甕子文,王佳楠,李 明,劉俊陽(yáng)

(1. 中石化(大連)石油化工研究院有限公司,遼寧 大連 116045; 2. 大連市智能油氣儲(chǔ)運(yùn)及安全工程研究中心,遼寧 大連 116045)

石油在開(kāi)采、運(yùn)輸、煉制和長(zhǎng)期儲(chǔ)存的過(guò)程中,會(huì)摻雜各種機(jī)械雜質(zhì)和礦物雜質(zhì),如金屬屑末、纖維物質(zhì)、泥土、砂礫和重金屬鹽等成分【1-2】。在使用過(guò)程中油品會(huì)與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)、在高溫的情況下油品會(huì)發(fā)生熱分解反應(yīng)從而改變了自身的理化性能,老化生成酸類、膠質(zhì)、焦炭和瀝青質(zhì)等組分,使得油品顏色變暗、粘度增加、酸性值增大。此外,油品本身還含有分子量大、熔點(diǎn)高的蠟、膠質(zhì)和瀝青質(zhì),與油品中的機(jī)械雜質(zhì)和礦物雜質(zhì)一起沉降聚集在油罐的底部,形成一種粘稠的膠狀物質(zhì)層,如油泥。油泥中含有大量的烴類組分,是寶貴的二次資源,若隨油泥流失,不僅污染環(huán)境,也會(huì)造成極大的浪費(fèi)。儲(chǔ)罐中油泥的存在,也有許多危害。油泥中的水和鹽類物質(zhì)的積聚會(huì)加速儲(chǔ)罐底板及罐內(nèi)其他設(shè)備的腐蝕,對(duì)儲(chǔ)罐的使用壽命、儲(chǔ)罐內(nèi)油品質(zhì)量和儲(chǔ)罐的有效容積等造成一定的影響,同時(shí)罐底油泥雜質(zhì)和水分的增多,易產(chǎn)生靜電積累,增加靜電事故的可能性【3-6】。為確保安全運(yùn)行、降低安全隱患,新建儲(chǔ)罐、儲(chǔ)罐換裝不同種類油品以及儲(chǔ)罐長(zhǎng)期在役運(yùn)行期間一般每5～6年都需要進(jìn)行清洗和維修。隨著儲(chǔ)罐在役時(shí)間的增長(zhǎng),其清洗問(wèn)題日益突出。儲(chǔ)罐清理技術(shù)從最初的人工清洗到現(xiàn)在的機(jī)械清洗、機(jī)器人清洗,有了很大的改進(jìn),正向著密閉化、綜合化、系統(tǒng)化、智能化的方向發(fā)展,同時(shí)油泥處理技術(shù)也向著便捷化、減量化、無(wú)害化和資源化【1】方向發(fā)展。以下對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要敘述。

1 含油污泥處理技術(shù)現(xiàn)狀

油泥是各種機(jī)械雜質(zhì)和礦物雜質(zhì)與油品中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等重質(zhì)組分沉淀形成的混合物。它雖然難于清理,但同時(shí)也含有豐富的烴類資源。油泥處理技術(shù)是通過(guò)改變油泥的理化特性以達(dá)到油固分離目的的技術(shù)?，F(xiàn)有的油泥處理技術(shù)有生物處理、焚燒處理、熱解處理、熱水洗滌處理、電化學(xué)處理、調(diào)制-離心法處理和調(diào)制分離+焚燒工藝處理。每種處理方法都有其適用的應(yīng)用場(chǎng)景和優(yōu)缺點(diǎn)【7】,其中焚燒處理技術(shù)能徹底消除有害有機(jī)物,適用于含油量10%以下的污油泥。相對(duì)于焚燒處理技術(shù)而言,生物處理技術(shù)能耗低、處理成本低,無(wú)需化學(xué)藥劑,但是處理周期長(zhǎng),不能回收油品,同時(shí)還會(huì)造成資源的浪費(fèi);熱解處理可以實(shí)現(xiàn)快速無(wú)機(jī)化處理,需要供熱裝置能耗大、成本高,且容易造成環(huán)境污染,適用于水和油含量都不高的油泥處理;熱水洗滌處理適用范圍廣,適用性強(qiáng),可回收90%左右的油品;電化學(xué)處理能耗高、處理周期長(zhǎng)、原油全部損失,但投資費(fèi)用低;調(diào)質(zhì)-離心法處理技術(shù)適用性強(qiáng),原油回收率在95%左右;調(diào)質(zhì)分離+焚燒工藝處理后的原油含量在0.3%以下,符合農(nóng)用土壤的排放要求。

