一種智能光伏浮油收集器的設(shè)計(jì)

田　桐，賀東東，孫祖林，穆德敏,2

一種智能光伏浮油收集器的設(shè)計(jì)

田桐1，賀東東1，孫祖林1，穆德敏1,2

(1.沈陽工學(xué)院機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 撫順 113122；2.沈陽工學(xué)院遼寧省數(shù)控機(jī)床信息物理融合與智能制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122)

海洋鉆井平臺(tái)和海上石油運(yùn)輸過程中發(fā)生的溢油事故會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成嚴(yán)重而持久的污染。通過總結(jié)與分析傳統(tǒng)海洋油污處理方式的優(yōu)缺點(diǎn)，研發(fā)了一款智能光伏浮油收集裝置，具備操作簡單、維修方便、智能化程度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，不僅可以節(jié)省大量人力，還可極大地提升海洋除污作業(yè)的安全性，可廣泛應(yīng)用于清理被溢油污染的水域。

浮油收集；環(huán)保設(shè)備；遠(yuǎn)程操控；智能化

1　研究背景

我國在處理海洋油污問題時(shí)，一般采用以下3種方式。一是采用人工作業(yè)，利用吸油毛氈吸取海上浮油，這種處理方法不僅效率低、成本高，操作人員在作業(yè)時(shí)也存在一定的危險(xiǎn)；二是使用圍油欄來阻止油污范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，雖然可以暫時(shí)控制污染造成的危害，但不能從根本上解決問題；三是通過可控燃燒或向海水中投入化學(xué)分散劑來清除海洋油污，但會(huì)產(chǎn)生其他污染物，容易對(duì)海洋環(huán)境造成二次污染。

現(xiàn)有的除油方法有5個(gè)缺陷：①浪費(fèi)人力，工作效率低；②工作人員的人身安全存在隱患；③處理溢油效果不佳；④浪費(fèi)資源；⑤對(duì)海洋植物和動(dòng)物的危害極大。

2　智能光伏浮油收集器設(shè)計(jì)方案

面對(duì)日益嚴(yán)重的漏油污染問題，海洋環(huán)保部門急需找到一種既能防止生態(tài)災(zāi)難發(fā)生，又能避免石油浪費(fèi)的清理方法，還應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：①對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境不會(huì)造成二次污染；②控制便捷、操作簡單，維修方便；③除油率高，收油效率高，耗電低，效果穩(wěn)定，能長期正常工作；④可用于石油大面積泄漏的水域；⑤簡潔靈活，可單機(jī)或集群作業(yè)；⑥節(jié)約人力資源[1]。

基于上述要求，研發(fā)了一款智能光伏浮油收集裝置。從產(chǎn)品規(guī)劃、功能需求、原理方案設(shè)計(jì)著手，并在具體的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、總體設(shè)計(jì)組裝的過程中不斷完善產(chǎn)品，使整個(gè)產(chǎn)品具備預(yù)期的功能。

(1)由搖桿和舵機(jī)組成的升降系統(tǒng)可以控制集油器使其能吸到浮油。

(2)由于海洋油污一般是酯類有機(jī)物，密度大約是0.7g/cm3，將平均密度為0.9g/cm3的水平浮板懸浮于海水和油污之間，便于收集油污，并利用高度差原理使油體自由下落，保證過濾油的純度，以達(dá)到環(huán)保的目的[2]。

(3)在過濾系統(tǒng)中，通過兩個(gè)液位開關(guān)和兩個(gè)電控排水閥聯(lián)動(dòng)對(duì)收集的油污進(jìn)行一級(jí)油水分離，使油污中的含水量大大降低，再通過二級(jí)過濾裝置對(duì)其進(jìn)行二次過濾。

(4)動(dòng)力系統(tǒng)有動(dòng)力高、轉(zhuǎn)速高和耐腐蝕等特點(diǎn)。由于動(dòng)力系統(tǒng)功率高，保證了裝置的動(dòng)力強(qiáng)度，并可以通過光伏系統(tǒng)供電以保證其續(xù)航能力。采用三相無刷電機(jī)，可起到絕緣耐腐蝕的作用，保證了控制裝置的穩(wěn)定性與靈活性。

