船用側掛式溢油回收系統的設計改進與性能試驗*

鄒云飛　張德文　陳　磊　張　鵬

(交通運輸部水運科學研究院　北京　100088)

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船用側掛式溢油回收系統的設計改進與性能試驗*

鄒云飛張德文陳磊張鵬

(交通運輸部水運科學研究院北京100088)

摘要：船用側掛式溢油回收系統是大型海上溢油污染事故溢油回收的一種重要工具.針對現有船用側掛式溢油回收系統在溢油處置快速性和高效性所存在的問題，提出了液壓系統設計改進方案、輸油泵設計改進方案、四連桿同步定向機構方案和輸油泵及收油帶智能控制技術，進行了回收速率、回收效率、垃圾適應性等性能試驗.試驗結果顯示，改進后的船用側掛式溢油回收系統具有較高的回收速率與回收效率和良好的垃圾適應性，驗證了船用側掛式溢油回收系統設計改進方案的有效性和合理性.

關鍵詞：溢油回收系統；液壓系統；輸油泵；回收速率；回收效率

0引言

隨著我國經濟的發展，水污染問題也越來越突出，突發性水污染事故已經成為現代社會不可忽略的問題[1-2].20世紀90年代以來，我國把海洋資源開發作為國家發展戰略的重要內容.沿海區域經濟和海洋經濟的快速發展卻給近海環境保護造成了巨大壓力[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題吸引了全世界的注意力[4].

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

船用溢油回收系統根據其與船舶的匹配關系和安裝位置可分為船用側掛式和船用內置式[6-7].本文將重點以提高系統溢油回收快速性和高效性為目的，針對現有船用側掛式溢油回收系統提出了其設計存在的問題和改進方案，并進行相關性能指標試驗.

1船用側掛式溢油回收系統結構

船用側掛式溢油回收系統一般由撇油器、動力站、導油裝置、浮力裝置、儲油裝置、電氣控制系統和油管線組等關鍵部件組成[8].

撇油器由機體、收油帶及傳動裝置、輸油泵和垃圾格柵等部件組成；動力站采用電起動柴油機，給撇油器執行機構提供動力驅動；導油裝置采用雙臂架形式，雙臂架分別由兩根液壓油缸獨立驅動，并采用溫度壓力補償的調速閥開環同步控制系統保證雙臂架同步工作，從而實現雙臂架0°～120°開口角度的變化；浮力裝置為2個薄板箱型結構的浮桶，設置于撇油器兩側，給撇油器提供浮力；電氣控制系統為溢油回收系統的控制中樞，具有遠程無線遙控功能；管線組由卷管架、排油軟管、液壓膠管等組成.

2設計改進方案

2.1液壓系統設計改進

根據現有荷蘭VOS、美國DIP青島光明環保技術有限公司的DXS船用側掛式溢油回收系統顯示，隨著系統功能的增加，撇油器執行機構數量也隨之增多.為保證供給執行機構負載相匹配的壓力和流量，有效降低了動力站的設計功率儲備，溢油回收系統的液壓系統設計為負荷敏感變排量開環系統[9]，可有效降低系統功率損失和發熱量，具有較好的節能效果.

由于在溢油回收作業中，動力站布置于船甲板上，撇油器在水面工作，動力站是通過液壓管道給執行機構提供動力，執行機構數量的增多直接造成兩者之間連接管道數量的增多，且管道分布較為零散.同時也隨著系統收油速率的增大，輸油管道和液壓管道的通流直徑和重量隨之增大，在系統實際布放作業、及連接動力站與執行機構間的液壓管道較為困難，所需操作人員也較多，連接費時，極大地影響了系統布放和安裝的快速性.

為解決系統布放和安裝的快速性問題，系統可將負荷敏感液壓控制閥組設置于撇油器上(見圖1a))，動力站與液壓控制閥組間只需3條液壓管道——進油管、回油管和泄油管，動力站所對應的油口為進油口、回油口和泄油口(見圖1b)).將原有的9條液壓管道變為3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　液壓系統的設計改進

2.2輸油泵設計改進

海上收油作業條件惡劣，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子的配合間隙較小，一旦垃圾進入到泵體內，會造成輸油泵嚴重堵塞，進而失效.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，乃至無法工作.為解決上述問題，研究設計了可切割大塊垃圾輸油泵，其在油液入口處設計切刀組，切刀組高速旋轉將大塊垃圾橫切破碎成小顆粒.切刀組可單獨工作和控制，在水面有垃圾時，可根據垃圾的種類、尺寸和數量，調節切刀組速度，在水面無垃圾時，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構

由于荷蘭VOS系列雙臂架溢油回收系統在實際收油作業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，雙臂架會發生轉動(見圖2a))，撇油器后浮桶會轉向船體，與船體接觸，從而使其雙臂架展開方向與船體不平行(見圖2b))，嚴重影響其收油效果，甚至發生溢油向外側臂架端部外跑漏問題.

