內(nèi)河水域溢油自主導(dǎo)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

任士瑞 吳 博,2 曹占軍 周思楊4

(1.武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院 武漢 430063； 2.內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430063；3.滄州海事局 滄州 061100； 4.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 武漢 430000)

隨著我國(guó)內(nèi)河航運(yùn)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，貨運(yùn)量不斷提高，內(nèi)河水域船舶數(shù)量也日益增多。針對(duì)內(nèi)河水域溢油事故的處理和回收，在基于環(huán)保和安全的前提下，目前多采用圍油欄、收油機(jī)等工具進(jìn)行物理方式回收[1]。圍油欄已經(jīng)廣泛用于海洋開(kāi)闊水域或碼頭前沿水域流速較緩區(qū)域的溢油回收過(guò)程中，但內(nèi)河水域一般流速較大，當(dāng)水域流速大于0.6 m/s時(shí)[2]，圍控的油層下方會(huì)產(chǎn)生湍流，在急流的作用下，部分溢油會(huì)從圍油欄下方逃溢。當(dāng)水流更強(qiáng)時(shí)，強(qiáng)水流沖擊圍油欄，有可能使得圍油欄翻沉或漂浮于水面，圍油欄將無(wú)法有效圍住浮油。

收油機(jī)主要包括油水分離收油機(jī)、滾筒或斜面式收油機(jī)、水動(dòng)力式收油機(jī)等[3-4]。大多數(shù)收油機(jī)受環(huán)境影響較大，在流速較高、波浪起伏大的內(nèi)河環(huán)境下收油效率并不高，同時(shí)收油設(shè)備多不具有控油功能，只能在一定水域內(nèi)按照操作程序進(jìn)行，收油能力有限，作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)。并且在不同的溢油事故現(xiàn)場(chǎng)，收油機(jī)類型也不盡相同。若所配備的收油機(jī)不能適應(yīng)溢油現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，收油機(jī)收油效率很可能很低，甚至根本不起作用，一定程度上浪費(fèi)了人力和物力，也有可能錯(cuò)失收油控油的最佳時(shí)機(jī)[5]。

針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)內(nèi)河溢油導(dǎo)控系統(tǒng)，在發(fā)生溢油情況后，該系統(tǒng)可將溢油導(dǎo)控至緩流處或岸邊水域，在一定區(qū)域內(nèi)再配合回收設(shè)備進(jìn)行溢油的有效回收。

1 內(nèi)河溢油導(dǎo)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

內(nèi)河溢油導(dǎo)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和工作狀態(tài)見(jiàn)圖1，主要由溢油自主導(dǎo)控船和軟連接2部分組成。

圖1 內(nèi)河溢油自主導(dǎo)控系統(tǒng)作業(yè)示意圖

1.1 導(dǎo)控系統(tǒng)介紹

1.1.1船體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)船舶部分采用雙體船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有穩(wěn)性好，推進(jìn)效率高，操縱性能優(yōu)良等特點(diǎn)。溢油自主導(dǎo)控船1和導(dǎo)控船2(見(jiàn)圖1)是2艘設(shè)計(jì)參數(shù)完全相同的船舶，在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中可以進(jìn)行靈活調(diào)配使用。導(dǎo)控船片體尾部成凹槽形設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖2)，并且在尾部分別布有水平連接孔及垂直連接孔，同時(shí)，在凹槽內(nèi)設(shè)有軟連接端口。導(dǎo)控船的片體首部(見(jiàn)圖3)安裝水平銷軸和垂直銷軸，銷軸均可以伸縮。垂直銷軸附著在可伸縮的球狀柱體上，球狀柱體可根據(jù)2艘船的距離進(jìn)行伸縮，導(dǎo)控船2片體首部可以通過(guò)水平銷軸與導(dǎo)控船1片體尾部水平連接孔鍥合在一起。每艘導(dǎo)控船分別在2個(gè)片體上安裝全回轉(zhuǎn)式吊艙推進(jìn)器，同時(shí)船舶2個(gè)片體中分別存放軟連接設(shè)備。

圖2 導(dǎo)控船船尾凹槽型設(shè)計(jì)示意

圖3 導(dǎo)控船船首水平、垂直銷軸示意

1.1.2船體連接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在波浪起伏的水面上，為使溢油導(dǎo)控船舶連接迅速，并且作業(yè)安全可靠，采用銷軸式液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行組合和分離。如果需要導(dǎo)控系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)控作業(yè)時(shí)，由于溢油水域環(huán)境復(fù)雜，在溢油水域附近再進(jìn)行組合，增大了操縱難度及操作時(shí)間，所以需在岸邊緩流區(qū)域進(jìn)行兩船組合，然后組合船航行到發(fā)生溢油事故水域進(jìn)行分體導(dǎo)控。

