船舶压载水管理控制系统研究

船舶压载水管理控制系统研究 分类号 密级?? 单位代码 船舶压载水管理控制系统的研究 党志强 指导教师 韩新洁 职称 副教授 大连海事大学 学位授予单位 学科专业 检测技术与自动化装置 申请学位级别 工学硕士 年月 完成日期 年月 答辩日期 答辩委员会主席\ 、、 』 ‘ ,. 、‘ :,大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明:本论文是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果, 撰写成硕士学位论文 盟舶压夔丞篁理蕉剑丕筮趁婴窒:。除论文中已经注明 引用的内容外,对论文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方 式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未 公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名:萌必 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定,即:大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到《中国优秀博硕士 学位论文全文数据库》中国学术期刊光盘版电子杂志社、《中国学位论文 全文数据库》中国科学技术信息研究所等数据库中,并以电子出版物形式出 版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于: 保密口在??年解密后适用本授权书。 不保密口请在以上方框内打“? 导师签名: 论文作者签名:荪。?缘 日期: ,,年月日,中文摘要 摘要 船舶压载水已被全球环保基金认定为海洋面临的四大威胁之一。据不 完全统计全球每年有将近亿吨的船舶压载水转运流动,由此而产生的大量微 生物非合理性迁移和入侵,对海洋生态平衡造成了严重的影响,有时甚至是灾难 性的。因此,近些年来,世界各国和国际海事组织的相关专家都在致力于研究如 何对船舶压载水进行有效处理。国际海事组织也于年月通过了 《船舶压载水及沉淀物控制和管理国际公约》,制定了严格的压载水排放。 基于压载水处理的重要性,且国内该领域尚无产品投放市场,加之从国外引 进成本较高。本文在分析了国内外现有的各种压载水处理技术和的基础上, 设计了一套环保、简单、实用的压载水管理系统??固液分离结合紫外线消毒, 重点研究了该管理系统中控制系统的结构和控制算法。 在固液分离部分,研究了固液分离的原理、反冲水处理的方法以及目前所广 泛应用的技术。经过论证最终选用节能、高效、结构紧凑的全自动叠片式过滤器。 它可完成过滤、连续出水和自动反冲洗过程,使压载水的处理效率得到了很大的 提高。 在紫外线消毒部分,研究了紫外线消毒的机理,紫外线灯管的分类以及电子 镇流器的作用。通过分析比较目前所应用的紫外线消毒技术提出了若干将紫外线 消毒应用于船舶压载水处理应该注意的问。在综合考虑系统耗能和占用空间体 积的前提下,选取多根中压紫外线灯管作为紫外线辐射发生源。提出了一种可根 据压载水的实时流量自动调节所需紫外线强度大小的模糊控制算法,该算法可使 紫外线消毒过程达到一个节能高效的运行效果。经过的实验仿真,证 明该算法可以达到预期的指标要求。 本论文还进行了压载水处理系统硬件结构的设计和软件的编制研究,最终完 成了一套实用的压载水管理控制系统。 关键字:船舶压载水;固液分离;紫外线消毒;控制系统英文摘要. . , . .. , . , . , , ,, ?, . , ? .. , . , , . . ,’ . . , . .,英文摘要. ; ;? ; : 目录 目 录 第一章绪论?一 .课题研究背景一 .国内外压载水处理的技术..国外压载水处理的技术 ..国内压载水处理技术? .国内外成功的商用压载水处理系统? ..国外船舶压载水处理系统的现状..我国船舶压载水处理系统的现状.课题 的研究意义及研究内容。 第二章压载水处理的技术及其原理?. .压载水固一液分离..反冲水处理??. ..压载水固.液分离系统的实现。 .利用紫外线对压载水消毒? ..应用紫外线处理压载水的研究现状一 ..紫外线杀菌消毒原理一 ..紫外线杀菌灯管??一 ..镇流器对紫外线灯管的作用.. ..利用紫外线技术对压载水杀菌消毒所存在的问题.. 第三章紫外线强度控制算法 .模糊控制理论. ..模糊控制理论的发展及其简介??. ..模糊控制所研究的工具??.. ..模糊控制器的原理??. .紫外线强度控制算法的设计 ..紫外线强度控制算法原理?。 压载水流量和紫外线强度的测量? ..超声波流量计.. ..紫外线强度传感器?:。 .模糊控制算法的实现. .应用对模糊控制算法仿真. 第四章压载水管理控制系统的设计与实现 .可编程逻辑控制器.. 的分类及应用?.. .人机界面..人机界面的分类??. ..人机界面的原理 . 的介绍. .. 的一些特性?。 .系统的设计? ..系统的总体设计??一 .. 控制模块的设计?目录 .. 设备的组态??. ..系统联调运行结果第五章结论与展望? .结论总结??. . 展望. 参考文献? 致 谢船舶压载水管理控制系统的研究 第一章绪论 .