（轮机工程专业论文）港内溢油油膜加厚技术研究.pdf

中文摘要 摘要 随着海上石油开采和运输的发展，各种溢油事故频繁发生，大量的原油或成 品油泄漏于海洋环境中，给当地生态环境带来了灾难性的破坏。因此，在溢油事 故发生后，及时采取有效措施来清除海上溢油对保护海洋环境是十分必要的。 目前，针对海上溢油的处理措施主要有物理方法、生物方法和化学方法。在这 些方法中，机械回收由于既实现了保护海洋环境又回收了宝贵的石油资源，因而， 是目前应用最为广泛的溢油处理技术。然而，机械回收也有其局限性，其一是受 环境及海况的影响较大，另一方面就是针对薄油膜存在回收效率低下的问题。 本文主要是针对机械回收在进行港内溢油回收时对于港内薄油膜存在回收效 率低下的问题，提出了一种港内溢油油膜加厚处理技术，以便于撇油器能够进行 高效回收水面溢油。具体主要完成了如下工作： 一是围绕所提出的油膜加厚理念设计了一套围油栏卷绕回收装置：二是针对 现有充气式围油栏充气阀存在需人工排气的不足，对其充气阀进行了改进，使其 具有定压排气的功能，并进行了卷绕试验，试验结果表明：改进后卷绕回收围油栏 的速度大为提高；三是应用功率键合图理论对所设计的围油栏卷绕回收装置的液 压系统进行了建模仿真分析，以验证选型的正确性，并为后续的控制提供先验基 础；四是为了实现能快速卷绕回收围油栏来缩小围控面积，同时保证在加厚水面 油膜时围油栏不发生失效，本文对围油栏回收装置的卷绕线速度利用模糊p i d 算 法进行了控制，并进行了仿真研究，结果表明所选用的控制算法能很好地实现相 应的控制要求。 关键词：溢油；围油栏；油膜；液压系统；模糊p i d 控制 英文摘要 r e s e a r c ho nt h et e c h n o l o g yo f t h i c k e n i n go i ls l i c ki nt h ep o r t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f o f f s h o r eo i lp r o d u c t i o na n dt r a n s p o r t a t i o n , t h ea c c i d e n to f o i is p i l lh a p p e n sf r e q u e n t l yw h i c hl e a d st oq u a n t i t yo f o i ll e a k si n t ot h es e ae n v i r o n m e n t a n db r i n g sc a t a s t r o p h i cd e s t r o yt ol o c a le c o l o g i c a lc o n d i t i o n 1 1 l e r e f o 愆i no r d e rt o p r o t e c tt h em e e n v i r o n m e n t , i ti sn e c e s s a r yt ot a k ee f f e c t i v em e a s u r e st 0c l e a rt h e s p i l to i li nt h es e ai m m e d i a t e l ya f t e rt h eo i ls p i l l i n c e n ty e a r s ，t h e r ea r cp h y s i c a l m e t h o d s ，b i o l o g i c a lm e t h o d sa n dc h e m i c a l m e t h o d si nd e a l i n gw i t ht h es p i l to i l i nt h es e a a m o n gt h e s em e t h o d s ，m e c h a n i c a l r e c o v e r ym e t h o dc a l ln o to n l yc l e a rt h eo i la n dp r o t e c tt h es e ae n v i r o n m e n tb u ta l s o r e c o v e rt h ev a l u a b l ep e t r o l e u mr e s o u r c ea n d a c c o r d i n g l yb e c o m e st h em o s tw i d e l yu s e d t e c h n o l o g yi nd e a l i n gw i t ht h es p i l to i i h o w e v e r , t h em e c h a n i c a lr e c o v e r yt e c h n o l o g y a l s oh a sl i m i t a t i o n s ：o n ei st h a tt h er e c o v e r ye f f e c ti sa f f e c t e db yt h ew e a t h e ra n ds e a c o n d