海上泄漏石油回收装置的设计【毕业作品】

海上泄漏石油回收装置的设计专业：机械设计制造及其自动化摘要随着海洋石油开采和船舶运输业的迅速发展，海上溢油事故频繁发生，海洋的石油污染已充分引起了公众的重视。石油作为全球性的污染物，正以大大超过其它污染物的量进入海洋。据统计，全球每年生产的3232012贵的石油资源。因此，防止石油污染应引起各有关方面的重视。为了降低溢油对海洋生态环境的损害，并从回收资源的角度考虑，采用何种方案对海面上的溢油进行回收，是一个亟待解决的问题。此次毕业设计主要是海上泄漏石油回收的整体方案和部分装置的设计，参照了以往的石油常规回收和现代的技术，设计一种可以在海上回收泄漏石油的装置。选择一种平台来配合撇油器的使用，减少受风浪的影响，提高回收的效率。针对现有机械法在处理溢油时存在对薄油膜回收困难、效率低下的现状，使用溢油回收的油膜加厚技术。为了保持吸油且得到吸油效率和速率俱佳的回收装置系统，对现有的撇油器的吸油口进行改进，使其增加油水预分离功能，从而提高溢油回收的效率，可以在海上完成回收泄漏石油及储存等功能，来增加石油泄漏的回收效率和减少经济损失。[关键字]：石油泄漏；石油回收装置；围油栏；撇油器AbstractWiththeswiftdevelopmentofoilexploitationintheoceanandshippingtransportation,accidentsofoilspillontheseasurfaceoccurfrequently,andmarineoilpollutionhascausedpublicattention.Asaglobalpollutant,oiliscomingintotheoceanfarmorethananyotherpollutant.Accordingtostatics,theglobalannualoilproductionisabout32milliontons,butaboutonethousandthoftheoilproductioncomeintothemarineenvironment.Usually,1tonsofoilcancoverontheseainform12squaremilesofthescopeoftheoil.Theresultingfilmwillblockalargeareaofnormalair-seaexchangeprocess,maketheclimateabnormal,andaffectthefoodchaincycle,thenitcan destruct the marine ecological balance and waste valuable oilresources.Therefore,preventingoilpollutionshouldcausethevariousaspectsofthevalue.Inordertoreducethedamageoftheoilspilltothemarineenvironment,recycletheresources,itisaseriousproblemthatwhatkindofprogramscanbeusedtorecycletheoilonthesea.Thisgraduationdesignisaboutthewholeschemeanddevicedesignofoilrecovery,withreferencetothepreviousconventionalprogramofoilrecoveryandmoderntechnology,designadevicetorecycletheleakoil.Selectaplatformtousewiththeskimmertoreducetheimpactbythestormsandimprovetheefficiencyofrecovery.Whenexistingmechanicalmethoddealwithoilspillinthepresenceofathinfilm,itisdifficultandefficienttocollecttheoil,itsbettertousethethickfilmtechnologyofoilspillrecovery.Inordertogetarecoverysystemwhichtheoilrecoveryefficiencyandspeedisbothgood,improvetheexistingskimmer'ssuctionportincrease the oil pre-separation function and enhance the efficiency of recovery.Therebyrecyclingandstorageoftheoilandotherfunctionscanbedoneatsea,toincreasetheefficiencyofoilrecoveryandreduceeconomiclosses.Keyword: oilleakageoil；recoverydevice；oilfence；oilSkimmer目 录第1章绪论 1课题的背景及意义 1课题的研究任务 1总体设计思路 2论文的主要内容及所要完成的工作 2第2章石油回收装置平台的比较选择 3船舶要求 3我国浮油回收船现状 4浮油回收船的比较选择 4石油回收装置对船型选择的影响 5船型其他方面的比较选择 6结论 6第3章围油栏的结构及回收装置设计 8充气式围油栏结构及回收方法 8回收装置改进 10卷绕装置的液压控制系统 液压控制系统 液压控制系统的选型计算方法 12第4章石油回收装置设计 15选择装置标准 15技术指标和对比指标 15影响因素 16选择情况 16不同原理撇油器 16粘附原理的撇油器 16堰式原理的撇油器 18水动力原理的撇油器 19抽吸原理的撇油器 20动态曲面式撇油器的原理分析 20动态曲面式撇油器的原理 20动态曲面式撇油器的优点 21动态曲面式撇油器计算分析 21动态曲面式撇油器尺寸计算 23第5章 控制系统的设计 26升降机的液压控制系统 26动态曲面式撇油器的抽油泵和抽水泵的控制系统 27动态曲面式撇油器泵的控制过程 27检测反馈装置 28处理电路 29可调堰板的控制 30总结 33致谢 错误未定义书签。参考文献 34PAGEPAGE10第1章绪论课题的背景及意义近年来，由于海上交通运输、海洋资源的开发利用和海上军事装备的迅猛发展，海洋环境受到的污染从数量上到形式上都在以前所未有的态势急速增长，严酷的现实和随之带来的无法承受的损失使得人类不得不从一个新的高度来认识和解决海洋的污染问题。众所周知，石油及其炼制品是一种复杂的化学混合物，它不仅含有一定的毒性，而且还有发生火灾和爆炸危险。在溢油事故发生后，将会有巨量的石油溢出船舶，进入海洋环境，并在洋流和风的作用下迅速扩散和漂移，从而造成严重的环境污染和巨大的经济损失，使自然环境和生态资源遭受灾难性的破坏。石油进入海洋后，会随着时间的延长发生漂移、扩散和风化等一系列的变化，使其处理难度随之增加，因此寻求一种更加快速有效的石油处置、回收和清除技术迫在眉睫。在防止海洋石油污染方面，国际上制订了一系列法规和协定，各沿海国家也制订了有关法规和法令，并十分重视溢油的有效处置、回收和清除技术的研究。