朱會東

(阜新高等?？茖W校 機械系，遼寧 阜新 123000)

船舶污油水排放監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是用來監(jiān)測和控制油船含油壓載水的排放，它是防止海洋污染的重要設備[1,2]?！禡ARPOL73/78公約》附則I規(guī)定了船舶操作性的排放標準[3,4]：排入海中的總油量，不得超過這項殘油所屬的該種貨油總量的1/30 000；未經(jīng)稀釋的排出物含油量不超過15×10-6；油量瞬間排放率不超過30 L/n mile。本文研究設計的一種PL-ODME新型排油監(jiān)控系統(tǒng)，達到了《MARPOL73/78公約》的標準，很好地實現(xiàn)了對油份濃度信號、船速信號及流量信號等采集與監(jiān)測，計算出油量瞬間排放率和排放總量，進而確定是否打開舷外排放閥進行排放。

1 排油監(jiān)控系統(tǒng)總體設計

本文研制的排油監(jiān)控系統(tǒng)是一種專用的油輪防污染設備，主要用于監(jiān)視油輪每航次累計排放的總油量和壓載水排放期間含油物質(zhì)的瞬時排放率。當排油總量或瞬時排放率達到規(guī)定要求時，或排油監(jiān)控裝置出現(xiàn)故障時系統(tǒng)將自動關(guān)閉排放控制閥，停止壓載水的排放運行。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，主要由計算機控制系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、閥控系統(tǒng)等組成。

1.1 計算機控制系統(tǒng)

計算機控制系統(tǒng)如圖2所示，主要由控制單元、計算單元、分析單元、監(jiān)測報警單元、顯示單元、打印控制單元等部分組成。計算單元將根據(jù)測量單元來的信號計算出排放水的實際含油量，并按計程儀和流量計的信號計算出瞬時排放率?？刂茊卧糜诳刂婆欧畔到y(tǒng)的運行方式，當排放總量、瞬時排放率超值，或系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，將自動向閥控系統(tǒng)發(fā)出關(guān)閉舷外排放閥，停止壓載水的排放指令。同時，控制單元還設有啟動連鎖功能。系統(tǒng)運行時運行參數(shù)將自動在顯示器上進行顯示，并由打印機進行記錄。此外，計算機控制單元還設有人機交換界面，選擇外來信號的輸入方式或接受人工輸入的信號。

1.2 采樣系統(tǒng)

采樣系統(tǒng)主要包括采樣探頭、取樣泵單元和取樣單元，如圖3所示。

1)取樣探頭用來收集主排放管路的排放水，并把經(jīng)過檢測的樣水，沖洗水排回到排放總管。取樣探頭由不銹鋼的吸口管和回水管組成，為了使抽取的樣品更具有代表性、吸口管應插入到排水總管內(nèi)部，插入深度為排水總管內(nèi)徑的1/2?；厮艿奈恢?，按照排水總管里排放水的流向，設在吸水管的下游部位，以避免吸入的樣水被回水管流回的液體污染。

2)取樣泵單元主要功能是采集樣水，是一個組裝件，它的驅(qū)動馬達和取樣泵被固定在一塊共用的底板上。取樣泵單元安裝在機艙和泵艙之間的隔艙壁上。它的驅(qū)動馬達放在機艙一側(cè)，取樣泵放在泵房一側(cè)。取樣泵組件設有一個驅(qū)動軸穿艙件，它是一個專用的密封機構(gòu)，以保證泵運行期間機艙和泵艙之間保持氣密。

3)取樣單元里設有一個帶有光學測量器件的油份濃度測量裝置，從取樣泵來的樣水由測量裝置的入口進入，然后從出口流回到排水總管。光學測量器件將流過測量裝置的樣水中含油量的變化轉(zhuǎn)換成相應的光信號，并通過光纖傳遞到測量單元。

1.3 測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)主要包括取樣測量單元和流量測量單元，如圖3所示。