在緩流水域進(jìn)行組合時(shí)，2艘導(dǎo)控船接近并達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的距離范圍后，后船的船首進(jìn)入前船船尾凹槽內(nèi)，釋放水平銷軸插入前船水平連接孔中，前后2艘船即剛性聯(lián)結(jié)成一體(見(jiàn)圖4)，2艘船以左右片體的2個(gè)水平銷軸為轉(zhuǎn)軸隨波浪，作振蕩運(yùn)動(dòng)[6]。該作業(yè)模式相似于頂推船隊(duì)船舶間連接方式及航行作業(yè)模式，見(jiàn)圖4。

圖4 船體組合連接示意圖

1.1.3軟連接裝置設(shè)計(jì)

軟連接裝置是溢油導(dǎo)控系統(tǒng)導(dǎo)控溢油時(shí)的主要作業(yè)部分(見(jiàn)圖5)，該部分主要由液壓推動(dòng)裝置、軟連接帶、軟連接端口組成。軟連接帶由橡膠制成，外層附著吸油材料；軟連接端口上附有圖2所示的垂直連接孔。軟連接裝置設(shè)計(jì)思想借鑒火車(chē)車(chē)廂之間的橡膠連接方式，軟連接裝置允許前后2艘導(dǎo)控船船體之間有一定程度的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，確保導(dǎo)控系統(tǒng)在外界環(huán)境影響下相對(duì)穩(wěn)定；同時(shí)在進(jìn)行溢油導(dǎo)控過(guò)程中可以根據(jù)溢油分散的情況及時(shí)調(diào)整導(dǎo)控方式，進(jìn)行直線導(dǎo)控或弧形導(dǎo)控。

圖5 軟連接裝置三視圖

1.2 溢油導(dǎo)控作業(yè)模式研究

根據(jù)發(fā)生溢油事故的情況判斷采取溢油導(dǎo)控的模式。當(dāng)發(fā)生小面積溢油事故時(shí)，單艘雙體船舶依靠船體本身可進(jìn)行溢油導(dǎo)控；當(dāng)發(fā)生大面積溢油事故時(shí)，需采取雙船導(dǎo)控系統(tǒng)進(jìn)行溢油導(dǎo)控。

1) 單船溢油導(dǎo)控作業(yè)模式。單船溢油導(dǎo)控模式即船舶航行到溢油水域，控制船身與河岸保持一定夾角，利用雙體船的片體將溢油導(dǎo)控到緩流區(qū)域，船身上的吸油材料也可吸收一部分溢油，這種情況適用于溢油面積較小，水流較緩區(qū)域，但溢油導(dǎo)控效率較低的情況。

2) 雙船變體溢油導(dǎo)控作業(yè)模式，見(jiàn)圖6。當(dāng)需要進(jìn)行雙船溢油導(dǎo)控時(shí)，在水流較緩區(qū)域通過(guò)水平銷軸將2艘溢油導(dǎo)控雙體船進(jìn)行連接組合，基于頂推船隊(duì)操縱控制策略[7]進(jìn)行操控。組合船航行至溢油水域后，頂推導(dǎo)控船片體首部球狀柱體通過(guò)液壓控制插入前船軟連接端口，并釋放垂直銷軸鎖定，同時(shí)收回頂推導(dǎo)控船片體首部水平銷軸，此時(shí)組合船分體，軟連接通過(guò)2艘船相對(duì)運(yùn)動(dòng)及液壓推動(dòng)裝置可以進(jìn)行伸縮作業(yè)。軟連接被拉伸出來(lái)后，軟連接帶高度的2/3部分浸入水中。根據(jù)溢油范圍和水流情況，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)軟連接伸出的長(zhǎng)度，此時(shí)形成以船體和軟連接構(gòu)成的移動(dòng)式、導(dǎo)控長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)的溢油導(dǎo)控設(shè)備。遠(yuǎn)離溢油水域一側(cè)的軟連接不被拉出，防止水流阻力過(guò)大影響船舶側(cè)向推進(jìn)效果。

圖6 溢油自主導(dǎo)控系統(tǒng)工作示意圖

然后，吊艙推進(jìn)器進(jìn)行側(cè)推導(dǎo)控溢油，通過(guò)船身以及軟連接將溢油推至岸邊或緩流水域，在岸邊或緩流水域使用溢油回收裝備協(xié)助溢油回收。該系統(tǒng)可根據(jù)溢油帶的范圍、水流的情況進(jìn)行單船、雙船導(dǎo)控模式的選擇，還可根據(jù)環(huán)境變化情況進(jìn)行導(dǎo)控長(zhǎng)度、導(dǎo)控系統(tǒng)與水流的夾角、導(dǎo)控速度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，減小了圍油欄直接擋水產(chǎn)生的較大阻力，并可將溢油有效地控制在一定水域，不隨水流快速分散。

2 仿真試驗(yàn)分析

2.1 溢油模型建立

建立溢油水動(dòng)力模型，對(duì)內(nèi)河水域某一河段溢油進(jìn)行水動(dòng)力的數(shù)值模擬仿真[8-9]。

1) 漂移模型。假設(shè)溢油由許多獨(dú)立油粒子組成，可將每個(gè)油粒子看作拉格朗日粒子。溢油粒在t時(shí)刻的位置分量用xt表示。

xt=xt-1+ΔtUoil

(1)