为了减轻石油对海洋环境的危害，在海上石油泄漏事故发生后，需要立即采取行之有效的技术手段对石油进行处理。目前，海洋石油泄漏的治理方法按其性质可分为三种：化学方法，生物方法和物理方法。（1）化学法：适用于石油油膜很薄的情况，处理石油的化学制剂包括石油分散剂、聚油剂、凝油剂和吸油剂等。(2)生物处理法：生物处理法处理石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有油烃，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。生物处理法同物残留少、无二次污染等优点，特别是对于机械装置无法清除的薄油层。对化学药剂更显示出其无可比拟的优越性，但生物处理法也存在很大缺点，一旦出现大规模的石油泄漏或是油层比较厚时，由于营养和氧气供应不足，会抑制细菌的生长，处理过程过于漫长，因而，该方[1]。（3）物理处理法：物理法是指在不改变石油存在形态的情况下利用各种手段将石油从水面分离出来。在物理法中，既可以采用机械装置回收石油，也可以采用吸附材料回收石油[2]。课题的研究任务根据各种方法的的不同优缺点，可以看出采取机械回收和消除大量的海上石油泄漏是目前最有效且最有价值的的方法。机械回收是解决海上石油污染最实际有效的措施。然而用机械回收也都存在不同程度的缺陷，难以胜任大规模溢油的回收。因此，研究一种针对大规模海上石油泄漏的高效回收技术，已成为当前石油回收领域一项亟待解决的重大课题。本研究旨在开发一套在高效的海上泄漏石油回收系统。由于海上石油收集过程包括回收船、拖船、围油栏、撇油器、输油泵、临时贮存设备等一系列的装置，而撇油器是浮油回收链中的关键一环。回收链的表现很大程度上要看当时的天气、海况、石油泄漏范围和油的种类、是否存在浮渣、船舶驾驶技术、围油栏形状、撇油器类型、输油泵类型和能力，最后还有贮存量的大小，哪一个环节较差都会影响到整个过程的表现。总体设计思路参考以往的回收方法，在出现泄漏事故时，采用两条拖船各拖动一条连接浮油回收船的围油栏进行运动，使围油栏成V形在条状油带上扫过，由于围油栏会在一定的情况下失效，所以在围油栏的限定范围内围取一定范围的海上溢油后，两拖轮把围油栏接头接在一起，浮油回收船开始启动卷绕装置圈起围油栏，缩小围油的面积，加厚海上溢油，加强吸油口回收效率。在浮油回收船回收围油栏时，两艘拖轮再次进行U型围油，在围取一定浮油后把两端接头接到浮油回收船中，周而复始，直到回收所有的浮油。论文的主要内容及所要完成的工作由于撇油器和船舶固接在一起，船舶在行进中的纵摇、横摇和垂荡运动会严重影响撇油器的回收性能，选择一种平台来配合撇油器的使用，减少受风浪的影响，提高回收的效率。针对现有机械法在处理溢油时存在对薄油膜回收困难、效率低下的现状，使用石油回收的油膜加厚技术。由于在大规模溢油的回收要求装置在回收速率高的同时还要保持较高的回收效使其增加了油水预分离功能，提高其溢油回收的效率。论文的主要内容为（1）回收平台的比较选择（2）围油栏的结构及回收装置的设计（3）吸油装置的结构及控制系统的设计第2章石油回收装置平台的比较选择目前，在国际和国内应用的浮油回收船根据用途分可以大致分为三种：日常维护型、大量回收型和清扫船。日常维护型浮油回收船主要作业范围在港口水域，主要作用是对浮油和瓦斯泄漏等事故进行应急处理，这类船型多为小型的双体船，载重量仅为几十吨，回收油的装置有倾斜板式、涡卷式、动态斜面式撇油器等多种，主要布置在两片船体之间。而大量回收型浮油回收船则除了回收浮油的功能外还具有海上抢救和海上消防的功能，其载重量大，回收石油的通常方法是将石油吸回船舱后载回岸上进行处理，也可进行少量的处理，此类船撇油器等，也可用于小范围的清除浮油和消防、冲洗作业。船舶要求船舶用途船舶平台应该具有应对浙江沿海及支援上海等近省市的大规模石油泄漏事故的应急处置能力，可以适应在浙江沿海近岸开阔水域以及港区进行石油泄漏的围控及清除作业，并可兼作港区巡航、事故调查取证、船舶油污水处理和垃圾日常清除回收以及港区范围的油污水处理和回收作业的多功能平台。航速与续航力船舶的主要作用是负责上海宁波舟山三市港口群的船舶石油泄漏事故应急处置，主要作604～5赶到事故海域进行事故处理。因此，船舶应具有较高航速，以争取更多的石油泄漏事故的应急反应时间，所以要求在轻载出港的航速最好不低于15图2.1船舶作业范围船舶的续航能力应该在满足500海里左右的范围下，需要充分考虑持续作业能力和应急航速的基础上进行选择。推进系统推进系统必须在满足较高航速的条件下考虑到作业时的航速。按照上面的任务要求，浮15和回收围油栏时，需要保持一定的低速。良好的低速操纵性回收浮油时，船舶的航速很低，有时需要静止甚至是后退，有时需要横移或原地旋转。多功能、高航海性能的要求为了提高船舶在空闲时间的利用率，需要向多功能方向进行二次开发。专门的安全性的要求由于其处理作业的特殊，需满足其对安全的标准，以及应对的各种处理机构。我国浮油回收船现状我国正在服役的浮油回收船数量稀少，且多为小船，其缺点明显：作业能力低下，应急能力较差改装的船舶效率有待提高以往建造的浮油回收船很多是改装的旧船，新的船很少，一般都是加装了通用型撇油器改装过来的。在改装回收船的过程中，需要根据船舶的型号来选择配套产品，选择范围一般仅限于一些小型的撇油器，不能和浮油回收船达到最佳配合，其效能很难得到充分发挥，收油效率较低，而较大的浮油回收船都有大的储油舱，船舶的吨位大，配置单一功能的通用型撇油器极大的浪费了船舶的能力。虽然改装船舶简单易行，成本低，但在实践工作中，暴露出了很多的不足之处。功能单一，平时利用率低我国现有的浮油回收船中，旧船受改装条件的限制，新船受到经费的限制，功能都比较限于比较简单的石油泄漏回收作业，平时利用率很低，作业范围与其它功能也很小。这种形势下，为了应对我国海域内日益突出的石油泄漏油事故，进一步提高石油泄漏油事故的处理能力和日常使用的经济性，研究设计一种高性能、多功能的浮油回收平台是非常迫切的。浮油回收船的比较选择分析我国现有的情况，目前使用较广泛的海上作业船船型除单体船外，还有常规的双体船等。对于浮油回收船，从现实情况来看：选择常规的单体船作为回收平台是可行的。业船和客渡船上的选择船型。但由于双体船自重大，在高速的航行中需要更大的推动力。因此，下面进行分析和比较单体船和双体船是否能很好的适应任务的要求。单体浮油回收船和双体浮油回收船的布置草图如下图所示：2.2单体船中回收装置结构布置2.3双体船中回收装置结构布置石油回收装置对船型选择的影响对于回收装置的选择就是首要考虑的条件。以往使用的石油回收装置多为单一型设备，如撇油器、吸油拖栏、吸油毡、油捞子等，由于海况、石油的性质和石油泄漏的油量的不同，使用方式及作用范围都不相同。并且，为了适应各种船舶改装，其容量有限。因此这些单一型的回收设备只能适应于某些特定条件，在很多复杂条件下使用时都存在着这样那样的缺陷和不足，不能很好的胜任回收作业。近年来回收装置的发展方向是将不同类型的单一型收油装置组合成一个整体，根据任务要求，通过船舶的配合设计，来专门应用于浮油回收船上。因设计时装置的重量和体积都是和船舶协调确定的，因此可以有较好的利用率。毫无疑问在选择浮油回收船时，采用复合式撇油器这类装置是最合适的。但是，同样是采用回收装置，使用不同的船型，发挥的效率仍有很大差别。