船舶压载水处理装置系统设计 5页

第29卷第5期江苏船舶V01．29No．52012年10月JIANGSUSHIP0et．2012船舶压载水处理装置系统设计包国治，孙玉科，陈宁(江苏科技大学，江苏镇江212003)摘要：以2650DWT化学品船为对象，就满足国际海事组织的《国际船舶压载水和沉积物管理与控制公约》G8准则的压载水处理装置及系统进行了研究，研发了1套过滤精度为50m，中心照度计量为40000~J／em的200m／h处理能力的压载水紫外杀菌装置。给出了过滤器流速及处理装置紫外线剂量的计算方法，并设计了以PLC为控制核心，由组态软件开发的触摸屏上人机交互窗口为操纵界面的管理系统。介绍了4种工况下压载水处理装置工作原理及阀门遥控的方案。比较了紫外线与其他杀菌方式的优劣。结果表明，该装置的开发能满足公约提出的对海洋微生物的控制要求，是一种高效低耗值得推广的系统。关键词：压载水处理；紫外线杀菌；阀门遥控；控制方案中图分类号：U664．9文献标识码：A线处理以及超声波处理几方面；化学法包含的比较0引言多，大体上是通过化学物质的氧化还原作用对压载压载水系统是保证船舶稳性和浮性的重要系水进行杀毒。但是，没有一种单一的处理技术能够统，它可以调整船舶的吃水和船体纵、横向的平稳及满足IMO提出的五项标准。通常IMO将利用物理安全的稳心高度，减少船体变形，降低船体振动，改处理的方法称为G8准则，而含有利用化学处理的善空舱适航性。船舶压载水一般来自船舶的始发港方法称为G9准则。由于采用G9准则的方法对于或途经的沿岸水域，装载的压载水量依船型、载货情环境的影响因素较大，因此，目前用紫外线处理海水况、航线、港口条件和海况有较大的变化范围。被广泛应用J，灭菌效果在99％以上。在滤除大型资料显示，国际贸易中的80％以上货物通过船微生物后用紫外线处理压载水是一种有效且环境允舶转运。船舶在注入和排放压载水的同时，引起有许的方法，该技术对管路、泵等均无不良影响。本文害水生物和病原体的跨海域传播。压载水的无控制采用直接过滤加高强紫外线杀菌的G8方法构建压排放对海洋生态、公众健康造成严重危害，由此引起载水处理装置，以达到IMO的标准。海洋生态破坏。据统计，全球有近百亿吨压载水通1压载水处理装置的设计及组成过船舶在各海岸流动。国际海事组织(IMO)于2004年2月在英国伦敦通过了《船舶压载水和沉淀本装置以2650DWT成品化学品船为对象，按物控制和管理国际公约》，对于实施压载水管理的200m／h流量进行设计，有全自动反冲滤器、紫外船舶排放的压载水，应满足D一2标准，即每立方米线杀菌器、控制单元及相应的管路及附件组成，如图可检出存活的大于50m的微生物应少于10个；每1所示。毫升可检出存活的10～50Ixm的微生物应少于101．1反冲滤器个；每100mL中有毒霍乱孤菌小于1cfu，大肠杆菌反冲滤器过滤精度为50m。当滤器内外腔间小于250efu，肠道球菌小于100efu。滤网污阻增大时，其压差传感器压差小于0．05MPa目前，压载水的处理主要有3种方法，即机械处时，反冲滤器排污阀开启，排污电机工作，实现自动理法、物理法和化学法1j。机械处理包含最直接的反冲洗，去除附着在滤网上的大的杂质和污物，使后过滤和旋流分离法；物理法则包括了单纯加热、紫外端的高效紫外线杀菌能够在断面过流2s内有效地杀灭微生物，防止有害微生物和细菌进入压载舱被收稿日期：2012—07—26带到其他水域。其主要部件由桶体、50m烧结滤基金项目：镇江市新兴产业项目(cY2010019)网、自清电机机构、排污蝶阀和压差开关等组成，如作者简介：包国治(1977一)，男，讲师，主要从事机电控制、船舶动力图2所示。海水在压差的作用下经过滤网，过滤掉设备、船舶轮机生产设计的研究工作。\n江苏船舶第29卷不小于50m的杂质，通过出口管路进入高效紫外0．