i t i o n , t h eo t h e ri st h a tt h el o we f f i c i e n c yo f d e a l i n gw i t ht h i no i ls l i c ki sl o w t h i st h e s i sp n 招an e w t e c h n o l o g ya b o u tt h i c k e n i n gt h eo i ls l i c ki nt h ep o r tt o s o l v et h el o we f f i c i e n c yo f t h em e c h a n i c a lr e c o v e r yt e c h n o l o g yw h e nd e a lw i t ht h i no i l s l i c ki nt h ep o r ta n dm a k es u r et h es k i m m e rc a r lr e c o v e rt h es p i l to i lm o r ee f f e c t i v e l y 1 1 1 et h e s i sm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gw o r k ：f i r s t l y , d e s i g n sa no i lb o o mw i n d i n g d e v i c ea c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a lc o n c e p to f t h i c k e n i n gt h eo i ls l i c k s e c o n d l y , i m p r o v e s t h ea i ro u t l e tv a l v eo ft h ee x i s t i n gi n f l a t a b l eb o o ms ot h a ti tc a nd i s c h a r g et h ea i r a u t o m a t i c a l l ya ts e t t i n gp r e s s u r e t h et r i a ls h o w st h a tt h ew i n d i n gv e l o c i t yo f t h eb o o m h a sb e e no b v i o u s l ya d v a n c e d t h i r d l y , m o d e l st h eh y d r a u l i cs y s t e mo ft h ed e v i c ew i m p o w e rb o n dg r a p ht h e o r ya n ds i m u l a t e st h em o d e lt oc h e c kt h er a t i o n a l i t yo f t h es y s t e m d e s i g n f i n a l l y , d e s i g n sac o n t r o l l e ru s i n gt h ef u z z yp i dc o n t r o la r i t h m e t i ct oa c h i e v e t h ep u r p o s eo fw r a p p i n gt h eb o o ma tc o n s t a n ts p e e da sf a s ta sp o s s i b l ea n d a c c o r d i n g l y d e c r e a s et h ee n c l o s e da r e as ot h a tt h eo i is l i c k0 1 1t h ew a t e rc a nb et i f f c k e n e dw i t h o m b o o mf a i l u r e 1 f l 峙s i m u l a t i o no fc o n t r o lp r o c e s si sa l s oc a r r i e do u ta n dt h er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ef u z z yp i dc a na t t a i nb e t t e rc o n t r o le f f e c tf o rt h es y s t e m k e yw o r d s ：o i ls p i l l ；o i lb o o m ；o i ls l i c k ；h y d r a u l i cs y s t e m ；f u z z yp i dc o n t 抛l 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士顾士学位论文：渣凼鲎迪油熊加厘拉盔班究：。