海上養(yǎng)殖工船應(yīng)急增氧系統(tǒng)

陳來生，樊 杰，秦 帥，張培培，許佳慧

(南通中集能源裝備有限公司，江蘇 南通 226002)

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對高品質(zhì)水產(chǎn)的需求不斷增加。近年來，我國近海漁業(yè)資源日益枯竭，海洋捕撈產(chǎn)量逐年遞減，水產(chǎn)品供應(yīng)主要依靠海水養(yǎng)殖。由于海水養(yǎng)殖業(yè)受近岸水溫環(huán)境的影響大，而近岸養(yǎng)殖系統(tǒng)會因殘餌、糞便和藥物的積存影響近岸水質(zhì)條件，從而危害水產(chǎn)品的品質(zhì)，由此形成惡性循環(huán)。因而，國內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)開始將目光投向水質(zhì)更加優(yōu)良、水溫更加適宜的深遠海，積極探索深海養(yǎng)殖技術(shù)，依托大型深海養(yǎng)殖工船實現(xiàn)深遠海魚類的“捕撈—養(yǎng)殖—加工”一體化，不斷提供優(yōu)質(zhì)水產(chǎn)品來滿足人民日益增長的水產(chǎn)品需求，已成為海水養(yǎng)殖的重要發(fā)展方向。

養(yǎng)殖工船的設(shè)計與制造是為了在海上開展集約化生產(chǎn)的工業(yè)化養(yǎng)殖模式，實現(xiàn)海洋漁業(yè)由“捕”到“養(yǎng)”的根本性轉(zhuǎn)變，同時躲避惡劣海況與海域的大型海上養(yǎng)殖工廠，推進海上養(yǎng)殖設(shè)施向深遠海發(fā)展。養(yǎng)殖工船作為一個新的養(yǎng)殖載體，將海洋工程裝備業(yè)與工業(yè)化養(yǎng)殖、新能源開發(fā)、海洋生物資源開發(fā)相結(jié)合，較好地解決了傳統(tǒng)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展不可持續(xù)的問題，具有可移動、污染小、綠色高效等優(yōu)勢，是離岸養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的一個新方向。

1 養(yǎng)殖工船及應(yīng)急增氧系統(tǒng)

智慧漁業(yè)養(yǎng)殖工船的養(yǎng)殖裝備包含養(yǎng)殖艙增氧系統(tǒng)、應(yīng)急增氧系統(tǒng)、魚苗入艙及計數(shù)系統(tǒng)、投飼系統(tǒng)、艙壁清潔系統(tǒng)、死魚收集及處理系統(tǒng)、艙養(yǎng)成魚起捕系統(tǒng)、養(yǎng)殖集控系統(tǒng)等。增氧系統(tǒng)對養(yǎng)殖水體進行快速增氧，維持養(yǎng)殖魚艙內(nèi)水體中的溶解氧濃度，保證養(yǎng)殖對象健康和快速生長需要，魚艙出水溶解氧濃度要求不低于5 mg/L。正常增氧系統(tǒng)通過氧錐設(shè)備采用氣水混合方式對海水源水進行快速增氧。

應(yīng)急增氧系統(tǒng)的工作原理是在養(yǎng)殖水體交換系統(tǒng)或氧錐設(shè)備無法正常使用情況下，將應(yīng)急曝氣裝置放入養(yǎng)殖艙內(nèi)，采用射流曝氣方式向養(yǎng)殖魚艙內(nèi)供氧，維持時間不低于48 h。圖1為應(yīng)急增氧液氧罐箱示意圖。

圖1 應(yīng)急增氧液氧罐箱Fig.1 Emergency oxygenation liquid oxygen tank

本文針對智慧漁業(yè)大型養(yǎng)殖工船工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)，對養(yǎng)殖艙應(yīng)急增氧技術(shù)進行研究，設(shè)計了養(yǎng)殖工船遠程終端控制、自動化供氧的智能化控制技術(shù)，解決了養(yǎng)殖水體緊急情況下自動供氧問題，保障了養(yǎng)殖魚品安全。采用“宜儲宜運”的液氧罐箱儲備液氧，設(shè)備可移動調(diào)裝，產(chǎn)品靈活性強，且保溫性能優(yōu)良，可滿足長時間遠洋航行無放散的要求。

液氧是一種冷凍液化氣體，液氧與氧氣的轉(zhuǎn)化體積膨脹比為1：800倍左右；20 ft(注：1 ft=304.8 mm)液氧罐箱儲存20 m3左右的液氧可以汽化為1.6萬m3的氧氣；可滿足大型養(yǎng)殖工船高效、長時間、快接應(yīng)急增氧。

2 應(yīng)急增氧系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 應(yīng)急增氧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

