船用侧挂式溢油回收系统的设计改进与性能试验*

邹云飞　张德文　陈　磊　张　鹏

(交通运输部水运科学研究院　北京　100088)



船用侧挂式溢油回收系统的设计改进与性能试验*

邹云飞张德文陈磊张鹏

(交通运输部水运科学研究院北京100088)

摘要：船用侧挂式溢油回收系统是大型海上溢油污染事故溢油回收的一种重要工具.针对现有船用侧挂式溢油回收系统在溢油处置快速性和高效性所存在的问题，提出了液压系统设计改进方案、输油泵设计改进方案、四连杆同步定向机构方案和输油泵及收油带智能控制技术，进行了回收速率、回收效率、垃圾适应性等性能试验.试验结果显示，改进后的船用侧挂式溢油回收系统具有较高的回收速率与回收效率和良好的垃圾适应性，验证了船用侧挂式溢油回收系统设计改进方案的有效性和合理性.

关键词：溢油回收系统；液压系统；输油泵；回收速率；回收效率

0引言

随着我国经济的发展，水污染问题也越来越突出，突发性水污染事故已经成为现代社会不可忽略的问题[1-2].20世纪90年代以来，我国把海洋资源开发作为国家发展战略的重要内容.沿海区域经济和海洋经济的快速发展却给近海环境保护造成了巨大压力[3].大连“7·16”溢油事件、墨西哥湾的石油泄漏事件、康菲漏油事件等使海洋溢油问题吸引了全世界的注意力[4].

溢油回收是解决海洋环境污染、原油泄漏的有效方法之一，是原油泄漏回收重复利用的必经途径[5]，而溢油回收系统是溢油回收最主要的设备，其快速性和高效性直接决定了溢油事故应急处置能力.

船用溢油回收系统根据其与船舶的匹配关系和安装位置可分为船用侧挂式和船用内置式[6-7].本文将重点以提高系统溢油回收快速性和高效性为目的，针对现有船用侧挂式溢油回收系统提出了其设计存在的问题和改进方案，并进行相关性能指标试验.

1船用侧挂式溢油回收系统结构

船用侧挂式溢油回收系统一般由撇油器、动力站、导油装置、浮力装置、储油装置、电气控制系统和油管线组等关键部件组成[8].

撇油器由机体、收油带及传动装置、输油泵和垃圾格栅等部件组成；动力站采用电起动柴油机，给撇油器执行机构提供动力驱动；导油装置采用双臂架形式，双臂架分别由两根液压油缸独立驱动，并采用温度压力补偿的调速阀开环同步控制系统保证双臂架同步工作，从而实现双臂架0°～120°开口角度的变化；浮力装置为2个薄板箱型结构的浮桶，设置于撇油器两侧，给撇油器提供浮力；电气控制系统为溢油回收系统的控制中枢，具有远程无线遥控功能；管线组由卷管架、排油软管、液压胶管等组成.

2设计改进方案

2.1液压系统设计改进

根据现有荷兰VOS、美国DIP青岛光明环保技术有限公司的DXS船用侧挂式溢油回收系统显示，随着系统功能的增加，撇油器执行机构数量也随之增多.为保证供给执行机构负载相匹配的压力和流量，有效降低了动力站的设计功率储备，溢油回收系统的液压系统设计为负荷敏感变排量开环系统[9]，可有效降低系统功率损失和发热量，具有较好的节能效果.

由于在溢油回收作业中，动力站布置于船甲板上，撇油器在水面工作，动力站是通过液压管道给执行机构提供动力，执行机构数量的增多直接造成两者之间连接管道数量的增多，且管道分布较为零散.同时也随着系统收油速率的增大，输油管道和液压管道的通流直径和重量随之增大，在系统实际布放作业、及连接动力站与执行机构间的液压管道较为困难，所需操作人员也较多，连接费时，极大地影响了系统布放和安装的快速性.

为解决系统布放和安装的快速性问题，系统可将负荷敏感液压控制阀组设置于撇油器上(见图1a))，动力站与液压控制阀组间只需3条液压管道——进油管、回油管和泄油管，动力站所对应的油口为进油口、回油口和泄油口(见图1b)).将原有的9条液压管道变为3条液压管道，大大降低了操作人员的工作量，提高了溢油处置的快速性.

图1　液压系统的设计改进

2.2输油泵设计改进

海上收油作业条件恶劣，尤其靠近海边水面往往漂浮许多较大块垃圾，由于输油泵泵体与转子的配合间隙较小，一旦垃圾进入到泵体内，会造成输油泵严重堵塞，进而失效.以大连“7·16”溢油事故为例，由于溢油中参杂有大量的漂浮垃圾(芦苇、草袋子等吸油材料)，造成输油泵输油效率急剧降低，乃至无法工作.为解决上述问题，研究设计了可切割大块垃圾输油泵，其在油液入口处设计切刀组，切刀组高速旋转将大块垃圾横切破碎成小颗粒.切刀组可单独工作和控制，在水面有垃圾时，可根据垃圾的种类、尺寸和数量，调节切刀组速度，在水面无垃圾时，可停止切刀组工作，以减小能量消耗.

2.3四连杆同步定向机构

由于荷兰VOS系列双臂架溢油回收系统在实际收油作业中是由钢丝绳牵引拖带双臂架向前回收溢油，由于钢丝绳具有一定的柔性，双臂架在水流不平衡作用下，双臂架会发生转动(见图2a))，撇油器后浮桶会转向船体，与船体接触，从而使其双臂架展开方向与船体不平行(见图2b))，严重影响其收油效果，甚至发生溢油向外侧臂架端部外跑漏问题.