除论文中已经注明 引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未 公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。， 论文作者签名榭力7 年垆z 娟 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于： 保密口 不保密函( 请在以上方框内打“一) 善翥燃剔程日期：了岬年孑月瑶佃 港内溢油油膜加厚技术研究 第1 章绪论 1 1 课题的来源和提出 本学位论文得到了大连市经委及相关企业的资助，是项目“围栏式水面油污 清除装置研发”的一个组成部分。 溢油是指排入海洋环境或河流中的油类。o p r c 公约对油的定义是指任何种 类的石油，包括原油、燃料油、油泥、油渣及石油炼制产品。通常所说的溢油主 要是指原油及其炼制品，并不包括动物油和植物油【1 1 。随着石油工业和海上油运 的发展，大量的原油或成品油泄漏于陆地或水环境中，给当地生态环境、生产和 生活带来了灾难性的破坏。这其中又以海上溢油事故发生得最多、破坏作用最大、 处理起来也最困难。通常一吨石油在海上所形成的油膜可覆盖1 2 k m 2 范围的海水 表面【2 】，由此形成的大面积油膜将阻隔正常的海气交换过程，使气候发生异常， 影响食物链的循环，这不仅破坏了海洋生态平衡，而且也浪费了宝贵的石油资源。 世界范围内的石油开采和储运规模日益增大，随之也带来了溢油事故的频繁 发生。例如，1 9 8 9 年3 月2 4 日，埃克森石油公司的“瓦尔迪兹号”油轮在阿拉 斯加威廉王子海湾搁浅后发生了溢油事故，排放了3 8 万吨原油，使数千公里海岸 线布满了石油，对当地的海洋生态环境造成了大范围的严重影响【3 】。2 0 0 2 年1 0 月1 3 日，发生在西班牙海岸的“威望号”大规模溢油事故，致使3 万吨左右的燃 油溢出到海面上，由于当时天气恶劣不能及时围控，致使大量溢油被冲上岸，并 导致西班牙北部5 0 0 公里的海岸上有1 7 9 个海滩遭到重度污染，l 万多只海鸟死亡， 沿海4 0 0 0 多名渔民因渔业资源受到污染而不能下海捕鱼，经济损失达4 亿美元之 多，丽清除污染的费用更是达到了l o 亿美元之巨。这次燃油泄漏事件堪称世界上 有史以来最严重的生态灾难之一。 随着我国经济的持续快速增长，国际日】的贸易日益增多，海上运输业务日益 繁忙，我国海域内的溢油事故也频繁发生，如：1 9 9 9 年3 月2 4 日的珠海溢油事 故，“闽燃供2 ”号油轮与“东海2 0 9 ”号油轮在珠江口水域相撞，溢油6 0 0 吨， 乌黑的油带绵延3 0 0 多平方公里，致使1 4 万公顷水产养殖场受到污染损害，3 5 第1 章绪论 公顷红树林受到严重危害，濒l 临死亡。2 0 0 4 年1 2 7 事故，德国籍“地中海伊伦 娜”轮与巴拿马籍集装箱船“现代促进”轮在珠江口发生碰撞事故，造成溢油 1 2 6 8 吨，给珠江口海域造成了严重污染；另外，根据2 0 0 4 年和2 0 0 5 年中国海洋 灾害公报，2 0 0 4 年我国海域共发生溢油事故5 起，其中发生在珠江1 ：3 的一起是我 国近年来最大的一起海洋溢油污染事故。在2 0 0 5 年，我国近海又发生了1 6 次小型 的溢油事故。因此，目前我国海域的溢油防治形势极为严峻。 事实表明，多数溢油事故均发生在近海或港区海域，而对于港区水域而言， 海水相对平稳，海水置换速度较慢。所以，发生溢油事故后，很难在短时间内消 除污染影响，有的甚至几十年内都难以恢复正常。在这样的海域，溢油事故的预 防和污染应急反应意义尤其重大，因为一旦发生大型溢油事故，对港区水产养殖 业、旅游业和生态环境都将带来毁灭性的打击。 鉴于港内溢油危害的严重性及其特点，在对现有溢油治理技术调研的基础上， 为提高现有溢油机械回收技术的回收性能，本文提出了一种港内溢油油膜加厚技 术，即对现有的围油栏的功能进行扩展，加强对围油栏的操作，实现港内溢油的 封闭围控和油膜的可控加厚，进而将加厚的油膜运用撇油器进行高效回收。 1 2 溢油治理技术综述 为了减轻溢油对海洋环境的危害，在海上溢油事故发生后需要立即采取有效 的技术手段对溢油进行处理。目前，海洋溢油的治理方法按其性质可分为三种： 生物方法、化学方法和物理方法。 1 2 1 生物方法 生物处理法m 】处理溢油的基本原理就是利用微生物来加速降解和分解污染 油中的石油烃，使之转化为无毒或低毒的物质，从而减少对环境造成的危害。生物 技术处理水面溢油主要有菌种法和营养剂法两种。菌种法就是向溢油区域加入具 有高效降解能力的微生物，主要采用超级菌和混合菌群两种方式。营养剂法就是 向海水中添加一定量的能同油膜漂浮在一起亲油性的长效肥料，来补充微生物的 营养，促进微生物的降解。7 0 年代初，美国率先开展了用细菌消除海上油污染的 2 港内溢油油膜加厚技术研究 研究。生物治理溢油最成功的例子就是清除阿拉斯加“e x x o nv a l d e z 号油轮泄漏 造成的海岸石油污染，使得近百里海岸的环境质量获得极大改善，同时也开创了 生物修复海洋石油污染的先河。 