课题研究背景 迄今为止,船舶一直使用压载水来保持整个船舶航行的稳性和安全性。根据 船舶营运的需要,通过对船舶压载舱注入水和排除舷外水,以达到如下目的:? 调整船舶的吃水和船体纵、横向的平稳及安全的稳心高度。?减少船体变形,以 免引起过大的弯曲力矩和剪切力,降低船体振动。?改善空舱适航性。 据目前不完全统计全球每年有超过亿吨的船舶压载水转运流动,每天在 全球范围内,压载水中携带的生物有种。而其中会有许多细菌、植物、 动物经过长时间的远航后仍会存活于压载水及其沉积物当中,当船舶到达目的港 口时,这些生物会随压载水一起被排放到港口水域中。由此会引起大量微生物非 合理性迁移和入侵,对海洋生态平衡会造成严重的影响,有时甚至是灾难性的。 上世纪年代初,因为船舶压载水的排放致使美国大量栉水母侵入黑海,后来 这种水母又很快入侵到地中海。年,在相关考察报告中证实,入侵的栉水 母已经入侵到了里海,而到年当地的海洋生态系统已经受到严重的破坏, 甚至到了崩溃的边缘。最近国家环保总局公布,我国由于生物入侵造成的直接经 济损失高达亿元,其中海洋入侵生物是主要原因之一。微生物随船舶转移的 机理图如下图.所示: 船舶转运 压载水置换排放 生态变化 ?????? 中途 目的海域 图.船舶压载水外来生物转移机理.. 我国是世界上十大海洋运输国之一,最近几年,我国沿海海域赤潮现象越来 越严重,而其重要原因之一是外来生存能力较强的赤潮生物危害。海洋赤潮灾害 对我国近岸海域环境质量已经发出了危险的信号,对全球范围内的海洋资源开发 利用和海洋经济造成了严重的负面影响。目前我国近岸海域已经受到外来生物的第一章绪论 入侵危害,海域原有生物群落和生态系统受到了严重的威胁。随着我国成功加入 世界贸易组织,以及经济全球化的不断深入,来往我国港口的外籍船舶 的数量会不断增多,如果不对这些船舶的压载水进行有效地处理,那后果不 堪设 想。 船舶压载水已被全球环保基金认定为海洋面临的四大威胁之一。 国际海事组织于年月日在总部伦敦通过了《船舶压载水及沉淀 物控制和管理国际公约》,制定了严格的压载水排放标准及管理准则。年 月下旬在伦敦举行的海环会第次会议上,的海事环境保护委员会 批准了为确保处理压载水所用化学品安全储存和装运的指南,以及因 处理过程而导致对船舶和船员风险制定的安全程序指南。该指南的批准恰是为了 协助实施年通过的《公约》。 .国内外压载水处理的技术 由于船舶压载水会带来海洋生物的非合理性入侵,对海洋生态结构的平衡会 造成直接的威胁;加上对压载水处理的要求越来越严格;以及装备压载水 处理系统巨大的市场需求;所以在全球范围内掀起了研究船舶压载水处理的热 潮。目前,就全球范围内有不少于种船舶压载水处理的方法, ..国外压载水处理的技术 国外压载水的处理技术主要有如下几项: 船舶压载水的置换 船舶压载水的置换技术中主要包含:排空法、注入顶出法、巴西稀释法三种。 但这三种方法都普遍存在一致的缺点?。其一,压载水的置换和更换消耗时间长, 不能够满足国际海事组织指导原则的要求;其二,会加大船舶制造和运行成本; 其三,在处理压载水过程中会对船舶整体结构造成影响,而且整个系统运行的安 全性和稳定性对海况的要求也非常高。综上所述,如果将以上三种方法应用于压 载水处理,还得进行更进一步的研究和改进。 机械法 机械法主要有过滤和旋流分离法两种。过滤是通过滤罩将压载水里较大的生 物个体滤除,只允许部分小的生物体进入压载舱。在实际中,往往沿海海域的压 船舶压载水管理控制系统的研究 载水中含有大量的悬浮物,因此这会加大压载水过滤的难度。在过滤过程中,滤 网的选择是很关键的。目前日本的研究技术可在以上滤除%.%的微生 物,以上可滤除%.%的微生物。当然了,其中作用原理并非纯粹是过 滤,它还包括在管路内部产生剪应力和空穴等效应来完成过滤【】。旋流分离法, 是应用外力来作用于压载水,使压载水在管路中高速流动,从而产生分离作用, 使流水中的液体和固体生物分开。德国公司研发的外部安全效率去活压 载水处理系统,就是利用水力旋流器产生的离心力作用对固体进行过滤【】。 物理法 应用物理法处理压载水,目前有过研究和探讨的方法主要有加热法、紫外线 法、超声波法三种。 ?加热法处理,主要是通过加热压载水,使其达到一定的温度,从而借助高 温来杀死细菌。通常情况下如果温度达到.?就可杀死或抑活压载水中的 部分有害细菌生物。如果温度达到?.?,且加热持续小时,可以杀死 大部分细菌生物。但是如果压载水中有更加耐高温的生物如以休民胞子形式存在 的生物,可能还需要更高的温度才能够达到灭菌效果。应用加热法来处理压载水, 在实际应用中还存在有以下几个问题:其一,用来加热压载水的热源从何而来, 一般情况下,热源主要由船舶发动机引擎工作所产生的余热或者辅助加热设备来 提供,这无疑会加大船舶运行成本,而且还要改装船舶整体结构。其二,用加热 法,其加热能量的提供是有限的,并且杀菌效果也不是很理想。 ?紫外线处理法。紫外线是电磁波谱中波长从一的辐射总称。紫 外线波长在.之间,尤其是在.处,对压载水中的生物和病 原体有很好的杀灭和抑活作用。用紫外线处理压载水的优点:杀菌效果好,几乎 大部分细菌可以一次性消灭;安全,没有任何危险的化学反应,不会带来二次 污 染;装备系统设施体积小,便于船舶装备和调试,而且方便操作和维护。