氣舉泵技術(shù)研究進(jìn)展及在深遠(yuǎn)海工船養(yǎng)殖中的應(yīng)用探討

文/林禮群 張耀明 董曉妮 王志勇

氣舉泵是以壓縮氣體為工作介質(zhì)，通過氣液動(dòng)量交換作用，實(shí)現(xiàn)提升液體或液體固體顆?；旌衔锏难b置。與常規(guī)機(jī)械泵相比，氣舉泵具有無機(jī)械傳動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐腐蝕、不受水深限制、初始成本和維護(hù)成本低、空間要求小等特點(diǎn)，在使用方面具有一定優(yōu)勢(shì)，較早應(yīng)用于石油、化工、河港口清淤等領(lǐng)域。雖然現(xiàn)階段相關(guān)專家已在氣舉泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)合理選擇上積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但由于氣舉泵中氣液流動(dòng)復(fù)雜性高，其工作效率較低，市場(chǎng)推廣受到限制。

氣舉泵技術(shù)在深遠(yuǎn)海工船養(yǎng)殖應(yīng)用方面尚處于探索階段。深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖作為拓展中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖空間，提升中國(guó)深遠(yuǎn)海漁業(yè)資源利用能力，推動(dòng)漁業(yè)提質(zhì)增效、生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變的重要途徑，是中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖重要研究和發(fā)展方向。我國(guó)深遠(yuǎn)海工船養(yǎng)殖起步較晚，目前缺乏系統(tǒng)性的養(yǎng)殖工藝研究與支撐設(shè)備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)、關(guān)鍵技術(shù)突破。深遠(yuǎn)海工船養(yǎng)殖需要大量水泵、排污泵、增氧泵等，存在耗能巨大、安裝復(fù)雜、維護(hù)費(fèi)用高等問題。開展氣舉泵技術(shù)在深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖工程中的應(yīng)用研究，挖掘其應(yīng)用潛能，對(duì)推動(dòng)我國(guó)深遠(yuǎn)海綠色養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

氣舉泵結(jié)構(gòu)原理圖

一、氣舉泵技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

第一臺(tái)氣舉泵由德國(guó)工程師卡爾·伊曼紐爾·洛舍于1797年發(fā)明。這項(xiàng)技術(shù)的第一次實(shí)際應(yīng)用直到1846年才在美國(guó)出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)該技術(shù)在賓夕法尼亞州首次被用于石油工業(yè)。1949年，蘇聯(lián)阿塞拜疆油田將氣力提升技術(shù)應(yīng)用于石油開采并取得了較好的效果。隨后，氣舉泵開始向多領(lǐng)域擴(kuò)展，技術(shù)也日臻完善。由于氣舉泵提升管內(nèi)多相流建模的復(fù)雜性和氣舉泵在各行業(yè)中應(yīng)用的特殊性，研究評(píng)價(jià)氣舉泵的性能一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者們感興趣的課題。

在氣舉泵運(yùn)行參數(shù)影響研究方面：Saito等研究了深海應(yīng)用中氣舉泵系統(tǒng)的流體動(dòng)力學(xué)，在研究的氣體速率范圍內(nèi)獲得了每個(gè)泵的最大液體流速；Abed使用數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出揚(yáng)水量與提升管長(zhǎng)度、浸入率及內(nèi)徑的關(guān)系；Kassab等得出泵的揚(yáng)水量和效率是空氣質(zhì)量流量、浸入率和提升管長(zhǎng)度的函數(shù)；Hanafizadeh等利用圖像處理技術(shù)對(duì)氣舉泵提升管內(nèi)的氣液兩相上升流動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，檢測(cè)到4種主要流動(dòng)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)彈狀流狀態(tài)最適合氣舉泵系統(tǒng)；Fujimoto等研究了提升管局部彎曲對(duì)三相空氣—水—固體顆?；旌衔锪鲃?dòng)特性的影響，試驗(yàn)表明彎管的存在降低了氣舉泵的性能；Esen對(duì)橫截面為矩形和圓形的提升管進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究，表明在高氣流量值下矩形截面管道對(duì)氣力提升效率高于圓形截面管道，而在低氣流量下則相反。