生物处理法同物理法和化学法相比较，具有费用低、效率高、安全性好，而 且所能处理的污染物具有阈值低、残留少、无二次污染等优点，特别是对机械装 置无法清除的薄油层，同时又限制使用化学药剂时，更显示出其无可比拟的优越 性，但同时生物处理法也存在很大缺点：一旦出现大规模的溢油或是油层比较厚 时，营养和氧气供应不足，抑制细菌的生长，处理过程过于漫长；另外，由于超 级工程菌的使用尚处于由基础研究进入实用研究阶段的过渡期，而实际应用中还 会有许多问题要解决，因而，该方法尚处于起步阶段，目前还无法全面实际应用 该项技术。 1 2 2 化学方法 ( 1 ) 燃烧法 燃烧法【刀就是在浮油中加燃烧剂点燃，使其燃烧，直至油被燃烧完全的一种 处理海面溢油的方法。 燃烧法处理溢油的关键问题是焚烧的可行性和安全性问题，对于可行性而言， 焚烧的技术要求不高，目前国外已经开发出安全有效的点火技术，为避免油层向 水下散失过多的热量，只要保持油膜有2 - 3 r a m 的厚度，焚烧就可以进行。a l l e n 等人 通过试验得出燃烧技术应用的条件为：风速不超过3 7 k m h ，海况不超过三级，相 对于围油栏的流速不超过0 7 5 k n ，溢油中的水含量不超过2 5 。另外，溢油的乳 化对焚烧会产生不利影响，最好是在溢油后尽可能短的时间内焚烧。因此在发生 溢油事故后及时用围栏将溢油围住进行焚烧尤为重要。 溢油的现场焚烧方法由于其清除溢油成本低，清除率高( 油膜控制适当可达 9 5 ，甚至更高) ，耗时少，因而是在短时间内清除大量溢油的有效手段。虽然燃烧 法处理海面溢油有其自身的优点，但是此方法不但白白烧掉了宝贵的能源，而且容 易造成大气污染和热污染，石油的不完全燃烧会放出浓烟，其中包括大量芳香烃， 它们也会污染海洋和大气，且在港区及近岸使用危害更大，因此该法多用于外海海 第l 章绪论 域水面溢油的处理。 ( 2 ) 化学处理剂法 化学处理剂法【8 , g j 是指用化学处理剂改变海水中溢油的存在形式，使其凝结为 油块以便于机械装置回收或将其乳化分散到海水中让其自然消除。本法多用于恶 劣海况和气象条件下大面积溢油的清除。化学处理剂主要包括乳化分散剂、凝油 剂和集油剂。 乳化分散剂 乳化分散剂又称消油剂，是目前应用最广泛的化学处理剂，适于0 0 5 c m 以下 厚度油膜，其工作原理是将油粒分散成几微米大的小油滴，使其易于和海水充分混 合并利于海水中的化学降解和生物降解的发生，从而达到除油的目的。乳化分散剂 包括两部分：一部分是界面活性剂，其作用是促进油乳化形成o w 型乳化液，并分 布在油滴界面，防止小油滴重新结合或吸附到其他物质上：另一部分是溶剂，其作 用是溶解活性剂并降低石油粘度，加速活性剂与石油的融合。活性剂主要为非离子 型( 常用脂肪酸、聚氟乙烯酯、失水山梨醣醇) ，这些物质毒性低，不易形成二次污 染。 乳化分散剂处理溢油的优点是：从水的表面除去油，使油膜无法重新形成，从 而不去粘附船舶、礁石和海上建筑物；若在适当场合下首选使用，可减少烃类扩散， 减少爆炸和火灾危险，并可使低分子量烃类从油的飞沫中溶解到水的连续相中，再 随潮汐和水混合流动，经历物理、化学、生物变化而自然消失。该方法的缺点是： 使用化学消油剂会造成海洋生态环境的二次污染，虽然第三代消油剂的毒性很低， 但它危害海洋生物的阴影却总是挥之不去。另外，消油剂的使用受时间和地点的 限制，在处理海面溢油时，消油剂的使用必须做到不误时机，抢在溢油发生后2 小 时内到位。对于沿海或港湾等水域存在水交换不理想，风浪不够大等问题，影响到 消油剂作用的发挥。同时使用消油剂费用昂贵，加之消油剂应用时操作复杂，操 作人员必须有熟练的技术，未经训练的人员很难胜任等问题。利用消油剂处理溢油 的优势在于其适合于外海及开阔水域那些水的交换条件比较好的环境，是恶劣条 件下的首选，但有些表面活性剂对微生物有毒，且由于油的分散，扩大了环境的影 4 港内溢油油膜加厚技术研究 响面，带来负生物效应。此外，分散的油还可能会重新聚结而浮至水面。因此美 国环保局规定：除在着火和紧急情况下，不允许使用消油分散剂。我国相关法律 法规也严格限制化学消油剂的使用。目前，它只是处理溢油的辅助方法。 凝油剂 凝油剂可使油凝成粘稠物直至油块或本身可吸油形成一种易于回收的凝聚物 的物质，凝油剂适于处理厚度为o 0 5 0 3 c m 的油膜。凝油剂的工作原理依其品种不 同而各不相同，如山梨醣醇衍生物类凝油剂对油有先富集再成胶的作用，对轻质 油、薄油层均有效，毒性也低；而天然酯类凝油剂撒在油膜上后形成的油包水乳状 液粘度高，可用机械方法除去。我国从9 0 年代后期才将溢油凝油剂的研究列入国 家级研究项目，目前，大连理工大学李忠义【螂研制的氨基酸型凝油剂、中山大学 唐仕昆研制的山梨醣醇型凝油剂，青岛海洋大学陈国华等系统研究并合成了聚 乙烯醇型、大豆蛋白及淀粉系列凝油剂【12 1 3 】，但这些凝油剂离实际应用都还有一 段距离。采用凝油剂的优点是毒性低，溢油可回收，不受风浪流影响，能有效防止油 扩散，配合使用围油栏和回收装置可提高他们处理溢油的效率。 集油剂 集油剂是一种防止油扩散的界面活性剂，相当于化学围油栏，工作原理是其所 含的表面活性成分可大大降低水的表面能，改变水、油、空气三相界面张力平衡， 驱使油膜变厚，从而达到控制油膜扩散的作用。由于集油剂对薄油层起到先汇聚后 抑制扩散的作用，并且随着油膜厚度增加其效果下降，因此添加集油剂以后应及时 利用机械方法加以回收。