6萬(wàn)方深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖裝備壓載沉浮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熊威 嚴(yán)俊 張三豐 黃靜 林程鵬

摘要：本文以某6萬(wàn)方深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖裝備壓載沉浮系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例進(jìn)行分析論證。為滿(mǎn)足6萬(wàn)方深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖裝備檢修、抗臺(tái)和避臺(tái)工況的沉浮需要，需要設(shè)置壓載系統(tǒng)。壓載系統(tǒng)的注入和排出方式主要有三種方式：重力自流、壓載泵注入和壓縮空氣注入。通過(guò)三種方式的比較計(jì)算分析，設(shè)計(jì)出了壓載水泵+重力自流+壓縮空氣復(fù)合壓載系統(tǒng)方案。復(fù)合壓載方案有更高效快速調(diào)撥的能力，可快速進(jìn)行壓載水進(jìn)、排和調(diào)載工作。不同的方案相結(jié)合不僅可以提升壓載水調(diào)撥的可靠性，增加其安全性，使得漁場(chǎng)處于安全的浮態(tài)，大幅減少壓載時(shí)間，還能提高壓載精度，能夠明顯節(jié)約功耗和制造維護(hù)成本。

關(guān)鍵詞：壓載系統(tǒng);壓縮空氣;重力自流;潛水泵

中圖分類(lèi)號(hào)：TE951文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006—7973（2022）05-0118-04

隨著養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展，我國(guó)沿海近水養(yǎng)殖已基本上飽和，未來(lái)的發(fā)展方向是往深遠(yuǎn)海進(jìn)行開(kāi)發(fā)，充分利用深遠(yuǎn)海資源。同時(shí)，大力推廣大型深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖裝備，將有效拓展海洋養(yǎng)殖空間，提升我國(guó)海洋漁業(yè)經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)能，降低寶貴的土地資源的開(kāi)發(fā)壓力。因此，研究大型深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖裝備具有重要的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。為滿(mǎn)足大型深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖裝備抗臺(tái)和避臺(tái)的沉浮需要，需要設(shè)置壓載系統(tǒng)。在壓載系統(tǒng)中，壓載水可以看作是不可壓縮的流體，通過(guò)能量的轉(zhuǎn)化，改變這些流體的位置，從而達(dá)到壓載目的。改變流體位置的過(guò)程中，有些手段消耗的能量多，有些消耗的能量少，因此，設(shè)計(jì)出合理的壓載沉浮方式，不僅可以滿(mǎn)足規(guī)范要求，加快速度，也具有節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。

1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

黃海水產(chǎn)研究所針對(duì)網(wǎng)箱下沉臨界水深時(shí)易發(fā)生箱體側(cè)傾的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種泵壓式網(wǎng)箱遙控沉浮控制裝置，如圖1所示。原理是利用潛水泵向網(wǎng)箱壓載艙注水，將艙內(nèi)的空氣排出，使網(wǎng)箱下沉，反之上浮;武昌船舶重工集團(tuán)湖北海洋工程裝備研究院研發(fā)的世界最大的深遠(yuǎn)海全潛式網(wǎng)箱“深藍(lán)一號(hào)”，有效養(yǎng)殖水深30米，整個(gè)養(yǎng)殖水體約5萬(wàn)立方，如圖2所示。其壓載系統(tǒng)采用外接氣源的壓縮空氣排壓載水，采用重力自流方式進(jìn)壓載水。

韓國(guó)國(guó)立全南大學(xué)研制了一種基于氣動(dòng)控制的自動(dòng)沉浮網(wǎng)箱系統(tǒng)ASFCS （Automatic Submersible Fish Cage System）。該網(wǎng)箱是多邊形立柱結(jié)構(gòu)，由一個(gè)剛性框架組件與8個(gè)可變壓載艙、8個(gè)固定壓載艙和12個(gè)浮力筒構(gòu)成[2-3]。每個(gè)壓載艙均接有一路壓縮空氣管，打開(kāi)壓縮空氣系統(tǒng)主閥，壓縮空氣通過(guò)各支管注入壓載艙，利用壓縮空氣進(jìn)行排水，改變網(wǎng)箱浮力特性，使網(wǎng)箱上浮，如圖3所示;2017年，由挪威薩瑪爾（SALMAR）集團(tuán)投資，中船重工武船集團(tuán)建造的“Ocean Farm 1”在青島完工，如圖4所示，該養(yǎng)殖平臺(tái)總高69米，直110米，養(yǎng)殖水體25萬(wàn)方[4-5]。其壓載系統(tǒng)使用潛水泵進(jìn)排壓載水。