在進(jìn)氣結(jié)構(gòu)參數(shù)影響研究方面：Runkin開創(chuàng)性計(jì)算得到噴射器在變工況下的特征曲線方程；Morrison等使用不同數(shù)量氣體噴射器研究了不同進(jìn)氣方式下的氣舉泵提升性能，得出空氣進(jìn)氣方式對(duì)氣舉泵提升效率有很大影響；Khalil等研究了空氣注入方法對(duì)氣舉泵性能的影響，表明初始?xì)馀莩叽绾蜌馀菰谥魈嵘苤械姆植紝?duì)泵的性能有很大的影響；Ahmed將空氣噴射器噴嘴在提升管底部以徑向和軸向組合的方式注入壓縮空氣，可有效提高泵的效率；向文英等提出氣舉泵與自激振蕩脈沖水射流聯(lián)合作用清淤方法，并在海南省文昌市某濱海砂礦場(chǎng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，取得了良好效果；胡東、唐川林、裴江紅等研究了氣孔數(shù)量與進(jìn)氣安裝角度對(duì)揚(yáng)水量、揚(yáng)沙量及總效率的影響，得出任一進(jìn)氣方式下?lián)P水量、揚(yáng)沙量及總效率并不隨氣量值增加呈現(xiàn)單調(diào)特性，氣孔數(shù)量和進(jìn)氣角度對(duì)揚(yáng)水量及揚(yáng)沙量影響較小，對(duì)總效率影響程度稍大。

在氣舉泵流體物性參數(shù)影響研究方面。Kassab等基于控制容積法，建立了氣舉泵在氣—水—固三相流中的性能預(yù)測(cè)模型，并使用粗糙、不規(guī)則、不均勻顆粒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究了浸入率和固體顆粒粒徑對(duì)泵性能的影響，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。當(dāng)氣流速度一定時(shí)，隨著浸入率的增大，固體顆粒的質(zhì)量流量也增大，反之，隨顆粒尺寸的增大而減小，氣舉泵揚(yáng)水量和固體顆粒的性能均取決于泵運(yùn)行時(shí)的流型。Barrut等研究測(cè)試了循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)淡水和海水對(duì)氣舉泵性能影響，結(jié)果顯示，隨著管道長(zhǎng)度和空氣流量的增加和揚(yáng)程高度的減小，水流量增加，但是水流量與水的類型有關(guān)，淡水的水流量范圍為0～35m/h，海水流量?jī)H為0～20m/h，這種差異歸因于在海水（0%～20%）中觀察到的氣泡直徑較小，氣含率高于淡水（0%～10%）。

二、氣舉泵技術(shù)應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的研究現(xiàn)狀

關(guān)于氣舉泵技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用研究，早在1987年，Parker就設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的氣舉泵系統(tǒng)，評(píng)估氣舉泵輸送水的流速后發(fā)現(xiàn)，水流量會(huì)隨著進(jìn)氣量的增加而增加，水流量增加到臨界點(diǎn)后，由于兩相流型的轉(zhuǎn)變，水的流速會(huì)突然減小。在之后一些國(guó)外文獻(xiàn)中也有不少氣舉泵技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面的相關(guān)研究，研究關(guān)注點(diǎn)除了氣舉泵運(yùn)行參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)提升和曝氣性能的影響外，還有顆粒密度、養(yǎng)殖水體含鹽率和養(yǎng)殖空間真空度等對(duì)氣舉泵提升性能的影響規(guī)律。這些研究大部分處于實(shí)驗(yàn)階段，很少有水產(chǎn)養(yǎng)殖企業(yè)應(yīng)用氣舉泵技術(shù)進(jìn)行水循環(huán)、曝氣和養(yǎng)殖污物清除。這可能是由于傳統(tǒng)氣舉泵設(shè)計(jì)效率較低，在提高氣舉泵性能方面的研究有限，以及水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)對(duì)氣舉泵技術(shù)的認(rèn)識(shí)與研究不足。