1)取樣測量單元由微處理器和光電器件組成，從取樣單元來的光信號，在測量單元里被轉(zhuǎn)換成電信號，傳送到計算機單元。

2)流量測量單元主要由流量傳感器和差壓變送器組成。流量傳感器采用阿牛巴流量傳感器，設有5個測量孔，用于檢測流體的動壓和靜壓，測量信號通過高壓信號管路和低壓信號管路傳遞到差壓變送器。差壓變送器的作用是將阿牛巴流量傳感器的壓力信號轉(zhuǎn)換成與排水泵排量相適應的4～20 mA 的電流信號，傳送到計算機單元。差壓變送器采用了一個經(jīng)認可的本質(zhì)安全裝置，以保證其工作的安全可靠性。

1.4 閥控系統(tǒng)

閥控系統(tǒng)是計算機指令的執(zhí)行單元，如圖4所示。閥控系統(tǒng)里的電磁閥將按計算機控制系統(tǒng)發(fā)出的指令動作，然后由壓縮空氣把舷外排放閥和回水控制閥驅(qū)動到指令要求的位置。

2 排油監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)主要根據(jù)船舶的航速(由船舶的 GPS 或者計程儀提供，通過對排放管的流量及含油污水的含油量的測定，當滿足式(1)和式(2)的條件以及無任何系統(tǒng)運行故障(斷電、樣品丟失、測量或記錄系統(tǒng)重大錯、當任何傳感器的輸入超過系統(tǒng)的有效容量)時含油污水允許排放，以減少船舶對海洋的污染[5,6]。當不滿足式(1)或式(2)以及有任何系統(tǒng)運行故障時必須終止排放。

(1)

式(1)中，Q為排量，m3/h；C為油份濃度；V為航速，n mile/h。

(2)

式(2)中，I1為上次裝載量；I2為排放總量。

其中各項的測量方法如下:

1)航速測量。船舶的航速由船舶的計程儀提供，其輸出為脈沖信號(200脈沖/海里或4～20 mA電流信號)。系統(tǒng)根據(jù)航速計單位時間輸出的脈沖數(shù)可得到船舶的航行速度。

2)排量速率。排量速率采用阿牛巴流量計和差壓變送器測量含油污水的排量，同其他方法相比，阿牛巴流量計具有準確度高、穩(wěn)定性好等特點[7]。阿牛巴的準確度為±1%，穩(wěn)定性為±0.1%，使用過程中的磨損、腐蝕以及粘附的油污灰塵等因素對阿牛巴流量計系數(shù)影響不大，它能夠保持長期輸出非常穩(wěn)定的差壓信號，保證輸出差壓信號與管道流量的映射關(guān)系。其系統(tǒng)示意圖如圖5所示，阿牛巴流量計將流量差壓信號輸出，然后經(jīng)差壓變送器轉(zhuǎn)變?yōu)?4～20 mA電流信號，系統(tǒng)對電流信號進行采樣，根據(jù)其大小即可得到含油污水的流量。

3)油份濃度及排放總量。油份濃度測量范圍為(0～999)×10-6，系統(tǒng)通過對其采樣可得到含油污水的油份濃度。系統(tǒng)根據(jù)相同油份濃度下排放時間及排放流量計算出此段時間的排放量，各個時段排放量的累計即為裝置的排放總量。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

系統(tǒng)進入監(jiān)控狀態(tài)運行時，當油量瞬間排放率和排放總量達標時，系統(tǒng)將自動打開排放控制閥，向舷外排水。如果運行期間瞬時排放率超過15 L/km，系統(tǒng)會出現(xiàn)報警信號，并將自動關(guān)閉排放控制閥，停止向舷外排水。故障出現(xiàn)時，顯示屏和聲報警器發(fā)出相應的聲光報警信號，打印機同時作出相應的故障報警記錄。按下消聲按鈕，聲響報警器停止聲響，視覺報警將在顯示屏繼續(xù)保持直到報警信號消失。報警信號消除后，系統(tǒng)將自動恢復排放運行。顯示屏和打印機將自動對系統(tǒng)運行狀態(tài)的變化作出相應的顯示和記錄。當出現(xiàn)排放總量報警時，系統(tǒng)自動關(guān)閉排放閥，直至本航次結(jié)束。該排油監(jiān)控系統(tǒng)目前已在某大型油船上成功應用，系統(tǒng)應用部分實物圖如圖6所示。該系統(tǒng)實際運行時性能良好，滿足設計要求，功能符合73/78防污公約法的規(guī)定。