有大量的學(xué)者嘗試采用各種方法對(duì)油泥進(jìn)行處理。雍興躍等【8】提出利用微波技術(shù)對(duì)油泥作熱處理,從而實(shí)現(xiàn)油類物質(zhì)提取、回收和無(wú)害化處理;楊繼生等【9】通過(guò)試驗(yàn)對(duì)超聲波技術(shù)處理油泥砂進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)在超聲波空化和表面活性劑洗滌的共同作用下,可大大提高油泥的脫油率;劉巖【10】開(kāi)展了超聲-離心實(shí)驗(yàn),研究分析了此工藝的最佳處理?xiàng)l件以及油泥中油品和水層性質(zhì)、金屬元素遷移、微觀形貌和固體顆粒結(jié)構(gòu)等方面對(duì)處理效果的影響,為含油污泥的減量化、資源化處理提供了新思路;石江南【11】提出了一種移動(dòng)式油泥水磁分離裝置,其采用磁分離技術(shù),即利用元素或組分磁敏感性的差異,借助外磁場(chǎng)將物質(zhì)進(jìn)行磁場(chǎng)處理,從而達(dá)到強(qiáng)化分離過(guò)程的目的。油泥的回收及資源化是減少環(huán)境污染、提高效益的重要途經(jīng)。

2 儲(chǔ)罐含油污泥清理技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 儲(chǔ)罐清洗技術(shù)現(xiàn)狀

儲(chǔ)罐清洗技術(shù)按清洗方式可以分為人工清洗、機(jī)械清洗和智能化機(jī)器人清洗技術(shù)。我國(guó)儲(chǔ)罐清理技術(shù)發(fā)展起步較晚,相關(guān)技術(shù)和手段相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家有很大的差距。目前國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)正在逐步實(shí)現(xiàn)機(jī)械清罐代替人工清罐作業(yè),機(jī)器人清洗技術(shù)仍處于樣機(jī)試制階段,尚未得到工業(yè)化應(yīng)用。

2.1.1 人工清洗技術(shù)

人工清罐工藝包括蒸罐、多次抽吸表層油、自然或強(qiáng)制通風(fēng)、氧氣及可燃性氣體檢測(cè)、人工進(jìn)入罐內(nèi)將油泥推出等多個(gè)步驟。人工清罐工藝復(fù)雜、安全性低、污染環(huán)境、易受到天氣等因素的干擾、清洗效率低且清洗效果差。目前,國(guó)內(nèi)正處在由人工清洗向機(jī)械清洗過(guò)渡的階段。

2.1.2 機(jī)械清洗技術(shù)

機(jī)械清罐【12】是保持罐內(nèi)惰性環(huán)境的同時(shí)利用熱的原油或者同類熱油在一定溫度、高壓和射流速度下將罐底油泥打碎、溶解、稀釋和回收,再經(jīng)過(guò)熱水清洗,油、水、泥分離,達(dá)到油泥處理和資源回收目的的工藝。清洗過(guò)程中需要不斷通入惰性氣體,同時(shí)還需監(jiān)測(cè)空氣中氧氣與可燃?xì)怏w的濃度,防止靜電危害,避免事故發(fā)生。從經(jīng)濟(jì)和適用性角度考慮,機(jī)械清洗適用于大型儲(chǔ)罐的油泥清洗,并不適合小型儲(chǔ)罐。

機(jī)械清洗的主要設(shè)備【3】由移送裝置、清洗裝置、回收裝置、惰氣發(fā)生裝置、油水分離裝置以及氣體濃度檢測(cè)裝置等附屬裝置組成。移送裝置主要由過(guò)濾器、回收泵、供油罐等組成,用于抽吸儲(chǔ)罐中具有一定流動(dòng)性的殘留油品。清洗裝置主要由清洗泵、熱交換器和清洗機(jī)組成,用于將清洗油和水經(jīng)加溫、加壓后輸送給清洗機(jī),然后再通過(guò)清洗機(jī)的噴嘴對(duì)儲(chǔ)罐中粘稠的原油進(jìn)行噴射、攪拌稀釋。回收裝置包括分離器和回收油罐,用于對(duì)清洗后的產(chǎn)物進(jìn)行氣油、水、固分離和儲(chǔ)存。此外,儲(chǔ)罐底部處理系統(tǒng)還包括氮?dú)獍l(fā)生裝置和可燃性氣體濃度檢測(cè)裝置,保證儲(chǔ)罐底部清理工作能夠安全有效地進(jìn)行。

機(jī)械清洗按安裝位置【5】及清洗操作流程可以分為頂部高壓沖洗、機(jī)械臂清洗和底部沉浸式?jīng)_刷清洗,詳細(xì)介紹如下:

