海上养殖工船应急增氧系统

陈来生，樊 杰，秦 帅，张培培，许佳慧

(南通中集能源装备有限公司，江苏 南通 226002)

0 引 言

随着社会经济的快速发展，人们对高品质水产的需求不断增加。近年来，我国近海渔业资源日益枯竭，海洋捕捞产量逐年递减，水产品供应主要依靠海水养殖。由于海水养殖业受近岸水温环境的影响大，而近岸养殖系统会因残饵、粪便和药物的积存影响近岸水质条件，从而危害水产品的品质，由此形成恶性循环。因而，国内水产养殖行业开始将目光投向水质更加优良、水温更加适宜的深远海，积极探索深海养殖技术，依托大型深海养殖工船实现深远海鱼类的“捕捞—养殖—加工”一体化，不断提供优质水产品来满足人民日益增长的水产品需求，已成为海水养殖的重要发展方向。

养殖工船的设计与制造是为了在海上开展集约化生产的工业化养殖模式，实现海洋渔业由“捕”到“养”的根本性转变，同时躲避恶劣海况与海域的大型海上养殖工厂，推进海上养殖设施向深远海发展。养殖工船作为一个新的养殖载体，将海洋工程装备业与工业化养殖、新能源开发、海洋生物资源开发相结合，较好地解决了传统养殖业发展不可持续的问题，具有可移动、污染小、绿色高效等优势，是离岸养殖业发展的一个新方向。

1 养殖工船及应急增氧系统

智慧渔业养殖工船的养殖装备包含养殖舱增氧系统、应急增氧系统、鱼苗入舱及计数系统、投饲系统、舱壁清洁系统、死鱼收集及处理系统、舱养成鱼起捕系统、养殖集控系统等。增氧系统对养殖水体进行快速增氧，维持养殖鱼舱内水体中的溶解氧浓度，保证养殖对象健康和快速生长需要，鱼舱出水溶解氧浓度要求不低于5 mg/L。正常增氧系统通过氧锥设备采用气水混合方式对海水源水进行快速增氧。

应急增氧系统的工作原理是在养殖水体交换系统或氧锥设备无法正常使用情况下，将应急曝气装置放入养殖舱内，采用射流曝气方式向养殖鱼舱内供氧，维持时间不低于48 h。图1为应急增氧液氧罐箱示意图。

图1 应急增氧液氧罐箱Fig.1 Emergency oxygenation liquid oxygen tank

本文针对智慧渔业大型养殖工船工厂化循环水养殖技术，对养殖舱应急增氧技术进行研究，设计了养殖工船远程终端控制、自动化供氧的智能化控制技术，解决了养殖水体紧急情况下自动供氧问题，保障了养殖鱼品安全。采用“宜储宜运”的液氧罐箱储备液氧，设备可移动调装，产品灵活性强，且保温性能优良，可满足长时间远洋航行无放散的要求。

液氧是一种冷冻液化气体，液氧与氧气的转化体积膨胀比为1：800倍左右；20 ft(注：1 ft=304.8 mm)液氧罐箱储存20 m3左右的液氧可以汽化为1.6万m3的氧气；可满足大型养殖工船高效、长时间、快接应急增氧。

2 应急增氧系统总体设计

2.1 应急增氧系统结构组成

液氧应急供给系统设备包括：2×20 ft液氧罐箱、汽化+调压+计量装置、控制箱、积液盘。

具体布置和用途说明如下。

1. 20 ft液氧罐箱。布置在甲板上，其作用是液氧储存。罐箱与船体采用集装箱锁件结构固定。

2. 汽化、调压、计量装置。汽化、调压、计量装置集成在8 m×2.5 m的撬装块内，布置在甲板上，撬块与船体采用螺栓或焊接结构连接。其作用是液氧汽化、氧气调压+计量、应急供气。

