基于·OH船舶压载水处理控制系统的设计.pdf

《基于·OH船舶压载水处理控制系统的设计.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于·OH船舶压载水处理控制系统的设计.pdf（70页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、中文摘要 摘要 随着世界航运业的发展，船舶压载水导致的外来生物入侵，也使海洋生态环 境面临的问题越来越严重，许多国家和组织致力于研制船舶压载水处理系统，采 取的主要方法包括机械法、物理法、化学法等，并取得了一些成绩，但都分别存 在适用范围局限、产生二次污染、腐蚀船体、能耗高、安全性差等缺点，以羟自 由基为标志的高级氧化杀菌技术受到极大关注。 某大学环境工程研究所承担的课题“远洋船舶压载水羟基自由基工程化处理 技术开发，采用大气压强电场电离氧气和水，绿色制备羟基自由基溶液。依据 此课题，设计了船舶压载水处理分层结构的控制系统，下位机P L C 负责现场数据 的采集和相关控制的执行，上位机人机界面

2、负责整个系统的工作流程的显示和管 理。上下位机协作，在压载过程，通过模糊控制压载水中总残余氧化剂的浓度值， 可有效调节羟基自由基浓度，从而实现杀菌目的；残余的氧化剂在排载过程被中 和剂中和；参与反应的物质都不会损害船体，被处理过压载水的各项指标均可达 到国际海事组织( I M O ) 规定的排放标准，实现船舶压载水绿色排放。 本文是依据羟基自由基压载水处理系统的工艺，分析和设计了其系统控制结 构，可以有效地实现对压载水处理过程的监测和控制，其可视化、智能化的功能 设计方便船员学习和操作，系统还设有报警和应急功能，保障了操作过程的安全， 利用通讯技术可与综合船桥系统连接，可进一步实现其船岸信息一

3、体化。 关键字：船舶压载水处理；羟基自由基；模糊控制；P L O ；人机界面 英文摘要 A B S T R A C T W i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ew o r l d Ss h i p p i n gi n d u s t r y , t h ef - o r e i 印s h i p s b a l l a s t w a t e rp r o b l e m sc a u s e db yb i o l o g i c a li n v a s i o n s ，t h em a r i n ee c o l o g i c a le

4、n v i r o n m e n ti s f a c i n gm o r ea n dm o r es e r i o u sp r o b l e m s M a n yc o u n t r i e sa n do r g a n i z a t i o n sc o m m i t t e d t ot h ed e v d o p m e n to fs h i p s b a l l a s tw a t e rt r e a t m e n ts y s t e m ，t h ep r o c e s st a k eal o t ， i n c l u d i n gt h

5、 em e c h a n i c a l ，p h y s i c a l ，c h e m i c a l ，a n dh a v ea c h i e v e ds o m eS u c c e s s ，b u t t h o s es t i l lh a v el o t so fl i m i t a t i o n s ，s u c ha ss m a l ls c o p e , s e c o n d a r yp o l l u t i o n , h u l l c o r r o s i o n ，h i g l le n e r g yc o n s u m p t

6、 i o n ，p o o rs e c u r i t ys h o r t c o m i n g sa n dS Oo n H y d r o x y l r a d i c a l sa sas y m b o lo fa d v a n c e dO x i d a t i o ns t e r i l i z a t i o nt e c h n o l o g y , a c h i e v e sg r e a t T h eI n s t i t u t ef o rE n v i r o n m e n t a lS t u d i e so fs t r o n ge l

7、 e c t r i cf i e l di o n i z a t i o nd i s c h a r g e P r e p a r a t i o no fh y d r o x y lr a d i c a l su s e di nt h eh a n d l i n go fs h i pb a l l a s tw a t e rt e s ta ta u n i v e r s i t y , u s i n ga t m o s p h e r i cp r e s s u r es t r o n ge l e c t r i cf i e l di o n i z a