最近, 美国的~些研究人员利用紫外线方法在实船上进行实验,试验结果表明: 的紫外线的缩写装置在压载水流量为时,不仅可以造成 浮游生物达到%以上的死亡率,而且还能够有效地抑制和削弱浮游生物的生长 势态【】。 ?超声波法。超声波是频率大于的声波,它是以机械振动的方式在 媒质中传播。超声波所具有的频率高、波长短的特性,使其具有方向性好、功率 第一章绪论 大、穿透力强的特点,而且它还能引起空化作用。一般情况下认为超声波所具有 的杀菌效力主要是因为其所产生的空化作用。利用超声波处理压载水会引起船 舶结构完整性的改变,而且还很容易产生污染噪声,对人体健康会产生不良影响。 所以,目前在世界范围内此种方法还没有应用到。 化学法 用化学法处理压载水的方法很多,归纳起来有:氯化、臭氧、丙烯醛、脱氧 四种。但由于种种原因,目前还没有一种技术获得的认可,而所进行的研 究和探讨也只是以上几种技术的融合应用。 .。国内压载水处理技术 目前,国内针对压载水处理方法的研究主要有:加热电解、羟基氧化处理、 充氨脱氧处理。 众所周知羟基是具有很强的氧化性,其氧化能力尽次于氟。它会迅 速和压载水中的物质发生反应,最后将其降解为和以及无害盐,并不 会产生二次污染陋。其中由大连海事大学环境工程学院主持开展的应用羟基自由 基处理压载水已经取得了系统性、实用性的技术研究成果。并且建立了大气压强 电场/电离放电加速电子获得高浓度活性粒子的新方法, 成功研制了模块化阵列式羟基自由基发生源;建立了大气压强电场放电高效生成 羟基自由基以及海水中羟基自由基检测方法,研制了首台船舶压载水羟基自由基 产生设备;建立了/船舶压载水羟基自由基工程化处理系统阻。 .国内外成功的商用压载水处理系统 ..国外船舶压载水处理系统的现状 船舶压载水问题已经引起和世界各国的极大关注,各国大的集团和研 究机构也展开了对船舶压载水处理的研究。目前,已经有一些产品研制成功,并 获得了及船级社的认证。其中最具代表性的有瑞典 公司研发的基 于先进氧化技术的系统;由挪威旗下研发的压 载水处理系统可应用于大型船只如原油船、船及化学品船等;德国 公司研发的外部安全效率去活系统;美国公司开发的采用文氏管脱氧技术 船舶压载水管理控制系统的研究 的压载水处理系统;韩国现代重工研发出的船用压载水处理系统 ‘叫。 瑞典 公司研发的基于先进氧化技术的系统, 它是目前世界上技术比较成熟而且应用广泛的一种船舶压载水处理系统。就目前 的运用结果看, 公司的处理系统的紧凑式设计最符合现有 的船舶设计习惯,对整个船舶系统结构的设计影响最小。整个系统采用固.液分 离和紫外线杀毒两项技术,对压载水装载和排放期间进行处理。当进行压载水装 载时,使压载水通过一个的滤器,此过程可以最大限度地滤除较大的生物 个体,而且还能够有效地减少压载水的沉积物,降低压载水的浊度。再使压载水 通过 深度氧化技术单元,此单元主要是 利用紫外线和二氧化钛催化剂的作用产生自由基,这些自由基可分解细胞膜杀灭 细菌,而且产生的此种自由基存活周期只有短短的几毫秒的时间,所以不会产生 二次污染。最后减压排放压载水时,再次经过单元进行二次杀毒,以确保 排放的压载水对目的海域不会造成污染。压载水处理系统的结构如下 图.所示: 一二于 蔓查一 图. 压载水处理系统的结构图 蓦一 .. 美国公司开发的采用文氏管脱氧技术的压载水处理系统,是世界 上第一个获得型式认可的压载水处理系统。该系统采用文氏管脱氧技术, 当压载水装载进入船舱时,能够通过文氏脱氧管在秒钟之内去除水中%的 氧气,使压载船舱处于低氧状态;同时,发生混合空化现象,使压载水的值 降低至.产生酸性效应。从而使压载水中的微生物细菌处于一个低氧酸性的 惰 性环境中,最终经过时间的累积达到灭菌作用。压载水处理系统的结构如 下图.所示: 第一章绪论 水舱排水 一一一一一一一一一一一一一 压载水处理设备 ?一?一?一. ? 峰???卜一一?水 排出船外 一一叫 水质调整卜一一 图. 压载水处理系统的结构图 .. 年月海环会第次会议上,由日立 有限公司与三 菱重工合作研发的日立压载水净化系统获得了国际航海组织最后型 式的批复。该系统采是日本首套获批复的船舶压载水处理系统。 ..我国船舶压载水处理系统的现状 目前我国在压载水处理方面的研究,取得重大突破和进展的应是由大连海事 大学研发的羟基自由基处理船舶压载水系统,系统总体指标达到了国际领先 水 平,已获得美国、日本、英国的发明专利。年月青岛双瑞公司研制生产 的 船舶压载水处理系统顺利通过的最终认证,成为我国首 家获得认证的可生产化的船舶压载水处理系纠】。它主要是通过在船上直 接电解海水产生次氯酸钠对压载水进行杀菌,然后采用中和技术除去压载水 中的 余氯,从而使压载水达到排放标准。同时, 船舶压载水处理系统 的运行成本仅为美元/立方米。其具体的结构如下图.所示:?一一 压载水处理设备 ?一?一?一 陌习 .............. 卜~至?一 一 图. 压载水处理系统的结构图 .. 船舶压载水管理控制系统的研究 .课题的研究意义及研究内容 我国是世界上海岸线较长的国家,在国民贸易中,海运业当属头等,因此, 由船舶压载水带来的海洋生态破坏也同益加剧;我国是一个造修船大国,是国际 海事组织类理事国。从这两方面来看,发展本国的船舶压载水处理技术,拥 有一套完全自主知识产权、具备国际领先水平的船舶压载水处理系统已经是迫在 眉睫。