關(guān)于城陽區(qū)鄉(xiāng)村旅游者喜歡的旅游項(xiàng)目，抽樣調(diào)查結(jié)果顯示，大多數(shù)旅游者喜歡采摘、劃船、農(nóng)業(yè)觀光、農(nóng)業(yè)種植、登山等體驗(yàn)型鄉(xiāng)村旅游產(chǎn)品。棋牌類傳統(tǒng)鄉(xiāng)村旅游產(chǎn)品受歡迎程度不高，可見鄉(xiāng)村旅游者的需求在發(fā)生改變，而探險(xiǎn)類新型旅游產(chǎn)品受歡迎程度較低，本文認(rèn)為大多數(shù)旅游者還是非常注重鄉(xiāng)村旅游的安全性。

(5)除油劑的原理是利用表面活性劑和助洗劑的綜合效能，對(duì)油污進(jìn)行潤濕、滲透、乳化、分散和洗滌。在噴灑系統(tǒng)中，利用除油劑乳化水面上剩余的少量浮油，使其分散于水中，可以提高除油率。

智能光伏浮油收集裝置主要包括升降系統(tǒng)，過濾系統(tǒng)，出油系統(tǒng)，噴灑系統(tǒng)，動(dòng)力系統(tǒng)，如圖1所示。

1　升降系統(tǒng)；2　噴灑系統(tǒng)；3　出油系統(tǒng)；4　過濾系統(tǒng)；5　動(dòng)力系統(tǒng)。

3　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能光伏浮油收集裝置的核心控制設(shè)備是Arduino控制板，軟件為Arduino IDE，用以控制智能光伏浮油收集裝置的相關(guān)動(dòng)作[4]。

智能光伏浮油收集裝置采用的是遠(yuǎn)程控制與自動(dòng)控制信息交互技術(shù)。自動(dòng)控制電氣原理如圖2所示，遠(yuǎn)程控制電氣原理如圖3所示，通過遙控器進(jìn)行開啟和關(guān)閉[5]。

圖2　自動(dòng)控制電氣原理圖

圖3遠(yuǎn)程控制電氣原理圖

4　主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

智能光伏浮油收集裝置支板的底部設(shè)有儲(chǔ)油箱，儲(chǔ)油箱的底部設(shè)有浮塊；支板的頂部設(shè)有過濾箱，過濾箱的頂部設(shè)有透氣閥、監(jiān)控?cái)z像頭以及太陽能板。

支板的頂部設(shè)有對(duì)稱的兩個(gè)固定板，兩個(gè)固定板之間連接有收線輥，收線輥的外側(cè)設(shè)有升降繩索，升降繩索的一端設(shè)有集油器，智能光伏浮油收集裝置既可以通過搖桿調(diào)節(jié)集油器的位置，還可根據(jù)油污的厚度自主調(diào)節(jié)集油器吸油口，使吸油口正好處于油水混合物中間。

支板的頂部設(shè)有抽水泵，抽水泵的輸入端與集油器通過軟管連接，過濾箱的一側(cè)設(shè)有油水混合管，抽水泵的輸出端與油水混合管固定連接，過濾箱的一側(cè)設(shè)有抽油泵，過濾箱的一側(cè)設(shè)有出油管，抽油泵的輸入端與出油管固定連接，過濾箱的內(nèi)部設(shè)有泡沫清除針板，通過加入泡沫清除針板，實(shí)現(xiàn)對(duì)頂部浮沫的清理。

支板的頂部設(shè)有除油噴淋箱，抽油泵的輸出端與除油噴淋箱通過管道連接，除油噴淋箱的一側(cè)設(shè)有電控排水閥。智能光伏浮油收集器的底部設(shè)有U型支架，U型支架的底部設(shè)有移動(dòng)輪，便于在陸地時(shí)移動(dòng)。

智能光伏浮油收集裝置主要的創(chuàng)新點(diǎn)包括以下5個(gè)部分。

(1)過濾系統(tǒng)分為一級(jí)過濾系統(tǒng)、二級(jí)過濾系統(tǒng)兩部分。一級(jí)過濾系統(tǒng)可以把大部分水和油分開；二級(jí)過濾系統(tǒng)可以把水和油進(jìn)一步分開，通過這種雙重過濾方法可以有效提高油的純度，更加便于油的回收利用。當(dāng)液位計(jì)到達(dá)一定高度時(shí)，電控排水閥開始運(yùn)作，可以將分離后的水通過軟管排出。

