紧凑型电解单元液位控制与除氢效率分析

蔡 鸣，隋秀蔚

（青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司，山东 青岛 266101）

0 引 言

船舶在运营过程中通常通过注入或排出压载水调整吃水和重心位置，进而保证船体的平衡稳定性［1］。当船舶处于空载或低载状态时，需通过注入压载水保障船体的平衡稳定性；在船舶装载货物之前，需排出压载水，以确保船舶的吃水与重心的平衡。当船舶排出压载水时，压载水中的微生物和病原体会一同排到海水中，对海洋生态、社会经济和人类健康造成影响［2］。由船舶压载水引发的外来物种入侵对海洋环境的危害已被全球环境基金组织认定为危害海洋的四大威胁之一［3］。

针对压载水排放问题，国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）出台了《2004年国际船舶压载水和沉积物控制和管理公约》（BWMC2004），通过对压载水进行管理减少有害微生物的转移，防止其对环境和人体健康造成威胁。［4］目前常用的船舶压载水处理方法主要有物理处理、化学处理和生物处理3种。电解法处理技术是获得IMO资助的一种非常有应用前景的去除船舶压载水中生物和病原体的技术，具有操作方便、成本较低和装置简单等优点，现已成为处理压载水最有效的方法之一。［5］

电解法压载水处理系统的核心部件是电解单元，在电解过程中去除副产物氢气是保证系统安全稳定运行的要素之一。本文以某支路电解法船舶压载水处理系统的紧凑型电解单元为研究对象，对其液位控制和除氢效率进行分析。该紧凑型电解单元的实际除氢效率仍有提升的空间；在其他参数（如流量、温度、盐度、电流和电压）不变的情况下，位于除氢管路中的氢气的浓度随着缓冲罐液位的变化而变化，但没有定性的结论得出；在缓冲罐液位明显波动的情况下，除氢管道中的氢气传感器会发出浓度高的报警。

1 电解单元原理概述

该支路电解法船舶压载水处理系统的紧凑型电解单元主要由进出口阀门、电解槽、旋风分离器、缓冲罐和加药泵等部件组成（见图1）。

图1 电解单元结构图

其工作原理为：一定流量的海水进入电解槽，经过直流电的电解处理之后，会产生以次氯酸钠为主要成分的消毒剂和副产物氢气；所有气液混合物进入旋风分离器和缓冲罐，二者共同起到气液分离的作用；分离出的气体从上方管道排出，剩余的物质由电解海水产生的次氯酸钠溶液通过加药泵注入压载主管中，与压载主管中的水混合之后进入压载舱，起到杀菌灭活的作用。

2 试验测试

为获取电解单元缓冲罐液位与除氢效率之间的定性关系，开展以下试验。

2.1 试验目的

1）获取电解单元缓冲罐液位的控制目标（现阶段设定值为液位计量程的30%～40%）与除氢效率之间的定性关系；

2）获取电解单元缓冲罐液位波动（降低或升高）对除氢效率的影响。

2.2 硬件设备架构

为实现上述目标，在车间搭建相关试验系统，主要包括模拟压载舱、水泵、电解单元、控制系统、海水和检测探头等。表1为主要设备清单；图2为除氢试验车间实景。

图2 除氢试验车间实景

表1 主要设备清单

2.3 试验内容

图3为除氢试验车间布置图。

图3 除氢试验车间布置图

1）为验证缓冲罐液位的高度与除氢效率之间的关系，分别测试缓冲罐液位设定值较小和较大时，电解单元的除氢效率。为避免液位太低导致液体被抽空，以及液位太高导致液体溢出，在试验中取低位设定值为150 mm，取高位设定值为500 mm（液位计量程为700 mm），数据记录时间间隔为20 s，具体见表2和表3。表中PSU在海洋学中用于表示盐度的基准；LEL为气体的爆炸下限，氢气爆炸下限的体积百分比为4.0%。

表2 缓冲罐液位设定值为150 mm时的试验数据

表3 缓冲罐液位设定值为500 mm时的试验数据

2）为验证电解单元缓冲罐液位波动（下降或升高）对除氢效率的影响，分别测试缓冲罐液位逐渐下降和逐渐上升时，除氢风道中氢气浓度的变化规律。具体见表4和表5。

表4 缓冲罐液位逐渐下降情况下的试验数据

表5 缓冲罐液位逐渐上升情况下的试验数据

3 试验数据分析

1）根据表2和表3中的试验数据，在使用的系统相同，其他参数（包括流量、温度、盐度、电压和电流）不变的情况下：当液位设定值为150 mm，实际液位平均值为153 mm时，检测的氢气浓度平均值为LEL的29.6%；当液位设定值为500 mm，实际液位平均值为510 mm时，检测的氢气浓度平均值为LEL的33.5%。由此可知，在其他参数不变的情况下，缓冲罐的稳定液位值越高，系统的排氢量越多，除氢效率越高。

2）根据表2和表4中的试验数据，在使用的电解单元系统相同，其他参数（包括流量、温度、盐度、电压和电流）不变，缓冲罐平均液位值几乎相同的情况下：表2中的缓冲罐液位比较稳定，检测的氢气浓度平均值为LEL的29.6%；表4中的缓冲罐液位持续下降，检测的氢气浓度平均值为LEL的14.4%。由此可知，在其他参数不变的情况下，当缓冲罐液位持续下降时，从除氢风道中检测的氢气浓度较低。

3）根据表3和表5中的试验数据，在使用的电解单元系统相同，其他参数（包括流量、温度、盐度、电压和电流）不变的情况下：表3中的缓冲罐液位比较稳定且平均值较高，检测的氢气浓度平均值为LEL的33.5%；表5中缓冲罐液位持续上升且平均值较低，检测的氢气浓度平均值为LEL的46.4%。由此可知，在其他参数不变的情况下，当缓冲罐液位持续上升时，从除氢风道中检测的氢气浓度较高。

4 结 语

通过对该支路电解法压载水处理系统的电解单元缓冲罐的液位控制与除氢效率进行试验分析发现：在其他参数不变的情况下，电解单元缓冲罐液位的稳定值越高，系统的除氢效率越好；在缓冲罐液位波动的情况下，排氢管路中氢气的浓度有明显波动，即除氢效率不稳定。

为使该电解单元有更好的除氢效果，并避免因液位波动而使风道中氢气传感器发现浓度高的报警，通过对试验数据进行分析，优化缓冲罐液位控制逻辑，具体如下：

1）为提高除氢效率并避免水位过高而溢出，将缓冲罐液位设定值由液位计量程的30%～40%提高到70%～80%；

2）为避免缓冲罐液位波动引发的系统问题，即液位持续下降时除氢效率下降，以及液位持续上升时因排氢浓度过高而使除氢风道中氢气传感器发出浓度高的报警，在电解单元的变频加药泵出口增加气动调节阀，将液位控制由单一变量的加药泵频率控制改为加药泵频率和调节阀双变量控制，并引入模糊控制理论，大大提高液位稳定控制效果，避免在工况明显变化时，液位大幅波动对系统除氢效率产生影响。