1) 頂部高壓射流清洗

清洗裝置安裝在儲(chǔ)罐浮船的支柱上,安裝數(shù)量根據(jù)儲(chǔ)罐的容積決定,清洗時(shí)從上方形成高壓噴射水流對(duì)罐進(jìn)行沖刷清洗。該方法可以實(shí)現(xiàn)密閉、高效和快速的清洗,但會(huì)遺留一些難于清洗的油泥。

2) 機(jī)械臂清洗

機(jī)械臂清洗裝置是安裝在儲(chǔ)罐內(nèi)部一種由曲柄滑塊等結(jié)構(gòu)組成的多級(jí)伸縮機(jī)械臂,機(jī)械臂末端裝有馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的360°轉(zhuǎn)動(dòng)的清洗噴頭,可利用高壓水射流形成沖洗面,對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行高壓沖洗。機(jī)械臂清洗技術(shù)適用于小型儲(chǔ)罐的精確清洗,不適用于大型儲(chǔ)罐的清洗,由于罐內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜【13】,會(huì)存在一定的清洗盲區(qū)。

3) 沉浸式噴射清罐器

該裝置一般安裝在儲(chǔ)罐底部或者進(jìn)油口,利用進(jìn)油或打循環(huán)時(shí)流體自身能量使油品從噴嘴噴出,橫向沖刷罐底,使罐底淤渣重新懸浮起來(lái),向罐外輸油時(shí),淤渣與油品一起輸出,達(dá)到清洗油罐的目的。該方法存在一定的弊端,如其沖刷力小,對(duì)徑向距離大的大型儲(chǔ)罐清洗效果不理想,同時(shí)懸浮的淤渣滯留在油品中,會(huì)造成二次污染。該清罐裝置不適用于成品油儲(chǔ)罐。

4) 防沉降設(shè)備

為了防止油泥在儲(chǔ)罐底部的積聚,需要安裝防止沉降【14-15】的設(shè)備。伸入式攪拌器和旋轉(zhuǎn)噴射攪拌器是目前常用的防沉降設(shè)備。側(cè)向伸入式攪拌器在罐壁底部位置,采用螺旋槳使周圍的液體調(diào)和均勻,防止油泥沉積。該裝置需要配備電機(jī),有一定的安全隱患,攪拌效果不理想,且裝置成本高。旋轉(zhuǎn)噴射攪拌器安裝在罐底中央,利用循環(huán)泵加壓輸出液體流經(jīng)攪拌器形成射流束,對(duì)周圍流體進(jìn)行卷吸和擾動(dòng),達(dá)到防止油泥沉降的作用。李曉紅等【16】設(shè)計(jì)將高壓清洗噴嘴安裝在人孔處,利用高壓形成的切削力來(lái)沖擊清理表面油泥,并對(duì)沖洗產(chǎn)生的污水進(jìn)行油水分離,回收后再循環(huán)利用。

機(jī)械清洗技術(shù)單純依靠高壓對(duì)待清洗表面形成的沖刷力來(lái)完成對(duì)儲(chǔ)罐的清洗任務(wù),往往達(dá)不到預(yù)期的清洗效果,通常需要借助輔助流化技術(shù)來(lái)增強(qiáng)清洗效果。輔助流化技術(shù)通過(guò)改變油泥的理化性質(zhì),降低其粘稠度,使其具有較好的流動(dòng)性以提高清洗效果。常用的輔助流化技術(shù)有熱水/熱油沖洗、熱蒸汽蒸罐以及適配化學(xué)藥劑等。

2.1.3 機(jī)器人清洗技術(shù)

目前,大部分機(jī)械清洗系統(tǒng)存在自動(dòng)化程度低、設(shè)備組成和工藝流程復(fù)雜等不足,同時(shí),有些罐底含油污泥難于清理,單純通過(guò)機(jī)械打散、清掃的方式不易清除干凈,如在浮頂罐浮盤支柱等位置存在大量的難于清理的污泥,如何有效清除油泥并在罐外對(duì)清掃效果進(jìn)行快速評(píng)價(jià)也是亟待解決的問(wèn)題。智能清罐機(jī)器人【17-24】以其便捷、高效、智能、安全、環(huán)保、良好的清洗效果和高資源回收率等特點(diǎn)廣泛地受到人們關(guān)注。

機(jī)器人本體機(jī)械結(jié)構(gòu)、人工智能、傳感控制、通信、環(huán)境識(shí)別及現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法等諸多學(xué)科以及構(gòu)成各類服務(wù)功能的各項(xiàng)專有技術(shù)、關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展和突破對(duì)清罐機(jī)器人的發(fā)展都有著重大的影響。

