基于多功能溢油回收船的線面式溢油回收技術(shù)研究

彎昭鋒，彭宏愷，廖飛云

(1.武漢海事局，武漢430014;2.長江海事局，武漢430016)

1 武漢轄區(qū)油品運(yùn)輸及作業(yè)現(xiàn)狀

1.1 武漢局轄區(qū)油類種類及吞吐量分析

武漢海事局轄區(qū)長約224 km，2012年轄區(qū)到港作業(yè)危險品船舶4 901艘次，危險品吞吐量392.95萬t，其中油類為345.7萬t。轄區(qū)主要運(yùn)輸油類包括柴油、汽油、燃料油、石腦油、瀝青、食用油等。其中柴油運(yùn)量最大，達(dá)179萬t，占運(yùn)輸總量的52%，其次為汽油，占25%。不同油類占運(yùn)輸總量的比例見圖1。

圖1 2012年轄區(qū)作業(yè)油類比例

1.2 武漢局轄區(qū)油類運(yùn)輸發(fā)展趨勢

由武漢及周邊100 km范圍內(nèi)的黃石、鄂州、孝感、黃岡、咸寧、仙桃、天門、潛江9市共同構(gòu)成的武漢城市圈的國土面積5.8萬km2，總?cè)丝跒? 097萬人，占全省人口的52.5%［1］，快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展意味著巨大的油類需求市場。武漢新港作為“長江中游航運(yùn)中心”，其輻射范圍將不只限于武漢城市圈。據(jù)統(tǒng)計，長江中部地區(qū)成品油消費(fèi)增長在以每年超過10%的速度增加，導(dǎo)致了這一區(qū)域巨大的油類缺口，預(yù)計“十二五”末這一區(qū)域的成品油缺口將達(dá)2 000萬t，未來外部供應(yīng)將繼續(xù)保持現(xiàn)有格局.陸路供應(yīng)量將繼續(xù)保持50%左右.其余約50%仍將主要通過江蘇沿江港口水路轉(zhuǎn)運(yùn)滿足，因此，未來幾年武漢局轄區(qū)依然存在較高的溢油風(fēng)險。

2 多功能溢油回收船

為應(yīng)對日益嚴(yán)峻的溢油風(fēng)險形勢，2012年10月9日，在長江海事局主持下，長江首艘多功能溢油回收船(“海特311”)建成并在武漢局轄區(qū)投入使用。

2.1 多功能溢油回收船簡介

“海特311”多功能溢油回收船配備有動態(tài)斜面式回收機(jī)、消油劑噴灑裝置、漂浮垃圾回收裝置、吊機(jī)、圍油欄集裝箱(配200 m圍油欄)等，船舶有泵艙、機(jī)艙、燃油艙、浮油回收艙等若干艙室，其中浮油回收艙容積為74 m3，可滿足中小規(guī)模溢油事故的回收儲存。

為便于溢油回收機(jī)的使用及設(shè)備的安放，保證船舶的穩(wěn)性及可操作性，“海特311”采用雙體船型，船長32.8 m，船寬9.6 m，左、右片體各寬3.2 m，肋間距500 mm;總噸位201、凈噸113 t;型深2.8 m，設(shè)計吃水1.7 m;設(shè)計最大航速22 km/h，回收油工作航速1～4 kn;續(xù)航力800 km，自持力48 h。船舶采用360°全回轉(zhuǎn)舵槳裝置，主機(jī)額定功率261 kW×2臺，配2臺柴油發(fā)電機(jī)組，每臺額定功率65 kW;船舶配電動燃油輸送泵組、消防總用泵組、艙底總用泵組、壓載泵組、回收油駁運(yùn)泵組等多套泵組，具有完善的功能。“海特311”船舶結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 “海特311”船體結(jié)構(gòu)示意

2.2 動態(tài)斜面式(DIP)溢油回收機(jī)

溢油回收設(shè)備有多種形式，如盤式、堰式等。在長江中回收油，由于江水的流動，往往難以聚集成厚的油層，且江水會從上游帶來大量的漂浮垃圾，這些垃圾會非常容易地堵塞住堰式收油機(jī)的入口或卡住轉(zhuǎn)盤式收油機(jī)的盤。與其它溢油回收設(shè)備相比，DIP式溢油回收設(shè)備可較好解決江河中水流急、雜質(zhì)多的問題，更適合江河中溢油的回收，故“海特311”多功能溢油回收船采用DIP式溢油回收機(jī)。

