無線大功率海上溢油跟蹤浮標(biāo)監(jiān)測技術(shù)改進(jìn)

崔迪，趙平

(交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院,北京 100088)

海上溢油事故不僅給海洋生態(tài)造成損失，而且對沿海的敏感資源也造成重大威脅，因此，敏感資源保護(hù)也是溢油應(yīng)急行動重要目的之一。我國作為國際海事組織的A類理事國，積極推動并加入了多個(gè)防治船舶污染海洋環(huán)境的國際公約，同時(shí)也相繼制定相關(guān)的法律法規(guī)，特別是《防治船舶污染海洋環(huán)境管理?xiàng)l例》的頒布對防治溢油污染事故的發(fā)生提出了新的要求，提出海事管理機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)建立健全船舶及其有關(guān)作業(yè)活動污染海洋環(huán)境的監(jiān)測、監(jiān)視機(jī)制，加強(qiáng)監(jiān)測監(jiān)視，建立專業(yè)應(yīng)急隊(duì)伍和應(yīng)急設(shè)備庫，配備專用的設(shè)施、設(shè)備和器材的要求。為減少事故造成的危害，及時(shí)獲得事故信息并采取應(yīng)急處置措施成為防止事故危害擴(kuò)大的最主要途徑。跟蹤監(jiān)測浮標(biāo)是針對油品及危險(xiǎn)品泄漏而開發(fā)的預(yù)警預(yù)測產(chǎn)品，目前已經(jīng)在我國石化碼頭、海事系統(tǒng)得到推廣應(yīng)用，并在大連“7·16”事故的防污染應(yīng)急搶險(xiǎn)中發(fā)揮了重要作用，但由于跟蹤監(jiān)測浮標(biāo)為應(yīng)急需求采用獨(dú)立電源設(shè)計(jì)，因此，溢油浮標(biāo)電源使用內(nèi)置電池組，為溢油浮標(biāo)設(shè)備有線充電時(shí)，需配置相應(yīng)的充電設(shè)備。目前充電設(shè)備一般采用插接式充電口，由于其充電口暴露在外，當(dāng)充電口密封不嚴(yán)或插接作業(yè)中的人員操作使用不當(dāng)，發(fā)生滲水使其電氣短路、設(shè)備報(bào)廢等現(xiàn)象，阻礙其推廣使用。

跟蹤監(jiān)測溢油浮標(biāo)的大功率無線充電設(shè)備，采用無線充電方式，為跟蹤監(jiān)測浮標(biāo)產(chǎn)品充電，浮標(biāo)與充電器之間沒有充電口，2個(gè)設(shè)備可制成完整的密閉結(jié)構(gòu)，充電時(shí)采用無接觸式無線充電方式，避免因充電口暴露在外，導(dǎo)致海水滲漏使其電氣短路、設(shè)備報(bào)廢等現(xiàn)象。

國外使用的浮標(biāo)產(chǎn)品技術(shù)種類較多，主要用于海洋環(huán)境觀測，用于溢油跟蹤監(jiān)測浮標(biāo)很少，目前基本處于試驗(yàn)階段，這類浮標(biāo)普遍存在溢油識別率低、性能不穩(wěn)定、技術(shù)不成熟等缺陷。

通過調(diào)研，開發(fā)出溢油識別準(zhǔn)確、布放容易(不受敏感資源地域電力等條件限制)、操作攜帶方便、充電方便、全天候的溢油跟蹤監(jiān)測設(shè)備，以滿足海上溢油應(yīng)急反應(yīng)時(shí)對敏感資源保護(hù)的需求。

1 系統(tǒng)技術(shù)改進(jìn)

1.1 系統(tǒng)技術(shù)改進(jìn)及組成

對國內(nèi)外溢油跟蹤監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)和產(chǎn)品的調(diào)研分析及性能必選，沒有找到能夠滿足目標(biāo)要求的溢油跟蹤監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)和設(shè)備。為進(jìn)一步探索我國溢油跟蹤監(jiān)測的新技術(shù)手段，對接觸式監(jiān)測技術(shù)在溢油跟蹤方面的技術(shù)可行性研究，確定了以無線充電接觸式監(jiān)測傳感技術(shù)為主要手段的系統(tǒng)開發(fā)、研制方案。

1.2 無線充電水上終端部分

一種無線充電浮標(biāo)裝置，其特征在于該浮標(biāo)裝置由上半球組件、下半球組件和無線充電座構(gòu)成；無線充電座內(nèi)置有電源管理模塊及發(fā)射電路，無線充電座上表面有2個(gè)圓柱形充電頭，該充電頭可插入無線充電孔。進(jìn)行無線充電跟蹤浮標(biāo)的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其靈敏度及使用壽命都較無線充電浮標(biāo)長。

