CN110055942B - 一种基于气浮技术的仿水母海上清油装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于气浮技术的仿水母海上清油装置及系统，该装置包括壳体、进水体、变频电机、搅拌叶轮、排水叶轮、气囊、气泵、油水界面检测计和控制器；壳体主体部分呈圆柱形，底部呈倒锥形；进水体包括多个进水管道，每个进水管道其进水端口处均设有用于增加浮力的浮体；变频电机设于壳体顶部上方，其输出轴同轴穿设于壳体内部；搅拌叶轮和排水叶轮同轴间隔套设于变频电机输出轴上；气囊设于壳体内部，气泵设于壳体外部，与气囊连接；油水界面检测计设于壳体内部；控制器与变频电机、油水界面检测计电连接，根据油水界面检测计反馈的信息，生成相应的变频电机控制指令并发送。该装置防风浪性能好、回收效率高，且适用于不同油层厚度。

Description

一种基于气浮技术的仿水母海上清油装置及系统

技术领域

本发明涉及石油收集技术领域，尤其涉及一种基于气浮技术的仿水母海上清油装置及系统。

背景技术

随着社会的发展，人类对石油的需求迅猛增长，海上石油勘探和开采也迅速崛起，这种形势为海上溢油增加了隐患。溢油对海洋造成的污染是严重而持久的，由于油层具有隔绝空气的作用，因而水中的鱼类及其它水域生物就会因窒息而死亡，而水中的植物就会因缺氧而发生腐败，降低海洋的自净能力。因此，开发一种新型的海上清油装置对于保护地球环境、保护海洋生物有非常重要的意义。

现有的海上溢油清理或回收方法可分为物理处理法、化学处理法和生物处理法。物理处理法最具代表性的做法就是利用围油栏将溢油围住，这样可以控制溢油的扩散，然后再应用溢油回收装置比如吸附带将溢油进行回收，但这种方法浮油回收效率低。化学处理法一般分为燃烧法和油处理法，燃烧法虽然可以将大量溢油在较短时间内燃烧，但不可避免的会产生二次污染；油处理剂法是使用化学药剂清除油污，通过改变溢油的物理性质，使之易降解或回收，但是对环境影响很大。生物处理法是利用具有较强的氧化分解石油的微生物来清除海上溢油一种清洁方法，但是目前该项技术还停留在研究阶段，无法实际应用。

现有技术中还有一种物理处理方式，即通过离心旋转的方法分离油层和水层，抽取上层的油层，实现油水分离。但这种分离方法通常无法对乳化油进行有效处理，适用性及工作效率较低，同时，分离装置在海面上工作时容易受环境影响而翻倒，稳定性差。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的至少一部分缺陷，提供一种可以适用于不同油层，且浮油回收效率高的海上清油装置及系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于气浮技术的仿水母海上清油装置，包括：壳体、进水体、变频电机、搅拌叶轮、排水叶轮、气囊、气泵、油水界面检测计和控制器；

所述壳体为轴对称结构，主体部分呈圆柱形，底部呈倒锥形，并开设有排水口；

所述进水体包括多个进水管道，各所述进水管道周向均匀设于所述壳体主体部分外侧，并与所述壳体内部连通，每个所述进水管道其进水端口处均设有用于增加浮力的浮体；

所述变频电机设于所述壳体顶部上方，其输出轴同轴穿设于所述壳体内部；所述搅拌叶轮和所述排水叶轮同轴间隔套设于所述变频电机输出轴上，且所述排水叶轮位于下方，靠近所述壳体的排水口；

