門(mén)的通斷實(shí)現(xiàn)。

5.4 污水井的過(guò)濾器和油水過(guò)濾器的凝聚過(guò)濾器要及時(shí)用輕油清洗，聚合濾芯也需要及時(shí)更換，以提高石油的收集效率。

5.5 無(wú)論是油水分離器還是分油機(jī)，一定是先啟動(dòng)供油泵，再啟動(dòng)加熱器，最后啟動(dòng)機(jī)械。

本文就目前海上泄漏石油處理方法的不足之處，基于船舶已有的機(jī)械設(shè)備，對(duì)其船舶設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)。在短時(shí)間內(nèi)沒(méi)有外援的情況下，就現(xiàn)有條件解決突發(fā)情況下的海上石油泄漏，實(shí)現(xiàn)保護(hù)海洋環(huán)境的愿景。

注釋

①本文提到的石油代表燃油等一切石油的衍生油和石油。