基于连通器结构的油水分离清污船设计

刘增泽

（上海师范大学 数理学院，上海 200234）

基于连通器结构的油水分离清污船设计

刘增泽

（上海师范大学 数理学院，上海 200234）

文章介绍一种基于密度法与连通器结构所设计的清理大面积水面油污的清污船舶。船舶采用穿浪双体船型，利用船体前进的动力与特殊的机械结构实现油污的汇集，运用密度法与连通器原理实现油水分离，结构简单使本身成本及维护使用成本较低。

清污船；密度法；连通器

0 引言

原油出口催生起了原油运输，原油运输又难免出现原油泄漏；除此之外随着路上原油资源日进枯竭，海上原油开采成为未来原油开采的大趋势，同样催生原油泄漏的问题。而现今原油泄漏大多是采用人工打捞、化学药剂分解、物理法吸油等措施，不仅效率低下，而且可能对海洋造成二次污染。随着船舶制造业的发展，不应只在吨位上有所发展，在船舶的种类上更应有所发展。运油量逐渐增加，高效率的清污船则成为急需之物。本文主要阐述了一种为处理溢油事故的船舶，该设计运用密度法，通过独特的机械格局设计，使这种特殊船舶不仅能满足日常航运，同时能够处理固体与溢油等多种水域污染，能够实现收油稳定，“遗漏油”少，且操作维护简单，本身成本及维护使用成本较低。

1 研究背景

1.1 国内背景

随着经济的不断发展，我国石油消耗量逐年提高，石油进口量也越来越多。从1993年开始，我国逐步成为世界最主要的石油进口国，我国石油进口年增20%，对外依存度达55.2%[1]。

目前，我国石油进口主要通过海运方式进行，陆路方式所占比例极小，因此，我国在很多沿海城市都设置有炼油厂和储油基地。随着我国对海上油田技术的逐步掌握，目前我国在沿海海域也建设有多处海上油气田。不管是海上输油、海上采油，还是沿海炼油、沿海输油，由于炼油、储油和输油的安全性要求非常高，因此，稍有疏忽便会引发严重的海上漏油事故，如2010年的大连漏油事故、2011年渤海湾漏油事故等。

1.2 国际背景

国际溢油事故主要也集中在海上钻井平台事故、输管道事故、运油船舶泄露等情况，其中国外海上开采技术应用较早，现有海上钻井平台和输油管道也都使用多年，逐渐老化，暴露出各种危险的信号，使未来原油泄漏的几率增加。

近些年较为典型的事故是 2010年墨西哥海湾钻井平台爆炸，造成墨西哥湾大面积污染，生态系统遭到严重破坏，而除油措施仍然不见改善，依然是效率低下的人工、化学除油法，虽然有部分专业除污船，但效率不尽人意。

1.3 技术背景

目前没有专用的水面油污清理船舶，在清理海面或河面的水面油污时，一般采用设置油污隔离栅进行隔离、吸油毡吸油和人工捞油的方式进行清洁，不但操作麻烦，而且由于水面风浪不平静，导致隔离效果或收油率低下。

中国专利号为201320185917.4的实用新型专利公开了一种离心式吸油船，该船通过在主动轮和从动轮之间连接传送皮带，使传送皮带沾上油水混合物，并依靠与从动轮配合的传送皮带转向而产生离心力，将沾上的油水混合物甩到集油箱内，从而实现油水初步分离和初步收集。这种离心式吸油船具有自动吸油、甩油（收油）的功能，节省了人工，但是由于使用高速离心发动机造成成本过高；离心皮带转速高，可以将油水分离，但是分离不彻底，大量油污依然返回到水面[2]。

中国专利号为201310542154.9的发明专利公开了一种水面油污清理船，该船利用吸油辊进行吸油，并利用刮刀将油刮出，并通过流油沟淌到集油槽中，具有自动吸油、储油的功能。但是该船具有以下不足：依靠吸油轴吸油，仅适用于极薄的水面浮油，较厚的油层必然需要多次清理，吸油不彻底；刮油装置不彻底，会造成油污反流；设计上存在油污收集盲区，影响吸油效率；成本较高[3]。