所述气囊设于所述壳体内部，所述气泵设于所述壳体外部，与所述气囊连接，用于向所述壳体内部提供微气泡；

所述油水界面检测计设于所述壳体内部，用于检测壳体内部油水界面的高度值；

所述控制器与所述变频电机、所述油水界面检测计均电连接，用于根据所述油水界面检测计反馈的信息，生成相应的变频电机控制指令，并向所述变频电机发送。

优选地，每个所述进水管道均以所述壳体中心对称轴上一点为起点，沿阿基米德螺旋线向外延伸。

优选地，所述进水管道底部设有沿阿基米德螺旋线向外延伸的加强筋。

优选地，所述壳体的底部侧面呈倒锥双曲抛物面形；所述排水口开设于底部中心处。

优选地，所述进水体还包括平衡板，相邻的两个所述进水管道中部均通过所述平衡板连接。

优选地，还包括设有过水孔的挡板；所述挡板设于所述壳体内部，位于所述搅拌叶轮和所述排水叶轮之间，以降低所述搅拌叶轮和所述排水叶轮之间的干扰。

优选地，所述浮体呈圆柱形，其中心对称轴与所述壳体的中心对称轴平行，各所述浮体围绕所述壳体的中心对称轴呈轴对称式分布。

优选地，所述进水体包括8个所述进水管道。

优选地，所述油水界面检测计设于所述壳体的内壁。

本发明还提供了一种基于气浮技术的仿水母海上清油系统，包括清油母船和至少一个如上述任一项所述的基于气浮技术的仿水母海上清油装置；

所述仿水母海上清油装置的壳体内部均通过导油管连接至所述清油母船，所述清油母船上设有吸油泵和储油箱，所述吸油泵用于将各个所述仿水母海上清油装置分离的油抽入所述储油箱。

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种基于气浮技术的仿水母海上清油装置，仿照水母外形进行设计，壳体主体部分呈圆柱形，底部呈倒锥形，稳定性好；进水体仿照水母胃环流系统，从壳体引出多个进水管道，通过呈辐射状的进水管道将油水混合物引入壳体，进而通过搅拌形成旋涡，实现油水分离；该装置的搅拌叶轮与排水叶轮均位于变频电机输出轴上，通过一根中心搅拌轴(变频电机输出轴)将搅拌叶轮(形成旋涡)和排水叶轮(排水)的动力源统一于一台变频电机上，结构简单；通过气囊向壳体内部泵入空气，利用气浮技术减少因搅拌而引起的乳化现象；油水界面检测计位于壳体内部，可以准确检测油水界面的高度，控制器根据油水界面检测计检测结果，实时调整变频电机的转速，从而达到最佳清油效果。

本发明还提供了一种基于气浮技术的仿水母海上清油系统，包括上述基于气浮技术的仿水母海上清油装置和清油母船，各清油装置分离出来的油通过导油管直接输送到清油母船，使装置能够持续地工作，节约人工成本。同时，储油箱与壳体的分体式设计可以避免仿水母海上清油装置在海上吸油的时候由于逐渐加重的储油箱带来的不稳定性，减小储油对清油装置的影响，提高了回收效率。

附图说明

图1是本发明实施例一中的基于气浮技术的仿水母海上清油装置分解示意图；

图2是本发明实施例一中的基于气浮技术的仿水母海上清油装置顶视图；

图3是本发明实施例一中的基于气浮技术的仿水母海上清油装置底视图；

图4是本发明实施例一中的基于气浮技术的仿水母海上清油装置主视图(左视图)。

图中：1：壳体；2：进水管道；3：浮体；4：搅拌叶轮；5：排水叶轮；6：挡板；7：平衡板；8：气囊；9：变频电机；10：控制器；11：油水界面检测计。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

请参阅图1至图4，本发明实施例一提供了一种基于气浮技术的仿水母海上清油装置，包括壳体1、进水体、变频电机9、搅拌叶轮4、气囊8、气泵(图1至图4中未示出)、排水叶轮5、油水界面检测计11和控制器10。

其中，壳体1为轴对称结构，其主体部分呈圆柱形，底部呈倒锥形，可增加装置的稳定性，同时更有利于壳体1内部形成旋涡。壳体1底部开设有排水口，用于将分离后的水排出壳体1。使用时，由于壳体1不承载很大负荷，但要求有良好的冲击强度和硬度、适中的拉伸强度和尺寸稳定性并要求材料的价格适中。优选地，壳体1整体应要求透明或者半透明，耐湿气、耐石油。进一步优选地，壳体1的材料可选择有机玻璃，厚度范围为4～8mm，优选5mm。

进水体包括多个进水管道2，如图1所示，优选为8个，各进水管道2周向均匀分布，设于壳体1主体部分外侧四周，呈辐射状，并与壳体1内部连通，用于将油水混合物引入壳体1内部。进水管道2为具有一定柔性的管道，优选可采用轻质的塑料管。每个进水管道2其进水端口均设有用于增加浮力的浮体3，如图1至图4所示，8个进水管道2共设置8个浮体3，优选地，每个浮体3均设于其所在的进水管道2进水端口的一侧，辅助支撑进水管道2的进水端口，使柔软的进水管道2能一直保持圆形的形状，即保持张开的状态，便于流入油水混合物。进一步优选地，浮体3呈圆柱形，其中心对称轴与壳体1的中心对称轴平行，各个浮体3围绕壳体1的中心对称轴，呈轴对称式分布，有助于装置保持平衡，抗风浪性能好。