使用常规单体船时，平时将回收装置放在甲板上，进入作业时依靠吊机将装置放到船两侧的海面上，起吊时需要花费较多的人力进行辅助作业，而且收放速度慢，受制于吊机的范可通过升降来实现海上作业。但船的形状会改变很多，在高速航行时会增加大量的阻力。另外，单体船在处理垃圾时也不得不使用船用吊机和人工操作，且在回收垃圾时也需要停顿。可以想象，这将大大提高布放和回收速度，且方便船员操作。在不用时可以升起装置，不影响船的高速航行。当石油泄漏面积较小时，双体船可利用两片船体之间的距离，在不需要围油栏的情况下自行收油。船型其他方面的比较选择航行速度本船在自由航行时，从阻力性能上看，使用单体船和双体船型大体阻力相当；从推进效率上，使用双体船有利。甲板装置布置据统计，同排水量的双体船有效甲板面积比单体船大50％左右，可以有更多的布置空间。稳定性双体船具有较好的稳性和抗风浪能力，两个船体又可为中间的回收装置提供良好的遮挡，回收装置可以在风浪较大时仍能有效地工作。操纵性船在改变航行状态后可以继续作业。造价及维护费用一方面双体船空船重量比同载重量的单体船大约20价较高。另一方面双体船排水量比单体船大，但其推进效率较高，风浪中增阻小，因此，在]结论根据前面综合分析比较，双体船在回收装置的选择布置和设备机械化的实现上，功能明显优于单体船，自由航速下阻力性能好，对于船舶的多功能化有更大的扩展空间，另外在稳定性、操纵性以及航态变化时保持作业的能力等多方面都具有较优的性能。双体船的不足之处是船体结构重量大，直接影响到船舶初投资。但是，从长期权衡利弊来看，还是选择双体船型为宜。为了配合下面的回收装置的设计，选择了基本的双体船尺寸。其数据及结构图如下：水线长 L＝53.38片体间距 K＝11.74型宽 B＝17.08片体宽 b＝5.30m；型深 D＝4.17设计吃水 T＝2.67排水量 Δ＝878.4自由航速 V＝15kn；作业航速 V’＝2.3。图2.4船型正面尺寸对平台上的各种机械设备要求按照位置、功能的需要进行布置，同时满足预期目标。其布置结构如下：图2.5双体船平台装置布置1-控制平台及动力室2-固定升降机3-围油栏回收箱4-垃圾挡板5-撇油器第3章围油栏的结构及回收装置设计充气式围油栏结构及回收方法围油栏是一种物理型的防油污设备，是处理港湾或海上石油泄漏的重要装置。它是防止石油扩散，缩小石油泄漏面积，配合回收装置进行清除、回收或使石油带偏离敏感地区作业的有效工具。在码头、炼油厂、锚地、水生物养殖场及海滨浴场等处设置围油栏，可以作为常用设备预防事故，对防止石油污染，保护水上交通和水生生物具有重要作用。围油栏一般由浮体浮子、裙体和配重等部分组成。浮体主要起浮力作用，可以提供浮力使围油栏浮在水平衡的作用。由于围油栏在围油时不可避免的会受到自然界风浪的影响， 因此为防止所围石油的流失，它必须具有一定的抗风、抗流和抗浪能力。围油栏的失效形式主要有泄漏、携带逃逸、飞溅失效、平倒失效、沉没失效和结构损坏这几种。泄漏是指由于围油栏围控溢油太多或围油栏裙体的弯曲造成溢油从围油栏底部自然溢出至围控区域外的现象，实践证明油层深度不能超过裙体的这要求在围油过程中需要时时保持对石油厚度的监控确保围油栏不会效。携带逃逸是溢油围控过程中难以避免的现象，当水流和围油栏的相对速度达到临界速度时油膜就会破碎成油滴，水流携带油滴从围油栏底部逃逸，在围油栏另一侧上浮重新形成油膜，这就要求围油栏在围取石油时速度不能太快。飞溅失效是指石油从围油栏的干舷顶部越过的溢油逃逸现象一般在围控区域出现劈(波长与波高比小于5:l)或围油栏随波性差都能造成飞溅失效。平倒失效是指在强风和急流的方向相反时，致使围油栏平倒而发生溢油泄漏的现象，这也提醒在回收作业过程中，控制好围油栏的围控方向。沉没失效是指在高速拖带围油栏过程中，围油栏被压到水面以下引起溢油逃逸的现象。此外其裙体还必须具有一定的抗拉强]这里采用的是充气式围油栏，可以进行有效的海上紧急的回收作业。图3.1即为充气式围油栏的结构图，气室作为浮体为围油栏提供在水中所需的浮力。使用时，可以先通过充气机（便携式充气机专为充气式围油栏设计，排气量25cc，有加速装置和紧急制动装置）向气室内充满空气，然后缓慢放入水中，由拖船形成V形的围控区域。当石油回收作业完后,把气室中的空气放掉,经过清洗后存放。图3.1充气式围油栏1-接头板 2-张力带 3-气室 4-配重链 5-充气阀 6-本围油栏数据如下：充气式浮囊长度L=3m；浮囊直径R=76cm；围油栏总高l1=152cm；围油栏干舷h=61cm；围油栏吃水H=91cm；围油栏浮重比24：1；围油栏长度L=200m；围油栏重量M=11.29千克/米；围油栏材质聚氨酯或氯丁橡胶；基座尺寸2540mm×2134mm；重量空置时为1317千克。在浮油回收船到达污染区域后采用扇形围控方式进行联合作业（图3.在一定的情况下失效，所以在围油栏的限定范围内围取一定范围的海上溢油后，两拖轮把围油栏接头接在一起，浮油回收船开始卷绕围油栏，缩小围油的面积，加厚海上溢油，加强吸油口回收效率。在浮油回收船回收围油栏时，两艘拖轮再次进行U型布防（图3.，在围取]图3.2扇形围控1-浮油回收船2-围油栏3-拖船4-浮油图3.3U型围控1-拖船2-围油栏3-浮油回收装置改进当围油栏完成水上作业后需要回收围油栏，可以采用如图3.4所示的方法回收围油栏：通过挤压滚轮机构挤压围油栏的气室，使气室内部的压力升高，当压力到达设定值时，旋塞在压力的作用下顶开卡紧它的钢珠，把旋塞弹出，这时气室内部的空气可以迅速排出，围油栏就可以方便地用卷轮回收。在回收过程中，由于围油栏的外表面会粘有石油，需要人工清洗，为配合上面的回收装置，需要在挤压滚轮上加装对油具有粘附性的材料制成的吸油毯的连续运动，将具有一定粘度的浮油带离围油栏表面，并通过刮擦或挤压等手段将油从吸油绳上分离下来，转移到储油槽中，实现石油的二次回收。下图是围油栏的回收卷绕装置原理图：图3.4卷绕装置1-卷辊2-围油栏3-挤压滚轮4-气室5-充气阀6-吸油毯7-收油箱对应采用的新型排气阀的工作原理如图3.5密封以保证密封效果。密封套的外圆和阀体的内孔表面精度较高，钢珠卡紧密封套后，气室中的气体将被密封，如果在两个密封表面之间涂少许油脂，密封效果则更好。密封套的内表面上用4由于自身弹性作用收缩成原状，在内部气压作用下封住密封套的内孔，使充入的空气不能从]图3.5 新型充气阀结构图1-气室壁 2-调压螺丝 3-弹簧 4-钢珠 5-旋塞6-止回膜片 7-密封套 8-螺钉 9-阀体 10-压板和以前的回收方式相比,省去了逐个气室吸放气的操作步骤，简化了回收过程，并可实现围油栏回收的全机械化，大量减少了操作人员的工作量。卷绕装置的液压控制系统液压控制系统图3.6为卷绕机构的基本工作原理图，系统主要由三相交流异步电动机、电液比例变量PLC。在工作开始时，PLC接收到信号后，输出控制信号使电磁阀7KM1623图3.6卷绕装置的液压控制系统1－单项节流阀2－马达3－卷轮4－平衡阀5－溢流阀6－-电液比例变量泵7－电磁阀同时，速度信号经过比例放大器，比例放大器为比例电磁铁提供特定的控制电流从而控制变量泵的输出流量，进而控制卷绕的起动运行速度，当接收到减速点信号时，按照减速曲线模拟输出速度，比例电磁铁的输入电流也随着减速曲线减少，液压系统流量减少，从而卷绕速度不断下降。当达到预定要求时，输出控制信号使上行电磁阀YV1不带电，电动机启动接触器KM1失电，液压系统关闭，停止运行。液压控制系统的选型计算方法根据卷轮的所受的力算出力矩