为解决上述问题，撇油器可在船体侧挂一侧设计四连杆同步定向机构，其主要由两组桁架杆和铰轴组成，通过铰轴连接，桁架杆两端与撇油器前后两端铰接，双臂架在液压缸的作用下展开，桁架杆在双臂架的作用下转动，铰轴平动，直至双臂架前浮桶前端和铰轴两者接触至船体侧舷，两接触点连线与船舷平行(见图2c))，撇油器后浮桶不与船舷接触，从而始终保证撇油器的双臂架开口方向与船体航行方向保持平行，有效提高了溢油回收系统的回收效率.

图2　四连杆同步定向机构的方案原理

2.4智能化控制系统

1) 输油泵的智能启停和转速变化撇油器的集油井内适当的位置设置油水界面探测仪，用于监测集油井内油水界面和油膜厚度数据，在输油泵控制程序中设定特定油膜厚度值εt，超过εt，输油泵启动，低于εt，输油泵停止.

由油水界面探测仪的油膜厚度值ε，可微分计算得到油膜厚度增速vy，根据集油井的长Lj和宽Wj，输油泵的最理想状态为输出溢油量Vb(输油泵的回收速率)与集油井溢油量增加速度相等.

根据输油泵驱动为低速大扭矩液压马达，通过调节输油泵驱动液压路的电磁比例换向阀的输入信号，改变液压路的流量，进而改变输油泵驱动液压马达的转速，最终改变输油泵的回收速率，以适应进入撇油器的溢油增速，既得到油膜厚度增速vy与输油泵驱动液压马达转速n的匹配关系为

式中：η为电磁比例换向阀的输入信号与输油泵驱动液压马达转速的关系系数.

所以，智能调节输油泵的转速，控制输油泵的收油速率以适应集油井内油膜厚度的增速.

2) 收油带速度的智能控制通过文献[10]的溢油回收系统撇油器收油数值仿真可知，在水流流速保持恒定时，随着收油带速度的增大，撇油器的收油效果从无明显收油效果到最佳收油效果，再到收油过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时水流速度与收油带线速度匹配曲线.所以，在撇油器垃圾格栅后方，收油带前方或侧挂船舷水下100 mm处安装水流流速计，用于监测撇油器与水流的相对速度，应用文献[10]的研究成果，智能调节收油带的速度.

3性能试验

针对上述船用侧挂式溢油回收系统的设计改进，进行了回收系统在静水条件下的整机真油试验，主要测试了回收系统的回收速率和回收效率等技术指标，同时验证回收系统的垃圾适应性等.船用侧挂式溢油回收系统实物和真油性能试验分别见图3～4.

图3　船用侧挂式溢油回收系统实物

图4　船用侧挂式溢油回收系统真油性能试验

在模拟相对水流速度3 kn条件下，船用侧挂式溢油回收系统的回收速率为237 m3/h，回收效率97.396%，从输油泵排出的油水混合物中过滤得到的垃圾尺寸较小(见图5)，最大尺寸不超过30 mm，试验充分证明了可切割大块垃圾输油泵能够可靠高效的垃圾切碎功能，具有较好垃圾适应性.

图5　船用侧挂式溢油回收系统垃圾切割试验

4结 束 语

针对现有船用侧挂式溢油回收系统在溢油处置快速性和高效性所存在的问题，提出了其液压系统设计改进方案、输油泵设计改进方案、四连杆同步定向机构方案和输油泵及收油带智能控制技术，并进行了回收速率、回收效率、垃圾适应性等性能试验.试验结果表明，改进的船用侧挂式溢油回收系统具有较高的回收速率与回收效率和良好的垃圾适应性，从而验证了船用侧挂式溢油回收系统设计改进方案的有效性和合理性.

参 考 文 献

[1]刘继平.关于我国水危机的成因分析与对策建议[J].环境工程,2008,28(4):97-99.

[2]翟俊,何强,肖海文.三峡流域一体化水污染应急管理系统开发及应用[J].土木建筑与环境工程,2010,32(4):128-134.

[3]李智刚,张银亮,冯迎宾.ROV和潜水员联合辅助处理深水沉船溢油事故的方法研究[J].环境工程,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]王世刚,杨前明,郭建伟,等.船携式海面溢油回收机液压控制系统设计与实现方法[J].现代制造技术与装备,2012(3):1-2.

[6]张德文,张同戌,贾志平.全液压驱动内河水上溢油高效回收系统[J].水运科学研究,2010(2):18-22.

[7]袁萍,黄婧.30 m级内河双体浮油回收船船型优化[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2013,37(6):1217-1221.

[8]杨前明,闫九祥,王世刚.基于D-H位移矩阵法的溢油回收系统扫油臂运动学建模[J].山东科技大学学报,2014,33(1):92-97.

[9]韦晓磊.负荷敏感节能技术在集装箱跨运车上的应用研究[J].港口装卸,2014(5):20-21.

[10]邹云飞,宁伟婷,张德文,等.基于CFX的动态斜面式撇油器收油数值仿真[J].计算机仿真,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

中图法分类号：U674.91

收稿日期：2016-02-09

邹云飞(1980- )：男，博士，副研究员，主要研究领域为海洋环境保护、溢油应急处置技术及装备

*国家发改委海洋工程装备研发及产业化项目、国家科技支撑计划项目(2012BAC14B01)资助