75m／s从反应器流过，水中的微生物受到高强度线杀菌器进行有害微生物和细菌的杀灭。自清洗过c波段的紫外线照射后，微生物DNA、RNA内部结滤器的过滤速度在0．5～3m／s之间，本设计根据过构遭到破坏，不能复制，从而在不使用任何化学药物滤器工作压力设计选择过滤速度为1．5m／s。流的情况下，达到IMO对压载水排放的标准要求。紫量、有效过滤面积和过滤速度的关系见式(1)：外线处理装置的性能主要依赖于紫外线的剂量，紫Q=3．6×103fa(1)外线剂量本质上是由灯管种类及灯管安装的结构决式中：Q为过滤器的设计流量，m／h；为过滤器的定。这是影响紫外线处理效果最重要的因素，也是实际过滤面积，m；为过滤速度，m／s为滤网的净影响杀菌效果的直接因素。它等于紫外线强度与接面积系数。触时间的乘积，即：Dose：It(2)控式中：Dose为紫外线剂量，td／cm；，为平均紫外线反辐射强度，~W／cm；f为灭菌照射时间，s。在某一混合均匀、光程短的水杀菌区内，灭菌速率可用光化学反应方程式近似表示：d：一kiN(3)t图1压载水处理装置式中：Ⅳ为微生物活体的浓度，个／L；k为一级反应清洗电机速率常数，cm／(mws)。排污阀对式(3)积分并取对数后得：g=一=一kD。sec4式中：Ⅳn为紫外线照射前微生物活体的浓度，个／L。图2反冲滤器灭活不同的微生物所需要的紫外线剂量并不相1．2高效紫外线杀菌器同，见表1。高效紫外线杀菌器结构是封闭式的，采用316L不锈钢金属简体，内置带纯天然石英套管的高强紫外线汞脐灯，纯天然石英套管将被杀菌的压载水与高强紫外线汞脐灯隔绝开来，如图3所示。被处出口理压载水由进水口进入反应器，按断面过流速度图3高效紫外线杀菌器表1杀灭不同微生物所需紫外线剂量cm微生物剂量微生物剂量微生物剂量大肠杆菌6000黄曲霉菌9900大肠杆菌噬菌体6600伤寒杆菌7600黑曲霉孢子6oo0oo0沙门氏菌10ooO枯草杆菌芽胞40000流感病毒66oo痢疾杆菌42oo金黄色葡萄球12000破伤风病毒2200o霍乱弧菌650o白喉杆菌20000溶血性链球菌550o结核杆菌20000绿色链球菌380o依据IMO对压载水处理的标准和上式2一式4求，系统控制单元的主要功能为：压载水装载管理、微生物浓度与紫外线照射计量的计算公式，设计了信息记录、系统功能巡回检测、故障报警、自动操纵中心照度计量为40000~d／cm，由28支1．5m长执行和系统工作过程显示等。其主要工作过程是对输入功率为300W，波长256m的高强汞剂紫外灯压载水装载流量、装载位置GPS坐标的记录；操纵构成的200m／h处理能力的紫外线杀菌器。控制过程信息的存储、打印；对反冲滤器污阻的压差1．3系统控制单元检测和自动清洗；对紫外线杀菌器光照强度和灯管系统由PLC模块单元构成，依据IMO公约的要周边温度的检测和自动清洗；按控制逻辑控制管路\n第5期包国治等：船舶压载水处理装置系统设计23中电动蝶阀的关、闭及大小开度等。系统通过西门阀2、阀3、阀8、阀9和泵打开，其他阀关闭。此时海子触摸屏及WINCC组态软件实现人机对话，监控水经过反冲滤器进行过滤，过滤过的海水含有10～整个系统的工作状态。控制单元系统图见图4。50m以下的微生物含量不超过10／~'／m，再通过管路到达高强汞脐紫外灯杀菌器进行杀菌，处理过的海水其微生物的排放不超过规定的浓度：即每100mL取样中，霍乱弧菌小于1cfu，大肠杆菌小于250cfu，肠道球菌小于100cfu。该水进入压载舱，如图6所示。图6～图9中的粗线条表示在当前模式下系统工作的路线。图4控制单元系统图1．4其他部件其他部件包括电动蝶阀、流量计、温度、紫外线强度传感器等，其中电动蝶阀通过设置相应的接线盒实现远程遥控。利用PLC来采集各种开关量与应急压载工况时，由于船舶处于危险的航行中，模拟量，进而控制整个系统。急需对压载水进行调节。