DIP溢油回收機(jī)工作原理見圖3，其原理在于通過利用連續(xù)向斜下方運(yùn)動的特制的寬帶(動態(tài)斜面)所產(chǎn)生的水動力，將浮油及小片的漂浮垃圾牽引到回收井里。再用泵將聚集在回收井上部的油輸送到貯油容器中，達(dá)到回收浮油的目的。經(jīng)研究，DIP溢油回收機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)［2］。①可高效回收各種粘度的浮油(0～20 000 cst);②DIP式收油機(jī)可高效回收各種厚度的油層;③收油時可適應(yīng)流速在0～5 kn的水流環(huán)境;④對一次性接觸的油的回收率在流速4～5 kn的情況下達(dá)80%～93%⑥可同時回收漂浮的垃圾碎片。

圖3 DIP溢油回收機(jī)工作原理示意

3 “線面式”溢油處理技術(shù)

3.1 圍油欄結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圍油欄一般由浮子、裙體和配重等部件組成，見圖4。浮子主要起浮力作用，它的大部分漂浮于海面。裙體在水下形成一道屏障，高度一般在300～700 mm，最高可達(dá)1 000～2 000 mm，其作用是防止轉(zhuǎn)油欄前油層從圍油欄底端流走。重物垂于裙體之下，主要起保持平穩(wěn)作用。由于轉(zhuǎn)油欄攔油時不可避免受到自然界風(fēng)、浪、流的影響，因此為防止欄前油層流失，它必須具有一定的抗風(fēng)、抗流和抗浪能力(或稱為圍油欄滯油性能)，此外裙體還必須具有一定的抗拉強(qiáng)度。

圖4 圍油欄的一般結(jié)構(gòu)

3.2 溢油處理技術(shù)

3.2.1 溢油處理技術(shù)現(xiàn)狀簡介

目前國內(nèi)外采用的溢油回收方法主要有“點(diǎn)式”、“線式”及“面式”3種方式［3］。第一種“點(diǎn)式”是在溢油事故發(fā)生后及時應(yīng)用圍油欄將溢油圍控，阻止其進(jìn)一步的擴(kuò)散和漂移，然后將撇油器放入圍油欄形成的圍控區(qū)域內(nèi)進(jìn)行溢油回收。第二種“線式”是在溢油事故發(fā)生后，由于事故地點(diǎn)的水流及岸線等原因而沒能及時將溢油圍控，溢油已經(jīng)擴(kuò)散和漂移時，一般會在水面上形成一條很長的油帶，很難采用圍油欄進(jìn)行封閉圍控。因此回收擴(kuò)散開的溢油時，常用的方法是從船上通過固定桿斜向外伸出一小段圍油欄，在收油船沿著油帶運(yùn)動時，圍油欄將水上漂浮的溢油導(dǎo)流到撇油器處實(shí)現(xiàn)回收。第三種面式是通過對圍油欄的操作使其在水面上形成一個大小可控的封閉圍控面積，通過縮減圍控面積來加厚圍控區(qū)域內(nèi)的油膜，使撇油器可以一直在適宜的油膜厚度下工作。

與海洋相比，長江溢油存在著水流方向固定、水流流速較大、沿江敏感區(qū)域分布密集等特點(diǎn)，因此在長江溢油應(yīng)急處理中，傳統(tǒng)的溢油回收處理技術(shù)存在著嚴(yán)重的缺陷:①“點(diǎn)式”處理技術(shù)的不足。撇油器在較大的圍控區(qū)域內(nèi)工作，由于江水流動的影響，致使工作區(qū)域內(nèi)油膜厚度不均，呈現(xiàn)溢油源及圍油欄處厚度大，中間厚度小的趨勢，溢油回收船在油膜厚度大的區(qū)域運(yùn)動不便，而在油膜厚度小的區(qū)域的收油效率低，當(dāng)油膜厚度下降到1 mm以下后溢油船已經(jīng)基本失效;②“線式”處理技術(shù)的不足。江中水流速度較大，布放圍油欄時，水流的沖擊力很大，當(dāng)多船配合時，往往難以控制，且由于水流速度較大的原因，常常出現(xiàn)“水拖油”的溢油溢漏現(xiàn)象;③“面式”處理技術(shù)的不足。由于江水水流速度較大，往往難以將溢油圍控在一個固定的范圍內(nèi)，故“面式”處理技術(shù)在江上往往難以實(shí)現(xiàn)。

3.2.2 “線面式”溢油回收技術(shù)簡介

考慮傳統(tǒng)溢油回收方法都存在不同程度的缺陷，難以勝任長江中大規(guī)模溢油的回收，因此，在工作實(shí)踐及研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外一些典型溢油事故回收處理方法，提出新的“線面式”大規(guī)模溢油回收技術(shù)。