8、t i o no fo x y g e na n d W a t e r , w h i c hc a nm a n u f a c t u r eh y d r o x y lr a d i c a ls o l u t i o nw i t h o u tp o l l u t i o n D e s i g nt h e c o n t r o 1s y s t e mo fs h i p s b a l l a s tw a t e rt r e a t m e n th i e r a r c h yb a s e do nt h es u b j e c t ，P L Ci s f

9、 o rt h ec o l l e c t i o no fd a t aa n dt h ei m p l e m e n t a t i o no fc o n t r o l ，M a n - m a c h i n e i n t e r f a c em a n a g et h ew o r k f l o w o ft h ee n t i r es y s t e m w i t ht h ec o l l a b o r a t i o no fU p p e ra n d l o w e rm a c h i n e ，T oe f f e c t i v e l yr

10、e g u l a t et h ec o n c e n t r a t i o no fh y d r o x y lr a d i c a l s ，T h e s y s t e mu s eF u z z yc o n t r o lm e t h o dt oc o n t r o lt h et o t a lr e s i d u a lo x i d a n tc o n c e n t r a t i o n ，a n d t h e na c h i e v et h ep u r p o s e so fs t e r i l i z a t i o n ，R e s

11、i d u a lo x i d a n tw i l lb ep r o c e s s e d ， S u b s t a n c e si n v o l v e di nt h er e a c t i o nw i l ln o td a m a g et h eh u U ，t h et r e a t e db a l l a s tw a t e r i n d i c a t o r sc a nr e a c ht h ee m i s s i o ns t a n d a r d so ft h ep r o v i s i o n so ft h eI n t e r

12、n a t i o n a l M a r i t i m eO r g a n i z a t i o n ( I M O ) T h i sa r t i c l ei sb a s e do nt h eb a l l a s tw a t e rt r e a t m e n to fh y d r o x y lr a d i c a lt oa n a l y z e a n dd 骼i g nt h ec o n t r o ls t r u c t u r e , w h i c hc a ne f f e c t i v e l ym o n i t o ra n dc o

13、n t r o lt h eb a l l a s t w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s i n g I t sv i s u a l i z a t i o na n di n t e l l i g e n tf e a t u r e si s d e s i g n e dt o f a c i l i t a t ec r e wm e m b e r st ol e a ma n do p e r a t e T h es y s t e ma l s oh a sa na l a r ma n d e m e r g e n c yr

14、 e S p o m es y s t e m st op r o t e c tt h es a f e t yo f t h ep m c e d w e ，u s ec o m m u n i c a t i o n s 英文摘要 t e c h n o l o g yt oc o n n e c tw i t hi n t e g r a t e db r i d g es y s t e m s ，a n dm a k e i n t e g r a t i o no fs h i p s h o r ei n f o r m a t i o n K e yW o r d s ：S

15、h i pB a l l a s tW a t e rT r e a t m e n t ；H y d r o x y lR a d i H u m a n m a c h i n eI n t e r a c t i o n 目录 目录 第1 章绪论l 1 1 选题背景及研究意义1 1 2 国内外压载水管理方法研究现状2 1 3 国内外压载水处理系统分析5 1 4 羟基自由基特点及制备方法6 1 5 研究内容7 第2 章压载水处理系统工艺及控制原理的分析9 2 1 系统工艺流程9 2 1 1 压载过程工艺9 2 1 2 排载过程工艺1 0 2 2 关键工艺部件1 2 2 2 1 羟基自由基

16、O H 】单元12 2 2 2 中和单元1 2 2 2 3 报警单元12 2 3 系统被控量的确定1 3 2 3 1 压载被控量的确定一- 1 3 2 3 2 排载被控量的确定1 6 2 4 系统的控制难点1 8 2 5 系统控制方法的研究1 9 2 5 1 模糊控制的思想和优点1 9 2 5 2 模糊控制系统的组成2 0 2 5 3 模糊控制器的组成2 1 2 5 4 系统模糊控制器的设计2 3 第3 章基于压载水处理控制系统的硬件设计31 3 1 压载水处理控制系统的结构3 1 3 2 控制系统应实现的功能3 2 3 3 系统硬件的选择一3 3 3 3 1 主要元件的选择3 3 3 3 2