为了保障船舶的航行安全，可不对海水进行处理，而是直接通过管路打入到2系统工作原理压载水舱。这时应打开阀1、阀5、阀7、阀9和泵，其系统基本原理就是通过反冲滤器和高强紫外线他的阀关闭，直接进行压载，而不考虑压载水含有的杀菌器2台装置以及蝶阀的开关协同工作来达到对浮游生物及病菌杂质。因此，该工况不到特定情况压载水进行净化的目的J。在船舶压载水的处理不可使用，如图7所示。过程中，通常有4种工况，即正常压载工况、应急压载工况、正常排出工况、应急排出工况，因此涉及到4条不一样的管路通道。但是从船舶的实际出发，由于造价和机舱空间的限制，不可能单独做出4条管路，因此，必须设计1套综合管路系统通过蝶阀的开关，实现不同工况之间的转换来满足这4种工况的工作需要，从而实现降低造价、节省空间、提高效正常排出工况时，考虑到压载水舱中的海水，率的设计目标。具体的结构布置方案如图5所示。由于压载水舱内长期沉积物对压载水的污染以及极图5～图9中的数字为阀的编号。少部分的未被杀灭微生物，细菌在压载水舱环境中的繁衍，因此，在压载水排除舷外时仍要用高强汞脐紫外灯进行杀菌，此时，无需再经过反冲滤器。需将阀3、阀8关闭，阀6打开，直到紫外线杀菌器注满淡水后关闭。启动高强汞脐紫外灯管预热，然后打开阀10、阀5、阀4、阀8、阀l1和泵，其他阀关闭。由图5可知，通过遥控阀组的开关组合，可以实此时，船舶压载舱里的压载水通过同一水泵的作用，现压载水处理中各个工况之间的转换。其中，阀5经过紫外杀菌器进行杀菌后排出舷外，见图8。是属于可调阀，通过它可以调节装置的流量，在其后应急排出工况时，由于情况特殊，不需要再经过面有1个流量计(图中未表示)用来采集流量信号紫外杀菌器杀菌，只需直接打开阀lO、阀5、阀7、阀并输入到人机界面(简称HMI)中进行流量监控的。l1和泵，通过这套管路排出即可，其他阀此时关闭，正常压载工况时，必须对压载水进行杀菌处理，如图9所示。因此，需将阀3、阀8关闭，阀6打开直到紫外线杀3控制系统菌器注满淡水后关闭，启动高强汞脐紫外灯管预热，然后依次将反冲滤器和紫外线杀菌器的阀l、阀5、本装置控制系统由系统硬件和软件两部分组\n第29卷成。卸载4个动态工况界面以及实时动态模拟阀的开、3．1硬件的选型关显示、故障报警、历史数据记录等界面组成，通过系统硬件选用西门子S7—200型PLC，共42点触摸屏，由WINCC提供的命令调入或退出。每幅输入，34点输出。其中CPU为224XP型(14点输界面设置信息输出框、按钮命令等，可将相应的命入、10点输出数字量，2点输入、1点输出模拟量)；令、数据输送给PLC。也可从PLC读出相应的参数数字量输入、输出扩展模块为EM223型(16点输和状态信息，实现人机交流。限于篇幅，本文就正常出、16点输入)共3块；上位机采用MP277，与PLC压载界面的设计进行阐述。图12为正常压载控制采用R485通讯；所有的传感器(温度传感器，紫外界面。线强度传感器，电磁流量计)都是5～24V工作，输出最大电流为10mA。否图8正常排出工况否图9应急排出工况3．2软件的选型与设计系统软件选用MP277内置的WINCC组态软件，通过组态软件开发人机界面和后台的对蝶阀的遥控系统、反冲滤器及紫外杀菌器的开启与自动检测、自清洗控制系统，实现单元装置的自动运行。3．2．1软件系统流程图反冲滤器系统流程图如图10所示。高强紫外杀菌器系统流程图如图11所示。图lO反冲滤器流程图在正常压载控制界面中，通过界面上反冲滤器反冲滤器系统和高强紫外杀菌器系统连接的桥梁是本系统中压载水装置4种工况的管路。系统首和高强紫外杀菌器旁的就绪、清洗文本框的闪烁可实时地了解它们的工作状态，从而决定是否启动该先检测反冲滤器的压差信号及高强紫外杀菌器的紫工作模式。启动时只需按下界面中右上角的启动按外强度和温度信号，判断它们是否处于正常的工作钮，相应的蝶阀就会按照正常压载的方式进行开启状态。