海洋科考船自動(dòng)化表層海水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

段玉龍，段玉廷

(1.中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七〇八研究所，上海 200011；2.愛可倫貿(mào)易(上海)有限公司，上海 200025)

海洋科考船相當(dāng)于一個(gè)將生物、化學(xué)、地質(zhì)、氣象、聲學(xué)，以及電磁等學(xué)科集一身的大型綜合移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室。海洋科考船通常主要配備三大類系統(tǒng)：樣品采集系統(tǒng)、儀器探測(cè)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)分析系統(tǒng)。樣品采集系統(tǒng)主要包括走航表層海水、痕量金屬海水、CTD采水、浮游生物、海底表層沉積物、海底深層物質(zhì)、氣溶膠等采集的子系統(tǒng)；儀器探測(cè)系統(tǒng)主要包括海洋地質(zhì)地貌、海底礦物、海流、魚群、氣象、聲學(xué)、海氣通量等探測(cè)的子系統(tǒng)；而實(shí)驗(yàn)分析系統(tǒng)主要包括生物、化學(xué)、地質(zhì)等實(shí)驗(yàn)分析的子系統(tǒng)。海洋科考的數(shù)據(jù)及樣品的真實(shí)性的關(guān)鍵在于采樣系統(tǒng)。目前我國(guó)海洋科考船上的表層海水采樣系統(tǒng)基本為全手動(dòng)操作，存在清洗時(shí)間短、沖洗效果不佳、操作復(fù)雜、管內(nèi)殘留較多液體、存在清洗死角、僅可單方向沖刷、嚴(yán)重浪費(fèi)清洗藥劑、易出現(xiàn)人為失誤等等問題，無法確保采集樣品的準(zhǔn)確性及真實(shí)性。由于海水作為海洋科考船的最重要研究對(duì)象之一，故考慮設(shè)計(jì)解決上述問題的專用的自動(dòng)化表層海水采樣系統(tǒng)。

1 科考海水種類及用途

目前科考海水主要分為三類：走航表層海水、痕量金屬海水、現(xiàn)場(chǎng)海水。

1.1 走航表層海水

走航表層海水是在船舶低速航行的情況下，提取的海洋表層處海水。表層海水的溫度、鹽度、顆粒物(如浮游生物等)，以及溶解氧等等生化指標(biāo)的變化情況，最能直接反應(yīng)人類活動(dòng)對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響，并能為科學(xué)家分析海洋、氣候的變化，以及探索海洋的奧秘提供最原始的數(shù)據(jù)。

對(duì)于走航表層海水的分析主要是通過表層海水分析儀來完成的，在船舶走航過程中，實(shí)時(shí)分析表層海水并記錄對(duì)應(yīng)海域坐標(biāo)、時(shí)間及分析結(jié)果。其對(duì)取樣的要求主要是：連續(xù)性、實(shí)時(shí)性及真實(shí)性。為此，表層海水取水泵不可采用斷續(xù)供水的活塞泵；取樣口不得從海水門上直接引入，而需在舷側(cè)設(shè)置專門的取水口，以防止海水門內(nèi)積存的海水影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果；取樣過程應(yīng)盡可能減少來自外界環(huán)境的影響，如管路包覆絕緣材料以保證原海水溫度的穩(wěn)定性，采用塑料管或雙相不銹鋼管以減少對(duì)海水的污染等。

1.2 痕量金屬海水

痕量金屬元素在海洋生物的整個(gè)生命周期中起著至關(guān)重要的作用，有些痕量金屬對(duì)于海洋生物的生長(zhǎng)起著促進(jìn)作用，但有些痕量金屬對(duì)海洋生物的生長(zhǎng)有著抑制作用，這些作用與痕量金屬的存在形態(tài)有關(guān)。不少痕量金屬在古海洋學(xué)研究中發(fā)揮著重要的作用，是解開地球環(huán)境變遷歷史的重要指標(biāo)。

通過對(duì)海水中痕量金屬種類及含量的分析，不僅能夠幫助人類進(jìn)一步了解海洋生態(tài)結(jié)構(gòu)，而且還能夠真實(shí)地反映工農(nóng)業(yè)廢水對(duì)于海洋的污染情況。

