СПОСОБ ФИЛЬТРАЦИИ МОРСКОЙ ВОДЫ НА БОРТУ СУДНА
METHOD OF SEA WATER FILTRATION

Изобретение относится к способу фильтрации морской воды, в частности, на борту судна.
Когда морская вода из водоема забирается на судно в качестве балластной воды, она содержит множество загрязняющих веществ и живых организмов, таких как бактерии, водоросли, растения и т.д. Согласно действующим экологическим нормам забираемая на борт балластная вода должна быть очищена, например, фильтрована, затем, при необходимости, она может быть подвергнута УФ-облучению и/или ультразвуковой обработке перед перемещением в виде очищенной балластной воды в предназначенные для этого резервуары для балластной воды.
Такое устройство фильтрации известно, например, из DE102009054387A1 и WO 2011 064 260 A1. Недостаток данного устройства заключается в том, что относительно большое количество воды смывается вместе с концентратом и не попадает в резервуар для балластной воды.
На этом фоне задачей изобретения является создание эффективного способа фильтрации морской воды, которая затем может быть подвергнута последующей обработке, такой как УФ-облучение, и использована в качестве балластной воды.
Данная задача решена благодаря способу согласно п. 1 формулы изобретения. Изобретение позволяет осуществлять адаптивную регулировку фильтрации, благодаря которой очистка фильтра всегда адаптирована к требованиям, действующим в текущий момент. В результате значительно улучшается надежность фильтрации, и в то же время максимально увеличен поток фильтрата в резервуары для балластной воды.
Контроль состояния загрязнения фильтра путем определения разности давления (давление на входе фильтра минус давление на выходе фильтра) сам по себе уже известен, например, из DE10 2006 045 558 A1 и WO 2007 130 029 A1. Однако в этом случае превышение предельного значения разности давления используется для промывки фильтра путем изменения направления потока среды, подлежащей фильтрации. Недостаток такой процедуры заключается в том, что процесс фильтрации или способ фильтрации приходится прерывать на время выполнения данной промывки обратным потоком, например, с помощью соответствующих клапанов и линий. Напротив, в настоящем изобретении заявлено более предпочтительное решение.
Таким образом, в соответствии с изобретением заявлен способ фильтрации морской воды на борту судна с помощью устройства фильтрации, содержащего цилиндрический фильтрующий элемент, расположенный в резервуаре, и устройство очистки для отделения загрязняющих веществ от фильтрующего элемента и для отвода фазы концентрата загрязняющих веществ, состоящей из воды и загрязняющих веществ, из фильтрующего элемента и из устройства фильтрации; включающий этапы, на которых:
a) закачивают морскую воду в устройство фильтрации;
b) направляют морскую воду с входным давлением P_вх в устройство фильтрации, при этом она течет в устройстве фильтрации через фильтрующий элемент и ниже по потоку от фильтрующего элемента, имеет выходное давление P_вых в виде фильтрованной морской воды или фильтрата;
c) фаза концентрата или концентрат, удаленный с фильтрующего элемента устройства фильтрации с помощью устройства очистки и отведенный от фильтрующего элемента, имеет давление концентрата P_конц;
d) измеряют входное давление P_вх, выходное давление P_вых и давление концентрата P_конц предпочтительно с помощью датчиков и передают в устройство управления;
F
вх
вых
вх
вых
K
вых
конц
F
K
вых
конц
F
K
F
F
F
e) распознают изменение эффективности фильтрации фильтрующего элемента путем определения изменения разности давлений загрязнения ΔP = P_ - P_ между входным давлением P_ и выходным давлением P_; и регулируют разность давлений отсасывания ΔP = P_ - P_, определенную как разность между выходным давлением и давлением концентрата, так, что при увеличении разности ΔP давлений загрязнения повышают разность давлений отсасывания ΔP = P_ - P_, а при уменьшении разности ΔP давлений загрязнения уменьшают разность ΔP давлений отсасывания, причем при ΔP, меньше или равной 0,8 бар, когда фильтрующий элемент чист, открывают выпуск отфильтрованной воды и уменьшают отвод концентрата, при ΔP, равной более 0,8 бар и до величины, равной 1,1 бар, когда фильтрующий элемент загрязнен, открывают выпуск отфильтрованной воды и увеличивают отвод концентрата, а при ΔP, больше 1,1 бар, когда фильтрующий элемент сильно загрязнен, перекрывают выпуск отфильтрованной воды и открывают отвод концентрата.