Tmax

Fl （3-6）式中F为卷绕围油栏的拉力，l为卷筒的半径，设拉力F=10000N，l=30cm。则：Tmax

Fl100000.3Nm3000Nm排量2.56排量2.56Lr1；额定压力10-16Mpa；转速范围1-160rmin1输出转矩4011Nm；；输出机械功率为：

nT 1604011P e kw67.2kw60000 60000其中n马达转速。e工作时所需马达的所需工作压力为：P2T

23000601000/ V Mpa3.2Mpa马达的流量：

a max

0.852.56160式中：

qVn/a

2.561608L/s600.85 —马达的机械效率；mm —马达的容积效率；mvTmax

—系统转矩。液压泵最高工作压力：

PPp a

p （3-7）式中：

QQ Qp amax y

（3-8）Pamax

—液压马达的最高工作压力，MPa；p—液压泵至马达的压力损失，Mpa；Qamax

—液压马达的最大流量，m3/s；Qm3/s；y采用下式计算液压泵的驱动功率：

NPQN式中：

P103

N(KW) （3-10）pP一液压泵的额定压力，Pa；NQ一液压泵的额定流量，m3s；N一液压泵的总效率，可从规格表中查出；p一转换系数PN根据经验公式液压泵至马达的压力损失为：p=3Mpa，溢流阀最小溢流流量Qy则液压马达的最高工作压力：