痕量金屬海水的采集主要是通過升降鰭板，從海洋較為深處獲取未受船舶污染的海水。其取水的主要要求與走航表層海水基本相同，但特別要求防止所取海水與金屬材料直接接觸，避免發(fā)生任何金屬離子污染。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)海水

現(xiàn)場(chǎng)海水主要是用于甲板及樣品的沖洗，以及海生物的培養(yǎng)及養(yǎng)殖。對(duì)于海水的潔凈度及溫度等沒有特殊要求，僅需保證供水系統(tǒng)耐腐蝕。

常規(guī)設(shè)計(jì)的表層海水系統(tǒng)見圖1。

圖1 常規(guī)設(shè)計(jì)的表層海水系統(tǒng)示意

2 設(shè)計(jì)方案

表層海水系統(tǒng)在所有科考海水系統(tǒng)中設(shè)計(jì)最為復(fù)雜。目前常規(guī)設(shè)計(jì)的表層海水系統(tǒng)除存在引言中所述問題外，由于船上科學(xué)家非船員，對(duì)于管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不了解，很難按正常流程操作；而船員也非科學(xué)家，也難以按科學(xué)研究的要求標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行清潔。

為了解決上述問題，以中山大學(xué)科考船為例，對(duì)自動(dòng)化表層海水系統(tǒng)組成、功能及設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行介紹。

自動(dòng)化表層海水系統(tǒng)組成見圖2。

圖2 自動(dòng)化表層海水系統(tǒng)示意

自動(dòng)化表層海水系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)有兩臺(tái)表層海水取水泵，相互備用，可實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)切換，確保供水的連續(xù)性。表層海水取水泵可采用氣動(dòng)隔膜泵，也可采用食品級(jí)不銹鋼螺桿泵(變頻)。采用氣動(dòng)隔膜泵可有效地杜絕海水與金屬物質(zhì)直接接觸，但需要消耗大量的壓縮空氣，甚至配置額外的壓縮空氣系統(tǒng)；而采用食品級(jí)不銹鋼螺桿泵(變頻)，雖不能避免海水直接與金屬物質(zhì)接觸，但其材質(zhì)為食品級(jí)不銹鋼，也可防止對(duì)海水樣品的影響。此外，食品級(jí)不銹鋼螺桿泵(變頻)可有效調(diào)節(jié)供水量，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，防止紊流的發(fā)生，更能有效的防止對(duì)海水樣品的影響，確保表層海水取樣的真實(shí)性及準(zhǔn)確性。

為了防止取樣海水被污染，并確保取樣的實(shí)時(shí)性，通常在右舷艏側(cè)推前設(shè)置專用的系統(tǒng)取水口，排水口設(shè)置在左舷(科考船其他排水口均布置在左舷)水面附近。按規(guī)范要求，系統(tǒng)在機(jī)器處所內(nèi)的管路，通常采用雙相不銹鋼管，其他處所管路可采用PVDF管，管路外均包覆隔熱材料，以減少對(duì)海水樣品的污染。在表層海水取水泵的進(jìn)口需設(shè)置濾器，以減少海水中雜物對(duì)泵及監(jiān)測(cè)儀器的影響。

系統(tǒng)中走航表層海水分析儀前還需設(shè)置渦流除泡器，以去除海水中氣泡及渦流，降低對(duì)試驗(yàn)分析結(jié)果的影響，并確保走航表層海水分析儀對(duì)表層海水進(jìn)行不間斷的分析監(jiān)測(cè)。

通過在表層海水取水泵的出口總管上設(shè)置流量計(jì)及壓力傳感器，取水泵的進(jìn)口總管以及用戶的進(jìn)口總管上設(shè)置壓力傳感器和溫度傳感器，表層海水控制箱可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)功能的監(jiān)測(cè)及故障報(bào)警，并通過對(duì)遙控閥及表層海水取水泵的控制，完成自動(dòng)糾錯(cuò)功能。