目前青岛海洋大学的陈国华等多家研究机构和小组对集 油剂的应用进行了研究【1 4 1 ，并有专利商品出售。该种方法的缺点是集油剂在风速 2 m s 的情况下，使用效果较差。通常应于外海有一定困难，对含水5 0 以上的 油包水乳块，集油效果不好，特别是粘质油，当含水5 0 以上时，不会起任何聚 集作用。 1 2 3 物理方法 物理法是借助于物理方法和机械装置，消除海面和海岸油污的方法。该方法 主要分为吸油法和机械法两种。物理法【”堤目前国内外处理溢油的主要方法，该 第1 章绪论 方法特别适用于较厚油层的回收处理。利用物理方法和机械装置消除海面和海岸 带的油污染是目前最有效的办法。但是该方法的缺点是受海面风浪、油类粘度等 因素的影响较大。 ( 1 ) 吸附法 吸附法就是使用亲油性的吸油材料，使溢油被粘在其表面而被吸附回收的一 种处理水面溢油的方法，制作吸油材料的原料有高分子材料( 聚乙烯、聚丙烯、聚 酯等) ，无机材料( 硅藻土、珍珠岩、浮石和膨润土等) 和纤维( 稻草、麦杆、木屑、 草灰、芦苇等) 。该方法只适用于浅水水域的少量浮油和栈桥码头，而且由于材料 费用高，加之还要处置吸附了油的材料，因而增加了处理费用。因此，该法通常 只做浮油清除工作的补充手段。 ( 2 ) 磁性分离法 磁性分离法是利用一种亲油憎水的磁性微粒，该种磁性微粒是一种溶于石油 而不溶于水的特殊磁性“液体”( 如粉末状f e d 。3 ) 。“液体”微粒是由如人发直径千 分之一那样小的磁铁微粒构成的。当将它撒播在被污染海域后，微粒便迅速地溶于 油中而使油呈磁性并被磁化，然后当“液体”在水表面雾化后，漂浮的石油就会 被磁铁吸住而移去。该方法目前并未被广泛应用在实际溢油的处理过程中。关于 该类方法的研究，目前中科院电工研究所正在研制一种电磁流体海洋溢油回收新 技术【l q ，从2 0 0 1 年开始进行电磁流体分离回收海面溢油技术的理论及原理性试 验研究，目前已完成了原理性试验。其原理是基于海水与油或化工原料具有不同 的导电特性；海水和浮油的混合物进入一个具有磁场和电场相互作用的分离装置， 由于海水导电，将受到一个电磁力( 洛仑兹力) 的作用而运动，油不导电，将不受电 磁力的作用，两者产生不同的运动状态而“分道扬镳”。通过这种电磁流体动力过 程，将溢油从海水中分离和回收。该技术可应用于海洋轮船和油井事故溢油( 包括 化工原料) 的污染处理，海港码头油污染的处理等。它具有以下特点：与现有技术 不同，无须向海水中投入任何亲油的或磁性的其它物质，分离回收过程同时进行， 无须后处理；特别适合现有技术难以回收的轻质油和化工原料的分离回收；回收 比较彻底，回收油的含水率低，对海洋环境影响小，但该方法投入到实际应用中 6 港内溢油油膜加厚技术研究 还要有较长的路要走。 ( 3 ) 机械法 机械法是在溢油事故发生后，先用围油栏围控溢油以阻止其继续扩散和漂移， 防止污染海域面积扩大，并使海面的浮油层加厚，然后再应用各种机械装置对水 面漂浮溢油进行回收的处理方法。该方法主要是利用围油栏、溢油回收船和撇油 器等设备来回收水面的浮油，是目前溢油治理最基本的方法之一。 由于采用机械方法清除溢油不但不会造成环境污染，而且有利于溢油的回 收利用，因此世界上许多国家都在进行这方面的研究。针对俄国”n a k h o d k a ”号 油轮在日本海域发生的溢油事故，1 9 9 8 年日本船工业结构革新协会( a s i s ) 发起 了针对恶劣海洋条件回收溢油系统的三年r & d 计划。日本s o n o 等人研制了在 恶劣天气条件下的筏式溢油回收装置 1 7 】。该装置包含了溢油回收、油水分离等 功能，具有良好的抗风浪能力和高粘度原油回收能力。该装置的不足之处在于 外形尺寸较大，类似于小型船筏，造价成本太高。日本e k o h a y a s h i 等人对同 样条件的围油栏及其回收系统进行了开发【1 8 】，该系统的目标是针对最高浪峰为 6 m 的恶劣海洋条件下的围油作业，围油栏高度为3 m ，但该围油栏系统操作复杂 并且成本昂贵。t k i h a r a 等人提出月牙形水池类船只与溢油回收装置的有机结 合【l 蝴是解决在恶劣海洋条件下海上回收高粘性原油的有效方法，并设计了相应 的海上溢油回收船。瑞典斯蒂格伦斯贝克发明了用于水上漂浮污染物( 特别是 溢油) 的回收、分离的方法和装置，该装置通过撇污堰、分离带区、可逆水泵等 实现油水分离，工作时采用3 个浮体将装置漂浮在海面上，特别适用于水上较 薄污油的回收处理，该装置的缺点是不适合恶劣海洋条件下的高粘性原油回收。 法国s a l a hd j e l o u a h 等人发明了利用漩涡原理来回收海上溢油的方法和装置， 该装置采用一个漩涡生成器使溢油流入集油嘴，从而将溢油吸入储油箱中，该 装置的创新之处在于巧妙地采用了漩涡原理，提高了溢油回收的效果，不足之 处是只适用于平静水面的溢油回收。德国柏林技术大学的c l a u s sg f 等人对新 一代海上溢油装置的设计标准进行了研究，针对目前溢油回收装置的优缺点， 提出了对溢油回收装置增加可操作性和有效性的设计理念。 