=0.2L/s，PPp amaxp=16Mpa3Mpa19Mpa液压泵最大的流量： Qp

Qa

Q=8L/s0.2L/s8.2L/sy根据以上数据及液压马达的型号选择液压泵的型号21-5-型齿轮泵，其主要参数如下：排量 40-200/mLr1额定压力 16-20Mpa；转速范围 2000-2500rmin1容积效率 90%。则对应的PN

=16Mpa，QN

=8.3L/s计算液压泵的驱动功率：NNPQNN

20168.316P103p

184.4kw1030.9根据泵的驱动功率及泵的额定转速即可选择泵的驱动原动机。查机械设计手册电子版，选用Y-H系列船用三相异步电动机型号315L-2。第4章石油回收装置设计选择装置标准海上石油泄漏事故发生后，石油中的轻质成分会逐渐挥发，而重质油在进入水中的最初103cm2/s加，会使石油黏度增大。而残留在水上的油块，最终形成大小几毫米到几厘米的软心硬壳的焦油球，悬浮于水中或沉没到水底。因此石油在水中时间越长，其可回收性就越差。而且由于石油乳化后含水量增加，回收总量增大，对临时储存装置的压力也会增加。回收石油既保护了环境，又收回了资源，是最理想的结果。评价各式撇油器在实际应用中的表现的指标主要有五项技术指标和三对比指标。技术指标和对比指标回收效率在实际应用中的简易程度和实际操作成本，因为回收效率低的撇油器会大量浪费宝贵的现场彻底性效率指能够一次性回收起来的油占撇油器一次性接触到的浮油的百分比。本指标和不同撇油器的设计原理有直接的关系，能够直观的反映撇油器的回收速度。接触浮油的速度指在一定时间内所能够接触到的浮油的量。本指标决定于各种撇油器的设计的原理及科学性，以及能否及能以多大的速度在行进中回收浮油。收油效率指在一定时间内所能够回收起来的纯油量。此项指标直接反映了撇油器的回收能力和效果。它实际上等于彻底性效率×接触浮油的速度×回收效率。收油进度指能够在一定范围内将一定量的浮油全部回收起来所需要的时间。此指标与彻底性效率和接触浮油的速度直接成反比例。投放及操作的简易度指在设备投入使用时及回收操作中是否需要其他辅助设备。如吊车、船舶等的配合，是否需要进行现场安装，是否一需要首先用围油栏将油围住，以及需要相应的多大的空间才能配合撇油器的使用。设备的简易程度容易出现故障，致使回收工作中断或无法进行。维修保养的简易度指在设备长期存放及使用过程中是否容易损坏及老化，是否需要经常保养维修。通常设备越复杂,对维修保养的要求越高。影响因素存在以下五种不可避免的重要因素影响不同类型的撇油器在实际的应用。浮油的种类主要指不同油种的厚度和比重等主要物理指标，通常简单分为低、中、高三种。水面波浪通常分为微波（静水区、港内、涌浪（不见白浪、波浪（有明显的浪花浪（）这四种情况。水流这里以(1节=1海里/小时)来表示。漂浮的碎片主要指浮在水上混杂在浮油中的各种小块的固体垃圾和杂物。选择情况根据不同等级的港口、码头和区域可能发生的石油泄漏的规模，油种及所处的环境因素的特点等因素而做出的选择。考虑的优先次序应该依次如下：通过石油泄漏的规模来确定撇油器的的大小。油器的类型，尽量能够选择适应薄油层的，因为这个类别的撇油器对厚油层效果都会较好。对自然条件适应性强的撇油器。再考虑能否快速地布放围油栏，及有无足够的接收、贮存设备，应在以上选择的基础上进一步选择独立工作能力强的撇油器。不同原理撇油器撇油器作为主要的收油装置之一，其适用范围广，回收效果好，抗风等级高，适用于中等以上规模或大面积集中回收石油。所以我们来比较这些撇油器，选择能适合海上大量石油泄漏的撇油器。按撇油器的工作原理进行分类，主要有以下几种：(l)粘附原理：包括带式、盘式、鼓式、刷式和绳式等；(2)(3)水动力原理：包括动态斜面式和倾斜板式；(4)]粘附原理的撇油器PVC附性的材料制成的物体(如盘片、宽带，吸油刷、或吸油绳等)的连续运动，将具有一定粘度的石油带离水面，并通过刮擦或挤压等手段将油从粘附材料上分离下来，转移到输油泵和储油槽中，实现石油的回收。刷式撇油器是指利用刷子粘附溢油的机械装置。石油粘附在旋转的刷子上并被刮下来导入到集油槽中，通过泵将石油输入到储存装置中。刷式撇油器不能很好的回收低粘度的油；而对高粘度的油，油在被向上带起的过程中会由于重力而滑落，或因流动性差而堵塞集油刮板。盘式撇油器