它将对提高我国远洋航运业和造修船业的竞争力具有重要意义,同时有利 于保护海洋环境,实现和谐发展;将产生显著的经济和社会效益。 本文正是在综合和比较现有的船舶压载水处理技术的前提下,提出一种经 济、环保、合理的处理方法一固液分离结合紫外线照射。希望能对我国船舶压 载水处理技术方面提供一些支持和探索。具体的研究内容如下几个章节。 ? 第一章,绪论部分。阐述了课题的研究背景,研究和介绍了目前国内外用于 处理船舶压载水的技术和方法。 第二章,压载水处理的技术及其原理。在此部分研究了对压载水进行固液分 离的技术和原理,选用了结构紧凑、高效出水和过滤的全自动叠片式过滤器。 研 究了利用紫外线进行杀菌消毒的机理,以及将紫外线应用于船舶压载水处理 所注 意的问题。经过论证选用多根中压紫外线灯管作为紫外线辐射源。 第三章,紫外线强度控制算法。在此部分提出了一种可以根据压载水流量自 动调节紫外线灯管强度的模糊控制算法,并通过进行了算法的仿真和 结果的验证。 第四章,压载水管理控制系统的设计与实现。在此部分完成了现场控制系统 硬件结构的设计和软件的编制,以及系统人机界面的完整设计。 第五章,结论与展望。总结论文所完成的工作,在此基础上提出下一步的研 究方向。 第二章压载水处理的技术及其原理 第二章压载水处理的技术及其原理 如第一章绪论所述,目前可用于船舶压载水处理的技术有很多种,得到 认证的也不在少数。本文所选用的是一种高效,环保,节能的处理技术一固液 分 离结合紫外线消毒。 .压载水固一液分离 固液分离的基本原理是,在压强差的作用下,使固流两相混合物通过多孔介 质,让固体颗粒截留在介质上,从而达到固液分离的目的?。 在压载水固一液分离阶段,当压载水流经滤器时,一些大体积生物会被滤网 截留,而较小体积的生物则可顺利通过。在此过程中随着固一液分离不断地 进行, 会造成截留大体积生物的累积,而这会导致滤网发生堵塞,使压载水通过滤 网的 速度减缓。最终会影响到整个系统运行的效率。 ..反冲水处理 目前,在处理滤网堵塞这一问题,最直接和有效的方法是采用反冲水处理。 所谓反冲水处理就是使过滤后的压载水反相流动,利用水流产生的冲力,将 附着 在滤网的阻塞物冲掉,然后排出。但在反冲水处理过程中存在以下两个问题: ?如何判断滤网阻塞 ?发现滤网阻塞后,启用反冲水处理,如何判断反冲水完成即滤网阻塞情况 排除 针对以上的问题,目前对反冲水处理的控制可以通过压差,时问设定来完成。 下面就分别介绍两种方法。 时间法:在压载水过滤过程中,预先根据压载水的具体情况浊度、流量等 设定过滤时间缸,反冲水清洗时间锄。当过滤时间进行衙后,系统关闭过 滤程序,自动开启反冲水清洗,当清洗时间达到锄,系统会终止反冲水清洗, 继续进行压载水过滤。整个过程是一个循环处理过程。具体如下图.所示: 船舶压载水管理控制系统的研究 图.基于时间法的反冲水处理流程图 .. 雎爱法:滤嘲滤忑?件所党胜力 . 卸孝华 其中孝为阻力系数,为液体密度/,为液体流过滤网的流速/, 为压力。当孝为紊流阻力系数时其值为: . 孝.一鲁鲁. 其中为过滤网全部面积,为网孑截面积,由.,.可得 卸【.鲁鲁一】字 . 在.中压载水流速,密度和过滤网全部面积不变的情况下,可令 /为,则.可变为: 等. . 第二章压载水处理的技术及其原理 显然由.式可知:随着卸的增大,舢会减小。故可得出:可以通过滤 网滤芯元件所受压力?来判断滤网阻塞。通常情况下,则是通过滤网内外层 压 力差来判断滤网是否发生阻塞。 综上所述,如果采用时间法,就需要操作员根据压载水实际情况对过滤时间 盯和反冲水清洗时间啪进行参数设定,而这对操作人员的经验水平有一定的 要求;如果采用压差法,它是通过压差来定量的反映出滤网阻塞状况,不需人为 判断,减少了人为因素,所以具有很高的可靠性。在本文中采用的是通过压差来 判断滤网阻塞从而完成反冲水控制的。 ..压载水固一液分离系统的实现 在固一液分离子系统中,关键是选用合适的过滤器。目前过滤器主要有滤网 式过滤器和叠片式过滤器两种。其中叠片式过滤器在处理船舶压载水中用的比较 多。以色列、美国、西班牙等国在叠片式过滤器方面的研究处于世界领先地位, 由他们生产的叠片式过滤器在实际应用中也比较多副。但目前我国仍没有完全自 主知识产权和完全产品化的叠片过滤器。在本系统中采用以色列流体公司 的 全自动叠片过滤器。其具体结构如下图.所示。 图. 全自动叠片过滤器结构图 ? .. 叠片过滤技术 在塑料叠片两边分别用激光精确地刻出固定微米尺寸和固定形状的沟槽。将 多个同种模式的叠片叠压在特殊设计的内撑上,然后通过弹簧和液体压力将 其压 船舶压载水管理控制系统的研究 紧,这样在叠片之间会形成交叉的沟槽,而这些沟槽最终会形成具有独特过滤通 道的深层过滤单元。最后将这些过滤单元装进一个耐压抗腐蚀的滤筒中就构成了 叠片过滤器。叠片及叠片过滤器的实物图如下图.所示: 船龇 噍:鏊董 已幽里 彩?氇 图.叠片和叠片过滤器实物图.. 在进行过滤时,过滤叠片通过弹簧和液体压力被压紧。液体由叠片外缘流经 沟槽进入叠片内缘,经过.个虑点,大的杂质颗粒被截留在叠片交叉点,小 的颗粒则可以顺利通过,从而完成一次深层过滤。 自动反冲水清理的结构和原理 本文所选用的自动反冲水清理装置,它是由一组弹簧、一个活塞、三组反冲 嘴组成。在过滤过程中当发生叠片过滤阻塞时,叠片外缘和内缘压力差达到所设 定的预定值时,系统会自动进入反冲水状态进行清理工作。