液氧應(yīng)急供給系統(tǒng)設(shè)備包括：2×20 ft液氧罐箱、汽化+調(diào)壓+計量裝置、控制箱、積液盤。

具體布置和用途說明如下。

1. 20 ft液氧罐箱。布置在甲板上，其作用是液氧儲存。罐箱與船體采用集裝箱鎖件結(jié)構(gòu)固定。

2. 汽化、調(diào)壓、計量裝置。汽化、調(diào)壓、計量裝置集成在8 m×2.5 m的撬裝塊內(nèi)，布置在甲板上，撬塊與船體采用螺栓或焊接結(jié)構(gòu)連接。其作用是液氧汽化、氧氣調(diào)壓+計量、應(yīng)急供氣。

3. 控制箱?？刂葡洳贾迷谥骺厥?，其作用是對液氧罐箱液位、壓力及應(yīng)急增氧系統(tǒng)氧氣溫度、壓力、流量信號進行監(jiān)控；同時對液氧罐箱的液氧輸出氣動閥進行操控。

功能具體包括：液氧罐箱內(nèi)液位數(shù)據(jù)遠傳監(jiān)控顯示及高低位報警；液氧罐箱內(nèi)壓力數(shù)據(jù)遠傳監(jiān)控顯示及高低壓報警；液氧輸入汽化器的氣動閥開關(guān)控制；應(yīng)急增氧壓力、溫度、流量監(jiān)控顯示。

4.積液盤。罐箱和供氣撬設(shè)置低溫液體承接盤，防止低溫液體泄漏到船體，造成船體凍裂損壞。

2.2 增氧系統(tǒng)工藝流程

液氧罐箱及供氧系統(tǒng)工藝流程主要有罐箱換罐加注流程、罐箱自動增壓流程、養(yǎng)殖倉應(yīng)急供氧流程。

圖2 應(yīng)急增氧流程Fig.2 Emergency oxygenation process diagram

2.2.1液氧罐箱換箱加注流程

養(yǎng)殖工船主控室液氧罐箱低液位報警→養(yǎng)殖工船靠泊碼頭→液氧罐箱與供氧撬連接快接接頭脫開→罐箱集裝箱角件鎖解鎖→罐箱空箱吊裝下船→罐箱運輸?shù)揭貉豕S充裝→液氧滿箱運輸?shù)酱a頭吊裝上船→罐箱與船上集裝箱支座對接鎖件鎖固→罐箱與供氣撬快接接頭連接→連接接頭及連接軟管氣密試驗合格，船舶駛離碼頭，液氧罐箱換罐加注完成。

2.2.2液氧罐箱自動增壓流程

液氧罐箱罐內(nèi)壓力低于0.6 MPa時，自增壓管路自帶升壓調(diào)壓閥開啟→液氧流入罐箱兩側(cè)空溫式加熱器→液氧吸熱汽化回流罐箱氣相空間→罐箱內(nèi)液氧壓力升高，保證罐箱液氧進入供氣撬汽化器的壓力不低于0.8～1.0 MPa，從而保證增氧系統(tǒng)向養(yǎng)殖倉供氧壓力維持在0.35 MPa。當(dāng)罐箱內(nèi)壓力大于1.2 MPa時，增壓調(diào)壓閥關(guān)閉，停止自增壓流程。

2.2.3養(yǎng)殖倉應(yīng)急供氧流程

養(yǎng)殖工船主控室檢測到制氧機供氧故障，緊急啟動液氧應(yīng)急供氧系統(tǒng)，開啟液氧罐箱出液啟動控制閥→液氧進入供氣撬2100 Nm3/h空浴式汽化器→液氧吸熱汽化為氣氧→氧氣自力式調(diào)壓閥進行壓力調(diào)節(jié)、氧氣溫度上傳主控室→氧氣緩沖罐儲存→氧氣流量計量→氧氣切換進入制氧機供氧氧錐設(shè)備→實現(xiàn)養(yǎng)殖倉應(yīng)急增氧。

2.3 應(yīng)急增氧系統(tǒng)功能參數(shù)

應(yīng)急增氧系統(tǒng)功能參數(shù)如表1。

表1 增氧系統(tǒng)功能參數(shù)表Table 1 Function parameter list of oxygenation system

2臺液氧罐箱及氣化調(diào)壓計量撬布置于甲板上。撬與罐箱采用方便拆裝的真空軟管+干式快裝接頭進行連接。應(yīng)急液氧罐箱設(shè)有液位及壓力測量裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)罐箱液位計壓力遠程控制和就地顯示。當(dāng)罐箱液位達容積的90%和罐箱液位降到容積的20%時，系統(tǒng)液位報警裝置將發(fā)出聲光報警信號。當(dāng)罐箱壓力達到安全閥整定壓力的90%時，將觸發(fā)高壓警報。實際使用中，可選擇2個罐箱同時供液，也可選擇先使用其中1臺。應(yīng)急增氧系統(tǒng)可實現(xiàn)完全遠程自動化操作，控制系統(tǒng)放置在駕駛室，便于航行過程中監(jiān)測。