“線面式”溢油回收技術(shù)關(guān)鍵體現(xiàn)在兩個方面:首先是加強(qiáng)對圍油欄的應(yīng)用，將以前只是用來圍控和導(dǎo)流溢油的圍油欄進(jìn)行功能擴(kuò)展，利用江水流動的特點(diǎn)，變“船動”為“水動”，通過對圍油欄的操作形成一個“漏斗狀”的圍控，使溢油回收船可以一直在適宜的油膜厚度下高效工作;其次是提高溢油回收設(shè)備的使用效率。傳統(tǒng)溢油回收設(shè)備往往不能適應(yīng)江面水流速度大、水中雜物多等特點(diǎn)，導(dǎo)致回收的混合物含水量過高，甚至?xí)驗(yàn)殡s物堵塞而使溢油回收設(shè)備無法工作。“海特311”采用適用于江河的DIP式收油設(shè)備，很好地解決了江水流速大、雜質(zhì)多的問題，從而提高江上溢油的回收效率。

3.2.3 “線面式”溢油回收技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

線面式溢油回收技術(shù)的工作原理:首先從兩岸各引一條圍油欄至江中，兩條圍油欄之間形成一個“漏斗”狀，將江面溢油引導(dǎo)到“漏斗”口，進(jìn)行匯集以便回收;然后從溢油回收船前端伸出兩條圍油欄，呈V字形展開，在回收過程中，由于江水流動的原因，浮油帶會隨水向下游漂去，故位于下游的溢油回收船可處于靜止?fàn)顟B(tài)。通過拖船和溢油回收船的協(xié)作，可形成如圖5所示的“線面式”的溢油回收方式方法。

研究表明［4］，圍油欄可有效攔截溢油的速度約為1.2 km/h。為使圍油欄不至失效，溢油速度(可認(rèn)為是江水流速)在垂直圍油欄方向的分速度應(yīng)小于1.2 km/h。因此，在回收溢油時應(yīng)保證圍油欄與江水流動方向的角度sinα≤1.2/v(α為圍油欄與江水流動方向的夾角，見圖5;v為江水流速，km/h)。

圖5 “線面式”溢油回收技術(shù)示意

3.2.4 雙體圍油欄的使用

實(shí)踐表明，在回收江面溢油時，由于水流、風(fēng)、波浪以及惡劣的天氣狀況等因素的影響，往往會造成“水拖油”的溢油溢漏現(xiàn)象，以至于發(fā)生圍油欄攔油失效的情況，不利于江面溢油的回收。而研究表明增加圍油欄的欄深雖然能夠提高圍油欄的攔油效果，但是圍油欄受水流及波浪的影響也會隨之加大，使圍油欄更容易發(fā)生形變，從而使得其有效欄深減小。鑒于單體圍油欄在實(shí)踐中存在的不足，有專家提出使用雙體圍油欄。

雙體圍油欄的作用機(jī)理見圖6，其工作原理是［5］:在江流的作用下，第一道圍油欄后會形成一道強(qiáng)烈的渦，逸過第一道圍油欄的油會在渦的作用下短暫地停留在第一道圍油欄和第二道圍油欄之間;第二道圍油欄可增強(qiáng)渦強(qiáng)度及攔油區(qū)域的穩(wěn)定性，并且起到攔油作用，從而避免了油的流失。為增強(qiáng)圍油欄攔油效果，可布設(shè)多道圍油欄，直至達(dá)到理想的攔油效果，兩道圍油欄之間的距離是影響雙體圍油欄攔油性能的一個重要因素，研究表明，欄間距在ΔL=8～10D(D為圍油欄高度)之間時，雙體圍油欄的攔油效果最佳。在應(yīng)用中，可根據(jù)實(shí)際情況增加圍油欄的層數(shù)，以提高對溢油的攔截效率。

圖6 雙體圍油欄示意

4 結(jié)論

長江首艘多功能溢油回收船“海特311”的建成和投入使用，標(biāo)志著長江內(nèi)河溢油應(yīng)急治理能力又上了一個新的臺階。在前人研究及實(shí)踐的基礎(chǔ)上，結(jié)合長江防污的特性及多功能溢油回收船的功能特點(diǎn)，創(chuàng)新提出“線面式”溢油應(yīng)急技術(shù)，有效地解決了長江溢油應(yīng)急技術(shù)面臨的難題。

［1］劉 聰.武漢新港與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展關(guān)系研究［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2010.

［2］李國斌.江河溢油應(yīng)急反應(yīng)特點(diǎn)及DIP(動態(tài)斜面)式收油設(shè)備的重要作用［C］∥內(nèi)河船舶防污染研討會論文集，2001:89-95.

［3］張銀東，李文華，侯解民，等.面式大規(guī)模溢油回收技術(shù)研究［J］.海洋環(huán)境科學(xué)，2007，26(3):286-289.

［4］張相如，莊源益，王 旭，等.膜法處理含油廢水進(jìn)展［J］.城市環(huán)境與城市生態(tài)，1997(1):59-60.

［5］魏 芳.圍油欄在多種海況上攔油效果及形狀優(yōu)化的數(shù)值模擬［D］.大連:大連海事大學(xué)，2007.