7 第l 章绪论 在我国，青岛华海环保工业有限公司成功研究了一种斜带沉浮式收油机，是 国内最新开发的新型水域溢油回收处理设备，它采用溢油“沉一浮一聚集”先进 原理和“斜带拖动、导流拖油和输送泵自控输送溢油”特殊结构，具有使溢油回 收粘度范围广、海况适应性强、溢油回收效率高、溢油处理彻底率高，结构紧凑， 控制操作方便等优点。青岛光明应用技术研究所开发的水面溢油回收系统包括围 油装置和收油装置，在浮油回收方面取得了较好的效果。卓诚裕研制出一种抽汲 式浮油回收装置( 专利号n8 8 2 1 7 4 6 8 0 ) ，利用油水分离器所配的泵，通过浮油回 收器，将油、水混合液送入高效油水分离器进行分离。上海海事大学董伟、杨永 生等人把仿生机械学的原理应用到溢油回收装置的设计当中，仿照天然水母的外 部形态和内部结构原理设计出了用于溢油回收的人工水母模型【2 0 】。在理论研究方 面，北京化工大学的张政等人【2 1 捌对围油栏的失效过程进行了仿真模拟等方面的 研究，运用f l u e n t 软件数值模拟了k e l v i n - h e l m h o t z 波的不稳定性，并于近年提 出许多新型的网栅组合结构，能将临界失效速度提高到2 o m s 以上。 z h u s o n g p i n g 等田j 应用势流理论建立了浮体围油栏围控溢油的模型，并研究了围 油栏失效的临界条件。 总的来说，机械回收技术基本可以将溢油从海洋环境中清除，因为其既可以 实现溢油的治理，使海洋生态环境免遭破坏，又可以回收大量的宝贵石油资源， 故而，机械回收技术是目前应用最普遍、最广泛的溢油治理技术。但是机械回收 技术也还存在一些局限，其一是机械回收受到气象及海况条件影响较大，另外一 个就是回收过程中油膜厚度不足而引起的回收效率低下的问题。 1 3 论文研究的主要内容 本文主要是在调研现有的溢油回收技术的基础上，针对现有机械法在处理港 内溢油时存在对薄油膜回收困难、效率低下的现状，提出了一种港内溢油回收的 油膜加厚技术，即首先用围油栏封闭围控溢油，然后通过卷绕围油栏不断缩小溢油 的围控面积来加厚油膜，以利于溢油的高效回收。并围绕这一技术理念进行了以下 几方面的研究工作： 8 港内溢油油膜加厚技术研究 ( 1 ) 对现有的充气式围油栏充气阀进行了改造，使其具有定压排气的功能， 从而有利于提高围油栏的卷绕回收速度； ( 2 ) 设计了一套围油栏卷绕回收装置： ( 3 ) 对卷绕装置的液压系统应用功率键合图理论建立了系统的数学模型，并 进行了仿真研究； ( 4 ) 研究了卷绕装置阀控马达系统的控制问题，利用模糊控制理论设计了模 糊p i d 控制器，使其能实现对围油栏的定线速度卷绕回收，以实现在保证卷绕围 油栏过程中能快速卷绕而又不发生失效的功能。 9 第2 章港内溢油油膜加厚的技术实现 第2 章港内溢油油膜加厚的技术实现 针对目前港内溢油围控中存在的油膜厚度不足导致回收效率低下的问题，本 章首先提出了一种油膜厚度可控加厚的技术理念，接着介绍了目前在溢油应急响 应过程中围油栏的应用情况，对围油栏的结构、作用、布放形式及失效形式进行 了详细阐述，并针对目前的充气式围油栏充气阀存在需人工排气的不足对其进行 了改进，使其具有定压排气的功能，以达到提高卷绕速度的目的。最后，对围油 栏卷绕装置进行了机械设计。 2 1 港内溢油封闭围控和油膜可控加厚技术介绍 2 1 1 溢油油膜加厚技术的提出 溢油事故发生后，首先要采用围油栏进行围控，阻止溢油污染面积的扩大， 现在围油栏的主要功能是阻拦和导流水面溢油，但通常围油栏围控范围内的油膜 厚度很低，若溢油扩散开后再进行围控，效果将更差。在港内发生溢油事故后， 溢油会迅速地扩散和漂移，在水面上形成厚度很小的油膜。在这种情况下，如果 直接采用回收装置或粘附材料进行回收，回收效率会很低。有鉴于此，我们在对 近期国内外一些典型溢油事故回收处理方法进行调研的基础上，提出了一种港内 溢油围控、油膜加厚技术刚。 2 1 2 溢油油膜加厚技术的原理 港内溢油封闭围控和油膜可控加厚技术，即加强对围油栏的应用，将以前只 是用来围控和导流溢油的围油栏进行功能扩展，布放一定长度的围油栏使其在海 面上形成一个封闭的围控面积( 如图2 1 ) ，然后通过卷绕围油栏缩小围控面积来 加厚围控区域内的油膜，这样可以使撇油器能一直在适宜的油膜厚度下高效工作， 并保证在卷绕回收围油栏过程中围油栏与水流的相对运动的速度小于临界失效速 度且基本保持恒定，以防止围油栏发生失效进而导致所围控的溢油发生泄漏。由 于港内水面相对平静，围油栏失效的可能性较小，所以可以很好地发挥其滞油功 能。 1 0 港内溢油油膜加厚技术研究 图2 1 卷绕回收围油栏示意图 f i g2 , 1s c h e m a t i co f t h eo i lb o o mw i n d i n g 卜浮体2 一卷绕滚筒3 一撇油器4 - 围油栏 为了对水中围油栏进行回收，达到缩小围控面积的目的，我们设计出了适用 于港内回收围油栏的机械装置，如图2 2 所示，该装置主要由低速大扭矩液压马 达5 、挤压滚轮2 、固定架3 、密封组件4 以及图2 1 中的卷绕滚筒2 等部件组成， 装置采用功率较大的液压传动系统驱动。 