17、 下位机的选择3 5 3 3 3 上位机的选择3 8 第4 章基于压载水处理控制系统的软件设计4 1 4 1 下位机的软件设计4 l 4 1 1P L C 编程软件简介4 l 4 1 2 系统模糊控制器的程序设计一4 1 4 2 上位机的软件设计一4 2 4 2 1 人机界面组态软件简介4 2 4 2 2 组态软件的体系结构4 3 4 2 3 上位机人机界面的设计4 4 4 2 4 上位机控制流程的设计5 3 结论5 7 参考文献5 9 至炙谢6 3 基于O H 船舶压载水处理控制系统的设计 第1 章绪论 1 1 选题背景及研究意义 世界航运业在经济全球化过程中发挥着重大的作用，全球8 0 以

18、上的货物和 商品通过船舶运输，因此保障船舶安全营运至关重要。船舶在航行、进出港、装 卸和停泊等不同的工作情况下，需保持合适的排水量、吃水，以确保船体横 向和纵向的平衡，通常通过压载水的泵入和排出来提高船舶稳定性，保证船舶的 安全【1 1 。 船舶的压载水通常从港口沿岸海域装载进压载舱的，泵入的压载水量根据船 型载货多少、航线及海况等的不同而大范围的变化，在空载时，可多达船舶载重 量的三分之一【2 】。船舶排放压载水已成为由媒介造成生物地理性隔离水体传播的最 主要的方式之一，起初人们并没有认识到其后果的严重性。船舶压载水中含有大 量的水生生物，种类能达到3 0 0 0 种以上，平均每立方米压载水

19、有浮游动植物数目 有1 亿多个【3 】。多种生物会以不同的形式存活在压载水中，在一个海域装载的压载 水中的物种会在船舶到达另一海域港口装货时被排入到当地的水体中，可能会导 致一些物种的大量繁殖，直接影响到当地的经济和环境。外来水生物的生物入侵 已达到危机的水平，对环境、资源乃至人体健康和财产造成了严重的损伤或损害。 最典型的案例是生存在欧洲东部黑海的斑马贝，以压载水的方式被引入欧洲西部 和北部以及半个北美东部地区。它替代了当地水生生物，影响了栖息地的生态系 统，并引起了底层构造改变和船舶沉积的严重问题，导致了吸水管的入口水闸和 灌溉堤防的堵塞。在美国，仅仅在近l O 年问，为了从工业设备上将斑

20、马贝清除， 就造成了1 0 亿美元的损失1 4 1 。由此可知，船舶压载水带来的生物入侵问题必须得 到足够的重视。 国际海事组织( I M O ) 对由船舶压载水引发的海洋生态问题给予了高度重视， 在2 0 0 4 年2 月1 3 日颁布的国际船舶压载水及沉积物控制和管理公约，对船 舶压载水的排放标准作了明确的规定，以防止船舶压载水携带的有害水生生物肆 意扩散而引起潜在的毁坏性影响【卯。 状况，另外，船上还存在许多动力和空间的限制，同时还要兼顾安全性同。在运行 压载水系统时，压载水的大流量、高流速，压载水中生物的多样性以及在压载舱 内滞留时间的不同也为压载水处理带来了难度。因此，压载水的管理方

21、法是比较 复杂多样的。 基于O H 船舶压载水处理控制系统的设计 图1 1 压载水管理方法框图 F i g 1 1B a l l a s tw a t e rm a n a g e m e n tm e t h o d sd i a g r a m 现行的船舶大多数采用的是I M O 推荐的深海压载水置换法，包括顺序法、溢 流法和稀释法，如图1 1 所示，但是由于顺序法和溢流法很难完全排除压载水和沉 淀物，而且在排放压载水会改变船舶的吃水差，从而影响船舶的稳性，因此在恶 劣天气下操作会存在危险。稀释法可以通过管路的设计，从压载舱顶部泵入海水， 同时以相同的速率从压载舱底部将压载水泵出压载舱，所