K
Согласно одному из вариантов осуществления разность ΔP давлений отсасывания регулируют путем изменения по меньшей мере мощности насоса, в частности скорости вращения насоса, по меньшей мере одного  отсасывающего насоса в участке линии отвода концентрата.
F
F
Согласно еще одному из вариантов осуществления объемный расход [м³/ч] морской воды через устройство фильтрации уменьшают с помощью регулирующего клапана или регулируемого насоса, если разность ΔP давлений загрязнения превышает верхнее предельное значение, в частности 1,1 бар, при этом объемный расход [м³/ч] уменьшают до тех пор, пока разность ΔP давлений загрязнения не упадет ниже нижнего предельного значения, в частности 0,9 бар.
Ниже изобретение описано более подробно на примере вариантов его осуществления, приводимых со ссылками на чертежи, где:
фиг. 1 - схематический вид установки для фильтрации балластной воды;
фиг. 2 - схематический вид части второй установки для фильтрации балластной воды; и
фиг. 3 - таблица для иллюстрации примерной реализации способа согласно изобретению.
На фиг.1 установка имеет линию 1 впуска, через которую на борт судна может быть закачана морская вода из водоема, например, из моря, или реки, или канала. Впускное отверстие 3 линии 1 впуска выходит в устройство 2 фильтрации. Линия 1 впуска включает в себя насос 4, с помощью которого вода может набираться на борт, затем перемещаться в устройство 2 фильтрации и предпочтительно через него в другие части установки.
Устройство фильтрации содержит резервуар 5, в котором расположен цилиндрический фильтрующий элемент 6. Впускное отверстие 3 выходит с одной стороны резервуара 5 в резервуар 5 таким образом, что морская вода, закачиваемая насосом 4 из водоема (не показан) в резервуар 5, направляется во внутреннее пространство цилиндрического фильтрующего элемента 6. В устройстве 2 фильтрации морская вода протекает через фильтрующий элемент 6, при этом "фаза загрязняющих веществ" из загрязняющих частиц, живых организмов и части морской воды отделяется в виде концентрата. Очищенная морская вода протекает через фильтрующий элемент изнутри наружу и образует фильтрат. Опционально, после прохождения дополнительных этапов очистки этот фильтрат может использоваться на борту судна в качестве балластной воды.
Радиально снаружи фильтрующего элемента 6 расположено выпускное отверстие 7 резервуара 5 для фильтрованной балластной воды. На выпускном отверстии 7 расположена линия 8 выпуска, с помощью которой фильтрованная балластная вода может быть направлена в по меньшей мере один резервуар 9 для фильтрованной балластной воды непосредственно сразу или после дополнительных этапов очистки (например, после одного или более этапов фильтрации и/или этапов облучения или т.п.). Линия 8 выпуска включает в себя предпочтительно управляемый регулирующий клапан 10, с помощью которого поперечное сечение линии 8 впуска может быть изменено.
Предпочтительно внутри цилиндрического фильтрующего элемента 6 расположено устройство 11 очистки. Устройство 11 очистки предназначено для отделения загрязняющих веществ от фильтрующего элемента 6 и для отвода, в частности отсасывания, фазы концентрата загрязняющих веществ, состоящей из воды и загрязняющих веществ, от фильтрующего элемента 6. Для этого устройство очистки содержит средство 12 очистки фильтрующего элемента 6, привод 18 (предпочтительно двигатель) для перемещения средства 12 на фильтрующем элементе 6 и линию 13 отвода для отвода фазы концентрата загрязняющих веществ.
Согласно предпочтительному варианту осуществления с фиг. 1 устройство 11 очистки имеет в качестве средства 12 один или более отсасывающих элементов 14, в частности щеткообразных отсасывающих элементов 14 согласно предпочтительному варианту осуществления, расположенных на поворотном вале 16 с помощью рычагов 15. Предпочтительно вал 16 является выровнен относительно средней оси/оси 17 симметрии цилиндрического фильтрующего элемента 6. Рычаги 15 предпочтительно ориентированы радиально. Отсасывающие элементы 14 предпочтительно прилегают к внутренней части фильтрующего элемента 6.