此时,内置控制器会 控制阀门,使水流方向发生改变,反冲水压使叠片松开,而位于叠片中央的喷 嘴 会沿切线方向进行水喷射,致使叠片旋转做离心运动,从而使截留在叠片的大杂 质颗粒被冲洗甩出。当反冲水处理完成以后,内置控制器将会控制阀门使水流方 向改变,此时叠片会再次被水压压紧,整个系统又重新开始过滤操作 。此系统 完成一次反冲水处理大概用时左右。反冲水原理如下图.所示:第二章压载水处理的技术及其原理 反冲洗状态 过滤状态 出水 反冲洗进水 图.反冲水原理图 ..叠片过滤器的特点 ?精确过滤 它可根据所处理的压载水情况选择不同的过滤盘片,有微米、微米、 微米、微米等多种规格,过滤比可达到%。 ?彻底高效的反冲洗 在反冲洗过程中,将过滤空隙完全打开,再加上离心喷射作用,这样可以达 到其他过滤器无法达到的清洗效果。而每个过滤单元反冲洗过程只需?即 可完成。 ?全自动运行,连续出水 应用时间和压差相结合的方式控制反冲洗启动。在过滤系统内,各个过滤单 元和工作站之间按顺序进行反冲洗。过滤、反冲洗状态之间自动切换,可确 保连 续出水,系统压损较小,过滤和反冲洗效果不会因使用时间而变差。 ?模块化设计 用户可根据实际要求取舍过滤单元并联数量,灵活可变,互换性强。可根据 使用现场空间因地制宜安装。 ?维护简单 几乎无需日常维护,检修不需要使用专用工具,可拆卸零部件很少。 本文根据的相关要求,参考全自动叠片过滤器的参数,最终确定将叠 船舶压载水管理控制系统的研究 片过滤精度设置为。 .利用紫外线对压载水消毒 目前,利用紫外线杀灭水中病原体和细菌已经得到了广泛的认识,在工业应 用中,将紫外线用于水处理系统中的案例比比皆是。有资料显示,全球范围内 有 将近多家废水、污水处理工程选用了紫外线进行消毒处理。而将紫外线消毒 用在船舶压载水处理中,也是完全可行的。 ..应用紫外线处理压载水的研究现状 国外成功应用紫外线进行压载水处理的系统 船舶压载水处理系统 韩国知名船用水位测量和报警系统制造商公司研发生产的船舶压 载水处理控制系统.就是采用紫外线对压载水进行处理的。其控制连 /,处理后排出的压载水水质完全满足相关 续处理水量可以达到. 公约的要求。其技术于年月获得的基本型批。 ?挪威船舶压载水处理系统 由挪威公司研发的船舶压载水处理系统已经成功应用实船装备。 整个系统是分两级处理的,压载水先经过旋流分离器进行固一液分离,然后 用高 /。 强度紫外线进行处理。它的压载水处理能力最高可达 在国内也有相关技术人员对应用紫外线处理压载水做了相关研究,如大连海 事大学王伟、刘飞睁等,他们主要通过实验来说明紫外线可以高效地应用到 船 舶压载水处理中。 ..紫外线杀菌消毒原理 紫外线是电磁波谱中波长从 .的辐射总称钉。通过紫外线进行杀 菌消毒主要是因为:微生物体中的脱氧核糖核酸和核糖核酸对紫 外线能量的吸收,使分子发生变异,从而会影响微生物体内蛋白质和酶的 合成,使生长性和再生性细胞死亡,使生物体不能进行复制,最终达到杀菌消 毒 的效果钔。通过实验可将紫外线杀菌消毒的有效波长分为四个波段: .、.、.和真空紫外线 第二章压载水处理的技术及其原理 .。其中和可以通过臭氧层和大气层到达地面,其杀菌 消毒效果不是很理想;真空紫外线由于其穿透能力极弱,它一般不用于杀菌 消毒; 只有处于微生物可以吸收的范围内,其杀菌消毒效果最佳。有关紫外线波 长和细菌灭活效果的二维坐标如下图.所示: 培 靛 罢 回? 棂 紫外线波长, 图.不同波长紫外线的细菌灭活效果 .. 就杀菌消毒速度而言,可在内通过破坏微生物体的分子结构 而杀死细菌和病毒;和因为它们处于微生物吸收峰范围之外,所以他 们的杀菌消毒速度较慢,通常情况下需要持续数小时之久才能起到杀菌消毒 的效 果。 在压载水处理当中应用紫外线除了可以进行杀菌消毒以外,它还可以进行光 催化反应。经研究表明,理论上波长小于的紫外线都可以对光催 化性较好的一种化学物质产生催化作用,从而产生具有强氧化性的羟基。众所 周知,羟基可以矿化降解水中有机物,可以对水进行杀菌消毒。 综上所述,将紫外线应用于压载水处理当中,可以起到直接杀菌和间接光催 化的双重作用。 目前国内外应用紫外线消毒所采用的方式主要是流动式消毒。即在消毒过程 中,使水流在紫外线消毒腔经过三个阶段:进入消毒腔、消毒、流出。具体结构 如下图.所示,其中水流的灭菌消毒过程主要是在第二阶段完成的。当水流进 入消毒腔以后,会在紫外线灯管周围形成水层,而水层与灯管的位置是相对固定 的。大多数情况下,水流与灯管处于平行状态的。即此时,进入消毒腔的水流与 船舶压载水管理控制系统的研究 灯管的距离是不会发生改变的。由朗伯定律鲫 ,厶一 . 其中:穿过介质的紫外线强度/ :初始紫外线强度/ :介质对紫外线的吸取系数以 :介质厚度 由上述公式很容易得出,当紫外线穿过水流时,其强度会随水层深度的 增加而成指数衰减。为了达到良好的杀菌消毒效果,就必须选择合适的紫外线照 射剂量。所谓紫外线照射剂量是指紫外线强度在时间上的一个累积。具体的等量 计算公式:紫外线照射剂量/照射时间照射强度。而 选择合适的紫外线照射剂量,就必须以距离紫外线灯管最远的水层中微生物所需 照射剂量为参考,将其设为最低照射剂量。 紫外线消毒 图.紫外线流动式消毒 .. ..紫外线杀菌灯管 利用紫外线进行灭菌消毒,合适的光源是首要条件。在目前技术条件下,只 有人工汞合金灯可以提供足够的用于工程消毒的强度光源。