22、以船舶整体的受力状况 基本上保持不变。该方法比排空法和溢流法都较为安全，但因涉及船舶设备、管 路的改进或添置，故仅在新造船上安装设置后才能投入使用【8 1 。对于大多数船舶来 说，压载水的置换方法主要还是顺序法和溢流法。 第1 章绪论 目前，各国船舶主要利用的压载水处理方法：一类是机械处 态液态分离法去除压载水中较大的水生物和其他颗粒沉淀物质； 压载水水生物和微生物技术，包括物理灭活和化学灭活，还有一 用惰性气体将压载水中的氧气取代置换出或是真空除氧，从而降 气含量，杀死水生物和需氧微生物。 机械法主要是固液分离，其原理是将悬浮颗粒物包括大型悬 水中分离出来，可以使用沉降法( 利用颗粒物的自重

23、) 和旋流分 在管路中高速流动产生的分离作用) 或表面过滤( 使滤器的孔径 生物的尺寸) ，但沉降法由于要求的时间较长，因此不适用于船 生物的比重与海水接近时，旋流分离法的应用受到限制【9 】。 对于处理压载水中体积较小的微生物，通常选用灭活的方法。灭活压载水水 生物和微生物技术有物理清除和化学消毒两种方式，但是物理消除和化学消毒过 程前都需要先通过机械方法去除较大水生物和沉淀物，从而降低物理化学处理的 难度。 物理清除法主要有加热法、紫外线法、超声波、磁化法及电子脉冲和等离子 脉冲技术等。使用最多的方法是通过照射紫外线发生光化学反应，破坏微生物组 成的部分如核酸。采用紫外线处理压载水不会引起

24、健康、安全或环境方面的争议， 然而紫外线有可能使被处理微生物产生基因突变，同时对管道也有腐蚀作用1 0 1 。 化学消毒法主要有电解法、臭氧法、氯化法、二氧化氯、过氧乙酸、过氧化 氢等【l l 】。其中，氯化处理是相对使用成本较低的一种方法，但和大多数化学药剂 一样，存在的问题是如何完全去除有害副产物而防止其对船舶及排放地环境造成 破坏和的污染。 脱氧法能够明显降低对压载舱的腐蚀作用，并且不会对水质和周围的环境造 成影响，但它以消耗进入机舱内空气为代价，这样就导致本就要求大量空气的机 舱内更加紧张，一定燃油的消耗和大量管道的配置，会影响到船舶的燃料使用量 和载重吨。 4 基于O H 船舶压载水

25、处理控制系统的设计 压载水隔离有两种措施：一种是将压载水排入接收装置中，到港时交给相关 工厂专门处理；另一种是将压载水带回原地。将压载水排入接收装置中也是一种 行之有效的控制方法，但是该方法的实施取决于港口接收装置的技术水平。将压 载水存放在船上带回原地这一措施对船舶种类有限制，如油船、散货船等。 以上压载水管理方法均不能完全达到船舶压载水处理的要求，而通过将两种 或多种技术相结合，可实现部分有效、经济，适合应用于大多数船舶。目前国内 外专家技术人员多以利用机械法清除大颗粒生物和沉淀物后再经物理或化学的灭 活处理的方式进行压载水处理系统的开发。 1 3 国内外压载水处理系统分析 据英国的劳氏船