以上两个专利设计还都具有一个共同的缺点，就是没有调整吸油辊或传送皮带高度的功能，这样随着吸油的不断进行，船体总重必然增加，吸油辊或传送皮带浸入水中的部分将更多，这样就不能使吸油辊或传送皮带处于最佳吸油状态，工作状态不稳定，也就是说吸油效果会越来越差。

海上溢油事故几乎每年都会发生，造成的生态污染是不可估量的，一次溢油将会影响该水域数十年的生态环境的恢复与重建，造成不可估量的损失。同时现有各项技术并不成熟，存在各种弊端，该类设计极其缺少，并且很少转入实际生产与作业，造成水域污染处理没有大的进展。在水域出现大规模污染时，人们只有悲叹与怜惜。因此研究一款高效的清污船势在必行。

2 设计介绍

2.1 理论基础

2.1.1 密度法

密度法指利用物体物理密度来测定测量区分物体的方法。本设计针对溢油事故的处理，面对两种需要分离的物质为海水（或淡水）和原油，通常海水的密度为：1.025 g/cm3，通常原油密度为：0.81 g/cm3，可以看出原油密度小于海水密度，因此两者的密度决定了它们的分布。溢油事故发生时，原油漂浮在海水上层表面，形成粘连性油层，基于密度法的理论，可利用两者密度不同而形成不同的分层进行油水分离处理[4]。

2.1.2 连通器原理

连通器中等高度液体压强相同，不同密度液体在连通器中液面高度不一致。利用本原理，设计油水分离器为一个异形连通器，图1是油水分离装置的水与油分离原理图，一次油水分离室与二次分离室（储油室）与大海组成了底部相连上端开口的三管连通器，由于一次分离室与二次分离室内上部有密度较小的原油，因此高度略高于外部海平面，随着船体向前运动，进入的原油逐渐增多，质量增大便会挤压位于连通器下部密度较大的海水溢出，流向大海这一端的连通器，维持连通器同一高度压强相等，从而通过两级过滤（或多级过滤），将海水排出，储存原油。配合吸、刮等形式收集二次分离室上部初步存储的原油，使二次分离室原油与水的比例稳定，确保原油不从二次分离室底部溢出，进而实现原油的分离、汇聚、回收。

图1 油水分离装置的水与油分离原理简图

2.1.3 透光性物质识别法

物质由不同的元素和结构组成，不同物质存在不同的透光性，利用不同物质的透光性不同，实现物质的初步判断。原油与海水是两种密度、结构、元素等均不相同的物质，它们的透光性存在差异，由实验可以观察，原油的透光性较弱，海水透光性较好。基于此原理，设置垂直的多组光强探头（一端时强光源，一端为高灵敏度光强探头），并自带水压清洗，防止探头及光源被污染物质覆盖影响探测结构，通过光强反馈，来追踪原油与海水的交界面，便于收集装置跟踪，自动变化吃水深度，不放过任何油层，保持进入分离器的油污占比最大，提高原油分离回收效率。

由以上3大理论基础支撑，船体的油水分离装置整体造型及跟踪控制就解决了。船体采用密度法、连通器结构设计，以及利用物质的透光度对物质进行识别等技术，都是在本领域未曾出现过的，也是本设计创新之处，不仅改变传统清污船技术上不能根据实际油污厚度、船体吃水变化而改变收集装置的高度，还通过连通器原理解决了油水分离，结构原理简单且简便易行，分离可控且更加彻底。

2.2 机械结构论证

机械结构简图见图2。

图2 机械结构简图

2.2.1 油污汇集装置

油污汇集装置位于船体前端，张角大于船体宽度，减少油污对船体的阻力，装置可伸缩，在正常航行时，收缩于船体中央空隙；工作时伸展形成张角，并与油水分离装置相连，使油水混合物能汇集进入油水分离室，采用伸缩气杆驱动。

2.2.2 油污推进装置

该装置位于油水分离室入口以及二次油水分离室与入口，由滚轴、驱动电机、高压气枪装置、刮板构成，滚轴上装有毛刷，由驱动电机带动滚轴，滚轴带动毛刷向前推动混合物前进，由于刷毛容易粘连油污，在滚轴内部设有高压气枪清洗装置，避免油污被吹落到油水分离室，确保推送装置的自重，保证其正常运转。