图4.1刷式撇油器是指利用亲油材料制作的盘片在油水混合物中旋转，盘片旋出时，吸附的溢油被刮片刮入集油槽中，并被泵到储存装置溢油回收设备。盘式撇油器比较适合回收中等粘度溢油，低粘度溢油也可回收，但回收效率很低。并且这种撇油器对长周期波浪不敏感，对波高不大于盘片直径的短波适应性较好，但只能在静态时回收。带式撇油器带式撇油器的工作原理类似于传送带，是利用传动带回收水面溢油的机械装置。传动带它适用于回收中高粘度溢油。对水面垃圾比较敏感，特别是长的线状垃圾。只有在海况良好情况下使用，采用静态回收方式。图4.2带式撇油器绳式撇油器这是一种亲油式撇油器。它利用由亲油材料制成的漂浮于水面的一定长度的环型绳来吸附水面的溢油，通过辊子挤压装置将绳中吸附的油挤出并存放在集油槽中的装置。在潜水区和垃圾多的河里以及港口用这种撇油器居多。在狭窄水域收油时，这种撇油器通常被固定在陆上。高粘度溢油由于和绳圈脱离很困难，所以只适用于回收中低粘度溢油。回收过程中对水面垃圾不敏感，通常在静水区域工作。图4.3绳式撇油器堰式原理的撇油器这个类型的通过设置一个低于水面的堰，在重力的作用下，水面上的石油经过堰顶流入集油井内，然后将油用泵输送到指定的存储位置。堰式撇油器可以直接对漂浮的油层进行回收，回收能力很高，大约粘度在30~40000cst的油都可有效地回收。(l)普通堰式撇油器采用一个带折堰的收油头，让水表层的浮油通过堰顶流入集油容器内，然后通过特制的泵抽吸到贮油容器中，达到回收溢油的目的。普通堰式撇油器对波浪和水流的适用性较差，在油层较薄或有风浪的情况下易同时回收大量的水，即使在静水条件下对低厚度的油层也会同时回收大量的水，这往往浪费了现场有限的泵力资源和贮存空间。因此，通常只适用于静水情况下油层较厚的各种粘度的浮油。图4.4堰式撇油器可调堰式撇油器可调堰式的回收装置可以根据泵的流量大小来调节堰高，当流量增大时，降低堰高，当流量减小时，增大堰高，从而使回收设备能够只收取水层上面的浮油，因此可大大改善普通堰式回收设备的不足，提高溢油回收的效率，可适用于油层较薄及有轻微波浪的情况。图4.5可调堰式撇油器水动力原理的撇油器利用泵吸或装置运动过程中产生的水流，使浮在水面的石油进入特定的集油空间内，利用重力使油水发生分离，将分离出的石油回收。现在水动力式溢油回收装置主要有两种形式:动态斜面式撇油器和倾斜板式撇油器。(l)倾斜板式撇油器120.75层。这类型的撇油器限制了泵和撇油器在收集槽中的应用。对于适当的天气条件和油粘度低104cst水率很低，但是却会随撇油器前进速度、波浪和油粘度而增加。图4.6倾斜板式撇油器动态斜面式撇油器动态斜面式撇油器可适用于各种不同粘度和厚度的浮油，而且其接触油的速度都很高，因此回收的进度很快。不会产生油的乳化现象，回收物中含水量极少，通常可达到90%以上，因此，通常情况下不需要后期的油水分离处理，可节省现场宝贵的贮油空间和泵力资源，同时也节省了大量的后期油水分离的费用。由于采用水下的溢油回收方法，对波浪的影响不敏感。通常在流速超过1kn的情况下采用。若是在静水中，只能移动回收。图4.7动态斜面式撇油器抽吸原理的撇油器是指利用吸入泵或真空泵在真空储油罐内建立真空并通过撇油器头部的压力差回收油水混合物的装置。由于吸管内的摩擦损耗，真空抽吸只是对非常轻的油有效，对于粘度高的油品几乎是无效的。主要适用于平静水面上的中、低粘度、比重较轻及油层较厚的浮油。油膜厚度和波浪敏感，有波浪时回收效率很低。只能在岸滩、港口和平静水域工作。回收速率不高，无法适应大规模的回收作业。动态曲面式撇油器的原理分析动态曲面式撇油器的原理上一节通过对各种撇油器的原理进行分析可以看出，现有各种回收技术都不同程度的存在回收能力和回收效率低下、结构复杂、对环境条件要求高等缺点，亟待改善。图4.8动态曲面式撇油器1-吸水口2-吸油口3-可调堰板4-流道5-箱体动态曲面式撇油器同时运用抽吸和堰式了原理，其具体原理如下，在一个封闭的箱体内注满水，在箱体的上部和后侧面开孔。在箱体的前部，有一块斜板和可调堰板组成的开口，通过调节可调堰板顶部的位置来控制吸入箱体的油水的比例。在箱体内部由曲面流道与箱体侧壁形成密封空间，曲面流道与连接底面的直板平滑过渡。箱体上部和后侧面的开口都与泵连接。在开始进行石油回收时，首先使箱体内部充满水，然后开动箱体后侧的水泵，箱内的水就会从吸水口处不断的被排出，使箱体的内部和外部水之间产生负压差，大气压的作用下，箱体外部的水和油和一起通过可调堰板进入曲面流道，在曲面流道的导流下，石油在流道末端形成许多分散的油滴。在曲面流道的导流作用下进入箱体并获得了一定的向上初速度。油滴在与水一起向上运动的同时，也在浮力和粘滞阻力的联合作用下开始分离，最后在箱体的上部形成分油层。当油层厚度积累到一定值后，开动箱体上部的泵将分离出的油输送到指定位置[8]。动态曲面式撇油器的优点动态曲面式撇油器与现有的回收技术相比，具有下列优点:(l)回收能力强动态曲面式撇油器良好的继承了可调堰式撇油器的优点，可以实现大规模的回收石油。在水面油膜厚度足够和海况良好的条件下，通过加大抽水泵的功率就可以加大回收量。(2)回收效率高大型堰式撇油器工作时，存储空间十分紧张且回收效率不高，回收物中其中含有大量的水。而在动态曲面式撇油器，由于曲面流道的存在，使油滴有时间和速度可以很好的和水进行分离，油水混合物经过了初步的分离，大大减少了存储空间的浪费，可以为石油回收创造更多有利条件。另外，在水面油层很薄的情况下，也可以进行回收。抗风浪能力强由于石油泄漏事故通常发生在海况十分恶劣的环境中，所以在石油回收时要求撇油器必须具有一定的抗风浪能力。因为有波浪存在时，撇油器在回收时会被动吸入大量的水，导致回收效率降低甚至失效。在回收过程中，当有波浪时，船舶平台会发生摇动，因此吸油口的位置会发生变化。但在抽水泵和抽油泵的工作下，也不会太影响回收效率。便于开发大型溢油回收装置通过对动态曲面式撇油器的原理分析可以看出，由于采用的是重力分离对油水进行预分离，油水混合物在油箱内的时间越长，分离的效果越好，动态曲面式撇油器的结构简单，故障率低，只需要增大抽水泵、抽油泵的功率和油箱及其流道的尺寸就可以实现大型化[9]。动态曲面式撇油器计算分析决定重力分离性能的主要因素是液滴的大小和密度差和粘度。应用Stokes定理，其假定分离过程为层流状态，液滴形状统一为圆球，并且液滴体积符合理想分布。虽然这些假设在实际分离过程中很难达到，但是这个定理仍然可以用来分析油滴从水中分离出来的过程。油滴受到的两个主要的作用力是浮力和粘滞力，速度的大小与油水之间的密度差有关。粘滞阻力方向与浮力相反，大小是上升速度的函数。当二力平衡时上升速度达到不变值。最终速度Vt