图2 2 卷绕装置结构图 f i g2 2s t r u c t u r ec h a r to f t h ew i n d i n gd e v i c e 卜浮体2 一挤压滚轮3 一固定架 4 一密封组件5 一液压马达6 - 密封箱 第2 章港内溢油油膜加厚的技术实现 在具体围控溢油时，首先使用拖船牵拉围油栏形成围控区域，对水面溢油实 现封堵，当水面油膜面积过大，围油栏的长度不足以将整个油膜包围时，可以采 用两船进行u 形拖带围油栏，将水面油膜聚集起来，并将油膜拖带到岸边，然后 将围油栏的一端固定在围油栏卷绕回收装置上，另一端固定在卷筒的滚轮上。通 过卷筒上可以拆卸的滚轮来卷绕回收围油栏。工作时，卷筒旋转开始卷绕围油栏， 围油栏被牵拉通过两个圆形滚筒中间部位，由于两个滚轮的间距小于围油栏的技 术直径，所以在通过时气室受到挤压，室内压力升高，当压力达到充气阀的设定 压力值时，充气阀打开，气室内的空气排出，则围油栏可以顺利地被卷绕到滚轮 上。 在保证围油栏不发生携带逃逸失效的前提下，逐渐缩小围控区域的面积以达 到加厚油膜的目的。当滚轮被卷满时，可以打开上面的滚轮固定装置，用吊车将 滚轮吊走，装上新的滚轮继续对围油栏进行卷绕回收，在与溢油回收处理手段相 配合的基础上，保证在围油栏卷绕回收完毕时，被围控的溢油恰好处理完毕( 详细 过程见附录) 。 2 2 围油栏的改造 2 2 1 围油栏的简介 油溢到水面后，在自身重力、风和流以及其它因素作用下会迅速扩散和飘移。 因此，溢油应急反应的首要任务是尽快采取有效措施，控制溢油，阻止其进一步 扩散和飘移，以减少水域污染范围，减轻污染损害程度。这种将溢油控制在较小 范围并阻止其进一步扩散和飘移所采取的措施称为溢油围控。而在溢油围控过程 中，所采用的主要围控设备就是围油栏。 2 2 2 围油栏的基本结构 围油栏是一种物理型的防油污设备，是处理港湾或海上溢油的重要工具。它也 是防止溢油扩散，缩小溢油面积，配合溢油回收装置等设备清除、回收海上溢油或 使溢油偏离敏感地区的有效工列矧。另外，在炼油厂、码头、海上油田、锚地、 水生物养殖场及海滨浴场等处设置围油栏，作为预防和常用设备，对防止石油污染， 港内溢油油膜加厚技术研究 保护水上交通和水生物具有重要作用。 根据围油栏标准跚，围油栏主要分为以下几种：固体浮子式围油栏、栅 栏式围油栏、外张力式围油栏、充气式围油栏、岸滩围油栏以及防火围油栏等。 图2 3 围油栏结构简图 f i g - 2 3 s c h e n l a t i co f o i lb o o ms t r u c m r e 卜接头板2 一张力带3 一气室 4 一配重链5 一充气阀6 一本体 尽管围油栏种类很多，形式多样，但其基本结构大体相同，如图2 3 所示， 主要由浮体、裙体、张力带、配重和接头组成。浮体主要为围油栏提供浮力，裙 体在围油栏下部，以阻止或减少油从围油栏底部逃逸。张力带为承受施加在围油 栏上的水平拉力的构件，配重的作用是保持围油栏在水中的直立性。接头主要用 来将多段围油栏连成一体或用于一段围油栏的端点固定。 围油栏的主要性能指标有干舷、吃水、总高度、浮重比、抗拉强度。干舷是 指围油栏水线上的最小垂直高度，用于防止或减少溢油从围油栏上方溅过。吃水 为围油栏水线以下表层的最小垂直深度。总高度为围油栏的最大垂直高度。浮重 比为围油栏的总浮力和总重量之比，为保证围油栏具有很好的随波性，剩余浮力 要达到围油栏总重量的8 倍以上，抗拉强度为围油栏在受拉破断时的拉力。另外， 围油栏的使用水域分为平静水域、平静急流水域、遮蔽水域和开阔水域四种，各 种水域的环境不同，对围油栏的性能要求也不同，在应用围油栏时，要根据应用 水域环境的不同来确定围油栏的性能参数。 第2 章港内溢油油膜加厚的技术实现 2 2 3 围油栏的作用 围油栏的作用是将溢于水面的油围堵在一定的范围内，同时将水面上较薄的 油层收集、集中到一个地点，便于人力或机械设备加以回收。围油栏的具体作用 主要有3 种：溢油围控和集中、溢油导流和防止潜在溢油。 ( 1 ) 溢油围控和集中 当在开阔水域、近岸水域或港口发生溢油时，布放围油栏能将溢油围控或集 中到一个较小的区域内，这样既可以防止溢油扩散，也可以增加油膜的厚度，便 于回收或进行其它处理。 ( 2 ) 溢油导流 在河流或近岸流急区域，发生溢油难以回收，或为防止溢油进入敏感区域， 长期固定布放或临时布放的围油栏可将溢油导向容易回收的区域或非敏感资源区 域。 ( 3 ) 防止潜在溢油 防止潜在溢油通常是指在有发生溢油事故风险的地方，提前布放好围油栏， 一旦发生溢油，可起到防止溢油扩散的作用，便于采取回收措施。如船舶在码头 装卸油类或在锚地进行油类过驳，都要提前布放围油栏；另外，对有潜在溢油风 险的搁浅、沉没的船舶，也要进行围控。 2 2 4 围油栏的布放形式 在机械法治理海上溢油过程中，围油栏的主要作用是溢油的围控和集中，通 常有三种典型的围控布放形式：v 形布放( 单侧拖带和双侧拖带) 、j 形布放和u 形 布放。 ( 1 ) v 形布放形式 v 形布放形式需要溢油回收船、外伸托梁、围油栏或连有撇油器的围油栏等 设备。外伸托梁的长度根据回收船的大小选择，一般为5 - 1 5 m 。单船拖带有单侧 拖带( 从船舶一侧伸出托梁) 和双侧拖带( 从船舶两侧伸出托梁) ，图2 4 为单侧拖 带示意图。