如图1所示，变频电机9设于壳体1顶部上方，壳体1顶部设有安装孔，变频电机9的输出轴自壳体1顶部的安装孔向下进入壳体1，同轴穿设于壳体1内部，即变频电机9的输出轴转轴与壳体1的中心对称轴重合。

搅拌叶轮4和排水叶轮5同轴间隔套设于变频电机9的输出轴，能够在变频电机9的驱动下转动，即搅拌叶轮4和排水叶轮5与变频电机9输出轴三者的转轴重合，搅拌叶轮4位于上方，优选设于壳体1主体部分内侧，便于在壳体1内形成旋涡，利用离心漩涡实现油层和水层的分离。排水叶轮5位于下方，靠近壳体1的排水口。设置排水叶轮5是为了将水层排到装置外，而且能保证壳体1内外存在一定的压强差，油水混合物能源源不断地进入壳体1内。

特别地，实际使用制作时，由于变频电机9自身的输出轴长度有限，可将变频电机9自身的输出轴加长，在加长轴(等同于输出轴)上安装搅拌叶轮4和排水叶轮5，搅拌叶轮4和排水叶轮5的定位可采用螺纹锁紧连接。搅拌形成旋涡和将多余的水排出这两项功能仅使用一台变频电机9来实现，可简化装置结构。搅拌叶轮4和排水叶轮5的主要功能是搅拌和排水，需要有一定的强度和韧度，所以优选采用有机材料加工，在长期与油接触的过程中会起到抗老化作用，同时避免了装置在水下运行或停止运行与水接触发生锈蚀，有效的保护装置的使用寿命。搅拌叶轮4和排水叶轮5共有的中心轴，即加长的变频电机9输出轴优选采用不锈钢加工，具有一定的强度，能适应水下长期工作的环境。

如图1所示，气囊8上设有多个气孔，设于壳体1内部。气泵设于壳体1外部，优选设于壳体1顶部，气泵通过供气管与气囊8连接，气泵抽取空气后，由气囊8上的各个气孔向壳体1内部供气，用于向壳体1内部提供微气泡。通过气囊8向腔内泵入空气，可利用气浮技术减少因搅拌而引起的乳化现象，加速油水两相分离，从而有效提高溢油回收效率。气囊8优选为环形结构，设于搅拌叶轮4和排水叶轮5之间，气囊8优选设于靠下的位置，微气泡自下而上移动，将气囊8设置在靠下的位置有助于对壳体1内部尽可能大范围的液体进行处理，分离乳化油。

油水界面检测计11设于壳体1内部，用于检测壳体1内部油水界面的高度值并向控制器10反馈。优选地，油水界面检测计11设于壳体1内壁上。进一步优选地，如图1所示，油水界面检测计11可采用环状结构，在壳体1内部围绕其侧壁一圈，即使装置向一侧倾斜也可以检测到液面的高度。

控制器10与变频电机9、油水界面检测计11均电连接，用于根据油水界面检测计11反馈的信息，生成相应的变频电机控制指令，并向变频电机9发送，控制变频电机9变频，根据具体的油层高度及时调整壳体1内的旋涡旋转状态，达到最佳清油效果。优选地，控制器10也与气泵电连接，用于根据油水界面检测计11反馈的信息，生成相应的气泵控制指令，并向气泵发送，控制气泵的工作功率，根据具体的油层高度调控气囊8的排气量。

优选地，如图1所示，控制器10设于变频电机9顶部，以更好的控制搅拌叶轮4和排水叶轮5的搅拌速度，整个装置呈轴对称结构，不易翻倒。

优选地，油水界面检测计11将检测到的高度值以分组电流信号的形式输出并传至控制器10。控制器10根据接收到的电流值生成相应的变频电机控制指令，使变频电机9调整至合适的转速，实现无级变速，实时调节壳体1内部的离心旋涡的转速和高度。进一步地，油水界面检测计11可选用BHK62/HF-008型检测计，油水界面检测计11通过对被测介质电容的动态分组分析，从而得到被检油水界面的高度值，以分组4-20mA信号的输出，可远传至控制器10。然后变频电机9根据接收到的电流值调整合适的转速，从而达到最佳的清油效果。