26、级社统计，国际上将近5 0 家研发机构中仅仅有1 5 家研制开 发的船舶压载水处理系统通过了I M O 的批准，国外研制的压载水处理系统及采用 的技术主要有：德国H a m a n mA G 公司设计的S E D N A 系统是先使用气旋分离技 术脱除大部分微生物与细菌，再利用装置产生的氯离子与离子团来灭杀与抑制微 生物；瑞典A l f a - L a v a l 公司的P u r e B a l l a s t 系统，采用过滤和紫外线照射技术；挪 威O c e a n S a v e r 公司的O c e a n S a v e r 系统，结合了过滤、空穴、惰性气体及电解技术； 美国H y

27、d e 公司的G u a r d i a n 系统是利用机械过滤和紫外线杀毒的方法；韩国 T e c h C r o s s 公司的E l e c t r o C l e a n 系统则是采用电解模块的电位差与电化学反应产 生的氯离子共同杀菌的方法；N E I 公司采用文士管脱氧方式进行压载水处理；日本 日立公司的C l e a rB a l l a s t 系统采用絮凝与磁力分选相结合的技术净化压载水【1 2 1 。 国内有青岛双瑞压载水处理系统，该系统已通过I M O 的最终认证，它通过过 滤、电解和中和优化等设计，能够达到高效、经济、大容量处理压载水的目的， 且对海洋环境不造成任何副作用

28、，此外还有青岛海德威德的海洋卫士是采用超声 强化电子协同作用产生高级氧化物的技术等。 目前在压载水处理技术中，以羟基自由基为主的高级氧化技术具有良好的应 用前景【1 3 15 1 ，其高效性可以将压载水输运管路作为c 管道反应器”，在压载水输运过 程中致死有害海洋入侵微小生物。 第1 章绪论 1 4 羟基自由基特点及制备方法 羟基自由基 O H 是存在于自然界的一种原子团物质，是净化自然界 剂。羟基自由基具有极强的氧化性能( 与氟的氧化能力相当) ，能够破坏微 大分子的核酸、蛋白质，并导致细胞不可逆的直接损伤而死亡。含羟基 溶液能有效的处理压载水中存活的单胞藻、原生动物和细菌。它参与的 是属于

29、游离基反应，杀死有害微生物的速度极快，剩余羟基自由基最终 水和二氧化碳，不会造成二次污染，也不会对船体、压载舱和压载管路等产生腐 蚀作用。经羟基自由基溶液处理前后压载水水样的温度、盐度、p H 值及电导率基 本保持不变，浊度大幅度改善，由此可见，羟基自由基不仅可以有效杀灭微生物， 还可以净化压载水水质。 羟基自由基最大的缺点是寿命短，要保证有充分的时间致死微小生物，就必 须确保均匀混合时间短，它同微小生物的接触时间和剂量直接决定了生物致死率， 需要含羟基自由基的气液与大流量压载水在短时间内快速充分混溶【l 们。 现有制备O H 的方法主要是：过氧化氢( H 2 0 2 ) 、紫外线( U V

30、) 、F e n t o n 法、 臭氧( 0 3 ) 、水激励法等成熟技术和工艺共同作用，以及利用光和半导体催化 ( T i c h ) 、电子束辐射等方法生成O H 。但是这些方法均存在各种问题，分别是： ( 1 ) 制取O H 浓度小、产量低，只能应用于实验室和小规模研究；( 2 ) 生化反 应时间长，需要1 5 “ 3 6 0 分钟不等；( 3 ) 需外加大量药剂及催化剂( 如过氧化氢 等) ，危险、易爆炸且成本较高；( 4 ) U V 照射穿透能力差，应用于清晰度不高 的压载水处理，效果不佳；( 5 ) 工艺系统庞大( 如鼓泡塔、氧化塔等) ；且运行 费用高、场地面积大【1 。7 1