為解決上述問題，撇油器可在船體側掛一側設計四連桿同步定向機構，其主要由兩組桁架桿和鉸軸組成，通過鉸軸連接，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動，鉸軸平動，直至雙臂架前浮桶前端和鉸軸兩者接觸至船體側舷，兩接觸點連線與船舷平行(見圖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的回收效率.

圖2　四連桿同步定向機構的方案原理

2.4智能化控制系統

1) 輸油泵的智能啟停和轉速變化撇油器的集油井內適當的位置設置油水界面探測儀，用于監測集油井內油水界面和油膜厚度數據，在輸油泵控制程序中設定特定油膜厚度值εt，超過εt，輸油泵啟動，低于εt，輸油泵停止.

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

根據輸油泵驅動為低速大扭矩液壓馬達，通過調節輸油泵驅動液壓路的電磁比例換向閥的輸入信號，改變液壓路的流量，進而改變輸油泵驅動液壓馬達的轉速，最終改變輸油泵的回收速率，以適應進入撇油器的溢油增速，既得到油膜厚度增速vy與輸油泵驅動液壓馬達轉速n的匹配關系為

式中：η為電磁比例換向閥的輸入信號與輸油泵驅動液壓馬達轉速的關系系數.

所以，智能調節輸油泵的轉速，控制輸油泵的收油速率以適應集油井內油膜厚度的增速.

2) 收油帶速度的智能控制通過文獻[10]的溢油回收系統撇油器收油數值仿真可知，在水流流速保持恒定時，隨著收油帶速度的增大，撇油器的收油效果從無明顯收油效果到最佳收油效果，再到收油過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，收油帶前方或側掛船舷水下100 mm處安裝水流流速計，用于監測撇油器與水流的相對速度，應用文獻[10]的研究成果，智能調節收油帶的速度.

3性能試驗

針對上述船用側掛式溢油回收系統的設計改進，進行了回收系統在靜水條件下的整機真油試驗，主要測試了回收系統的回收速率和回收效率等技術指標，同時驗證回收系統的垃圾適應性等.船用側掛式溢油回收系統實物和真油性能試驗分別見圖3～4.

圖3　船用側掛式溢油回收系統實物

圖4　船用側掛式溢油回收系統真油性能試驗

在模擬相對水流速度3 kn條件下，船用側掛式溢油回收系統的回收速率為237 m3/h，回收效率97.396%，從輸油泵排出的油水混合物中過濾得到的垃圾尺寸較小(見圖5)，最大尺寸不超過30 mm，試驗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，具有較好垃圾適應性.

圖5　船用側掛式溢油回收系統垃圾切割試驗

4結 束 語

針對現有船用側掛式溢油回收系統在溢油處置快速性和高效性所存在的問題，提出了其液壓系統設計改進方案、輸油泵設計改進方案、四連桿同步定向機構方案和輸油泵及收油帶智能控制技術，并進行了回收速率、回收效率、垃圾適應性等性能試驗.試驗結果表明，改進的船用側掛式溢油回收系統具有較高的回收速率與回收效率和良好的垃圾適應性，從而驗證了船用側掛式溢油回收系統設計改進方案的有效性和合理性.

參 考 文 獻

[1]劉繼平.關于我國水危機的成因分析與對策建議[J].環境工程,2008,28(4):97-99.

[2]翟俊,何強,肖海文.三峽流域一體化水污染應急管理系統開發及應用[J].土木建筑與環境工程,2010,32(4):128-134.

[3]李智剛,張銀亮,馮迎賓.ROV和潛水員聯合輔助處理深水沉船溢油事故的方法研究[J].環境工程,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液壓控制系統設計與實現方法[J].現代制造技術與裝備,2012(3):1-2.

[6]張德文,張同戌,賈志平.全液壓驅動內河水上溢油高效回收系統[J].水運科學研究,2010(2):18-22.

[7]袁萍,黃婧.30 m級內河雙體浮油回收船船型優化[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，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掃油臂運動學建模[J].山東科技大學學報,2014,33(1):92-97.

[9]韋曉磊.負荷敏感節能技術在集裝箱跨運車上的應用研究[J].港口裝卸,2014(5):20-21.

[10]鄒云飛,寧偉婷,張德文,等.基于CFX的動態斜面式撇油器收油數值仿真[J].計算機仿真,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：U674.91

收稿日期：2016-02-09

鄒云飛(1980- )：男，博士，副研究員，主要研究領域為海洋環境保護、溢油應急處置技術及裝備

*國家發改委海洋工程裝備研發及產業化項目、國家科技支撐計劃項目(2012BAC14B01)資助