海上養殖工船應急增氧系統

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

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

養殖工船的設計與制造是為了在海上開展集約化生產的工業化養殖模式，實現海洋漁業由“捕”到“養”的根本性轉變，同時躲避惡劣海況與海域的大型海上養殖工廠，推進海上養殖設施向深遠海發展。養殖工船作為一個新的養殖載體，將海洋工程裝備業與工業化養殖、新能源開發、海洋生物資源開發相結合，較好地解決了傳統養殖業發展不可持續的問題，具有可移動、污染小、綠色高效等優勢，是離岸養殖業發展的一個新方向。

1 養殖工船及應急增氧系統

智慧漁業養殖工船的養殖裝備包含養殖艙增氧系統、應急增氧系統、魚苗入艙及計數系統、投飼系統、艙壁清潔系統、死魚收集及處理系統、艙養成魚起捕系統、養殖集控系統等。增氧系統對養殖水體進行快速增氧，維持養殖魚艙內水體中的溶解氧濃度，保證養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。正常增氧系統通過氧錐設備采用氣水混合方式對海水源水進行快速增氧。

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

圖1 應急增氧液氧罐箱Fig.1 Emergency oxygenation liquid oxygen tank

本文針對智慧漁業大型養殖工船工廠化循環水養殖技術，對養殖艙應急增氧技術進行研究，設計了養殖工船遠程終端控制、自動化供氧的智能化控制技術，解決了養殖水體緊急情況下自動供氧問題，保障了養殖魚品安全。采用“宜儲宜運”的液氧罐箱儲備液氧，設備可移動調裝，產品靈活性強，且保溫性能優良，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；可滿足大型養殖工船高效、長時間、快接應急增氧。

2 應急增氧系統總體設計

2.1 應急增氧系統結構組成

液氧應急供給系統設備包括：2×20 ft液氧罐箱、汽化+調壓+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構固定。

2. 汽化、調壓、計量裝置。汽化、調壓、計量裝置集成在8 m×2.5 m的撬裝塊內，布置在甲板上，撬塊與船體采用螺栓或焊接結構連接。其作用是液氧汽化、氧氣調壓+計量、應急供氣。

3. 控制箱?？刂葡洳贾迷谥骺厥?，其作用是對液氧罐箱液位、壓力及應急增氧系統氧氣溫度、壓力、流量信號進行監控；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：液氧罐箱內液位數據遠傳監控顯示及高低位報警；液氧罐箱內壓力數據遠傳監控顯示及高低壓報警；液氧輸入汽化器的氣動閥開關控制；應急增氧壓力、溫度、流量監控顯示。

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

2.2 增氧系統工藝流程

液氧罐箱及供氧系統工藝流程主要有罐箱換罐加注流程、罐箱自動增壓流程、養殖倉應急供氧流程。

圖2 應急增氧流程Fig.2 Emergency oxygenation process diagram

2.2.1液氧罐箱換箱加注流程

養殖工船主控室液氧罐箱低液位報警→養殖工船靠泊碼頭→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→罐箱運輸到液氧工廠充裝→液氧滿箱運輸到碼頭吊裝上船→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

液氧罐箱罐內壓力低于0.6 MPa時，自增壓管路自帶升壓調壓閥開啟→液氧流入罐箱兩側空溫式加熱器→液氧吸熱汽化回流罐箱氣相空間→罐箱內液氧壓力升高，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，從而保證增氧系統向養殖倉供氧壓力維持在0.35 MPa。當罐箱內壓力大于1.2 MPa時，增壓調壓閥關閉，停止自增壓流程。

2.2.3養殖倉應急供氧流程

養殖工船主控室檢測到制氧機供氧故障，緊急啟動液氧應急供氧系統，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→氧氣自力式調壓閥進行壓力調節、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備→實現養殖倉應急增氧。

2.3 應急增氧系統功能參數

應急增氧系統功能參數如表1。

表1 增氧系統功能參數表Table 1 Function parameter list of oxygenation system

2臺液氧罐箱及氣化調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。應急液氧罐箱設有液位及壓力測量裝置，能夠實現罐箱液位計壓力遠程控制和就地顯示。當罐箱液位達容積的90%和罐箱液位降到容積的20%時，系統液位報警裝置將發出聲光報警信號。當罐箱壓力達到安全閥整定壓力的90%時，將觸發高壓警報。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。應急增氧系統可實現完全遠程自動化操作，控制系統放置在駕駛室，便于航行過程中監測。

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、公路之間的聯運，并在規定的條件下正常工作。低溫液體罐式集裝箱的設計、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則》、《1972年國際集裝箱海關公約》和《1972年國際集裝箱安全公約》的要求，應取得中國船級社對低溫液體罐式集裝箱的型式認證、頒發的樣箱試驗認可證書及批量產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認可的權威檢驗機構檢驗，并取得相應的檢驗證書。為滿足國內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或國際組織認可的權威檢驗機構所進行的鐵路碰撞試驗，并取得相應檢驗證書。

液氧罐箱采用高真空多層絕熱結構，內容器壁厚按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，焊縫系數取1.0；由于介質對內容器材料無腐蝕，故腐蝕裕度取0；外殼(注：根據 CGA 341 3.6.2.1或IMDG 6.7.4.2.9外壓應力校核)焊縫系數取0.85(A類)、0.85(B類)。外殼設置內加強圈，滿足GB 150—2011《壓力容器》的相關規定。

液氧罐箱具有陸上充裝運輸和船用液氧儲存應急供氧功能。

3.2 罐箱組成及技術參數

液氧罐箱主要由液氧罐、集裝箱框架組成，其技術參數如表2。

表2 液氧罐箱技術參數表Table 2 Technical parameters list of liquid oxygen tank

4 液氧罐箱換罐模式加注技術

目前港口碼頭基本沒有液氧加注設施，養殖工船液氧無法采用碼頭加注模式加注。故養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。創新應用液氧罐箱“換罐模式”，即養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換，實現快速切換。換罐模式區別于傳統船舶靠泊加注，采用可移動液氧罐箱替代傳統固定式液氧罐，通過類似于電池換裝的形式快速換箱，節省了建造專用加注站(船)的費用，同時有效解決了現有加注模式加注時間長、安全隱患多的缺點。液氧換箱“加注”作業可在現有大部分港口碼頭完成，因而可移動式液氧罐箱作為養殖工船上應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構

罐箱與船體之間采用角件鎖連接，手動旋轉實現鎖緊，可實現快速換箱。

圖3 燃料罐箱與船舶固定結構圖Fig.3 Fixed structure of fuel tank and ship

4.2 罐箱與供氧撬聯接技術

為了保證液氧換罐加注，罐箱與增氧汽化撬聯接，采用了干式快接接頭+雙層真空管聯接技術(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險，保護船體甲板和周圍設備。

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

5 結束語

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