6万方深远海养殖装备压载沉浮系统设计

来源:用户上传      作者:熊威 严俊 张三丰 黄静 林程鹏

　　摘要：本文以某6万方深远海养殖装备压载沉浮系统设计为例进行分析论证。为满足6万方深远海养殖装备检修、抗台和避台工况的沉浮需要，需要设置压载系统。压载系统的注入和排出方式主要有三种方式：重力自流、压载泵注入和压缩空气注入。通过三种方式的比较计算分析，设计出了压载水泵+重力自流+压缩空气复合压载系统方案。复合压载方案有更高效快速调拨的能力，可快速进行压载水进、排和调载工作。不同的方案相结合不仅可以提升压载水调拨的可靠性，增加其安全性，使得渔场处于安全的浮态，大幅减少压载时间，还能提高压载精度，能够明显节约功耗和制造维护成本。
　　关键词：压载系统;压缩空气;重力自流;潜水泵
　　中图分类号：TE951文献标识码：A文章编号：1006―7973（2022）05-0118-04
　　随着养殖业的不断发展，我国沿海近水养殖已基本上饱和，未来的发展方向是往深远海进行开发，充分利用深远海资源。同时，大力推广大型深远海养殖装备，将有效拓展海洋养殖空间，提升我国海洋渔业经济的产能，降低宝贵的土地资源的开发压力。因此，研究大型深远海养殖装备具有重要的经济与社会效益。为满足大型深远海养殖装备抗台和避台的沉浮需要，需要设置压载系统。在压载系统中，压载水可以看作是不可压缩的流体，通过能量的转化，改变这些流体的位置，从而达到压载目的。改变流体位置的过程中，有些手段消耗的能量多，有些消耗的能量少，因此，设计出合理的压载沉浮方式，不仅可以满足规范要求，加快速度，也具有节能的优点。
　　1国内外研究现状
　　黄海水产研究所针对网箱下沉临界水深时易发生箱体侧倾的问题，设计了一种泵压式网箱遥控沉浮控制装置，如图1所示。原理是利用潜水泵向网箱压载舱注水，将舱内的空气排出，使网箱下沉，反之上浮;武昌船舶重工集团湖北海洋工程装备研究院研发的世界最大的深远海全潜式网箱“深蓝一号”，有效养殖水深30米，整个养殖水体约5万立方，如图2所示。其压载系统采用外接气源的压缩空气排压载水，采用重力自流方式进压载水。
　　韩国国立全南大学研制了一种基于气动控制的自动沉浮网箱系统ASFCS （Automatic Submersible Fish Cage System）。该网箱是多边形立柱结构，由一个刚性框架组件与8个可变压载舱、8个固定压载舱和12个浮力筒构成[2-3]。每个压载舱均接有一路压缩空气管，打开压缩空气系统主阀，压缩空气通过各支管注入压载舱，利用压缩空气进行排水，改变网箱浮力特性，使网箱上浮，如图3所示;2017年，由挪威萨玛尔（SALMAR）集团投资，中船重工武船集团建造的“Ocean Farm 1”在青岛完工，如图4所示，该养殖平台总高69米，直110米，养殖水体25万方[4-5]。其压载系统使用潜水泵进排压载水。
　　2压排载方式及特点分析
　　深远海养殖装备压载系统压载水的注入和排出主要有以下几种方式：重力自流、泵和压缩空气。
　　2.1压载注入方式分析
　　压载注入方式主要有重力自流、泵注入和压缩空气注入三种。
　　重力自流注入是指在没有外界压力的情况下，依靠海水自身的重力，以及液位差，从舷外流入压载舱，或从高位压载舱流入低位压载舱，完成压载水的注入或调拨。该方法的优点是简单易行，可以省去动力输送设备，初始进水速度较快，通常用于一般运输船舶中，尤其适用于双层底压载水舱。但是该方式也有一定的局限性。首先，自流注入方式受压载舱的布置位置和船舶吃水情况的影响较大，当水位不能产生正压时，就不能完成注人或调拨操作。其次，自流注入方式主要基于能量守恒原理，将重力势能转变为动能。根据能量平衡原理如下式所示：
　　式中：v：流速。h：舷外水与舱内水的液位差。g：重力加速度.由此可见，当往舱内注水时，舷外水与舱内水的液位差逐渐变小，导致进水速度逐渐变小;往舷外排水时，同样排水速度也逐渐变小，因此重力自流方式导致流速不恒定。这就增加了压载水系统的操作控制的难度。
　　泵注入是压载注入的第二种方式。该方式采用大排量的离心泵将舷外海水通过海水总管泵入压载舱或将某一压载舱的海水调拨至另一压载舱，实现压载注入和调拨功能。泵注入方式对压载舱的位置和船舶吃水没有要求而且技术成熟，可靠性好，可以随时调节浮态，所以是压载注入最常用的一种方式。通过计算选取泵的排量压头，可保证压载时间和调拨高度，且系统流速恒定，在操作简易性上，压载泵注入要优于重力自流注入。当然因为设有压载泵，该方式的能耗和成本均较高。
　　压缩空气注入是压载注入的第三种方式。该方法注入压载水时，压载舱必须位于水线以下，利用空压机降低舱内空气压力，当舱外气压大于舱内气压时，舷外的海水即可注入压载舱。压缩空气注入方式仅需配备空压机和空气瓶，对于养殖网箱可使用工作船上的设备，成本和能耗较低，且进水速度较快，工作可靠性较好，但也存在不少明显的不足之处，如：系统设计较常规系统复杂得多，对船体结构的要求很高，由于空气具有可压缩性，可溶于水，是弹性变化量，具有控制延迟性，对压载控制系统提高了要求，增加了设计和建造成本，同时也受制于压载舱布置位置和船舶吃水的限制。
　　2.2压载排出方式分析
　　压载排出方式主要有重力自流排出、泵排出和压缩空气排出三种。
　　重力自流排出方式原理和自流注入类似，只是方向相反。在一般运输船舶上这种方式应用广泛，于顶边压载水舱特别适合应用。此种排出方式同样受平台吃水情况和压载舱的布置位置的影响，若压载舱位置不能高于水线，压载水则无法排出。
　　泵排出是压载排出的第二种方式，该方式原理和泵注入类似。同样泵排出方式对压载舱的位置和船舶吃水没有要求而且技术成熟，应用广泛。同时由于这些泵的排量很大，要将舱内的水吸干比较困难，往往还需要配备扫舱泵。扫舱泵可以是活塞泵，也可以是喷射泵。两者比较，后者简单得多，施工方便，节约费用，所以目前被广泛采用。

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