2壓排載方式及特點(diǎn)分析

深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖裝備壓載系統(tǒng)壓載水的注入和排出主要有以下幾種方式：重力自流、泵和壓縮空氣。

2.1壓載注入方式分析

壓載注入方式主要有重力自流、泵注入和壓縮空氣注入三種。

重力自流注入是指在沒(méi)有外界壓力的情況下，依靠海水自身的重力，以及液位差，從舷外流入壓載艙，或從高位壓載艙流入低位壓載艙，完成壓載水的注入或調(diào)撥。該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，可以省去動(dòng)力輸送設(shè)備，初始進(jìn)水速度較快，通常用于一般運(yùn)輸船舶中，尤其適用于雙層底壓載水艙。但是該方式也有一定的局限性。首先，自流注入方式受壓載艙的布置位置和船舶吃水情況的影響較大，當(dāng)水位不能產(chǎn)生正壓時(shí)，就不能完成注人或調(diào)撥操作。其次，自流注入方式主要基于能量守恒原理，將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能。根據(jù)能量平衡原理如下式所示：

式中：v：流速。h：舷外水與艙內(nèi)水的液位差。g：重力加速度.由此可見(jiàn)，當(dāng)往艙內(nèi)注水時(shí)，舷外水與艙內(nèi)水的液位差逐漸變小，導(dǎo)致進(jìn)水速度逐漸變小;往舷外排水時(shí)，同樣排水速度也逐漸變小，因此重力自流方式會(huì)導(dǎo)致流速不恒定。這就增加了壓載水系統(tǒng)的操作控制的難度。

泵注入是壓載注入的第二種方式。該方式采用大排量的離心泵將舷外海水通過(guò)海水總管泵入壓載艙或?qū)⒛骋粔狠d艙的海水調(diào)撥至另一壓載艙，實(shí)現(xiàn)壓載注入和調(diào)撥功能。泵注入方式對(duì)壓載艙的位置和船舶吃水沒(méi)有要求而且技術(shù)成熟，可靠性好，可以隨時(shí)調(diào)節(jié)浮態(tài)，所以是壓載注入最常用的一種方式。通過(guò)計(jì)算選取泵的排量壓頭，可保證壓載時(shí)間和調(diào)撥高度，且系統(tǒng)流速恒定，在操作簡(jiǎn)易性上，壓載泵注入要優(yōu)于重力自流注入。當(dāng)然因?yàn)樵O(shè)有壓載泵，該方式的能耗和成本均較高。

壓縮空氣注入是壓載注入的第三種方式。該方法注入壓載水時(shí)，壓載艙必須位于水線(xiàn)以下，利用空壓機(jī)降低艙內(nèi)空氣壓力，當(dāng)艙外氣壓大于艙內(nèi)氣壓時(shí)，舷外的海水即可注入壓載艙。壓縮空氣注入方式僅需配備空壓機(jī)和空氣瓶，對(duì)于養(yǎng)殖網(wǎng)箱可使用工作船上的設(shè)備，成本和能耗較低，且進(jìn)水速度較快，工作可靠性較好，但也存在不少明顯的不足之處，如：系統(tǒng)設(shè)計(jì)較常規(guī)系統(tǒng)復(fù)雜得多，對(duì)船體結(jié)構(gòu)的要求很高，由于空氣具有可壓縮性，可溶于水，是彈性變化量，具有控制延遲性，對(duì)壓載控制系統(tǒng)提高了要求，增加了設(shè)計(jì)和建造成本，同時(shí)也受制于壓載艙布置位置和船舶吃水的限制。

2.2壓載排出方式分析

壓載排出方式主要有重力自流排出、泵排出和壓縮空氣排出三種。

重力自流排出方式原理和自流注入類(lèi)似，只是方向相反。在一般運(yùn)輸船舶上這種方式應(yīng)用廣泛，于頂邊壓載水艙特別適合應(yīng)用。此種排出方式同樣受平臺(tái)吃水情況和壓載艙的布置位置的影響，若壓載艙位置不能高于水線(xiàn)，壓載水則無(wú)法排出。

泵排出是壓載排出的第二種方式，該方式原理和泵注入類(lèi)似。同樣泵排出方式對(duì)壓載艙的位置和船舶吃水沒(méi)有要求而且技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛。同時(shí)由于這些泵的排量很大，要將艙內(nèi)的水吸干比較困難，往往還需要配備掃艙泵。掃艙泵可以是活塞泵，也可以是噴射泵。兩者比較，后者簡(jiǎn)單得多，施工方便，節(jié)約費(fèi)用，所以目前被廣泛采用。