1) 本體運(yùn)動(dòng)形式

清罐機(jī)器人可以分為軌道式機(jī)器人、輪式機(jī)器人、履帶式機(jī)器人和足腳式機(jī)器人等4類。每種機(jī)器人都有各自的優(yōu)、缺點(diǎn)。軌道式機(jī)器人性能穩(wěn)定,但運(yùn)動(dòng)軌跡單一,行動(dòng)范圍受限,自主性低;輪式機(jī)器人移動(dòng)速度快,靈活,但越障及吸附能力差;履帶式機(jī)器人吸附和越障能力強(qiáng),但是行動(dòng)不靈活;足腳式機(jī)器人適應(yīng)性強(qiáng),但行動(dòng)緩慢。

2) 動(dòng)力源

目前市場(chǎng)上的清罐機(jī)器人在動(dòng)力方面多采用氣動(dòng)、液動(dòng)和防爆式電力驅(qū)動(dòng)。氣動(dòng)和液動(dòng)能夠很好地滿足防爆需求和動(dòng)力輸出,機(jī)器人后方往往需要拖拽大量的線纜,致使機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)復(fù)雜且笨重,拖拽大量的線纜,不僅影響機(jī)器人的動(dòng)力輸出,而且還會(huì)由于罐內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致線纜纏繞等影響機(jī)器人的行動(dòng);防爆式電力驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)集成化、便捷化的控制,但防爆技術(shù)是降低安全隱患的技術(shù)關(guān)鍵,也是目前一項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)。

3) 傳感器

傳感器控制技術(shù)用于采集罐內(nèi)信息,并將采集到的信息傳輸給控制中心?？刂浦行膶?duì)信息進(jìn)行處理分析,與罐內(nèi)清洗機(jī)器人進(jìn)行人機(jī)交互或者控制機(jī)器人自主操作。目前常用的傳感器有相機(jī)、IMU慣性測(cè)量、陀螺儀、里程計(jì)和激光雷達(dá)等,但是常規(guī)的傳感技術(shù)(如激光、雷達(dá)等)在儲(chǔ)罐內(nèi)部封閉空間內(nèi)受到限制,使得常規(guī)的技術(shù)手段很難在儲(chǔ)罐內(nèi)部應(yīng)用。

4) 機(jī)器人定位、導(dǎo)航及路徑規(guī)劃

機(jī)器人定位與導(dǎo)航是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互或自主操作的關(guān)鍵。清罐機(jī)器人與常規(guī)的機(jī)器人相比,導(dǎo)航及定位功能的開(kāi)發(fā)難度在于機(jī)器人處于儲(chǔ)罐內(nèi)部油氣空間中,需要有很好的防爆性能,此外,儲(chǔ)罐內(nèi)部空間環(huán)境復(fù)雜,對(duì)機(jī)器人的感知及導(dǎo)航系統(tǒng)有更高的要求。近年來(lái),人工智能、機(jī)器人視覺(jué)等技術(shù)不斷發(fā)展,人們可以通過(guò)多種技術(shù)獲取罐內(nèi)的結(jié)構(gòu)及自身的位姿信息。而不同的定位系統(tǒng)有著各自的局限性,IMU加速度計(jì)、陀螺儀等可以得到機(jī)器人的位姿和地址坐標(biāo),但是存在累計(jì)誤差,長(zhǎng)期的累計(jì)誤差會(huì)導(dǎo)致定位效果很差;基于相機(jī)等傳感器的視覺(jué)定位系統(tǒng),對(duì)于相機(jī)和處理平臺(tái)的要求都很高,會(huì)導(dǎo)致成本投入增加;雷達(dá)系統(tǒng)刷新頻率低,定位距離較短,現(xiàn)有的定位方法中UWB定位技術(shù)【25-27】具有很好的應(yīng)用前景,但單一的定位手段往往不能適用于多種環(huán)境,需將不同的定位方法結(jié)合起來(lái),剔除干擾信息,從而提高定位精度,才能有效解決以上問(wèn)題。有眾多學(xué)者對(duì)不同的方法進(jìn)行了相關(guān)研究。上海交通大學(xué)的繆松華【28】將基于麥克風(fēng)列陣的聲源定位技術(shù)應(yīng)用到儲(chǔ)罐機(jī)器人定位中,并對(duì)相關(guān)聲源定位算法進(jìn)行了改進(jìn);有的學(xué)者通過(guò)圖像來(lái)提取有效的數(shù)據(jù)信息,如高慶珊【29】從視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)的組成、基于幾何的全局圖像目標(biāo)提取方法、路徑規(guī)劃和視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)平臺(tái)的搭建等方面對(duì)清罐機(jī)器人進(jìn)行了相關(guān)研究。視覺(jué)傳感器精度相對(duì)來(lái)說(shuō)不夠高,隨著卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等深度學(xué)習(xí)的圖像處理方法的應(yīng)用,圖像識(shí)別精度不斷的提高,基于機(jī)器人視覺(jué)的定位和導(dǎo)航技術(shù)也不斷發(fā)展。澳大利亞和德國(guó)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的ARGONAUS機(jī)器人采用旋轉(zhuǎn)雙激光雷達(dá)系統(tǒng)完成厘米級(jí)定位導(dǎo)航【30】,并已經(jīng)投入到實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中。