2.2.3 回流控制板

由于油水混合物密度小于海水，油水分离室内界面高度会略高于外界面，由此可能会出现回流问题。所以，在油水分离室前端放置可调节角度的回流控制板，防止出现油污反向逆流现象，便于内部存储更多原油。

2.2.4 吸、捞、渗、吹过滤收集装置

前两级利用连通器原理和密度法对油水混合物进行初步分离后，便是最终环节的油污收集工作。为了增加船舶清理的海域面积，需要考虑船舶的载重。如果油污分离不充分就会造成船舶过早达到船体载重上限，影响油污收集效率。因此在前两级的油水分离与汇聚后，最后收集油污不仅仅依靠吸油，同时需要对油污进行进一步的滤水处理。模拟平时捞鱼的动作进行油污滤水和收集过程，主要结构包括透水亲油毡、网筛、旋转牵引臂、高压气枪吹洗装置。亲油滤水毡夹于网筛的上网下网中间，起到捞油滤水的效果，网筛与旋转牵引臂由旋转驱动圆轴相连，使其网筛能够上下180°旋转，便于竖直深入油水混合物中，后旋转至水平进行捞油，水由于重力的作用，向下从亲油滤水毡渗出，后由牵引臂引导旋转至背侧集油箱，通过上部高压气枪吹吸滤网，使其油污完全落入集油箱。不仅高效，并且提高油水分离率。

2.2.5 穿浪双体船

穿浪高速双体船船型最早由澳大利亚国际双体船公司提出，它是在高速双体船船型基础上发展起来的，即将小水线面和深V型船在波浪中的优良航行性能特点、双体船的结构形式及水翼船的弧形支柱等揉合在一起。艏部线型特别尖削，能穿浪而行，使其在波浪中的航行性能有很大提高。该型船的静水高速性能明显优于小水线面船，而其在波浪中的航行性却与小水线面船接近。改载波航行为穿浪航行，具有低阻力、高航速、平稳的优良综合运动性能。它拥有水翼船的高速性、小水线面船的低阻特性和双体船的稳定性，并具备了宽大的上层建筑，可供多种舱室布置。利用本船型，一是便于高速行驶至事发地，二是可充分利用其中间空隙搭载油污清理设备，且在自然航行时有助于将设备升至上层工作层，且能搭载其他救援清污设备[5]。

3 结论

本设计改变传统清污船的整体设计，采用穿浪双船设计，运行高速，运载能力强，空间适宜搭载各类清污救援设备；其次，依靠船体前行动力实现油污汇集，并采用物理法中的密度法，结合机械设计，借助连通器结构原理，实现初级自行油水分离；再次，引入透光度追踪物质的方法，实现收集装置自动跟踪油水分界面，使其集油效果更佳；最后，采用吸、捞、渗、吹的过程收集分离后的原油，分离更彻底，提升船体的处理油污能力，相同载重的状况下，收集更多油污。综上，基于连通器结构的油水分离清污船具有清污效率高、成本低、油水分离率高、遗漏油少等特点，弥补了油污清理船这一船种的空缺。

[1]张祺.中国石油进口依存度问题研究[D].武汉大学,2013.

[2]王冲,张舒展,孙洪满,等.离心式吸油船[EB/OL].国家知识产权局,2013.

[3]郭树国,王丽艳,徐升智,等.一种水面油污清理船[EB/OL].国家知识产权局,2014.

[4]陈国华,季荣,谢式南,等.黄河口及渤海湾海水的密度[J].海洋与湖沼,1993(2)： 183-190.

[5]徐菊英.国内外高速双体船市场及技术发展现状[J].船舶,1994(6)： 26-40.

Design of Clean-up Ship Based on Communicating Structure

LIU Zengze
(College of Mathematical and Physical Scien ces of Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China)

The paper introduces a clean-up ship designed based on the density method and the communicating structure for cleaning large areas of oil pollution on water surface.The ship adopts the type of catamaran.Using the forward power of the hull and the special mechanical structure,the collection of oil pollution is achieved.The separation of oil and water is achieved by the density method and the communicating structure.The simple structure makes low cost and low maintenance cost.

clean-up ship; density method; communicating structure

U662.2

A

10.14141/j.31-1981.2017.05.005

刘增泽（1993—），男，硕士研究生，研究方向：仪器设备研究、实验设计和实验模拟。