Для вращения вала 16 служит привод 18. Когда вал 16 вращается, отсасывающие элементы 14 перемещаются по внутренней поверхности фильтрующего элемента 6 и очищают его от засоряющих частиц, которые они отделяют от него и отсасывают. Кроме того, может быть предусмотрено смещение отсасывающих элементов 14 и/или вала 16, в частности, в осевом направлении, в резервуаре, что позволит очищать всю внутреннюю поверхность фильтрующего элемента 6. Альтернативно отсасывающие элементы 14 могут перекрываться в осевом направлении, если они расположены с угловым смещением (если смотреть в окружном направлении вала 16). Опционально в участок 19 линии 13 отвода может быть включен отсасывающий насос 25 (фиг. 2). Альтернативно или дополнительно насос 4 может также создавать давление, под которым концентрат перемещается через линию 13 отвода. Таким образом, термин "отсасывающие элементы" 14 не должен толковаться слишком узко, поскольку он описывает принципиальную пригодность этих элементов также для использования, при необходимости, с отсасывающим насосом 25, соединенным с ними ниже по потоку.
Загрязняющие вещества отделяются на отсасывающих элементах 14 или с помощью отсасывающих элементов 14, и проходят вместе с частью морской воды в виде концентрата или фазы загрязняющих веществ из резервуара 5 через рычаги 15 или линии на рычагах и через вал 16 или линию на вале 16. При этом участок 19 линии 13 отвода, расположенный ниже по потоку от вала 16, удаляет фазу загрязняющих веществ, например, в область удаления (не показана). Желательно, чтобы в фазе загрязняющих веществ содержалось как можно меньше морской воды.
В линии 13 отвода, в частности в участке 19 отвода, могут быть расположены управляемый регулирующий клапан 20 и/или упомянутый выше отсасывающий насос 25 (фиг. 2) с регулируемой скоростью. Для управления и регулировки установки служит устройство 21 управления (и регулировки), не показанное на фиг.2, но также расположенное там. Оно может быть соединено беспроводным образом, с помощью системы шин или через линии, изображенные на чертеже штрихами, с компонентами установки, например, с регулирующими клапанами 10, 20, приводом 18, насосом 4, при необходимости с опциональным отсасывающим насосом 25 и предпочтительно с датчиками 22, 23, 24, например, с датчиками, предназначенными для измерения давлений.
В частности с помощью датчиков 22, 23, 24 измеряются следующие давления:
вх
- датчик 22: впускное давление/входное давление P_ внутри фильтрующего элемента 6,
вых
- датчик 23: выпускное давление фильтрата/выходное давление фильтрата или балластной воды P_ снаружи фильтрующего элемента 6, и
конц
- датчик 24: давление концентрата P_ (концентрат в линии 13 отвода).
вх
вых
конц
Датчики 22, 23, 24 или соответствующие датчики давления для P_, P_ и P_ могут быть установлены в резервуаре 5 фильтра внутри и снаружи фильтрующего элемента 6 или в смежных (трубах) линиях (линии подвода или линии 1, 8, 13 отвода).
С помощью показанной установки могут быть реализованы предпочтительные способы фильтрации морской воды, взятой из водоема, для получения балластной воды.
С помощью устройства управления вычисляют следующие параметры:
F
вх
вых
- разность ∆P давлений загрязнения := P_ - P_; и
K
вых
конц
- разность ∆P давлений отсасывания := P_ - P_.