紫外线杀 菌灯管是由石英玻璃加工制成的,根据汞灯加电点亮后灯管内汞蒸气气压的不同 和紫外线输出强度的不同,将其分为低压低强度汞灯、中压高强度汞灯、低压高 强度汞灯三种啪。利用紫外线进行杀菌和消毒的效果是由微生物所接受的照射剂 量决定的。当然,它还会受到紫外线的输出强度,灯管的类型,灯管的使用时间 等影响。有数据显示,随着灯管的老化,紫外线照射强度将会衰减%.%的 第二章压载水处理的技术及其原理 强度。 实验表明:紫外线照射剂量越大,其杀菌消毒效率就越高。因此紫外线灯管 的输出强度是直接衡量紫外线杀菌消毒设备的最直接也是最重要的参数。 ~般认为,要杀灭不同种类微生物细菌得需要不同的紫外线照射剂量【?。如 下表 .所示。 表.微生物及其紫外线灭活剂量 .. 剂量 微生物菌类 剂量 微生物菌类伤寒杆菌 流感病毒破伤风病毒 大肠杆菌 枯草杆菌芽孢 溶.性链球菌金黄色葡萄球菌 绿色链球菌 白喉杆菌 人肠杆凶噬菌体 结核杆菌 沙 氏菌 痢疾杆菌 黄曲霉菌黑曲霉孢子 霍乱弧菌 通常情况下要杀灭微生物细菌紫外线照射剂量得达到/,刚不始 开启紫外线灯管进行消毒时照射剂量应达到 /,此时紫外线杀灭微 生物细菌和病毒的效率可高.%【蚓。目前,在城市污水消毒处理中,一般 的平均照射剂量在/以上。 下面主要介绍两种在实际工程中应用较多的两种灯管:低压汞灯和中压 汞灯。 低压汞灯 低压汞灯是由低汞蒸气压..经过激化而发出紫外光,它可以产生 两种肉眼看不见的光谱线。一条是的光谱线,另一条是.的光谱 线。其中波长为.的光谱线具有良好的杀菌消毒效果。微生物细胞对光波 谱线的吸收有一个自然规律。当光波谱线波长在.之间时,微生物细胞 对紫外线的吸收将达到最大。而被吸收的紫外线会对微生物细胞的遗传物质 起到 光化作用,破坏遗传物质的结构和性能,最终导致遗传物质发生变异改变,使 他 们当场灭亡或是彻底丧失可复制性。 目前所使用的低压汞灯的功率有、、、、。而根据 功率的不同,又将低压汞灯分为低压低强和低压高强两种。低压低强一般应 用在 小型水处理厂,低压高强则用于中型污水处理厂较多。 船舶压载水管理控制系统的研究 中压汞灯。汞蒸汽压强范围在左右的电弧灯。其输出功率通常在 以上;一般产生的光谱线波长范围在.之间。具有很强的水体 穿透力,灭菌杀毒能力很强,在大型污水处理厂应用较多。 ..镇流器对紫外线灯管的作用 尽管紫外线灯管的发光效率高,但由于其具有负阻电子管、晶体管、二极 管等在某种条件下,当电流电压增加时电压电流反而减小工作特性, 所以要使它能够正常工作,就必须外加一个镇流器,以确保它稳定下常发光【。 在日常生活中最常用的是电感式镇流器,但它功率因数低、体积大、重量重、效 率低,而且要消耗大量的硅钢片和铜线等贵金属。所以,研究人员又另辟新径, 于年开发出了世界上第一只高频电子镇流器,在近多年的时间里得到了 广泛的应用。 电子镇流器的工作原理如下所述。 电子镇流器就是将一个工频交流电源转换成高频交流电源的转换器。在图示 .中电路中和滤波电路可将来自电网的射频干扰和电磁干扰滤除,同 时也可防止镇流器本身电路所产生的射频干扰和电磁干扰进入电网。桥式整流电 路可将输入的工频交流/转换成左右的直流脉动电压,再经功率 因数校正后加至高频逆变电路。然后通过灯电路匹配网络将从高频逆变电路输出 的高频交流电供给荧光灯。其中灯电路网络除了传递电功率之外,它还要完成对 荧光灯灯丝的预热、反馈及阻抗匹配交换、灯管工作状态信号的取样等功能。而 灯工作状态的反馈信号取自灯电路匹配网络和调光信号,最后由控制电路完成逆 变电路中开关器件的控制。 灯 负 广?滤波器广墅况器一 匿蝴/一卜爵回一 载 调光控制信号 图.高性能电子镇流器的电路结构.. 第二章压载水处理的技术及其原理 ..利用紫外线技术对压载水杀菌消毒所存在的问题 综上所述,利用紫外线对船舶压载水进行杀菌消毒处理是完全可行的,但在 具体的应用过程中还存在一些问题。 在利用紫外线进行压载水灭菌消毒的过程中,压载水的透光率会影响微生 物体吸收紫外线的剂量。也就是说当压载水经过滤之后还存在一定量的浊度。在 此情况下会发生大体积微生物遮挡影响小体积微生物对紫外线的吸收,而发生微 生物光复活现象,造成压载水杀菌消毒不彻底。因此还得对光复活原理和机制进 行进一步研究,最终确定避免微生物细菌进行光复活的最小紫外线照射强 度、时 间及照射剂量。 石英套管外表面的清洗工作是整个系统高效运行的关键所在。当压载水流 经紫外线消毒装置时,随着时间的积累会有无机杂质的沉淀,他们会附着于石英 套管外表面。尤其当压载水中的有机物含量过高时,很容易在石英管外表面形成 污垢膜,而且微生物细菌很容易会附着其上。最终会导致紫外线的透射效果变差, 直接影响到灭菌效果。因此,在处理船舶压载水过程中,还需增加一种可以对紫 外线灯管进行自动清洗的装置。 在大多数紫外线消毒系统中,消毒腔内紫外线灯管采用多个直灯管,应用 此种方式,会导致紫外线照射面不均匀,而且不容易找到合适的最佳安装位置, 能量消耗大。最近,纽约 的研究员通过实验和分 析,提出一种使用环形紫外线灯管的新方法口引。该方法是在环形灯管的外部加装 一个反光罩,让待消毒的水流从环形灯管穿过,这样可以使紫外线能量在消毒腔 内能够更好的分散,使消毒效果达到最佳。北京工业大学的冯娜,李丽艳乜朝 对 环形紫外线灯管也进行过研究和探讨。 