31、 。 大连海事大学环境工程研究所承担的国家科技支撑计划课题“远洋船舶压载 水羟基自由基工程化处理技术开发“ 于2 0 1 0 年5 月通过验收鉴定。该项研究采 用了大气压强电场电离放电获取高浓度活性粒子的物理新方法，即将空气中的氧 气与海水( 气态水) 电离分解成氧活性粒子及过氧羟基离子引发剂，注入压载水输 送到海水管道中后，反应生成高浓度的羟基自由基溶液，并进行杀灭压载水海洋入 侵生物的试验研究。使压载水在输送过程中就能快速致死海洋有害生物，完全杀 I 基于O H 船舶压载水处理控制系统的设计 灭时间不超过6 秒，极大地改善了船舶压载水的水质，可有效保护近岸海域生物 多样性，且处理成本仅为3

32、 分钱吨水，成功的实现了大气压强电场放电快速制备 羟基自由基的方法应用于船舶压载水处理系统，且达到低浓度、高效率、低成本 的致死外来海洋入侵生物的目的。 1 5 研究内容 本文以羟基自由基船舶压载水处理系统为研究对象，针对压载水系统基于羟 基自由基技术不同环节的不同工艺特点，设计了一套船舶压载和排载过程的控制 系统，并编写相应的控制算法。该系统在压载水的压载过程，主要采用模糊控制 对活性离子发生器的功率进行控制，以确保羟基自由基浓度得以杀灭压载水中的 微生物，并在压载水的排载过程，通过控制中和剂的投放量减小杀菌过程的残余 氧化物造成的二次污染，可实现对压载水处理流程的监测和控制。 本文主要分为

33、以下几章： 第1 章绪论。讨论了船舶压载水的现状包括当前形势，研究了各种处理技术 以及羟基法的优缺点。压载水导致的外来生物入侵，给全球生态环境造成了严重 的影响，国际海事组织已经制定了相关标准，许多国家开始应用各种压载管理方 法，并制造了许多船舶压在水处理系统，均取得较好效果，但仍存在许多缺陷， 羟基自由基因其强氧化性应用于压载水处理系统进行杀菌，得到人们越来越多的 关注。 第2 章压载水处理控制系统的工艺分析。详细分析了羟基自由基压载水处理 系统的压载和排载处理过程及关键工艺部件的工作原理，并依据系统各个环节的 控制要求，确定了被控对象，最后选取了模糊控制作为系统控制算法且设计了模 糊控制器

34、。 第3 章压载水处理控制系统的硬件设计。根据工艺特点要求，进行结构设计 及各个环节的选型和功能设置，包括传感器、控制单元P L C 和人机界面等。 第4 章压载水处理控制系统的软件设计。包括下位机的控制程序设计和上位 机管理程序的设计，下位机的设计是根据系统工艺及结构的特点并结合模糊控制 算法优点完成的，用于实现压载过程的杀菌效果；上位机是设计是根据系统的操 第1 章绪论 作管理特点，并考虑人机界面设计的友好性而设计的，从而监控系统的工 并达到压载中和效果。 结论系统根据远洋船舶压载水羟基自由基工程化处理工艺，利用上下 互协作实现对系统流程的监控和管理，能够达到绿色治理压载水的目的， 化、智

35、能化的功能设计方便船员学习和操作。将压载水处理系统与综合船 连接，可进一步实现船岸信息一体化。一 8 基于O H 船舶压载水处理控制系统的设计 第2 章压载水处理系统工艺及控制原理的分析 2 1 系统工艺流程 羟基自由基船舶压载水处理系统包括羟基自由基的制备工艺，目的是利用其 强氧化性和游离基生化反应，实现快速杀灭微生物，且生成的产物也不会对环境 造成二次污染。 系统工作包括两个过程，即压载过程和排载过程。当压载过程开始时，将制 备的一定浓度的活性粒子和海水在管道内充分混合，形成所需的高浓度羟基自由 基溶液，在管道中杀灭有害微生物。羟基在杀菌的同时也会和海水中其他物质( 例 如氯离子、溴离子)