(2)智能光伏浮油收集裝置可通過搖臂控制收油器的高度，水中的收油部分可根據(jù)油層厚度進(jìn)行調(diào)整，以便更好地收集海面上的油污。

(3)相比傳統(tǒng)的油污收集裝置，智能光伏浮油收集裝置的操作系統(tǒng)更加簡單，并且維修方便，智能化程度高，能有效節(jié)約人力資源。

(4)除油劑噴灑裝置相當(dāng)于第三級(jí)過濾技術(shù)裝置，噴灑除油劑可以處理海上的遺漏溢油，使除油率達(dá)到提高至95%以上。

5　實(shí)物展示

智能光伏浮油收集裝置包括工裝件、吸油系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、除油系統(tǒng)和儲(chǔ)油系統(tǒng)。吸油系統(tǒng)安裝在支板，通過舵機(jī)控制繞線圈軸承收放吸油口；過濾裝置位于支板的中心，油水混合管與其連接，把油水混合物導(dǎo)入過濾裝置；液位計(jì)、泡沫清除針板位于過濾裝置第一腔體和第二腔體，過濾器位于第三腔體；驅(qū)動(dòng)裝置位于支板上；除油裝置位于過濾裝置的一側(cè)；儲(chǔ)油裝置位于底部半球；集油器與導(dǎo)油管相連通；導(dǎo)油管的排油口設(shè)置于支板。

智能光伏浮油收集裝置儲(chǔ)油量可達(dá)9L，總質(zhì)量為20kg，浮力裝置為一個(gè)浮力圈、三塊浮板、八個(gè)浮球，總浮力可達(dá)572N，保證了裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。通過子母船的方式可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)機(jī)器自動(dòng)進(jìn)行收油作業(yè)；在作業(yè)過程中每3秒還要噴灑除油劑一次，避免形成二次污染；通過遠(yuǎn)程操控，可以更準(zhǔn)確，更方便地到達(dá)指定的作業(yè)區(qū)域。智能光伏浮油收集裝置實(shí)物如圖4所示。

圖4　智能光伏浮油收集裝置實(shí)物

6　推廣價(jià)值

使用智能光伏浮油收集裝置進(jìn)行大面積海洋油污凈化作業(yè)，能夠及時(shí)有效進(jìn)行油水收集和分離，采用雙重過濾技術(shù)提高了油質(zhì)的純度，水中收油部分可根據(jù)油層厚薄對(duì)集油器進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，具備操作簡單，維修方便，智能化程度比較高等諸多優(yōu)點(diǎn)，不僅可以節(jié)省大量人力，還極大地提升了除污作業(yè)的安全性，對(duì)漏油的收集和海洋環(huán)境的保護(hù)具有重要意義。

[1] 李鑫,徐進(jìn).工業(yè)冷卻系統(tǒng)近零排放水處理技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用分析[J].化工管理,2016(36):119.

[2] 陳康,廖柯熹.勝利油田某污水處理站工藝改造研究[J].當(dāng)代化工,2015,44(9):2187-2189.

[3] 張育豪.一種景觀式靜態(tài)水域水面垃圾自動(dòng)收集器的設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù),2019(20):129-130,169.

[4] 金維增,鄭紅,朱灝.應(yīng)急浮油回收裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].化工裝備技術(shù),2019,40(6):28-30.

[5] 劉展,李娜,郭瑞亞,等.高鹽廢水“零排放”案例分析[J].化學(xué)工程,2020,48(11):17-22.

Design of an intelligent photovoltaic floating oil collector

TIAN Tong1, HE Dongdong1, SUN Zulin1, MU Demin1, 2

(1. College of mechanical engineering and automation, Shenyang Institute of technology, Fushun, Liaoning 113122, China; 2. Liaoning Provincial Key Laboratory of Information Physics integration and intelligent manufacturing of CNC machine tools, Shenyang Institute of technology, Fushun, Liaoning 113122, China)

Oil spills from offshore drilling platforms and offshore oil transportation can cause serious and lasting pollution to the marine environment. By summarizing and analyzing the advantages and disadvantages of traditional marine oil pollution treatment methods, an intelligent photovoltaic oil slick collection device has been developed, which has many advantages such as simple operation, convenient maintenance, and a relatively high degree of intelligence. To improve the safety of marine decontamination operations, it can be widely used in oil-spilled polluted waters.

oil slick collection; environmental protection equipment; remote control; intelligent

X78

A

2096–8736(2022)03–0037–03

田桐(1999—)，男，云南保山人，大學(xué)本科，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人工程。

責(zé)任編輯：張亦弛

英文編輯：唐琦軍