在压载水处理中,处理流量较大,所以所需紫外线强度也较高。但传统的 低压紫外线灯管一般只能做到,要想达到良好的杀菌消毒效果就得增 加紫外线灯管的数量。而此时所需镇流器数量也会增加,这不仅会导致电路规模 庞大,控制复杂度增加,而且能耗也会相应增加。如果其中一根紫外线灯管发生 故障,就得停机检修、更换。随着灯管和镇流器数量的增加,这无疑会加大系统 故障发生率。所以根据实际情况选择合适的紫外线灯管和镇流器是当前值得考虑 的一个重要问题。船舶压载水管理控制系统的研究 紫外线灯管的出力跟它的供给电压有很大的关系【。当供给电压发生变化 时,紫外线灯管的辐射强度会随供给电压的升高而增强,随之紫外线杀菌的能力 也会增强。通常情况下供给电压应稳定在%的范围内,在此范围内,紫 外线杀灭细菌的能力在%一%之间变换。供给电压每下降,紫外线灯管 的辐射强度将下降 /./。不同供给电压下紫外线灯管的辐射强度 如下表.所示: 表.不同供给电压下紫外线灯管的辐射强度 .. 供给电压 辐射强度范围/ 平均辐射强度,/ .... 由于整套系统最终要完全应用在实际船舶上,所以必须从实际出发,充分考 虑实际船舶的环境因素。在紫外线消毒系统中如果选用低压汞灯,虽然它功耗低, 可减轻船舶电力系统的压力;但由于其输出紫外线强度低,如果要达到理想的杀 菌消毒效果就需要增加灯管数量,这无疑会增加系统空间的需求。众所周知,在 实际船舶中,船舶的空间资源是相当宝贵的。而且随着灯管数量的增多其控制复 杂度也会加大。如果选用紫外线强度输出较大的中压汞灯,则会减少灯管所需数 量,能够节省大量宝贵空间资源,但是由于其输出功率大会增加船舶电力系统的 负载压力。 最后经过权衡,选用多根中压汞灯作为紫外线辐射源。在第三章,将介绍一 种可根据压载水流量大小自动调节紫外线强度的模糊控制算法,如果将该算法应 用于对中压汞灯强度的控制则可以达到节能、高效的效果。 船舶压载水管理控制系统的研究 第三章紫外线强度控制算法 在本系统中紫外线辐射源是由数根中压灯管构成的,而中压灯管 的功率比较大,如果将其装备到实际船舶中其单位时间的耗能是不容忽视的。在 本章中提出了一种可根据压载水实时流量自动调节紫外线强度的模糊控制算法。 .模糊控制理论 ..模糊控制理论的发展及其简介 模糊控制理论最早是在年由 .在一篇名为《模糊集合》的 开创性文章中创立的【。而在研究模糊控制理论之前,其实是一位控制论 学者。由他提出的“状态”的概念形成了后来现代控制理论的基础。而在上世纪 年代初期,他提出经典控制理论过于强调精确性而无法处理复杂的系统,正 如在年,他在文章中提到“在处理生物系统时,需要一种彻底不同的数学一 关于模糊量的数学,该数学不能用概率分布来描述”。后来他经过进一步探索和 研究,将这些思想最终形成具有开创性的文章《模糊集合》。 上世纪年代诞生了处理实际系统的模糊控制器,在年, 和创立了模糊控制器的基本框架,并将模糊控制器成功应用于控制蒸汽 机。他们公开发表了模糊理论另一篇具有开创性的文章《带有模糊逻辑控制器的 语言合成实验》。后来在年由和为工业过程开发了第 一个模糊控制器??模糊水泥窖控制器。在上世纪年代初,日立公司的 和将模糊控制成功应用于仙台地铁,并创造了世界上最先进 的地铁系统。而模糊控制的这一应用在模糊领域引起了一场巨变【瑚】。 ..模糊控制所研究的工具 在模糊控制中利用很多诸如:“偏高、“较多、“比较小’’等模糊概念来实 现稳定控制,那么如何对这些模糊概念进行描述,如何对它们进行分析、推 理。 这就需要模糊控制的研究工具一模糊集合与模糊数学【之引。 模糊集合论的产生和发展到目前已有年之久,它已经渗入到自然科学和 社会科学的各个领域,而且已经取得很多令人瞩目的成绩。从广义上说,模糊 集第三章紫外线强度控制算法 合是一种用来描述模糊现象而特别定义的集合。模糊数学是用来为研究模糊 集 合、模糊逻辑而产生的一种数学理论体系【。。 ..模糊控制器的原理 模糊控制器是整个模糊控制的核心,它主要由部分组成,模糊化,专家知 识库,模糊推理,清晰化【。模糊控制器的构成如下图.所示。 参考 图.模糊控制器的构成..模糊化 模糊化的作用是将输入的精确量转换成为模糊量,这在处理不确定信息方面 有重要作用。模糊化运算是将输入空间的观测量映射到输入论域上的模糊集 合 【。在模糊控制中主要采取以下两种模糊化方法。 .单点模糊集合 当输入变量数据而是准确的,则通常将其模糊化为单点模糊集合。该模糊 集合用表示,则有%【。,?而。 其隶属函数如下图.: 一 图.单点模糊集合隶属度函数吐 .. 船舶压载水管理控制系统的研究 采用此种单点模糊集合的方法,只是将清晰量在形式上转换为模糊量,但其 本质没发生变化,仍然是准确的清晰量。 .三角形模糊集合 当输入量数据存在随机测量噪声时,此时的模糊化运算相当于将变化量变换 为模糊量。针对此种情况,可以取模糊量的隶属函数为等腰三角形。此三角 形的 顶点相应于该随机数的均值,底边的长度等于 ,表示该数据的标准差。当 ......................?? 它实 然在实际应用中还存在另一种隶属度函数一棱形函数,即为功 质上是一个正态分布的函数。 专家知识库及模糊推理 知识库中包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目标,它一般情况下由 数据库和模糊控制库两部分组成。