Barrut等為測(cè)試氣舉泵在淡水和養(yǎng)殖海水中的輸水能力，并將其與循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)中常用的其他泵送系統(tǒng)進(jìn)行比較，構(gòu)建了真空氣舉泵水循環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)。研究表明，由于氣含率和氣泡大小的不同，氣舉泵在淡水和海水中的功能存在顯著差異。與海水相比，淡水條件下，氣泡聚并現(xiàn)象明顯，氣含率低于海水，輸水能力更高，但揚(yáng)程較低。抽水方面，真空度的增加略微提高了氣舉泵的輸水能力，并被用作在不增加注入深度的情況下增加浸沒比的替代方案。在循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)中，由于水質(zhì)的變化以及氣泡尺寸和氣含率的變化，加入進(jìn)料會(huì)迅速增加真空氣舉泵輸送的水流量。在低揚(yáng)程循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)（揚(yáng)程≤0.3m）中，真空氣舉泵可將提升同樣高度的離心泵所需的能量降低40%，但對(duì)于高揚(yáng)程，離心泵在水流量和能耗方面都有更好的效果。氣舉泵裝置的主要優(yōu)點(diǎn)為在同一裝置中結(jié)合了水輸送、氣體交換和泡沫分餾三大功能，因此在低揚(yáng)程水產(chǎn)養(yǎng)殖中具有一定應(yīng)用前景。

Shallouf等針對(duì)集成式水產(chǎn)養(yǎng)殖跑道的氣舉泵系統(tǒng)進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬，并在加拿大安大略省南部的一處水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施中安裝了一個(gè)由FloNergia公司提供的氣舉泵系統(tǒng)?；谠谂艿鲤B(yǎng)殖系統(tǒng)中保持特定流速值對(duì)于幫助魚類生長(zhǎng)至關(guān)重要，他研究了氣舉泵系統(tǒng)對(duì)跑道養(yǎng)殖的流量及運(yùn)行的影響，測(cè)量了穿過和沿著跑道的流速分布，以及不同深度的流速分布，試驗(yàn)測(cè)量值與數(shù)值結(jié)果吻合較好。這些結(jié)果表明，CFD方法可以用來研究氣舉泵系統(tǒng)的性能，并很好地提供預(yù)測(cè)結(jié)果，Shallouf將CFD方法納入該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段，獲取對(duì)設(shè)備運(yùn)行的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，并按照預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)將氣舉泵集成到水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中，挖掘出巨大的經(jīng)濟(jì)效益潛力。

江濤等針對(duì)大水面網(wǎng)箱養(yǎng)殖面域污染的問題，研發(fā)了網(wǎng)箱底部養(yǎng)殖污物匯集裝置，利用氣舉泵提升方法對(duì)沉積在養(yǎng)殖網(wǎng)箱底部的養(yǎng)殖污物尾水進(jìn)行提升收集，并結(jié)合相關(guān)生態(tài)處理技術(shù)及工藝對(duì)收集的養(yǎng)殖廢棄尾水進(jìn)行處理。經(jīng)大水面網(wǎng)箱養(yǎng)殖試驗(yàn)表明，每個(gè)網(wǎng)箱廢棄物每日收集一次，每個(gè)集污斗采用的氣舉泵提水量為0.34m，集污斗內(nèi)的水由渾濁排至透明僅需85s以上，試驗(yàn)證實(shí)了氣舉泵能快速有效提升排放養(yǎng)殖污物。