2 無線充電溢油浮標(biāo)實(shí)驗(yàn)

2.1 節(jié)能方面改進(jìn)

溢油跟蹤浮標(biāo)的無線充電技術(shù)，采用交流輸入，經(jīng)過輸入濾波之后，再經(jīng)整流器得到約300 V直流；輔助電源啟動，驅(qū)動半橋電路處于交替導(dǎo)通狀態(tài)，在發(fā)射端發(fā)射線圈加上約150 V交流方波。發(fā)射端的發(fā)送功率與接收端相關(guān)，隨著接收端的功率增大，發(fā)射端跟隨增大，當(dāng)接收端不在位時(shí)，發(fā)射端幾乎不耗能。無線充電式溢油軟件反應(yīng)見圖1。

圖1 無線充電式溢油軟件反應(yīng)

2.2 充電時(shí)間改進(jìn)

溢油跟蹤浮標(biāo)無線充電技術(shù)的電路結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、防護(hù)性好；使用簡單，方便可靠；具有150 W大功率輸出。該無線充電器采用電磁耦合方式傳輸能量，將電網(wǎng)電能通過發(fā)射端發(fā)出，接收端接收，再通過充電電路實(shí)現(xiàn)對電池充電。具體電路由發(fā)射電路和接收充電電路組成。接收端接收線圈接收到交流方波，經(jīng)過全橋整流，電能存儲。輔助電源啟動，給控制電路供電?？刂齐娐穯庸ぷ鳎菇M成降壓充電電路工作，根據(jù)設(shè)定的充電電壓和充電電流為電池充電。無線充電電池防反接二極管，電池反接時(shí)，不會對電池充電；正確接時(shí)電池也不會向電路放電。充電時(shí)間及充電電能對比見圖2。

圖2 充電時(shí)間及充電電能對比

2.3 靈敏度改進(jìn)

通過對國內(nèi)外調(diào)研和多種接觸式傳感技術(shù)和設(shè)備的比較、測試，引進(jìn)了目前國外最新研發(fā)的接觸式溢油傳感器。通過與國外專家進(jìn)行多次的技術(shù)探討與方案論證、多次實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，提出了提高傳感器對油膜的靈敏性和反應(yīng)時(shí)間的要求，經(jīng)過論證和試驗(yàn)，對原有傳感器進(jìn)行改進(jìn)，采用微孔納米硬質(zhì)材料加敏感膜的傳感技術(shù)，改進(jìn)傳感器外殼材料，以適應(yīng)耐海水腐蝕要求，從而使其更加適合海上溢油跟蹤監(jiān)測設(shè)備上的使用。無線充電溢油跟蹤浮標(biāo)采用新型傳感器，反應(yīng)時(shí)間2～3 s，提高了靈敏度。溢油傳感器設(shè)計(jì)用于檢測漂浮在水面的和集聚在低洼坑槽中的碳?xì)浠衔锶加?。溢油傳感器測試棒與水不發(fā)生反應(yīng)。但對于漂浮在水面上的燃油，哪怕只有薄薄的一層，溢油傳感器測試棒都能馬上發(fā)現(xiàn)。目前，溢油傳感器測試棒有兩種型號用于固定位置安裝。同時(shí)，溢油傳感器測試棒也可以安裝在浮動裝置上，適用于水面經(jīng)常變化的場合。

對于汽油、航空燃油和柴油等輕質(zhì)或中質(zhì)燃油，溢油傳感器測試棒的反應(yīng)時(shí)間通常在幾秒鐘以內(nèi)。對于原油、汽油、重柴油、0號柴油等烴類石油產(chǎn)品，溢油傳感器測試棒反應(yīng)靈敏度較高，但隨著油料黏度增加和揮發(fā)性降低，反應(yīng)時(shí)間也逐步變慢。針對原溢油跟蹤浮標(biāo)及無線充電浮標(biāo)，進(jìn)行多次對比實(shí)驗(yàn)。

3 結(jié)論

根據(jù)溢油應(yīng)急實(shí)際情況，對溢油跟蹤浮標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行了具有應(yīng)急功能的設(shè)計(jì)，由于該系統(tǒng)硬件尤其是水上終端部分采用的是獨(dú)立電源，不會受到現(xiàn)場的停電等環(huán)境因素影響，而客戶監(jiān)控平臺設(shè)置靈活，可隨時(shí)隨地進(jìn)行固定或移動監(jiān)控，其應(yīng)急監(jiān)控手段更加方便。溢油報(bào)警浮標(biāo)不僅具有日常溢油跟蹤監(jiān)測功能，而且當(dāng)突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)仍能有效、穩(wěn)定、及時(shí)工作。