式中：Δt為時(shí)間步長(zhǎng)，s；xt-1為t-1時(shí)刻溢油粒位置，m；Uoil為溢油粒漂移速度，m/s。

2) 分散模型。Udd和Vdd表示擴(kuò)散速度東、北方向分量，單位均為m/s，定義如下

(2)

式中：Dx為東西方向水平擴(kuò)散系數(shù)，m2/s，取為1.33；Dy為南北方向水平擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Δt為時(shí)間步長(zhǎng)，s；r為隨機(jī)系數(shù)(-1～1)。

3) 擴(kuò)展模型。擴(kuò)展模型用于計(jì)算表面溢油擴(kuò)展面積，溢油蒸發(fā)、溶解、分散和光氧化作用所占比例受溢油擴(kuò)展面積所影響。擴(kuò)展是由重力、慣性力、黏度、表面張力等因素相互作用產(chǎn)生的。

假定超過(guò)90%的油團(tuán)為厚油膜。厚油膜表面積變化速度(m2/s)定義如下

(3)

式中：Atk為油膜表面積，m2；k1為擴(kuò)展速度常數(shù)，1/s；Vm為油膜體積，m3；t為時(shí)間，s。

2.2 內(nèi)河溢油導(dǎo)控作業(yè)模型

運(yùn)用內(nèi)河溢油導(dǎo)控系統(tǒng)進(jìn)行溢油導(dǎo)控作業(yè)時(shí)，需要考慮溢油導(dǎo)控系統(tǒng)與水流方向的夾角，可按式(4)求解

(4)

式中：a為導(dǎo)控系統(tǒng)與水流方向的夾角，(°)；v為流速，m/s。

溢油導(dǎo)控作業(yè)距離應(yīng)根據(jù)河段水域水面平均寬度和平均流速計(jì)算，計(jì)算式為

(5)

式中：L1為溢油導(dǎo)控作業(yè)距離，m；B為水面平均寬度，m；v為平均流速，m/s。

2.3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖7～圖10所示，選取長(zhǎng)江某段水域進(jìn)行溢油導(dǎo)控仿真實(shí)驗(yàn)，水域流速約2.0 m/s，江面寬度150 m時(shí)，泄露油品量為2 t，需進(jìn)行15 min導(dǎo)控作業(yè)，實(shí)際導(dǎo)控作業(yè)距離為860 m，導(dǎo)控系統(tǒng)與水流角度控制在10°以內(nèi)，可將溢油導(dǎo)控于緩流區(qū)域。

圖7 內(nèi)河溢油泄露擴(kuò)散示意

圖8 不采取導(dǎo)控措施10 min后溢油擴(kuò)散示意

圖9 溢油泄露使用導(dǎo)控系統(tǒng)示意

圖10 溢油泄露15 min后導(dǎo)控示意

2.4 仿真實(shí)驗(yàn)分析

該導(dǎo)控系統(tǒng)可對(duì)溢油進(jìn)行有效地導(dǎo)控，并且配合溢油回收設(shè)備進(jìn)行回收。由于水流環(huán)境的影響和溢油導(dǎo)控系統(tǒng)的局限性，仍存在一部分溢油未被完全導(dǎo)控，導(dǎo)致一些溢油逃出導(dǎo)控裝置。但相比于傳統(tǒng)拖船頂流拖帶圍油欄的方法而言，該系統(tǒng)采用側(cè)推導(dǎo)控，圍油欄所受水流阻力減小，圍油效率提高。如果外界環(huán)境影響較大，水流阻力可接受的情況下，可同時(shí)釋放2個(gè)片體的雙軟連接部分進(jìn)行導(dǎo)控，可提高溢油導(dǎo)控回收效率。

3 結(jié)語(yǔ)

本文綜合考慮了溢油自主導(dǎo)控系統(tǒng)功能、作業(yè)模式等問(wèn)題，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，并基于水動(dòng)力模型，對(duì)內(nèi)河水域溢油自主導(dǎo)控進(jìn)行了模擬仿真，驗(yàn)證了系統(tǒng)的導(dǎo)控效果。與現(xiàn)有的內(nèi)河溢油圍控回收方式相比，本系統(tǒng)能夠在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)溢油進(jìn)行導(dǎo)控，可更好地適應(yīng)外界環(huán)境，減小水流阻力對(duì)溢油導(dǎo)控回收的影響，并可根據(jù)溢油帶的范圍、溢油分布情況等進(jìn)行導(dǎo)控方式、速度等自適應(yīng)調(diào)節(jié)，為內(nèi)河水域溢油圍控回收的進(jìn)一步研究提供了良好的開(kāi)端。

在目前研究的基礎(chǔ)上，后期需對(duì)內(nèi)河溢油自主導(dǎo)控系統(tǒng)的操作控制模式作進(jìn)一步的分析和研究，提高系統(tǒng)的可控性和可靠性，并結(jié)合水流特點(diǎn)提出系統(tǒng)作業(yè)限制條件。

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