36、 发生反应，衍生出的次级产物，监测项目称之为总残余氧化 剂( T R O ) 。在排载过程时，需注入适量的中和剂中和残余氧化物，应使氧化物 排放量达到排放标准，以免影响排放地水质。 2 1 1 压载过程工艺 压载过程，即将一定量的海水从海底门泵入，经杀菌处理后，进入压载舱。 具体如下：先制备所需的氧气，活性粒子发生器( O H 单元) 进入准备阶段，然 后开始将海水从海底门泵入，经由过滤器进行预处理，除去部分大颗粒沉淀物和 体积较大的藻类等，再流经文丘里射流器形成负压，从而抽吸活性粒子发生器处 产生的氧活性粒子，氧活性粒子同海水在喉部破碎混溶，形成均匀的含高浓度羟 基自由基溶液，可在混溶过程中

37、杀灭有害入侵微生物，最后进入压载舱，如图2 1 、 图2 2 所示。 图2 1 压载结构图 F i g 2 1B a l l a s ts t r u c t u r e 图2 2 压载过程简图 F i g 2 2B a l l a s tp r o c e s sd i a g r a m 2 1 2 排载过程工艺 排载过程，即将压载水从压载舱打出，经中和单元处理，排放到船外。具体 如下：打开压载泵，T R O A 检测到压载舱口处未进行中和处理压载水的T R O 浓度， 开启中和单元的计量泵，计量泵按输送一定浓度的中和剂，T R O B 继续检测排放 口处的经过处理的压载水T R O 浓度

38、是否达标，达标后，才可将压载水沿排放管路 图2 4 排载过程简图 F i g 2 4D e - b a l l a s tp r o c e s sd i a g r a m J 第2 章压载水处理系统工艺及控制原理的分析 2 2 关键工艺部件 2 2 1 羟基自由基 0 H 单元 O H 单元即制备羟基自由基的单元，包括空压机、制氧机、活性离子发生器 和低温冷却液循环泵。O H 制备单元产生氧活性粒子，用于和海水混合形成羟基 自由基溶液。先利用空压机和制氧机制备氧气，将控制在一定压强范围内的氧气 输入活性粒子发生器，同时使用低温冷却液循环泵对其进行降温处理。在吹扫模 式下，使气体管路充分干燥

39、，并去除残余的氧活性粒子；在放电模式下，利用大 气压强电场放电，将氧气( 0 2 ) 电离生成氧活性粒子，把水( H 2 0 ) 电离成引发剂， 氧活性粒子在引发剂作用下生成羟基自由基( O H ) 。在O H 单元内部嵌有气体报 警仪，可检测气体浓度超过阈值时或发生气体泄漏。 2 2 2 中和单元 设置中和单元的目的就是为了降低排放压载水中T R O 的含量，从而降低排放 压载水的毒性，减少对受纳水体的危害。由于中和羟基自由基杀菌过程中产生了 的大量氧化物，通过T R O 分析仪检测提供在线数据，并转换成信号，控制中和系 统计量泵中和剂的投入量，以防止残余氧化物过多，而对排放当地造成不必要的

40、 二次污染。 中和单元包括储量桶、电磁阀、计量泵、液位报警器等，根据实验得到T R O 的最大浓度设计储量桶的容量，若储量桶中的液位低于设定下限时，则出现报警， 应及时加入中和剂溶液。 2 2 3 报警单元 ( 1 ) 气体环境监测仪报警。若通过检测仪检测到环境氧气或臭氧浓度超标， 若气体管路有泄漏，需停机后排风，检查气路接口等的密封性并修复，若臭氧超 标严重，则切断总电源。 ( 2 ) 过滤控制单元报警。过滤器因长期使用，会导致内部过脏或堵塞，检测 其前后管路水压，来判断是否需要反冲洗，可选择自动反冲洗或手动反冲洗。 ( 3 ) 中和单元报警。中和单元药剂不足时，需添加药剂。 基于O H 船

