蔡 鳴，隋秀蔚

（青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，山東 青島 266101）

0 引 言

船舶在運營過程中通常通過注入或排出壓載水調(diào)整吃水和重心位置，進而保證船體的平衡穩(wěn)定性［1］。當(dāng)船舶處于空載或低載狀態(tài)時，需通過注入壓載水保障船體的平衡穩(wěn)定性；在船舶裝載貨物之前，需排出壓載水，以確保船舶的吃水與重心的平衡。當(dāng)船舶排出壓載水時，壓載水中的微生物和病原體會一同排到海水中，對海洋生態(tài)、社會經(jīng)濟和人類健康造成影響［2］。由船舶壓載水引發(fā)的外來物種入侵對海洋環(huán)境的危害已被全球環(huán)境基金組織認定為危害海洋的四大威脅之一［3］。

針對壓載水排放問題，國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）出臺了《2004年國際船舶壓載水和沉積物控制和管理公約》（BWMC2004），通過對壓載水進行管理減少有害微生物的轉(zhuǎn)移，防止其對環(huán)境和人體健康造成威脅。［4］目前常用的船舶壓載水處理方法主要有物理處理、化學(xué)處理和生物處理3種。電解法處理技術(shù)是獲得IMO資助的一種非常有應(yīng)用前景的去除船舶壓載水中生物和病原體的技術(shù)，具有操作方便、成本較低和裝置簡單等優(yōu)點，現(xiàn)已成為處理壓載水最有效的方法之一。［5］

電解法壓載水處理系統(tǒng)的核心部件是電解單元，在電解過程中去除副產(chǎn)物氫氣是保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的要素之一。本文以某支路電解法船舶壓載水處理系統(tǒng)的緊湊型電解單元為研究對象，對其液位控制和除氫效率進行分析。該緊湊型電解單元的實際除氫效率仍有提升的空間；在其他參數(shù)（如流量、溫度、鹽度、電流和電壓）不變的情況下，位于除氫管路中的氫氣的濃度隨著緩沖罐液位的變化而變化，但沒有定性的結(jié)論得出；在緩沖罐液位明顯波動的情況下，除氫管道中的氫氣傳感器會發(fā)出濃度高的報警。

1 電解單元原理概述

該支路電解法船舶壓載水處理系統(tǒng)的緊湊型電解單元主要由進出口閥門、電解槽、旋風(fēng)分離器、緩沖罐和加藥泵等部件組成（見圖1）。

圖1 電解單元結(jié)構(gòu)圖

其工作原理為：一定流量的海水進入電解槽，經(jīng)過直流電的電解處理之后，會產(chǎn)生以次氯酸鈉為主要成分的消毒劑和副產(chǎn)物氫氣；所有氣液混合物進入旋風(fēng)分離器和緩沖罐，二者共同起到氣液分離的作用；分離出的氣體從上方管道排出，剩余的物質(zhì)由電解海水產(chǎn)生的次氯酸鈉溶液通過加藥泵注入壓載主管中，與壓載主管中的水混合之后進入壓載艙，起到殺菌滅活的作用。

2 試驗測試

為獲取電解單元緩沖罐液位與除氫效率之間的定性關(guān)系，開展以下試驗。

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

1）獲取電解單元緩沖罐液位的控制目標(biāo)（現(xiàn)階段設(shè)定值為液位計量程的30%～40%）與除氫效率之間的定性關(guān)系；

2）獲取電解單元緩沖罐液位波動（降低或升高）對除氫效率的影響。

2.2 硬件設(shè)備架構(gòu)

為實現(xiàn)上述目標(biāo)，在車間搭建相關(guān)試驗系統(tǒng)，主要包括模擬壓載艙、水泵、電解單元、控制系統(tǒng)、海水和檢測探頭等。表1為主要設(shè)備清單；圖2為除氫試驗車間實景。

圖2 除氫試驗車間實景

表1 主要設(shè)備清單

2.3 試驗內(nèi)容

圖3為除氫試驗車間布置圖。

圖3 除氫試驗車間布置圖

1）為驗證緩沖罐液位的高度與除氫效率之間的關(guān)系，分別測試緩沖罐液位設(shè)定值較小和較大時，電解單元的除氫效率。為避免液位太低導(dǎo)致液體被抽空，以及液位太高導(dǎo)致液體溢出，在試驗中取低位設(shè)定值為150 mm，取高位設(shè)定值為500 mm（液位計量程為700 mm），數(shù)據(jù)記錄時間間隔為20 s，具體見表2和表3。表中PSU在海洋學(xué)中用于表示鹽度的基準(zhǔn)；LEL為氣體的爆炸下限，氫氣爆炸下限的體積百分比為4.0%。