В частности, таким образом реализуется способ фильтрации морской воды на борту судна для получения балластной воды с помощью устройства 2 фильтрации, содержащего фильтрующий элемент 6, в частности цилиндрический фильтрующий элемент 6, расположенный в резервуаре 5, и устройство 11 очистки для отделения загрязняющих веществ от фильтрующего элемента 6 и для отводы фазы концентрата загрязняющих веществ, состоящей из воды и загрязняющих веществ, из фильтрующего элемента и из устройства 2 фильтрации; включающий следующие этапы:
a) закачивают морскую воду в устройство 2 фильтрации;
вх
вых
b) направляют морскую воду с входным давлением P_ в устройство 2 фильтрации, при этом она течет в устройстве 2 фильтрации через фильтрующий элемент 6, и ниже по потоку от фильтрующего элемента 6, имеет выходное давление P_ в виде фильтрованной морской воды или фильтрата;
конц
c) фаза концентрата, удаленная с фильтрующего элемента 6 устройства 2 фильтрации с помощью устройства 11 очистки и отведенная от фильтрующего элемента 6, имеет давление концентрата P_;
вх
вых
конц
d) измеряют входное давление P_, выходное давление P_ и давление концентрата P_ с помощью датчиков (22, 23, 24) и передают измеренные давления в устройство (21) управления;
F
вх
вых
вх
вых
e) распознают изменение эффективности фильтрации фильтрующего элемента (6) путем определения изменения разности давлений загрязнения ΔP = P_ - P_ между входным давлением P_ и выходным давлением P_; и/или
K
вых
конц
F
вх
вых
f) регулируют разность давлений отсасывания ∆P = P_ - P_, определенную как разность между выходным давлением и давлением концентрата, в зависимости от разности давлений загрязнения ∆P = P_ - P_.
F
При этом изменение эффективности фильтрации распознают просто путем определения изменения разности ∆P давлений загрязнения.
Предпочтительно и конструктивно просто осуществлять отсасывание загрязняющих частиц или фазы загрязняющих веществ и части морской воды на внутренней стороне фильтрующего элемента 6 в резервуаре 5 посредством отсасывающих элементов 14, непрерывно или, по меньшей мере, периодически вращающихся с валом 16 во время работы.
вх
вых
K
Таким образом, отсасывающие элементы 14 приводятся в движение двигателем и вращаются на внутренней стороне фильтрующего элемента 6. При увеличении загрязненности морской воды также увеличивается нагрузка фильтрующего элемента 6 и повышается разность давлений загрязнения (P_ - P_). Морская вода, отсасываемая посредством разности ∆P давлений отсасывания, удаляется, например, направляется непосредственно обратно в море, и таким образом, не попадает в балластную воду и не поступает в резервуары для балластной воды. Этот эффект должен быть сведен к минимуму насколько это возможно.
F
По определению условие повышения эффективности фильтрации фильтрующего элемента 6 заключается в увеличении разности ΔP давлений загрязнения.
F
K
F
K
Согласно одному предпочтительному варианту изобретения при увеличении разности ∆P давлений загрязнения повышают разность ∆P давлений отсасывания и, таким образом, отсасываемое количество воды. Кроме того, такая регулировка также работает в обратном направлении: при уменьшении разности ∆P давлений загрязнения уменьшают разность ∆P давлений отсасывания и, таким образом, уменьшают количество воды, отсасываемое, теряемое или отводимое с фазой загрязняющих веществ. В этом случае уменьшаются потери воды, связанные с отсасыванием воды, и эффективность способа или установки увеличивается. Соответственно, также сокращается время, необходимое для балластировки.
K
F
Предпочтительно разность ∆P давлений отсасывания устанавливают в зависимости от разности ∆P давлений загрязнения, в частности, в диапазоне от 0 до 5 бар, предпочтительно от 1,2 до 2,2 бар, так как эти значения оказались особенно благоприятными для эффективной работы установки.
F
F
Кроме того предпочтительно, если согласно дополнительному варианту осуществления изобретения частоту отсасывания (f_motor) на м² фильтрующей поверхности увеличивают для уменьшения разности ∆P давлений загрязнения. Это означает, что изменяют или корректируют скорость двигателя привода 18 или вала 16. Соответственно, в этом варианте осуществления способа увеличение разности ∆P давлений загрязнения приводит к возрастанию скорости вращения вала 16 и наоборот. Механическая нагрузка отсасывающих элементов 14 адаптируется к фактическим потребностям. При этом предотвращается излишний износ. Дополнительно или альтернативно с помощью отсасывающего насоса 25, при его наличии, может быть увеличен отсасываемый объемный расход [м³/ч], и/или можно шире открыть регулирующий клапан 20.
Скорость вращения вала 16 и, таким образом, отсасывающих элементов 14 устанавливают в диапазоне от 0 до 100 об/мин, предпочтительно от 12 до 50 об/мин.