如果正常，则根据现在系统所处的工况，发出或关闭，蝶阀的状态可以通过观察蝶阀的颜色加以指令，经PLC输出信号到电动蝶阀，实现配载或卸判断。系统工作流量实时显示在界面右上角的文本载。框内。为了保证系统的安全性，系统设置了手动控3．2．2系统人机界面制各个蝶阀的按钮界面。系统人机界面采用WINCC组态软件编写，在触摸屏上运行，主要实现各类参数、工作信息等的4结论输入、读取和显示；实现系统的实时监控和报警，并通过研究IMO有关对于压载水排放的规定和对报警记录及不同工况的工作时间和GPS信息进要求，以2650t化学品船为母型，构建了基于IMO行保存，且生成报告进行打印。该系统由压载水控G8准则的高强紫外杀菌压载水处理装置，分析了压制系统主界面，正常压载、应急压载、正常卸载、应急\n第5期包国治等：船舶压载水处理装置系统设计25载水置换4种控制方式的构成方案，设计了过滤精此外，紫外线压载水处理还有其独特之处：度为50m反冲滤器和200m／h处理能力，中心照(1)高效率：紫外线技术对细菌、病毒、霉菌孢度计量为40000IxJ／em的紫外线杀菌器，开发了子、水藻等常见细菌，病毒的灭活时问一般只需1S，以PLC为核心，触摸屏及组态软件为人机界面的控而传统氯气、臭氧等化学消毒方法要达到紫外线的制系统。所开发的压载水处理装置采用了模块化的灭活效果一般需要20～60min。资料表明：在流量结构设计，具有机电一体化的控制功能。其系统的为200、400、520、800I／h时，平均灭活效率分别为主要特点是：83％～100％，84％～100％，98％一100％，77％～94％[(2)广谱性：紫外线处理技术在目前所有的消毒技术中，灭活的广谱性最高。几乎对所有细菌、病毒、微生物都能高效杀灭，如氯气、臭氧无法或不能有效杀灭的寄生虫类(例如隐性包囊虫、贾第鞭毛虫等)都能有效杀灭。(3)无二次污染：紫外线处理技术可仅用于灭菌，且不需加入任何化学药剂，因此，它不会对水体和周围环境产生二次污染。(4)无生物免疫力：紫外线处理技术已被现代科学证明不会像化学灭菌那样使生物体产生免疫力，它只是简单熔融DNA链状结构的分子健，使细胞在有丝分裂时无法进行DNA复制。而传统的消毒技术如采用氯化物或臭氧，长期使用会使生物体产生免疫力。(5)运行安全、可靠：传统的消毒技术如氯化物或臭氧，对现场操作人员以及周围环境产生潜在的威胁，需要特别小心。(6)运行维护费用低：通常一种高效率的技术总是和高成本、高费用联系在一起的，但是，紫外处理技术却是例外。随着紫外线灭菌器核心技术的完善，紫外处理技术不仅消毒效率是所有消毒手段中最高的，而且消毒运行维护最简单，运行成本最低。对压载水的处理仅为0．04t，甚至更低，因此，其性能价格比是所有消毒技术中最高的。在千吨水处理量水平，它的成本只是氯气消毒的1／2，是氯+脱氯消毒的2／5，更是臭氧消毒的1／9。参考文献：结构紧凑，体积小、质量轻、易于设计、安装，可[1]李艇．船舶压载水处理技术[J]．船舶，2008，(6)：27—30．以单元模块化方式进行设计、组装，根据处理量可更[2]刘飞．船舶压载水紫外线灭菌系统研究[D]．大连：大连海事大学出版社，2008．换或增加过滤器和高强紫外杀菌器个数。且由于过[3]傅希强．浅析船舶压载水的管理和控制[J]．航海技术，2010，滤器、紫外杀菌装置的体积小、质量轻，在应用现场(4)：44—45．可以很方便地吊装，甚至可以人力搬动、组装，最大[4]张爽，张硕慧，李义良压载水管理系统／方法及批准程序综述限地降低初始设备投资，并可随时调节设备单元以[J]．中国海事，2010，(4)：25—28．满足处理量变化时的需要，系统部件少，易于操作、[5]严盈富，吴海勤．监控组态软件与PLC入门[M]．北京：人民邮电出版社，2006．维护、调节和控制。