路徑規(guī)劃的目的是為了尋找機(jī)器人在遇到障礙主動(dòng)避讓的同時(shí)對(duì)空間進(jìn)行遍歷的最優(yōu)路徑。目前路徑規(guī)劃方法有DWA和Trajectory Rollout局部路徑規(guī)劃算法、A*算法、PRM算法、RRT算法及其變種等。

Kalra L P等【31】研發(fā)了一種可以自主移動(dòng)、導(dǎo)航和路徑規(guī)劃的無(wú)線通信機(jī)器人。仇恒坦等【32】通過(guò)分析人工勢(shì)場(chǎng)法的特點(diǎn),通過(guò)增加距離因子和采用將斥力旋轉(zhuǎn)一定角度的方法改變了傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法存在的目標(biāo)不可達(dá)和局部極小值點(diǎn)問(wèn)題。此外,仇恒坦【33】從多傳感信息融合角度深入研究了機(jī)器人地圖構(gòu)建、定位與自主導(dǎo)航等相關(guān)理論與算法,并結(jié)合ROS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了這些功能。陳超等【34】提出了一種室內(nèi)導(dǎo)航算法,利用射頻識(shí)別系統(tǒng),聯(lián)合運(yùn)用超高射頻和低頻射頻實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位,并設(shè)置實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的可行性。顯然,隨著人工智能等技術(shù)的發(fā)展使得以其為依托實(shí)現(xiàn)罐內(nèi)清洗機(jī)器人的智能化具有了一定的可行性。

3 結(jié)論與展望

儲(chǔ)罐清理技術(shù)正處在高速發(fā)展?fàn)顟B(tài),人工清洗和機(jī)械清洗將逐漸被智能機(jī)器人清理技術(shù)取代,向智能化時(shí)代發(fā)展。但與此同時(shí),智能清罐機(jī)器人的發(fā)展也面臨著諸多問(wèn)題。具體總結(jié)與展望如下:

1) 機(jī)器人本體處在油氣密閉空間中,面臨著操作可靠性問(wèn)題及安全防爆技術(shù)的突破。

2) 在動(dòng)力供應(yīng)方面,目前市場(chǎng)上的機(jī)器人普遍為氣驅(qū)或液壓驅(qū)動(dòng),后方需要拖拽大量的線纜以提供信號(hào)傳輸和動(dòng)力源,既影響機(jī)器人動(dòng)力輸出,又影響機(jī)器人在有限復(fù)雜空間的移動(dòng)。為解決以上問(wèn)題,需要研發(fā)無(wú)線纜機(jī)器人,這就需要解決機(jī)器人在金屬密閉空間和油氣環(huán)境中數(shù)據(jù)通信和機(jī)器人供能問(wèn)題。隨著無(wú)線電能傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展,無(wú)線供電技術(shù)將成為機(jī)器人電能供應(yīng)的研究熱點(diǎn)和應(yīng)用趨勢(shì)。

3) 要實(shí)現(xiàn)清罐智能化,需要在軟件開(kāi)發(fā)方面解決定位、導(dǎo)航和路徑規(guī)劃等智能算法與石化儲(chǔ)罐內(nèi)部特殊環(huán)境相結(jié)合的問(wèn)題。目前,每種定位和導(dǎo)航技術(shù)都或多或少地存在一定的弊端和局限性,多種技術(shù)手段、多種傳感器相結(jié)合的綜合定位導(dǎo)航技術(shù)將成為必然。隨著深度學(xué)習(xí)等圖像處理方法的不斷發(fā)展,圖像處理技術(shù)不斷完善,基于機(jī)器人視覺(jué)的定位導(dǎo)航技術(shù)將在儲(chǔ)罐智能清洗作業(yè)中發(fā)揮重要作用。