壓載排出的第三種方式是壓縮空氣排水。該方式的原理是通過(guò)管路向壓載艙注入空氣，在壓載艙內(nèi)液面上方形成空氣墊，當(dāng)空氣墊壓力大于壓載水管路排出阻力時(shí)，排出壓載水。在工程應(yīng)用中，通常將這種方式與重力自流注水方式相結(jié)合，可節(jié)省壓載泵配置數(shù)量及相關(guān)管系，但需要增大壓載艙的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以及壓縮空氣系統(tǒng)的壓力分配控制會(huì)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建造和管理帶來(lái)難度，并且該方式在調(diào)撥能力方面較差，目前只在某些特種船舶如潛水艇、起重船上有所應(yīng)用，但在深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖裝備的設(shè)計(jì)中還不多見(jiàn)。

3壓縮空氣+重力自流+潛水泵方案

根據(jù)前述方案，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選取復(fù)合壓載系統(tǒng)方案，即壓載水泵-重力自流-壓縮空氣復(fù)合壓載系統(tǒng)。該復(fù)合壓載方案通過(guò)分別利用重力自流、壓縮空氣的優(yōu)勢(shì)，再采用壓載水泵對(duì)以上壓載能力的不足進(jìn)行補(bǔ)充。壓縮空氣的優(yōu)勢(shì)在于排水過(guò)程。

6萬(wàn)方深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖裝備結(jié)構(gòu)一共有17個(gè)壓載艙。其中RC3、RC5、RC9、RC11艙容為45.8 m;RC1、RC7艙容為67.7m;WBP1/S1、WBP5/S5艙容約為153.9m;WBP2/S2、WBP3/S3、WBP4/S4艙容為170.1m;WB13C艙容為869m。

外圓6座立柱RC1、RC3、RC5、RC7、RC9、RC11、底部船形浮箱WBP1/S1、WBP2/S2、WBP3/S3、WBP4/S4、WBP5/S5，一共16個(gè)壓載艙使用壓縮空氣。中央立柱WB13C采用潛水泵進(jìn)排壓載水，實(shí)現(xiàn)流量微調(diào)和精確控制。

網(wǎng)箱上浮工況，例如從避臺(tái)工況到工作工況，先用壓縮空氣驅(qū)除外圓6座立柱壓載艙壓載水，再用中央立柱潛水泵精確調(diào)節(jié)，以達(dá)到設(shè)計(jì)吃水線(xiàn)。

3.1壓縮空氣

根據(jù)完整穩(wěn)性計(jì)算，網(wǎng)箱從避臺(tái)狀態(tài)到工作工況需要用壓縮空氣排出外圓6座立柱RC1、RC3、RC5、RC7、RC9、RC11壓載水，一共V=85m壓載海水。

這部分壓載水用壓縮空氣排出，所需壓縮空氣量為：

網(wǎng)箱避臺(tái)狀態(tài)下，壓載水排出口離海平面約36m，排水壓力P1取0.36Mpa，那么所需壓縮空氣量如下式所示：

如果使用每個(gè)3立方3MPa空氣瓶?jī)?chǔ)存這些壓縮空氣，需要10個(gè)空氣瓶，為滿(mǎn)足安全余量要求，可以設(shè)置12個(gè)空氣瓶，在外圓6座立柱RC1、RC3、RC5、RC7、RC9、RC11的上部空間分別布置兩個(gè)空氣瓶。

根據(jù)完整穩(wěn)性計(jì)算，網(wǎng)箱從工作工況到檢修工況需要用壓縮空氣排出底部船形浮箱WBP1、WBP2、WBP3、WBP4、WBP5、WBS1、WBS2、WBS3、WBS4、WBS5的壓載水，一共V=1636m壓載海水。正常養(yǎng)殖工況下網(wǎng)箱吃水20m，此處排水壓力P2取0.2Mpa，那么所需壓縮空氣量如下式所示：

如果使用每個(gè)3立方3MPa空氣瓶?jī)?chǔ)存這些壓縮空氣，則需要38個(gè)空氣瓶，有限的漁場(chǎng)存儲(chǔ)空間滿(mǎn)足不了空間要求。而當(dāng)漁場(chǎng)需要從工作工況上浮到檢修工況時(shí)，漁場(chǎng)附近有工作船，此時(shí)如果使用工作船上的空氣源，不僅可以滿(mǎn)足空氣量，也將大大節(jié)省漁場(chǎng)的設(shè)備成本和布置空間。