三、氣舉泵技術(shù)應(yīng)用于深遠(yuǎn)海工船養(yǎng)殖的探討

氣舉泵技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖的應(yīng)用場(chǎng)景主要有三種：一是養(yǎng)殖用水曝氣增氧。養(yǎng)殖用水的循環(huán)和曝氣提高了初級(jí)生產(chǎn)力，減少了分層，增加了養(yǎng)分的溶解，減少了底層有機(jī)物的積累，增加了魚類產(chǎn)量。二是養(yǎng)殖水體輸送交換。輸送水通常采用常規(guī)泵循環(huán)，但由于氣舉泵裝置易于建造、使用簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)，在低揚(yáng)程系統(tǒng)中使用時(shí)，能源成本比標(biāo)準(zhǔn)泵低35%，所以更適用于養(yǎng)殖水體輸送交換。三是養(yǎng)殖污物提升排放。通過氣力提升的方法對(duì)沉積在養(yǎng)殖池底部的廢棄物尾水進(jìn)行提升收集。

深遠(yuǎn)海工船養(yǎng)殖是通過養(yǎng)殖水體交換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖艙內(nèi)水體與外界自然海水進(jìn)行不間斷強(qiáng)制交換，借助深層取水裝置獲取溫度鹽度適宜的海水進(jìn)行養(yǎng)殖，保持養(yǎng)殖魚處于良好生長(zhǎng)狀態(tài)，提升水產(chǎn)養(yǎng)殖品質(zhì)。同時(shí)，考慮到工船養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)性，在工船有限養(yǎng)殖空間內(nèi)一般采用高效增氧方式開展高密度養(yǎng)殖，為保持良好的養(yǎng)殖水質(zhì)，必須要在養(yǎng)殖艙中安裝集排污裝置及時(shí)清除養(yǎng)殖污物。因此，養(yǎng)殖海水交換、養(yǎng)殖艙增氧與養(yǎng)殖污物清除是深遠(yuǎn)海工船養(yǎng)殖作業(yè)的重要環(huán)節(jié)。

在深遠(yuǎn)海工船養(yǎng)殖生產(chǎn)中，經(jīng)常需要輸送流量大、揚(yáng)程低的水體。目前市售的傳統(tǒng)水泵揚(yáng)程多高于1m，能耗較高，電路鋪設(shè)與安裝麻煩，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高。此外由于傳統(tǒng)水泵流量大、流速快，養(yǎng)殖魚類容易進(jìn)入泵內(nèi)受到損傷，造成不必要的損失。氣舉泵適用于低揚(yáng)程系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低、維護(hù)少，輸送水體時(shí)不會(huì)對(duì)養(yǎng)殖生物造成傷害，還具有驅(qū)動(dòng)能源來源廣的特點(diǎn)，可以利用深遠(yuǎn)海豐富的能源，如風(fēng)能、波浪能、太陽能等作為驅(qū)動(dòng)力，保障系統(tǒng)正常運(yùn)行。其應(yīng)用于深遠(yuǎn)海工船養(yǎng)殖，可以解決傳統(tǒng)泵使用帶來的諸多問題，對(duì)推進(jìn)深遠(yuǎn)海工船養(yǎng)殖裝備發(fā)展具有重要意義。

四、氣舉泵技術(shù)應(yīng)用于深遠(yuǎn)海工船養(yǎng)殖的發(fā)展建議

（一）加快試驗(yàn)與數(shù)值模擬條件建設(shè)

由于深遠(yuǎn)海工船養(yǎng)殖環(huán)境比較復(fù)雜，不確定因素多，使得氣舉泵技術(shù)在深遠(yuǎn)海工船養(yǎng)殖的研究目前還處于探索階段，相關(guān)試驗(yàn)條件并未完善，與實(shí)際應(yīng)用還存在很大差距，阻礙了該技術(shù)的拓展應(yīng)用。相關(guān)部門需進(jìn)一步加強(qiáng)條件建設(shè)，模擬真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件，并進(jìn)行數(shù)值模擬軟件的開發(fā)，更加精確地模擬出現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用工況。