3 20 ft船用可移式液氧罐箱

3.1 液氧罐箱概述

20 ft 1CC型低溫液體罐式集裝箱是國際標準型罐式集裝箱、聯(lián)合國分類代碼為液氧-UN1073，中國分類代碼為液氧-22002，其適用于水路、公路之間的聯(lián)運，并在規(guī)定的條件下正常工作。低溫液體罐式集裝箱的設(shè)計、制造、檢驗和使用必須滿足GB 150—2011《壓力容器》、IMDG《國際海運危險貨物規(guī)則》、《1972年國際集裝箱海關(guān)公約》和《1972年國際集裝箱安全公約》的要求，應(yīng)取得中國船級社對低溫液體罐式集裝箱的型式認證、頒發(fā)的樣箱試驗認可證書及批量產(chǎn)品檢驗的可移動罐柜證書；貯罐的低溫絕熱性能試驗必須由已取得國家主管機關(guān)認可的權(quán)威檢驗機構(gòu)檢驗，并取得相應(yīng)的檢驗證書。為滿足國內(nèi)鐵路運輸工況條件下的需求，低溫液體罐式集裝箱樣箱需通過國家主管機關(guān)或國際組織認可的權(quán)威檢驗機構(gòu)所進行的鐵路碰撞試驗，并取得相應(yīng)檢驗證書。

液氧罐箱采用高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)，內(nèi)容器壁厚按GB 150—2011《壓力容器》計算、校核，同時按IMDG Code 2018 Edition《國際海運危險貨物規(guī)則》進行1.3倍的最大允許工作壓力強度校核和等效低碳鋼最小厚度的校核。采用100%射線檢測，焊縫系數(shù)取1.0；由于介質(zhì)對內(nèi)容器材料無腐蝕，故腐蝕裕度取0；外殼(注：根據(jù) CGA 341 3.6.2.1或IMDG 6.7.4.2.9外壓應(yīng)力校核)焊縫系數(shù)取0.85(A類)、0.85(B類)。外殼設(shè)置內(nèi)加強圈，滿足GB 150—2011《壓力容器》的相關(guān)規(guī)定。

液氧罐箱具有陸上充裝運輸和船用液氧儲存應(yīng)急供氧功能。

3.2 罐箱組成及技術(shù)參數(shù)

液氧罐箱主要由液氧罐、集裝箱框架組成，其技術(shù)參數(shù)如表2。

表2 液氧罐箱技術(shù)參數(shù)表Table 2 Technical parameters list of liquid oxygen tank

4 液氧罐箱換罐模式加注技術(shù)

目前港口碼頭基本沒有液氧加注設(shè)施，養(yǎng)殖工船液氧無法采用碼頭加注模式加注。故養(yǎng)殖工船液氧加注采用可移式液氧罐箱換罐模式是最佳解決方案。創(chuàng)新應(yīng)用液氧罐箱“換罐模式”，即養(yǎng)殖工船靠岸后直接利用船上吊機將船上空箱和港口滿箱進行調(diào)換，實現(xiàn)快速切換。換罐模式區(qū)別于傳統(tǒng)船舶靠泊加注，采用可移動液氧罐箱替代傳統(tǒng)固定式液氧罐，通過類似于電池換裝的形式快速換箱，節(jié)省了建造專用加注站(船)的費用，同時有效解決了現(xiàn)有加注模式加注時間長、安全隱患多的缺點。液氧換箱“加注”作業(yè)可在現(xiàn)有大部分港口碼頭完成，因而可移動式液氧罐箱作為養(yǎng)殖工船上應(yīng)急增氧儲存容器更具有適用性。

4.1 可移動式罐箱與船舶固定結(jié)構(gòu)

罐箱與船體之間采用角件鎖連接，手動旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)鎖緊，可實現(xiàn)快速換箱。

圖3 燃料罐箱與船舶固定結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Fixed structure of fuel tank and ship

4.2 罐箱與供氧撬聯(lián)接技術(shù)

為了保證液氧換罐加注，罐箱與增氧汽化撬聯(lián)接，采用了干式快接接頭+雙層真空管聯(lián)接技術(shù)(如圖4)；為防止液氧泄漏對船體甲板帶來不可逆的損害，在所有的連接點均布置了不銹鋼承滴盤，能夠有效降低低溫損壞風(fēng)險，保護船體甲板和周圍設(shè)備。

圖4 干式快接接頭+真空軟管連接Fig.4 Dry quick connection + vacuum hose connection

5 結(jié)束語

本項目研發(fā)的液氧應(yīng)急增氧系統(tǒng)及液氧罐箱將應(yīng)用在“國信一號”全封閉可游弋大型養(yǎng)殖工船，屬行業(yè)首例。液氧罐箱養(yǎng)殖工船新型換罐模式應(yīng)急增氧系統(tǒng)的成功應(yīng)用，為后續(xù)行業(yè)“LNG動力船換罐模式解決方案”的推廣提供了有力的技術(shù)支撐和實踐經(jīng)驗；在水上清潔能源應(yīng)用上產(chǎn)生引領(lǐng)效應(yīng)，為踐行綠色發(fā)展承諾、深入推進雙碳目標的落地助力添能。