3.2潛水泵

中央立柱壓載艙WB13C依靠潛水泵進(jìn)排水，中央立柱壓載艙容為869m。當(dāng)漁場(chǎng)從工作工況下潛到避臺(tái)工況，需要打入壓載水635m;當(dāng)漁場(chǎng)從工作工況上浮到避臺(tái)工況，需要打出壓載水142m。為滿(mǎn)足規(guī)范要求，選用兩臺(tái)流量180m/h，揚(yáng)程30m，功率30kW的潛水泵。

當(dāng)打入壓載水635m3，可同時(shí)啟用兩臺(tái)潛水泵，用時(shí)約1.8h;當(dāng)打出壓載水142m，使用一臺(tái)潛水泵，用時(shí)約0.8h。

兩臺(tái)潛水泵設(shè)置在中央立柱WB13C底部，如下圖所示：

3.3壓載艙進(jìn)出海水口

壓載水艙WBP1～5、WBS1～5、RC1、RC3、RC5、RC7、RC9、RC11均采用遙控閥門(mén)系統(tǒng)，在檢修吃水線(xiàn)之上設(shè)置通海管路和濾器閥件，如下圖所示。利用中央立柱潛水泵調(diào)節(jié)漁場(chǎng)吃水，當(dāng)各壓載艙WBP1～5、WBS1～5、RC1、RC3、RC5、RC7、RC9、RC11通海管路沒(méi)入海水中，配合各艙透氣系統(tǒng)，可以在開(kāi)啟通海閥后，利用重力自流進(jìn)水，自然浸水下沉。其中WBP1～5、WBS1～5均處于平臺(tái)最低處，在抗臺(tái)吃水18m、工作吃水20m、避臺(tái)吃水36m時(shí)，開(kāi)啟通海閥重力自流自然浸水必然浸滿(mǎn)，且其他壓載艙的裝載可根據(jù)具體的壓載方案裝載。

壓載水泵-重力自流-壓縮空氣復(fù)合壓載系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了兩臺(tái)潛水泵，該系統(tǒng)總功率為60kW，滿(mǎn)足電力設(shè)計(jì)要求。在外圓立柱中設(shè)置壓縮空氣瓶，增加了漁場(chǎng)壓載系統(tǒng)可靠性。在檢修工況，充分利用外部條件，使用外部工作船的空氣源排壓載，大大降低了漁場(chǎng)的壓縮空氣瓶數(shù)量，滿(mǎn)足工況要求的同時(shí)，簡(jiǎn)化了壓載系統(tǒng)，降低了成本。

相比單獨(dú)的壓載水泵和單獨(dú)的壓縮空氣方案，復(fù)合壓載方案有更高效快速調(diào)撥的能力，可快速進(jìn)行壓載水進(jìn)、排和調(diào)載工作。當(dāng)外圓立柱壓載艙海水進(jìn)口高于船舶吃水時(shí)，此時(shí)用中央立柱壓載水艙潛水泵打壓載，利用重力自流使外圓立節(jié)省功耗。不同的方案相結(jié)合不僅可以提升壓載水調(diào)撥的可靠性，增加其安全性，使得漁場(chǎng)處于安全的浮態(tài)，大幅減少壓載時(shí)間，還能提高壓載精度，能夠明顯節(jié)約功率和制造維護(hù)成本。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，泵、壓縮空氣和重力自流三種壓載方式的對(duì)比分析，如表1所示。

當(dāng)前規(guī)?；?、集約化是深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖裝備的重要發(fā)展方向，在某一海域形成產(chǎn)業(yè)區(qū)域集群，通過(guò)精細(xì)化設(shè)計(jì)和管理可大幅度降低深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖裝備成本。壓載水進(jìn)排水系統(tǒng)作為養(yǎng)殖裝備中的一部分，也需要依靠規(guī)?；M(jìn)一步精細(xì)化設(shè)計(jì)以節(jié)約成本。養(yǎng)殖裝備大部分是大吃水深度的柱穩(wěn)式結(jié)構(gòu)，它的甲板面積和艙體體積有限并且?jiàn)A板到壓載水艙的距離較長(zhǎng)，這對(duì)其管線(xiàn)及閥門(mén)布置設(shè)計(jì)形成一定的制約，需要對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)的精益化設(shè)計(jì)，以前面臨這一情況，設(shè)計(jì)者往往將管線(xiàn)及閥門(mén)簡(jiǎn)單的按照平行或?qū)ΨQ(chēng)關(guān)系布置。但顯然深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖裝備中不同的壓載水艙管路及閥門(mén)是在不同的海況和吃水深度進(jìn)行進(jìn)排水工作，因此需要對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)的精益化設(shè)計(jì)。

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