（二）增加氣舉泵多功能性應(yīng)用設(shè)計(jì)與動(dòng)力來源

在深遠(yuǎn)海工船養(yǎng)殖中，可采用多功能作用方式設(shè)計(jì)應(yīng)用氣舉泵，即將其輸送水體、增氧、去除水體養(yǎng)殖污物等作用統(tǒng)籌設(shè)計(jì)應(yīng)用，使系統(tǒng)更加緊湊，減少安裝空間和維護(hù)管理成本，最大限度減少用戶使用成本，有效提升養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益。如，在氣舉泵壓縮空氣出氣口端增加曝氣裝置，保證氧氣充分溶解，從而實(shí)現(xiàn)有效增氧，提高養(yǎng)殖水體水質(zhì)；在氣舉泵提升管底部設(shè)置養(yǎng)殖固體污物收集裝置，在提升管頂部設(shè)置固液分離裝置，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖污物提升收集，改善養(yǎng)殖水體環(huán)境。氣舉泵利用壓縮空氣提升液體及液固混合物，其壓縮空氣的動(dòng)力可以直接來源于深遠(yuǎn)海豐富的自然能源，可在深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖工船設(shè)置波浪能動(dòng)力攝取裝置，也可增加太陽能、風(fēng)能等能源攝取裝置，達(dá)到充分利用海上清潔能源、節(jié)能降耗的目的。

（三）提高氣舉泵工作效率

工作效率相對(duì)較低是氣舉泵一直以來的弱點(diǎn)，極大限制了氣舉泵的市場(chǎng)推廣應(yīng)用。在合理選擇氣舉泵應(yīng)用場(chǎng)景下，尤其是在氣舉泵最適宜的低揚(yáng)程、大流量應(yīng)用環(huán)境下，進(jìn)一步合理設(shè)計(jì)其運(yùn)行參數(shù)、浸入率、進(jìn)氣結(jié)構(gòu)類型、進(jìn)氣排布方式、提升管結(jié)構(gòu)參數(shù)等，并選擇合適的控制閥件，選擇耐壓、耐磨與密閉性能良好的管系，可有效提高氣舉泵的系統(tǒng)性能與效率。另一方面，由于提升管內(nèi)流型處于彈狀流或彈—攪拌狀流型時(shí)，氣舉泵效率最高，因此需要控制氣流速度與壓力，保證提升管內(nèi)始終處于彈狀流或彈—攪拌狀流型狀態(tài)，從而保持較高工作效率。也可以基于氣舉泵結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將氣舉泵單元級(jí)聯(lián)組合，實(shí)現(xiàn)水位逐級(jí)提升，進(jìn)而提升揚(yáng)程與工作效率。

（四）提高氣舉泵應(yīng)用智能化水平

隨著各行業(yè)智能裝備的不斷發(fā)展，節(jié)約養(yǎng)殖勞動(dòng)成本、提高智能化管理水平也成為水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢(shì)。針對(duì)氣舉泵系統(tǒng)的開關(guān)、開度與計(jì)量等控制元器件，結(jié)合氣舉泵多方位傳感器自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開發(fā)氣舉泵多參數(shù)運(yùn)行集中控制平臺(tái)，根據(jù)輸出量狀態(tài)自動(dòng)完成氣舉泵供氣壓力、流量、液位等的實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)控，并針對(duì)深遠(yuǎn)海工船氣舉泵特定應(yīng)用及操作方法，開發(fā)電腦、手機(jī)等多平臺(tái)操作系統(tǒng)，使整個(gè)操作方便快捷，進(jìn)一步使氣舉泵應(yīng)用做到設(shè)計(jì)參數(shù)化、控制智能化、操作簡(jiǎn)單化，從而更好地促進(jìn)深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖業(yè)機(jī)械化、智能化發(fā)展。