基于真空蒸馏技术的内河船舶黑水处理装置监控系统设计

　　为保护内河水质,研发了基于真空蒸馏技术(VDT技术)的内河船舶黑水处理装置,并对其监控系统进行了详细设计。监控系统主要包括硬件模块、PLC软件模块、上位机软件模块,并重点阐述了基于模糊自适应PID控制的真空度监控模块的设计任务。实验结果表明,在监控系统的作用下,该装置可完成内河黑水净化处理的任务,具有广阔的推广前景。

　　水上运输具有投资少、运量大、运费低等显著优点，所以随着我国经济迅速发展，内河船舶的数量迅猛增加。而内河船舶的生活污水（主要是黑水，如厕所污水等）绝大部分是没有经过处理就直接下河，这给内河淡水资源带来巨大的污染[1,2]。鉴于我国内河水域遭受船舶黑水污染的严峻形势，本文运用真空蒸馏技术，即VDT 技术（Vacuum Distillation Technology，简称VDT）研发了一种新型节能环保的船舶生活污水处理装置，并对其监控系统进行了设计[3,4]。VDT 技术是一种已取得专利的环保节能型污水处理技术，其原理是利用抽真空装置制造并保持污水收集装置的高真空度，再利用船舶废热（柴油机缸套冷却水）出口余热对黑水进行加热，使黑水在较低的温度条件下达到饱和，进行蒸馏净化处理，而后将处理后的干燥物在船焚烧（如有焚烧炉）或送岸处理（可作肥料使用），最终达到内河船舶生活黑水无污染排放的目的。处理过程中考虑了利用气缸套冷却水的废热，提高能源的利用率，达到节能效果；另外，黑水的净化处理又减少了对内河水质的污染，达到环保的效果。内河船舶黑水处理装置的开发将对我国内河水质的改善起到重要作用，本文将对其监控系统进行详细设计。

内河船舶黑水处理装置基本架构

　　内河船舶黑水处理装置主要由真空发生系统、黑水处理系统、加热系统以及控制回路等组成，如图1。

　　真空发生系统采用高吸空能力，额定电压为380 V、额定功率为7.5 kW 的水喷射装置，该喷射装置可产生并维持0.098 MPa 的真空压力。黑水处理系统由进料口、外箱、内箱、密封保温材料、观察镜以及进出口管路等部分组成，其中内箱用于储存，到一定程度时可进行送岸处理或在船焚烧；同时，为保证真空，需要考虑密封性问题，首先进料口的阀门采用球截止阀，确保其单向进料，抽真空装置与处理箱体之间的阀件也需要用截止阀，其次，设计中采用8 mm 厚的双层密封门，门内层用3 mm 钢板折边焊接，门外层用8 mm 钢板与内层焊接。门内边用高性能嵌入式密封条，门外边另加2 个锁紧锁具，门铰链及锁具的安装均在外门上。钢板取料均采用剪板和折边技术，以减少气割和焊缝而提高装置的密封性能。另外，为了提高低温热量的利用率，减少散热损失，整个装置加热系统外侧均做有20 mm 厚的保温层。对应内河船舶柴油机冷却水温度，该装置处理真空度需要保持在0.09 MPa 以上。加热系统在实船上采用柴油机缸套水的废热进行加热即可，在本实验装置中，我们采用电阻丝加热的方法来模拟缸套水的流场参数（主要考虑温度、流量这两个因素）。通过改变电阻丝的个数及电流大小来改变加热强度以模拟主机的不同负荷，通过改变阀门开度来改变热水流量以匹配不同的加热要求。

　　控制系统主要功能有：真空度的监测与控制调节；热工参数的监测与控制；泵浦设备及阀件的控制；安全保护及报警系统的设计。

实验数据分析

　　从以上的两次实验数据及实验过程可以看出：

　　（1）该装置处理能力和处理效果均可以达到设计要求。当真空度为0.098 MPa 时，其饱和水温度只需要17.511℃； 当真空度为0.08 MPa时，其饱和水温度也只有60.09℃。换言之，在真空度达到0.09 MPa 及以上时，只要缸套水温达到46℃左右即可对生活污水进行净化处理，而一般缸套水的温度均在60℃以上，这说明利用汽缸废热净化生活污水的技术在内河船舶上是切实可行的，且处理速度、处理能力、处理效果等均满足现阶段水质保护的要求。

　　（2）本文设计的监控制系统可以很好的发挥监测、控制及保护作用，保证了系统的安全稳定运行。从实验数据上来讲，本装置可以产生并保持0.098 MPa 的高真空环境；在运行过程中，能够根据外界环境及热负荷的要求在模糊自适应PID 控制作用下进行阀门开度的调节；监控了系统中所有重要的热工参数，对泵浦设备、阀件也实现了完善的控制、保护；软件系统结构完善、运行稳健，同时人机界面友好、交互性能好，上手操作快。

结束语

　　内河船舶黑水处理装置具有初投资少，运行成本低、体积小、处理量大、污水零排放等优点，其控制系统的设计也体现了“节能环保、数字化、智能化”等特征，便于今后该设备在内河船舶上的强制性安装以及海事部门的统一管理，结合现阶段内河水质污染的严峻形势，不难看出内河船舶黑水处理装置的应用前景将非常广阔。