本发明仿照水母的外形设计了一种基于气浮技术的海上清油装置，通过进水管道2将油水混合物导入壳体1内部，经搅拌叶轮4的旋转，壳体1中油水混合物形成漩涡，使油水因比重的差异受到大小不同的离心力作用，油聚积在漩涡中心，可通过导油管吸出，而水则被聚集在壳体1底部，在排水叶轮5的作用下被排出壳体1外，实现油水分离。该装置抗风浪性能好，浮油回收效率高，可以适用于不同油层厚度的积油清理，且无污染。

优选地，仿水母海上清油装置中，每个进水管道2均以壳体1中心对称轴上一点为起点，沿阿基米德螺旋线向外延伸。进水管道2按照阿基米德螺旋线的外形进行设计，能够使液体直接进入壳体1内部的旋涡流场，减小对已有旋涡流场的冲击。进一步优选地，为确保进水管道2始终保持沿阿基米德螺旋线向外延伸，不受到外界风浪干扰，进水管道2底部设有硬质的加强筋，可以每个进水管道2底部均设置加强筋，也可以挑选部分进水管道2设置加强筋，如图1、图3和图4所示，加强筋结构可选均有一定高度的，沿阿基米德螺旋线弯曲的弧形竖板。

优选地，壳体1的底部侧面呈倒锥双曲抛物面形，排水口开设于底部中心处，该结构不仅有助于增加装置的稳定性，同时更有利于搅拌形成的漩涡保持稳定。

优选地，该仿水母海上清油装置中，进水体还包括平衡板7，相邻的两个进水管道2中部均通过平衡板7连接，全部进水管道2通过平衡板7连接为一个整体。平衡板7不仅有助于使各个进水管道2保持沿阿基米德螺旋线向外延伸而不发生形变，还有助于用于减少横摇，进一步增加装置的稳定性。如图1至图4所示，优选地，平衡板7包括多个弧形板，多个弧形板组成环状结构，同轴套设于壳体1主体部分外侧，即组成的环状结构与壳体1二者的中心对称轴重合，各进水管道2中部均设于两弧形板之间，即相邻的两个进水管道2中部通过一弧形板连接，弧形板不与壳体1或浮体3接触，使各个进水管道2能够跟随水面波动。

由于搅拌叶轮4和排水叶轮5在同时转动的时候，会在壳体1中产生两个流场，这两个流场开始慢慢相互影响，从而使得油水两相之间的表面力很快就被打破，当装置运行到稳定状态时，两个流场的相互影响也达到了最大。这时整个壳体1内的流场变得非常混乱，很多的油被排出了装置的壳体1，非常不利于溢油的回收。为了解决以上问题，优选地，如图1所示，该仿水母海上清油装置还包括设有过水孔的挡板6。挡板6设于壳体1内部，位于搅拌叶轮4和排水叶轮5之间，用于降低搅拌叶轮4和排水叶轮5之间的干扰。这样固定排水叶轮5的位置不变，通过调节搅拌叶轮4即可得到比较稳定、轴向长度较长的立轴旋涡，从而达到稳定回收溢油的目的。挡板6优选设于气囊8上方。

综上所述，本发明提供了一种仿水母海上清油装置，该装置与现有技术相比，至少具有如下优势：

1、应用仿生学原理，仿照水母的外形和内部结构进行装置的设计。根据天然水母的外形，将装置的壳体1主体设计成圆柱形；为了增加装置的稳定性，将装置的底部设计成倒锥形；根据天然水母的平衡囊，在装置的四周安装圆柱形浮体3，使整个装置浮在海面上。仿造天然水母通过管道将水和食物吃到胃囊中的过程，设计装置通过许多呈辐射状的管道将油水混合物引入装置中，根据水母的管道里纤毛的作用原理，纤毛的摆动使水流朝一定方向流动。再结合机械设计原理，设计一个水泵(即变频电机9与搅拌叶轮4、排水叶轮5)，水泵的运转可以将引入装置内的液体排出去，从而保证装置外部的液体不断进入装置中，经油水分离后再排出。

2、采用气浮技术大幅提高溢油回收效率。空气通过气泵通入油水混合物中，气泡和溢油在装置的壳体1内部接触，疏水性的溢油易与微气泡粘附形成微气泡-溢油复合体，和水层的密度差进一步加大，有利于油与水的分离。此外，微气泡可以大大降低因搅拌而引起的乳化现象，进而提高溢油回收的效率。

3、控制器10实时调整变频电机9的转速，达到最佳清油效果。利用油水界面检测计11实时检测油水界面的高度值，根据油水界面的具体高度，将变频电机9调整合适的转速，从而使得该装置在不同积油厚度下均能达到最佳的清油效果，适用性更好。