表2 緩沖罐液位設(shè)定值為150 mm時的試驗數(shù)據(jù)

表3 緩沖罐液位設(shè)定值為500 mm時的試驗數(shù)據(jù)

2）為驗證電解單元緩沖罐液位波動（下降或升高）對除氫效率的影響，分別測試緩沖罐液位逐漸下降和逐漸上升時，除氫風(fēng)道中氫氣濃度的變化規(guī)律。具體見表4和表5。

表4 緩沖罐液位逐漸下降情況下的試驗數(shù)據(jù)

表5 緩沖罐液位逐漸上升情況下的試驗數(shù)據(jù)

3 試驗數(shù)據(jù)分析

1）根據(jù)表2和表3中的試驗數(shù)據(jù)，在使用的系統(tǒng)相同，其他參數(shù)（包括流量、溫度、鹽度、電壓和電流）不變的情況下：當(dāng)液位設(shè)定值為150 mm，實際液位平均值為153 mm時，檢測的氫氣濃度平均值為LEL的29.6%；當(dāng)液位設(shè)定值為500 mm，實際液位平均值為510 mm時，檢測的氫氣濃度平均值為LEL的33.5%。由此可知，在其他參數(shù)不變的情況下，緩沖罐的穩(wěn)定液位值越高，系統(tǒng)的排氫量越多，除氫效率越高。

2）根據(jù)表2和表4中的試驗數(shù)據(jù)，在使用的電解單元系統(tǒng)相同，其他參數(shù)（包括流量、溫度、鹽度、電壓和電流）不變，緩沖罐平均液位值幾乎相同的情況下：表2中的緩沖罐液位比較穩(wěn)定，檢測的氫氣濃度平均值為LEL的29.6%；表4中的緩沖罐液位持續(xù)下降，檢測的氫氣濃度平均值為LEL的14.4%。由此可知，在其他參數(shù)不變的情況下，當(dāng)緩沖罐液位持續(xù)下降時，從除氫風(fēng)道中檢測的氫氣濃度較低。

3）根據(jù)表3和表5中的試驗數(shù)據(jù)，在使用的電解單元系統(tǒng)相同，其他參數(shù)（包括流量、溫度、鹽度、電壓和電流）不變的情況下：表3中的緩沖罐液位比較穩(wěn)定且平均值較高，檢測的氫氣濃度平均值為LEL的33.5%；表5中緩沖罐液位持續(xù)上升且平均值較低，檢測的氫氣濃度平均值為LEL的46.4%。由此可知，在其他參數(shù)不變的情況下，當(dāng)緩沖罐液位持續(xù)上升時，從除氫風(fēng)道中檢測的氫氣濃度較高。

4 結(jié) 語

通過對該支路電解法壓載水處理系統(tǒng)的電解單元緩沖罐的液位控制與除氫效率進行試驗分析發(fā)現(xiàn)：在其他參數(shù)不變的情況下，電解單元緩沖罐液位的穩(wěn)定值越高，系統(tǒng)的除氫效率越好；在緩沖罐液位波動的情況下，排氫管路中氫氣的濃度有明顯波動，即除氫效率不穩(wěn)定。

為使該電解單元有更好的除氫效果，并避免因液位波動而使風(fēng)道中氫氣傳感器發(fā)現(xiàn)濃度高的報警，通過對試驗數(shù)據(jù)進行分析，優(yōu)化緩沖罐液位控制邏輯，具體如下：

1）為提高除氫效率并避免水位過高而溢出，將緩沖罐液位設(shè)定值由液位計量程的30%～40%提高到70%～80%；

2）為避免緩沖罐液位波動引發(fā)的系統(tǒng)問題，即液位持續(xù)下降時除氫效率下降，以及液位持續(xù)上升時因排氫濃度過高而使除氫風(fēng)道中氫氣傳感器發(fā)出濃度高的報警，在電解單元的變頻加藥泵出口增加氣動調(diào)節(jié)閥，將液位控制由單一變量的加藥泵頻率控制改為加藥泵頻率和調(diào)節(jié)閥雙變量控制，并引入模糊控制理論，大大提高液位穩(wěn)定控制效果，避免在工況明顯變化時，液位大幅波動對系統(tǒng)除氫效率產(chǎn)生影響。