熊威 嚴俊 張三豐 黃靜 林程鵬

摘要：本文以某6萬方深遠海養(yǎng)殖裝備壓載沉浮系統(tǒng)設計為例進行分析論證。為滿足6萬方深遠海養(yǎng)殖裝備檢修、抗臺和避臺工況的沉浮需要，需要設置壓載系統(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。通過三種方式的比較計算分析，設計出了壓載水泵+重力自流+壓縮空氣復合壓載系統(tǒng)方案。復合壓載方案有更高效快速調(diào)撥的能力，可快速進行壓載水進、排和調(diào)載工作。不同的方案相結合不僅可以提升壓載水調(diào)撥的可靠性，增加其安全性，使得漁場處于安全的浮態(tài)，大幅減少壓載時間，還能提高壓載精度，能夠明顯節(jié)約功耗和制造維護成本。

關鍵詞：壓載系統(tǒng);壓縮空氣;重力自流;潛水泵

中圖分類號：TE951文獻標識碼：A文章編號：1006—7973（2022）05-0118-04

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

1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

黃海水產(chǎn)研究所針對網(wǎng)箱下沉臨界水深時易發(fā)生箱體側傾的問題，設計了一種泵壓式網(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;武昌船舶重工集團湖北海洋工程裝備研究院研發(fā)的世界最大的深遠海全潛式網(wǎng)箱“深藍一號”，有效養(yǎng)殖水深30米，整個養(yǎng)殖水體約5萬立方，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壓載水。

韓國國立全南大學研制了一種基于氣動控制的自動沉浮網(wǎng)箱系統(tǒng)ASFCS （Automatic Submersible Fish Cage System）。該網(wǎng)箱是多邊形立柱結構，由一個剛性框架組件與8個可變壓載艙、8個固定壓載艙和12個浮力筒構成[2-3]。每個壓載艙均接有一路壓縮空氣管，打開壓縮空氣系統(tǒng)主閥，壓縮空氣通過各支管注入壓載艙，利用壓縮空氣進行排水，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）集團投資，中船重工武船集團建造的“Ocean Farm 1”在青島完工，如圖4所示，該養(yǎng)殖平臺總高69米，直110米，養(yǎng)殖水體25萬方[4-5]。其壓載系統(tǒng)使用潛水泵進排壓載水。

2壓排載方式及特點分析

深遠海養(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)點是簡單易行，可以省去動力輸送設備，初始進水速度較快，通常用于一般運輸船舶中，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，當水位不能產(chǎn)生正壓時，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，將重力勢能轉變?yōu)閯幽?。根?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，當往艙內(nèi)注水時，舷外水與艙內(nèi)水的液位差逐漸變小，導致進水速度逐漸變小;往舷外排水時，同樣排水速度也逐漸變小，因此重力自流方式會導致流速不恒定。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海水總管泵入壓載艙或將某一壓載艙的海水調(diào)撥至另一壓載艙，實現(xiàn)壓載注入和調(diào)撥功能。泵注入方式對壓載艙的位置和船舶吃水沒有要求而且技術成熟，可靠性好，可以隨時調(diào)節(jié)浮態(tài)，所以是壓載注入最常用的一種方式。通過計算選取泵的排量壓頭，可保證壓載時間和調(diào)撥高度，且系統(tǒng)流速恒定，在操作簡易性上，壓載泵注入要優(yōu)于重力自流注入。當然因為設有壓載泵，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，壓載艙必須位于水線以下，利用空壓機降低艙內(nèi)空氣壓力，當艙外氣壓大于艙內(nèi)氣壓時，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和空氣瓶，對于養(yǎng)殖網(wǎng)箱可使用工作船上的設備，成本和能耗較低，且進水速度較快，工作可靠性較好，但也存在不少明顯的不足之處，如：系統(tǒng)設計較常規(guī)系統(tǒng)復雜得多，對船體結構的要求很高，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，對壓載控制系統(tǒng)提高了要求，增加了設計和建造成本，同時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似，只是方向相反。在一般運輸船舶上這種方式應用廣泛，于頂邊壓載水艙特別適合應用。此種排出方式同樣受平臺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，壓載水則無法排出。

泵排出是壓載排出的第二種方式，該方式原理和泵注入類似。同樣泵排出方式對壓載艙的位置和船舶吃水沒有要求而且技術成熟，應用廣泛。同時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，后者簡單得多，施工方便，節(jié)約費用，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，當空氣墊壓力大于壓載水管路排出阻力時，排出壓載水。在工程應用中，通常將這種方式與重力自流注水方式相結合，可節(jié)省壓載泵配置數(shù)量及相關管系，但需要增大壓載艙的結構強度，以及壓縮空氣系統(tǒng)的壓力分配控制會給系統(tǒng)設計、建造和管理帶來難度，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、起重船上有所應用，但在深遠海養(yǎng)殖裝備的設計中還不多見。