4、变频电机9、搅拌叶轮4、排水叶轮5同轴设计。将变频电机9、搅拌叶轮4、排水叶轮5设计成同轴的，三者共有的轴组成了中心旋转轴，排水叶轮5无需另设电机进行驱动，简化装置结构。

5、各进水管道2按照阿基米德螺旋线的外形进行设计，使涌入壳体1的液体直接汇入旋涡流场，减少流场扰动，提高工作效率。

6、壳体1底部部分侧面设计成双曲抛物面，更容易产生稳定的旋涡，同时使壳体1内的水更加方便地排出，进而提高溢油回收效率。

实施例二

本发明实施例二提供了一种基于气浮技术的仿水母海上清油系统，包括至少一个上述任一项所述的基于气浮技术的仿水母海上清油装置、清油母船。其中，每个仿水母海上清油装置的壳体内部均通过导油管连接至清油母船，清油母船上设有吸油泵和储油箱，吸油泵用于将各个仿水母海上清油装置分离的油抽入储油箱，实现石油回收。

储油箱与壳体1的分体式设计有效提高清油效率。使用时，把仿生水母清油装置放在清油母船两边，做并排状矩阵排列，开启清油母船上的吸油泵，将在各个清油装置中分离出来的油通过导油管直接输送到清油母船的储油箱存储，可以使装置持续地工作，节约投入的人工成本。同时，储油箱与壳体1的分体式设计可以避免装置在海上吸油的时候由于逐渐加重的储油箱带来的不稳定性，大大减小储油箱对清油装置的影响，提高了回收效率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于气浮技术的仿水母海上清油装置，其特征在于，包括：壳体、进水体、变频电机、搅拌叶轮、排水叶轮、气囊、气泵、油水界面检测计和控制器；

所述壳体为轴对称结构，主体部分呈圆柱形，底部呈倒锥形，并开设有排水口；

所述进水体包括多个进水管道，各所述进水管道周向均匀设于所述壳体主体部分外侧，并与所述壳体内部连通，每个所述进水管道其进水端口处均设有用于增加浮力的浮体；

所述变频电机设于所述壳体顶部上方，其输出轴同轴穿设于所述壳体内部；所述搅拌叶轮和所述排水叶轮同轴间隔套设于所述变频电机输出轴上，且所述排水叶轮位于下方，靠近所述壳体的排水口；

所述气囊为环形结构，设于所述壳体内部，所述气泵设于所述壳体外部，与所述气囊连接，用于向所述壳体内部提供微气泡；

所述油水界面检测计采用环状结构，设于所述壳体的内壁，在所述壳体内部围绕一圈，用于检测壳体内部油水界面的高度值；

所述控制器与所述变频电机、所述油水界面检测计均电连接，用于根据所述油水界面检测计反馈的信息，生成相应的变频电机控制指令，并向所述变频电机发送；

其中，所述壳体的底部侧面呈倒锥双曲抛物面形；所述排水口开设于底部中心处；

每个所述进水管道均以所述壳体中心对称轴上一点为起点，沿阿基米德螺旋线向外延伸；

所述进水体还包括平衡板，相邻的两个所述进水管道中部均通过所述平衡板连接，所述平衡板包括多个弧形板，多个弧形板组成环状结构，同轴套设于所述壳体的主体部分外侧。

2.根据权利要求1所述的仿水母海上清油装置，其特征在于：所述进水管道底部设有沿阿基米德螺旋线向外延伸的加强筋。

3.根据权利要求1所述的仿水母海上清油装置，其特征在于：还包括设有过水孔的挡板；所述挡板设于所述壳体内部，位于所述搅拌叶轮和所述排水叶轮之间，以降低所述搅拌叶轮和所述排水叶轮之间的干扰。

4.根据权利要求1所述的仿水母海上清油装置，其特征在于：所述浮体呈圆柱形，其中心对称轴与所述壳体的中心对称轴平行，各所述浮体围绕所述壳体的中心对称轴呈轴对称式分布。

5.根据权利要求1所述的仿水母海上清油装置，其特征在于：所述进水体包括8个所述进水管道。

6.一种基于气浮技术的仿水母海上清油系统，其特征在于：包括清油母船和至少一个如权利要求1-5任一项所述的基于气浮技术的仿水母海上清油装置；

所述仿水母海上清油装置的壳体内部均通过导油管连接至所述清油母船，所述清油母船上设有吸油泵和储油箱，所述吸油泵用于将各个所述仿水母海上清油装置分离的油抽入所述储油箱。

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