其中数据库主要包括各语言变量的隶属度 函数、尺度变换因子以及模糊空间的分级数等。 模糊推理是模糊控制器设计的核心,它具有模拟人的基于模糊概念的推理能 力。整个推理过程是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行的。 在模糊控制中,专家知识是通过一组语言描述的规则来表示的,它具有如下 表示形式:所需满足的条件可以推出的一组结论。在. 规则中其前项条件和结论部分均是模糊的概念【。。前项条件为在实际工程应用 中所提供的条件,结论部分则为所要采取的控制行动。比如,在智能汽车速度控 制器中有如下规则,“如果速度较慢,则施加给油门较大的力,其中“较慢和 “较大均为模糊量。.模糊控制规则为控制领域专家知识的表示提供 了一种方便的工具。对于多输入多输出的模糊系统,它是有多个前提 和多个结论的。比如,对于两输入单输出系统,模糊控制规则具有如 下形式: :如果是且是尽,则是 :如果是且是岛,则是 :如果是以且是,则是 在上述形式中,和均为语言变量,和为输入量,为控制量。,第三章紫外线强度控制算法 和,其中,,?,分别为,,在其论域上的语言变量值, 而所有的规则组合在一起就就构成了规则库。 对于其中的一条控制规则,如果是且是,则是,它的模糊 蕴含关系定义为 一 即‰‰。呻,, 。【‰ 毋】一% 其中“;是定义在 上的模糊集合, 一是定 义在上的模糊蕴含关系。而条模糊控制规则总的模糊蕴含关系为 最后求得推理的结论为’’’。 其中:唆爿?。棚?,“?人甜口? 或者棚?,“』“? 其中彳’,曰’为输入,’为输出;“。’’是合成运算,通常采用最大.最小合 成 法或最大.积代数积的方法。 在模糊控制中常见的模糊推理类型主要有以下几种。分别是模糊蕴含运算采 用曼丹尼的最小运算规则,模糊蕴含运算采用拉森的积 运算规则,语言变量的隶属度函数为单调的楚卡莫托方法,规则 的结论是输入语言变量的函数该方法是由和两人提出来的四 种模糊推理类型。其中最小运算规则和积运算规则,由于它们 运算简便,所以在模糊控制中应用的比较多。在本文中采用的是最小 运算规则。 清晰化 清晰化也称为去模糊化。它的主要作用是将由模糊推理得到的模糊量变换为 可用于实际应用的精确量【。 一般来说清晰化的计算方法有以下几种方法。 ?最大隶属度法船舶压载水管理控制系统的研究 如果输出量模糊集合。的隶属度函数只有一个峰值,则取隶属度函数的最 大值为清晰值,即? 其中表示清晰值。如果输出量的隶属度函数有多个极值,则取这些极值 的平均值为清晰值。 ?中位数法 采用中位数法是取“.的中位数作为的清晰量,如下图.所示,它满 足上述公式.可以表述为,由与轴所围成的面积以为界两边相等。 . 取吐躯吐, 图.中位数法去模糊化.. ?加权平均法 这种方法取“.的加权值为的清晰值,当论域为连续的情况,即 %?吐 . 矿瓦瓦 它和重心的计算相类似,所以也称它为重心法。当论域为离散的情况则有 ?,“.乙 . 鼍??一 ?.乙第三章紫外线强度控制算法 .紫外线强度控制算法的设计 要对压载水进行彻底的杀菌消毒,紫外线的简写灯管就应该 提供足够的辐射能量。而用来衡量能量的术语,国际惯例中一般采用 紫外线剂量。‰孵的单位是/微瓦每平方厘米秒。 标准第项规定:将紫外线应用于水处理系统中,系统设备应满足的标准 有两个。 .将被污染水中的细菌、病毒净化到安全标准所需要的?么样为 /。. .对公共饮水和其他饮用水做杀菌消毒处理,所要求的吃一为 /。 /时,可以杀灭大部分 有实验数据显示,当‰咿达到~ 普通微生物。各个国家针对杀灭大部分普通微生物所要求的‰哪标准也不相 同,但他们都集中在 ./之间。在本文中所涉及的算法是针对 类标准的,该准则完全符合对船舶压载水处理的要求。 ..紫外线强度控制算法原理 由图.可以看出消毒腔的有效体积可计算为: . 圪。.一】/ 其中为消毒腔的总长,圪。。为压载水消毒腔的有效体积,%、分别 为消毒腔体的外、内直径。本试验中压载水消毒腔的实际体积为.。 压载水从流入到流出的耗时为 %‰七‰ . 其中形黼是压载水流经消毒腔体的流量。从式.可看出水流越快,压 载水在灯管照射的时间就越短。所以灯管的选择应从压载水流经紫外线 消毒腔的最大流量和所需?来考虑。 %。一’%。% . 由.可得: . 研锄。一研幺/%,船舶压载水管理控制系统的研究 其中眠一是由灯管本身所决定的,‰由用户根据压载水处理的 一些指标标准来确定,乇川。则是压载水以最大流量通过消毒腔时所需要的 最短 / 时间。本实验中压载水最大流量设定为./,‰设定的是 由.可计算得乙.。为.,由式.可计算得在本文中紫外线灯管 /。 叩,。。的值应大于 图.紫外线消毒腔结构 .. 应该注意的是,如果灯管产生的能量低于正常标准,要想达到良好的杀菌效 果,那就得延长灯管照射时间。这是因为细菌具有自我修复能力。综上所述本文 为方便实验只选择了单根低压高强度灯管,它的功率,额定电流为., 它的输出紫外线强度最大为 /。 由以上推理可得,系统所需的?么哪跟压载水流经消毒腔的时间成反比, 而跟压载水流经消毒腔的流量大小成正比。也就是说当压载水流经消毒腔的流量 减小时,所需的?么哗也减小;当压载水流经消毒腔的流量增大时,所需的 ?么呼也增大。但是他们之间并非线性关系。因此本文基于此设计了一种控制 算法,该控制算法不但可以根据用户的要求,去调节灯管照射强度,而且还 能为节能输出提供一种