单船拖带在行进中围油栏的形状通常呈现v 形，收集的浮油会聚集在 v 形的尖顶处。将围油栏分别与船舶和伸臂的顶端连接，v 形一侧围油栏的长度 1 4 港内溢油油膜加厚技术研究 通常为l o - 5 0 m 不等，主要取决于船舶的大小。溢油回收设备通常放在v 形的底 部，便于回收积聚在那里的溢油。采用双侧拖带时，清除面积加倍，而且船舶两 边受力相同，操作容易，但是成功的两侧操作需要大量的设备和甲板空间。 ( 2 ) j 形布放形式 两船布放围油栏通常以j 形布放，也称为j 形拖带。如图2 5 所示。这种布 放形式需要两艘船，一艘作为主拖船，用于存放围油栏和回收设备；一艘作为拖 船，拖带围油栏。从主拖船至j 形底部之间围油栏的长度为2 0 一4 0 m ，溢油会在j 形的底部积聚。围油栏要紧靠在主拖船一侧( 1 0 2 0 m ) ，便于操作溢油回收设备。为 了形成一个尖点，需要一条横向缆绳系统连接主拖船和围油栏。在操作中绳长可以 调整以使尖点在理想位置形成。通常围油栏的长度为1 0 0 4 0 0 米，如果围油栏较 长，拖船就很难保持理想位置，整个系统的效率将降低很多。 图2 4v 形布放简图 f i g2 4vc o n f i g u r a t i o n 图2 5j 形布放简图 f i g2 5jc o n f i g u r a t i o n ( 3 ) u 形布放形式 使用两艘拖船拖带围油栏并列行进，如图2 6 所示，在行进中逐渐将溢 油聚集在u 形的底部。在实现u 形拖带时，围油栏的长度一般需要6 0 0 m 左右。 与j 形拖带相比，两艘拖船并行更容易保证正确的位置。 ( 4 ) 开口u 形布放形式 开口u 形围控是由u 形围控进一步发展而成。如图2 7 所示，两段围油 栏在开口处分别向两侧伸展3 - l o m ，形成一个漏斗，利用绳索调整u 形底部， 第2 章港内溢油油膜加厚的技术实现 使其开口宽度为5 - l o m ，两个断开围油栏部分通过绳索来固定位置。缺口处张 开两个3 1 0 米的小型围油栏，形成一个通道，这样就降低了携带油漂浮通过的 湍流的速率，而且，这个通道使油膜形成便于回收的理想形状。 托船袖拦 c = 么一上一 商缈 4 0 9 矿 一口幺口；m ( = = 一一一一一一一一。 图2 6i j 形布放简图 f i g2 6uc o n f i g u r a t i o n 图2 7 开口u 形布放简图 f i g2 7o p e nuc o n f i g u r a t i o n 2 2 5 围油栏的滞油机理 影响围油栏滞油效果的主要是潮流和波浪，其次是风1 2 7 1 。 ( 1 ) 水流对滞油的影响 由图2 8 可以看出，在通常情况下，由于水流的作用，在油层下产生峰波、 进行波和三角波，并在靠近围油栏附近产生反转波和涡流。 图2 8 水流与油层断面的状态 f i 9 2 8s t a t eo f t h es e c t i o no f t i mw a t e rf l o wa n do i ll a y e r 1 反转波2 - 涡流3 一三角流4 - 油层5 进行波6 峰波7 水流 1 6 港内溢油油膜加厚技术研究 在水流流速v 较低的情况下，滞油、水面与围油栏之间保持平衡状态，滞油 不会漏走，当流速增加到一定数值时，平衡状态被破坏，即当水流雷诺数达到一 定值时，在液体的粘度、惯性力和摩擦力的作用下，在围油栏附近会产生较大的 涡流，涡流把滞油从围油栏裙部的下部带走。试验证明存在一个临界速度k ，当 矿 圪时，平衡状态被破坏，滞油便会被带走。值得 指出的是，流速超过临界速度时，滞油开始被带走，但并非全部带走，亦不代表 围油栏全部失效。 ( 2 ) 波浪对滞油的影响 在波浪中围油栏的有效吃水和干舷在波谷和波峰处要减小，此时滞油将从围 油栏上部和下部溢出。因此，在围油栏的设计中，应当采取适当的措施提高围油 栏的乘波性，使围油栏的吃水和干舷保持不变。决定围油栏乘波性的因素很多， 其中有两个因素是主要的，一个是围油栏的柔性，一个是围油栏的浮力重量比。 柔性好、浮力大的围油栏往往具有较好的乘波性，而浮力重量比是保持乘波性的 一个重要因素，它代表了围油栏跟随波浪上下运动的能力。只有同时具备了以上 两个条件，围油栏才能保持良好的滞油性。 ( 3 ) 风对滞油的影响 风对滞油的影响一般小于波浪和水流的影响。大风会使围油栏发生倾倒失效， 尤其是在风与浪同时作用下，滞油会从围油栏上部溢出。一些试验表明，与水流 相比，风速对滞油的影响相当于水流流速对滞油影响的2 6 - 2 7 。 ( 4 ) 围油栏的滞油条件、滞油率 滞油条件是指围油栏拦住溢油的自然条件( 风、浪和水流) 的最大值，在此范 围内，围油栏完全确保其滞油性能。 滞油率是指围油栏拦住溢油的程度，其表示法为： 口：i 幽1 0 0 q 1 7 ( 2 1 ) 第2 章港内溢油油膜加厚的技术实现 式中； a 一滞油率，； q 一围油栏内的油量，m 3 ； 口从围油栏内溢出的油量，m 3 。 2 2 6 围油栏的失效形式 围油栏失效是指围油栏所围控的溢油从围油栏的上面或下面逃逸，降低了围 控作用的现象。围油栏失效的形式主要有携带逃逸、泄漏、飞溅失效、平