此外，表層海水控制箱采用一鍵觸屏式，簡(jiǎn)化操作流程，便于操作，減少人為操作失誤，并可使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采樣、自動(dòng)清洗、自動(dòng)循環(huán)浸泡消毒以及自動(dòng)干燥等功能，解決常規(guī)表層海水系統(tǒng)中存在問題及弊端。

2.1 自動(dòng)采樣工況

當(dāng)需要采集或連續(xù)監(jiān)測(cè)走航表層海水時(shí)，僅需點(diǎn)擊表層控制箱觸屏上的自動(dòng)采樣按鈕，系統(tǒng)將自動(dòng)開啟相應(yīng)的遙控閥，并通過監(jiān)測(cè)流量、壓力等參數(shù)，調(diào)節(jié)表層海水取水泵(變頻)轉(zhuǎn)速及三通閥開度，為用戶或走航表層海水分析儀提供連續(xù)、穩(wěn)定的表層海水。當(dāng)供壓或流量異常、泵故障時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)切換至備用泵組，確保供水的連續(xù)性。

2.2 自動(dòng)清洗工況

當(dāng)采樣完成，停止使用時(shí)，為防止管路內(nèi)海生物附著，首先采用技術(shù)淡水或蒸餾水對(duì)整個(gè)管系進(jìn)行徹底沖洗，將原管路內(nèi)海水排至舷外。

2.3 自動(dòng)循環(huán)浸泡消毒工況

待系統(tǒng)經(jīng)技術(shù)淡水或蒸餾水徹底沖洗后，通過開關(guān)遙控閥，調(diào)整管路內(nèi)液體流向，引入消毒桶內(nèi)液體，使消毒液充滿整個(gè)系統(tǒng)，并在系統(tǒng)管路內(nèi)不斷循環(huán)及靜置浸泡消毒，徹底消除管路內(nèi)海生物，以防對(duì)后續(xù)采樣試驗(yàn)產(chǎn)生影響。循環(huán)及浸泡的時(shí)間可通過表層海水控制箱進(jìn)行調(diào)整，消毒桶的容量必須大于清洗管路的容積。

在完成循環(huán)浸泡消毒工況時(shí)，需再次按照自動(dòng)清洗工況，引入技術(shù)淡水或蒸餾水，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)管路進(jìn)行徹底沖洗，并將系統(tǒng)管路內(nèi)的消毒液排至舷外。

2.4 自動(dòng)干燥工況

通過接入干燥清潔的壓縮空氣，將管路內(nèi)遺留的技術(shù)淡水或蒸餾水，壓至舷外。待管路內(nèi)液體基本排凈后，暫停引入壓縮空氣，通過開啟泄放管及進(jìn)氣管上的遙控閥，將系統(tǒng)內(nèi)殘留的液體徹底排放干凈。然后，再次接入壓縮空氣，對(duì)管路內(nèi)壁進(jìn)行不斷沖刷，直至管內(nèi)水蒸氣徹底消除為止。

自動(dòng)干燥工況的沖刷時(shí)間也可在表層海水控制箱上進(jìn)行調(diào)整。在沖刷完成后，系統(tǒng)內(nèi)所有遙控閥均將自動(dòng)關(guān)閉，使系統(tǒng)管路一直處于干燥清潔的狀態(tài)，以備下次使用。

除自動(dòng)采樣工況外，其他各項(xiàng)工況，可單獨(dú)運(yùn)行操作，也可按預(yù)定程序組合運(yùn)行操作。

3 結(jié)論

實(shí)船的運(yùn)行及拆檢試驗(yàn)結(jié)果表明，自動(dòng)化表層海水系統(tǒng)不僅操作方便，簡(jiǎn)化了人員操作步驟，極大的降低了操作失誤的可能；而且各工況運(yùn)行狀況良好，各管段經(jīng)清洗后干燥清潔，無殘留液體，較好的解決了常規(guī)手動(dòng)操作的表層海水系統(tǒng)的問題及弊端，更加符合海洋科考的需求，可確保表層海水采樣的準(zhǔn)確性及真實(shí)性。同樣，痕量金屬海水的自動(dòng)化取樣系統(tǒng)也可參照上述自動(dòng)化表層海水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，以減少科考人員工作量及人為失誤，并提高取樣的準(zhǔn)確性及真實(shí)性。