F
F
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения объемный расход (поток фильтрата) морской воды через фильтрующий элемент 6 устройства 2 фильтрации уменьшают, если разность ∆P давлений загрязнения превышает верхнее предельное значение (например, 1,1 бар). В этом случае описанные регулировки клапанов 10, 20 и/или отсасывающего насоса 25 и/или скорости вращения вала 16 выполняются уже с максимальными значениями. Объемный расход [м³/ч] уменьшают, пока разность ∆P давлений загрязнения не упадет ниже нижнего предельного значения (например, 0,9 бар). Следовательно, объемный расход [м³/ч] и, таким образом, нагрузка фильтра адаптируются для максимально возможной очистки фильтра, и засорение фильтрующего элемента 6 предотвращается. При этом гарантируется, что забор балластной воды может не прерываться, если вода имеет очень высокую загрязненность.
Максимальный или возможный объемный расход [м³/ч] можно опционально увеличить, в частности ступенчато, путем параллельного соединения дополнительных устройств 1 фильтрации или фильтрующих вставок 6 в резервуаре 5.
K
конц
Разность ∆P давлений отсасывания предпочтительно увеличивают посредством изменения поперечного сечения в линии 13 отвода путем открытия регулирующего клапана 20. Если этого недостаточно, опционально дополнительно уменьшают давление P_, в частности в участке 19 линии отвода концентрата, предпочтительно с помощью отсасывающего насоса 25 с регулируемой скоростью (см. фиг. 2).
вх
вых
конц
На фиг.2 и 3 привод 18 обозначен как M1, насос 4 как Р1, отсасывающий насос 25 как Р2, регулирующий клапан 10 как V1 и регулирующий клапан 20 как V2. Датчики 22, 23 и 24 показаны в упрощенном виде лишь как измеренные значения P_, P_ и P_. В отличие от варианта осуществления с фиг.1, вариант осуществления установки с фиг. 2 содержит насос 25 или P2 для концентрата (всасывающий насос).
В качестве примера этапы e) и f) способа согласно изобретению реализуются так, как показано на фиг. 3.
F
вх
вых
K
вых
конц
Соответственно разность давлений загрязнения снова обозначено как ∆P = P_ - P_ и разность давлений отсасывания как ∆P = P_ - P_.
F
Состояние ∆P <= 0,8 обозначено как "фильтр чист" или "фильтрующий элемент чист". Регулирующий клапан V1 открыт, клапан V2 перекрывают для уменьшения отвода концентрата и устанавливают низкую скорость вращения привода М1 для вала 16.
F
Состояние 0,8 бар < ∆P <= 1,1 бар обозначено как "фильтр загрязнен" или "фильтрующий элемент загрязнен". Регулирующий клапан V1 открыт, клапан V2 открывают шире для увеличения отвода концентрата и устанавливают более высокую скорость вращения привода М1 для вала 16.
F
Состояние ∆P > 1,1 бар обозначено как "фильтр сильно загрязнен" или "фильтрующий элемент сильно загрязнен". Регулирующий клапан V1 перекрывают для предотвращения перегрузки фильтрующего элемента, клапан V2 открывают для повышения отвода концентрата и устанавливают более высокую скорость вращения привода М1 для вала 16. При необходимости, для дополнительного увеличения отвода концентрата может быть дополнительно запущен отсасывающий насос Р2.
K
F
F
F
Фактическое повышение или уменьшение может быть осуществлено согласно предварительно сохраненным функциям или функциональным соотношениям, которые были определены экспериментально. Таким образом, могут быть определены соотношения ∆P = Функция_1 (∆P) и скорость вращения M1 = Функция_2 (∆P), применяемые затем для установки/регулировки в указанных состояниях ∆P.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
линия впуска 1
устройство фильтрации 2
впускное отверстие 3
насос 4
резервуар 5
фильтрующий элемент 6
линия выпуска 7
линия отвода 8
балластная цистерна 9
регулирующий клапан 10
устройство очистки 11
средство 12
линия отвода 13
отсасывающие элементы 14
рычаги 15
вал 16
средняя ось/ось симметрии 17
привод 18
участок линии отвода 19
регулирующий клапан 20
устройство управления 21
датчики 22 - 24
насос для концентрата 25.