作为一个油水分离器设计的标准，决定在给定的分离时间内能够分离液滴的大小浮力产生的驱动力为：粘滞阻力的计算式为：

Fb 6

d3(pw

p)g （4-1）0d=3μVd （4-）dppw

为海水和油的密度差；g为重力加速度；μ为悬浮态液体的运动粘度。当两个力相等时，油滴上浮的最终速度为:wVd2(pw

p)g0

（4-3）t 18当油滴没有向上的初始速度时，初始时刻油滴的垂向上受到的只有浮力，其计算式如式（4-t=，油滴速度为零，加速度：Fa b （4-4）o M式中，Md

d6

dp为油滴的质量。0从式子（4-4）可以得出油滴的粘滞阻力和其速度成正比，所以油滴是一个加速度逐渐减小的加速运动过程，直到最终加速度减小到零时，油滴向上运动速度达到最大值。并由于此时浮力等于粘滞力，油滴等速上浮。设上浮的距离为h，油滴所受的浮力如式（4-1）所示，粘滞阻力为Fd=3πμh'd，根据牛顿第二定律列出运动方程为：dv d2h FF b d （4-5）dt dt2 Md即 Md2h3ddh

0 （4-6）ddt2 dt b令ydh，A＝d，则式（4-6）为：dtMdyAyF

0 （4-7）ddt b解上式微分方程，并应用初始条件t=0时，y=0，最后得到：1 lnFAty (Fe

bMd) （4-8）A b将ydh代入式（4-8），得到：dtdh 1

lnFAt (Fe

bMd) （4-9）dt A b通过式（4-9）并应用初始条件t=0时，h=0，得到油滴上升的高度和时间的函数关系式为：Ft FM

Ath bb d(eM 1) （4-10）dA A2当油滴的初始速度的垂直方向分量为u，继续求解方程（4-10），但是初始条件变为t=0时，y=u，得到油滴速度与时间的函数关系式为：1 At Ay FbA

Md(Fb

Au)

（4-11）将ydh代入式（4-11），得到：dtdh 1 At Adt FbeA

Md(Fb

Au)

（4-12）通过式（12）并应用初始条件t=0时h=0，得到油滴上升的高度和时间的函数关系式为：Ft M

Atdh b d(Fd

Au)(e

1) （4-13）A A2 b动态曲面式撇油器尺寸计算根据液体流动的连续性方程，流道上任意截面上的流量和吸水口的流量相等。所以在假设海平面的高度不变的情况下，通过流断面1-12-2[1]即：A1u1=A2u2=V1 （4-14）2Pp0V20式中，A1A2为流断面1-2-2的面积（m2u1u2为流断面1-2-2上的法向平均速度m/V1为吸水口的泵吸流量（m2/s；因为大气压力P0为水面上的油2Pp0V20u 2lim

(4-15)式中，V0为水流的速度取P1.015N/2，在静水区V

=0m/s，只有船速V

2.3kn2.3海里/小时=1.183m/s0可以得出：

水2Pp2Pp0V202lim

021.01105 1.1832m/s/s1.03103所以若要保持流动的连续性，则要求吸水口流量V1满足下式：VA1 2

2lim

（4-16）1若假设油层厚度为极限围油栏的3，取油层厚度为30cm，加上少量的水层厚度5cm，两船体间的长度为K-b=11.74m-5.3m=6.44m，留下和升降机连接部分和两边的推杆，取长度为5m，A1.75m2，可以得出：2VA1 2

2lim

=14.1m/s1.75m224.675m3/s1为了得到高的效率，这里选用大流量柴油机抽水泵，它利用叶轮旋转产生的离心力和推3~25.7m45~20160m3/h4V22.5m3/s，因此，在流动的连续性满足情况下，流断面1-11A2.5m21

u1V1 AV1V

Au22 （4-17）A1Au 22.4u11 A1

22 8.96m/sA 2.51从进口处流入的油与水的混合物在经过1-1流断面后发生分离，密度较水轻的油将上浮，如果1-1流断面的法线方向和竖直方向的夹角为θ，则上浮的油滴将具有一定的向上极限最大初速度u，其值为：uucos （4-18）uucos=8.96m/scos6004.48m/so这里取油滴的直d=5×104m，油滴密ρ=0.80103Kgm3，θ=60，连ρ=1.03103Kgm3μ2105m2s，o根据油滴上升的高度和时间的函数关系式为：Ft M

