一種智能光伏浮油收集器的設計

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計

田桐1，賀東東1，孫祖林1，穆德敏1,2

(1.沈陽工學院機械工程與自動化學院，遼寧 撫順 113122；2.沈陽工學院遼寧省數控機床信息物理融合與智能制造重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

海洋鉆井平臺和海上石油運輸過程中發生的溢油事故會對海洋環境造成嚴重而持久的污染。通過總結與分析傳統海洋油污處理方式的優缺點，研發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點，不僅可以節省大量人力，還可極大地提升海洋除污作業的安全性，可廣泛應用于清理被溢油污染的水域。

浮油收集；環保設備；遠程操控；智能化

1　研究背景

我國在處理海洋油污問題時，一般采用以下3種方式。一是采用人工作業，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，操作人員在作業時也存在一定的危險；二是使用圍油欄來阻止油污范圍進一步擴大，雖然可以暫時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分散劑來清除海洋油污，但會產生其他污染物，容易對海洋環境造成二次污染。

現有的除油方法有5個缺陷：①浪費人力，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浪費資源；⑤對海洋植物和動物的危害極大。

2　智能光伏浮油收集器設計方案

面對日益嚴重的漏油污染問題，海洋環保部門急需找到一種既能防止生態災難發生，又能避免石油浪費的清理方法，還應該具有以下特點：①對海洋生態環境不會造成二次污染；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，可單機或集群作業；⑥節約人力資源[1]。

基于上述要求，研發了一款智能光伏浮油收集裝置。從產品規劃、功能需求、原理方案設計著手，并在具體的結構方案設計、總體設計組裝的過程中不斷完善產品，使整個產品具備預期的功能。

(1)由搖桿和舵機組成的升降系統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，以達到環保的目的[2]。

(3)在過濾系統中，通過兩個液位開關和兩個電控排水閥聯動對收集的油污進行一級油水分離，使油污中的含水量大大降低，再通過二級過濾裝置對其進行二次過濾。

(4)動力系統有動力高、轉速高和耐腐蝕等特點。由于動力系統功率高，保證了裝置的動力強度，并可以通過光伏系統供電以保證其續航能力。采用三相無刷電機，可起到絕緣耐腐蝕的作用，保證了控制裝置的穩定性與靈活性。

關于城陽區鄉村旅游者喜歡的旅游項目，抽樣調查結果顯示，大多數旅游者喜歡采摘、劃船、農業觀光、農業種植、登山等體驗型鄉村旅游產品。棋牌類傳統鄉村旅游產品受歡迎程度不高，可見鄉村旅游者的需求在發生改變，而探險類新型旅游產品受歡迎程度較低，本文認為大多數旅游者還是非常注重鄉村旅游的安全性。

(5)除油劑的原理是利用表面活性劑和助洗劑的綜合效能，對油污進行潤濕、滲透、乳化、分散和洗滌。在噴灑系統中，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，過濾系統，出油系統，噴灑系統，動力系統，如圖1所示。

1　升降系統；2　噴灑系統；3　出油系統；4　過濾系統；5　動力系統。

3　控制系統設計

智能光伏浮油收集裝置的核心控制設備是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動作[4]。

智能光伏浮油收集裝置采用的是遠程控制與自動控制信息交互技術。自動控制電氣原理如圖2所示，遠程控制電氣原理如圖3所示，通過遙控器進行開啟和關閉[5]。

圖2　自動控制電氣原理圖

圖3遠程控制電氣原理圖

4　主要創新點

智能光伏浮油收集裝置支板的底部設有儲油箱，儲油箱的底部設有浮塊；支板的頂部設有過濾箱，過濾箱的頂部設有透氣閥、監控攝像頭以及太陽能板。

支板的頂部設有對稱的兩個固定板，兩個固定板之間連接有收線輥，收線輥的外側設有升降繩索，升降繩索的一端設有集油器，智能光伏浮油收集裝置既可以通過搖桿調節集油器的位置，還可根據油污的厚度自主調節集油器吸油口，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，過濾箱的一側設有油水混合管，抽水泵的輸出端與油水混合管固定連接，過濾箱的一側設有抽油泵，過濾箱的一側設有出油管，抽油泵的輸入端與出油管固定連接，過濾箱的內部設有泡沫清除針板，通過加入泡沫清除針板，實現對頂部浮沫的清理。

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

智能光伏浮油收集裝置主要的創新點包括以下5個部分。

(1)過濾系統分為一級過濾系統、二級過濾系統兩部分。一級過濾系統可以把大部分水和油分開；二級過濾系統可以把水和油進一步分開，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。當液位計到達一定高度時，電控排水閥開始運作，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油層厚度進行調整，以便更好地收集海面上的油污。

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

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

5　實物展示

智能光伏浮油收集裝置包括工裝件、吸油系統、過濾系統、驅動系統、除油系統和儲油系統。吸油系統安裝在支板，通過舵機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，把油水混合物導入過濾裝置；液位計、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；驅動裝置位于支板上；除油裝置位于過濾裝置的一側；儲油裝置位于底部半球；集油器與導油管相連通；導油管的排油口設置于支板。

智能光伏浮油收集裝置儲油量可達9L，總質量為20kg，浮力裝置為一個浮力圈、三塊浮板、八個浮球，總浮力可達572N，保證了裝置的穩定運行。通過子母船的方式可以實現多臺機器自動進行收油作業；在作業過程中每3秒還要噴灑除油劑一次，避免形成二次污染；通過遠程操控，可以更準確，更方便地到達指定的作業區域。智能光伏浮油收集裝置實物如圖4所示。

圖4　智能光伏浮油收集裝置實物

6　推廣價值

使用智能光伏浮油收集裝置進行大面積海洋油污凈化作業，能夠及時有效進行油水收集和分離，采用雙重過濾技術提高了油質的純度，水中收油部分可根據油層厚薄對集油器進行自動調節，具備操作簡單，維修方便，智能化程度比較高等諸多優點，不僅可以節省大量人力，還極大地提升了除污作業的安全性，對漏油的收集和海洋環境的保護具有重要意義。

[1] 李鑫,徐進.工業冷卻系統近零排放水處理技術的開發和應用分析[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].當代化工,2015,44(9):2187-2189.

[3] 張育豪.一種景觀式靜態水域水面垃圾自動收集器的設計[J].汽車實用技術,2019(20):129-130,169.

[4] 金維增,鄭紅,朱灝.應急浮油回收裝置的設計與應用[J].化工裝備技術,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，大學本科，主要研究方向為機器人工程。

責任編輯：張亦弛

英文編輯：唐琦軍