41、舶压载水处理控制系统的设计 2 3 系统被控量的确定 2 3 1 压载被控量的确定 压载过程的控制要求不但要检测各个元件和仪器开启或关闭是否符合工艺流 程，还要始终控制羟基自由基浓度维持在所需的杀菌浓度。 海水流量一定的条件下，羟基自由基溶液的浓度和活性粒子产量有关，根据 活性离子发生器的工作原理，利用发生器的功率和活性粒子产量的关系，可不断 调节活性粒子发生器的功率来控制羟基自由基溶液的浓度，但由于羟基自由基无 法实现在线监测，故选取其和海水中离子发生反应而产生的氧化物T R O 作为压载 被控量，通过检测T R O 浓度间接获得羟基自由基的浓度，也就是说，系统是根据 T R O 的值来调节

42、发生器功率来达到灭菌目的的，如图2 5 所示。 发生器 放电功率 T R O 浓度 进气量一定时，发 生器发电功率决定 生成气体的产量 压载水的总流量一 定时，注入比的多 少决定T R O 值 氧活性粒子 气体产量 注入比 图2 5 压载过程杀菌控制原理 F i g 2 5T h eb a l l a s tc o n t r o lp r i n c i p l eo ft h ep r o c e s so fs t e r i l i z a t i o n 在分析变量间存在关系，均利用M a t l a b 软件中的p o l y t o o l 工具，采用最d x - 乘法进行曲线拟

43、合。 ( 1 ) 活性粒子发生器功率和氧活性气体产生量的关系 量一 产一 体一量气一流注入比j子一总粒一水性一海 活一 氧一 第2 章压载水处理系统工艺及控制原理的分析 羟基自由基的产生是由强电场电离氧气，生成适量的氧活性粒子气体，再 其和水快速混合形成一定浓度的羟基自由基溶液，所以当进气量一定时，活性 子发生器的放电功率和活性气体的产生量应呈线性关系。通过调节发生器的电 率，形成不同浓度的活性粒子气体注入到固定流量的海水中，可获得不同浓度 基自由基溶液。 为了分析发生器功率和活性气体产生量的关系，调试发生器后，设定高浓 氧气进气量为5 L r a i n ，即O 3 m 3 l l ，选取运

44、行数据，得到活性气体产生量随发生 功率变化的大致趋势。 发生器功率和气体产量的关系 C a 删 也 蛙 旷 发生器功率O N ) 图2 6 发生器功率和活性气体产生量关系图 F i g 2 6T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng e n e r a t o rp o w e ra n da c t i v eg a sq u a n t i t y 图2 6 中，星点表示实验数据，拟合曲线符合设备说明书给出的气体产量一发 生器功率坐标图。其中，横坐标代表发生器功率，W ；纵坐标代表氧活性粒子气 体产量，g h 。 基丁：O H 船舶压载水处理控制

45、系统的设计 由于现阶段对其浓度还无法通过某种仪器进行在线检测，且在压载水被处理 的过程，大量的O H 已用于杀灭微生物和净化水质，剩余的O H 也将转化为水和二 氧化碳，这为O H 的检测带来了困难。 具有强氧化性的O H 不仅可以杀灭压载水中的微生物，还会和海水中的氯离 子和溴离子等发生化学反应，衍生出复杂的次级产物种类，包含C 1 2 、C 1 0 、C 1 0 2 、 B r 2 、B r O 、N H 2 C 1 、N H 2 B r 等物质。监测项目称之为总残余氧化剂( T o t a lR e s i d u a l O x i d a n t ，T R O ) 18 1 。故一定水质条件下，O H 浓度和被处理水中T R O 值是相关的。 可经实验获得这个杀菌完全时的T R O 值范围，并把它作为设定值，作为O H 浓度的参考，通过检测T R O 值是否达到设定值，可间接实现检测羟基自由基溶液 是否符合所需杀菌浓度的目的。 实验中设定氧活性粒子气体的产量与压载水的流量比即为处理时的注入比 【1 9 】。即： ，：堕 Q s ，表示注入比； Q D ，表示氧活性粒子气体产量，加； Q s ，