Ath b d(F

Au)(e

1) （4-13）A A2 b把数据代入到上式中，可简化为：h1.6t(0.890.55u)(e1.8t1)0.5s后到达，则h0.8m0.93m1.73m1.8m50cm3m。其结构图如下：图4.9动态曲面式撇油器三维尺寸图图4.10动态曲面式撇油器示意图第5章 控制系统的设计动态曲面式撇油器的布防可根据工作人员的需要随时随地进行处理。当围油栏经过的海域油污区域后，且不影响安全情况下即可启动总电源键使设备进入工作状态，动态曲面式撇油器利用升降机进入适当位置，先使水充满撇油器，设备先在电机的驱动下启动抽水泵，利用动态曲面式撇油器的原理将油和水通过长方形吸口一起吸入船舱内，为了提高工作效率，随着油层的减小，可调堰板不断的向上收缩吸油口，提高吸油效率。当油、水一起被吸入船舱时，当水位下降到一定位置时，利用检测装置，使继电器电路导通，触动继电器工作同时带动船抽油泵泵进入工作状态。当油的厚度下降到到一定的厚度，应用相同的检测装置，排水泵开始工作。在围油栏围区一定的区域后，工作人员开动围油栏的回收装置。来加厚油层厚度。根据上述情况，动态曲面式撇油器的控制目标是：控制动态曲面式撇油器的升降，控制吸进来的油的比例，保证抽油泵抽出去的没有水，排水泵不会把油排除去造成二次污染。动态曲面式撇油器中有三个方面需要控制：固定的升降机(3)可调堰板的控制升降机的液压控制系统液压升降机是应用比较广泛的一种物流机械，主要由工作台、支撑杆件、底座、升降油缸和液压系统组成，在这里工作时靠液压系统提供的动力实现撇油器的升降，其驱动装置是据此设计的液压系统见下：图5.1升降机液压系统图1、68、1623495710—二-12、131415—截止阀本系统由单向阀、滤油器、液压泵、溢流阀、调速阀、二位二通阀、二位三通方向阀、分流-集流阀、蓄能器、截止阀组成。推杆的运动方向由方向阀10749高压力；单向阀6单向阀16下降10中的电磁铁YA1通电，将其切换到118使其下降平稳。由于泵的出油口被封闭，单向阀161停留在工作台下降到指定位置后，关闭油泵电机。举升10YA13510115调节。由于泵吸入的是有一定压力的油液，进出口的压差减小，其所消耗的电机功率将会减小。通过以上分析，本系统可以在工作平台下降过程中，升降液压缸下腔中因重力作用而产生的压力油液，被排入蓄能器，将机械势能转换成液压能,并储存在蓄能器中；在工作台再次上升过程中，蓄能器向液压泵供油(相当于在系统中设置了压力油箱)，减小了油泵进、出油口的压力差，使再次上升过程中油泵消耗的电动机功率减小，达到节能目的。动态曲面式撇油器的抽油泵和抽水泵的控制系统动态曲面式撇油器泵的控制过程在动态曲面式撇油器中，通过仪器检测水和油的厚度，输出信号通过电路处理来控制泵的运动。由于在动态曲面式撇油器中需要保持负压，所以两泵中有一泵一定要工作，且起始阶段是抽水泵进行工作，若在动态曲面式撇油器中水的厚度低于某一厚度抽水泵，检测装置输出信号，和设定的标准信号对比，经过处理电路处理，控制抽水泵停止工作，抽油泵开始工作。一定时间后，动态曲面式撇油器中油层厚度低于设定值，检测装置输出信号，经过处理电路，控制抽油泵停止抽油，抽水泵开始工作。控制系统组成框图如下：图5.2控制系统框图检测反馈装置这里的检测反馈装置选用ZGL系列特种液位测量仪，ZGL系列特种液位测量仪是一种应用分段电容式物位检测原理的传感器，本装置结合了微电容远传模块技术和单片机数字化处理技术，具有智能化自校正物位检测，本装置不仅能测量单一介质的单液位、物位，还能够同时准确测量分层的两种不同介质的两个液位。ZGL油、水、空气多相界面的液位计。本装置由多段检测高度为10mm420mAzGL如图5.4所示，下层的水、中层的油、上层的空气，由于其介电常数￡10mmN]图5.4ZGL系列特种液位分析仪工作原理由单片机构成的变送器对各段电容从下至上逐段进行扫描检测，并由软件对检测结果进行分析、判断、比较、计算，分别计算出油与空气之间界面—油面高度和油、水之间界面—水面高度，并由光电隔离双D/A-mA变换模块以两路各自4一20mA恒流信号输出。变送器工作电压DC18一30v；最大能消耗3W（125mA，DC24V）；精度0.05mA；最大负载24vDC/750欧姆；变送器输出4一20mv；检测范围(量程)O一lm；环境温度-30~80℃；相对湿度100%；防护等级IP65；安装方式法兰盘吊装；防爆标志ExibllBT4。处理电路420mAR1R2所示：图5.5处理电路图4-20mAR2R1KM抽油泵的处理电路图也如上图所示。由于采用的泵机功率较大，这里电机采用星-三角启动，由于有了电路控制KM1，这里简化了KM1，其主电路图如下图5.6主电路图根据系统控制要求，主电路只要一台三相异步电动机用以驱动变量泵，并且该电动机只KM1KM1得电吸合并自锁时，其主触点闭合，电磁抱闸线圈也得电，使抱闸的闸瓦与闸轮分开，电动机启动运转。电动机采用带断相保护的热继电器FRFu可调堰板的控制可调堰板的根据液位计的信号反馈来调节堰板的高度，可以通过系统框图实现闭环控制：图5.7控制系统框图根据以上框图，选择机构来构成调节堰板的控制系统，可调堰板其控制原理图如下：图5.8可调堰板液压系统原理图1—电液伺服阀2—液压缸3—活塞带动推杆4—齿轮齿