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)設計選取復合壓載系統(tǒng)方案，即壓載水泵-重力自流-壓縮空氣復合壓載系統(tǒng)。該復合壓載方案通過分別利用重力自流、壓縮空氣的優(yōu)勢，再采用壓載水泵對以上壓載能力的不足進行補充。壓縮空氣的優(yōu)勢在于排水過程。

6萬方深遠海養(yǎng)殖裝備結構一共有17個壓載艙。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個壓載艙使用壓縮空氣。中央立柱WB13C采用潛水泵進排壓載水，實現(xiàn)流量微調(diào)和精確控制。

網(wǎng)箱上浮工況，例如從避臺工況到工作工況，先用壓縮空氣驅除外圓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)，以達到設計吃水線。

3.1壓縮空氣

根據(jù)完整穩(wěn)性計算，網(wǎng)箱從避臺狀態(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3立方3MPa空氣瓶儲存這些壓縮空氣，需要10個空氣瓶，為滿足安全余量要求，可以設置12個空氣瓶，在外圓6座立柱RC1、RC3、RC5、RC7、RC9、RC11的上部空間分別布置兩個空氣瓶。

根據(jù)完整穩(wěn)性計算，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3立方3MPa空氣瓶儲存這些壓縮空氣，則需要38個空氣瓶，有限的漁場存儲空間滿足不了空間要求。而當漁場需要從工作工況上浮到檢修工況時，漁場附近有工作船，此時如果使用工作船上的空氣源，不僅可以滿足空氣量，也將大大節(jié)省漁場的設備成本和布置空間。

3.2潛水泵

中央立柱壓載艙WB13C依靠潛水泵進排水，中央立柱壓載艙容為869m。當漁場從工作工況下潛到避臺工況，需要打入壓載水635m;當漁場從工作工況上浮到避臺工況，需要打出壓載水142m。為滿足規(guī)范要求，選用兩臺流量180m/h，揚程30m，功率30kW的潛水泵。

當打入壓載水635m3，可同時啟用兩臺潛水泵，用時約1.8h;當打出壓載水142m，使用一臺潛水泵，用時約0.8h。

兩臺潛水泵設置在中央立柱WB13C底部，如下圖所示：

3.3壓載艙進出海水口

壓載水艙WBP1～5、WBS1～5、RC1、RC3、RC5、RC7、RC9、RC11均采用遙控閥門系統(tǒng)，在檢修吃水線之上設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)漁場吃水，當各壓載艙WBP1～5、WBS1～5、RC1、RC3、RC5、RC7、RC9、RC11通海管路沒入海水中，配合各艙透氣系統(tǒng)，可以在開啟通海閥后，利用重力自流進水，自然浸水下沉。其中WBP1～5、WBS1～5均處于平臺最低處，在抗臺吃水18m、工作吃水20m、避臺吃水36m時，開啟通海閥重力自流自然浸水必然浸滿，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-壓縮空氣復合壓載系統(tǒng)中設計了兩臺潛水泵，該系統(tǒng)總功率為60kW，滿足電力設計要求。在外圓立柱中設置壓縮空氣瓶，增加了漁場壓載系統(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，大大降低了漁場的壓縮空氣瓶數(shù)量，滿足工況要求的同時，簡化了壓載系統(tǒng)，降低了成本。

相比單獨的壓載水泵和單獨的壓縮空氣方案，復合壓載方案有更高效快速調(diào)撥的能力，可快速進行壓載水進、排和調(diào)載工作。當外圓立柱壓載艙海水進口高于船舶吃水時，此時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，使得漁場處于安全的浮態(tài)，大幅減少壓載時間，還能提高壓載精度，能夠明顯節(jié)約功率和制造維護成本。

4結語

綜上所述，泵、壓縮空氣和重力自流三種壓載方式的對比分析，如表1所示。

當前規(guī)?；?、集約化是深遠海養(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，通過精細化設計和管理可大幅度降低深遠海養(yǎng)殖裝備成本。壓載水進排水系統(tǒng)作為養(yǎng)殖裝備中的一部分，也需要依靠規(guī)?；M一步精細化設計以節(jié)約成本。養(yǎng)殖裝備大部分是大吃水深度的柱穩(wěn)式結構，它的甲板面積和艙體體積有限并且夾板到壓載水艙的距離較長，這對其管線及閥門布置設計形成一定的制約，需要對其進行單獨的精益化設計，以前面臨這一情況，設計者往往將管線及閥門簡單的按照平行或對稱關系布置。但顯然深遠海養(yǎng)殖裝備中不同的壓載水艙管路及閥門是在不同的海況和吃水深度進行進排水工作，因此需要對其進行單獨的精益化設計。

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