3. 控制箱。控制箱布置在主控室，其作用是对液氧罐箱液位、压力及应急增氧系统氧气温度、压力、流量信号进行监控；同时对液氧罐箱的液氧输出气动阀进行操控。

功能具体包括：液氧罐箱内液位数据远传监控显示及高低位报警；液氧罐箱内压力数据远传监控显示及高低压报警；液氧输入汽化器的气动阀开关控制；应急增氧压力、温度、流量监控显示。

4.积液盘。罐箱和供气撬设置低温液体承接盘，防止低温液体泄漏到船体，造成船体冻裂损坏。

2.2 增氧系统工艺流程

液氧罐箱及供氧系统工艺流程主要有罐箱换罐加注流程、罐箱自动增压流程、养殖仓应急供氧流程。

图2 应急增氧流程Fig.2 Emergency oxygenation process diagram

2.2.1液氧罐箱换箱加注流程

养殖工船主控室液氧罐箱低液位报警→养殖工船靠泊码头→液氧罐箱与供氧撬连接快接接头脱开→罐箱集装箱角件锁解锁→罐箱空箱吊装下船→罐箱运输到液氧工厂充装→液氧满箱运输到码头吊装上船→罐箱与船上集装箱支座对接锁件锁固→罐箱与供气撬快接接头连接→连接接头及连接软管气密试验合格，船舶驶离码头，液氧罐箱换罐加注完成。

2.2.2液氧罐箱自动增压流程

液氧罐箱罐内压力低于0.6 MPa时，自增压管路自带升压调压阀开启→液氧流入罐箱两侧空温式加热器→液氧吸热汽化回流罐箱气相空间→罐箱内液氧压力升高，保证罐箱液氧进入供气撬汽化器的压力不低于0.8～1.0 MPa，从而保证增氧系统向养殖仓供氧压力维持在0.35 MPa。当罐箱内压力大于1.2 MPa时，增压调压阀关闭，停止自增压流程。

2.2.3养殖仓应急供氧流程

养殖工船主控室检测到制氧机供氧故障，紧急启动液氧应急供氧系统，开启液氧罐箱出液启动控制阀→液氧进入供气撬2100 Nm3/h空浴式汽化器→液氧吸热汽化为气氧→氧气自力式调压阀进行压力调节、氧气温度上传主控室→氧气缓冲罐储存→氧气流量计量→氧气切换进入制氧机供氧氧锥设备→实现养殖仓应急增氧。

2.3 应急增氧系统功能参数

应急增氧系统功能参数如表1。

表1 增氧系统功能参数表Table 1 Function parameter list of oxygenation system

2台液氧罐箱及气化调压计量撬布置于甲板上。撬与罐箱采用方便拆装的真空软管+干式快装接头进行连接。应急液氧罐箱设有液位及压力测量装置，能够实现罐箱液位计压力远程控制和就地显示。当罐箱液位达容积的90%和罐箱液位降到容积的20%时，系统液位报警装置将发出声光报警信号。当罐箱压力达到安全阀整定压力的90%时，将触发高压警报。实际使用中，可选择2个罐箱同时供液，也可选择先使用其中1台。应急增氧系统可实现完全远程自动化操作，控制系统放置在驾驶室，便于航行过程中监测。

3 20 ft船用可移式液氧罐箱

3.1 液氧罐箱概述

20 ft 1CC型低温液体罐式集装箱是国际标准型罐式集装箱、联合国分类代码为液氧-UN1073，中国分类代码为液氧-22002，其适用于水路、公路之间的联运，并在规定的条件下正常工作。低温液体罐式集装箱的设计、制造、检验和使用必须满足GB 150—2011《压力容器》、IMDG《国际海运危险货物规则》、《1972年国际集装箱海关公约》和《1972年国际集装箱安全公约》的要求，应取得中国船级社对低温液体罐式集装箱的型式认证、颁发的样箱试验认可证书及批量产品检验的可移动罐柜证书；贮罐的低温绝热性能试验必须由已取得国家主管机关认可的权威检验机构检验，并取得相应的检验证书。为满足国内铁路运输工况条件下的需求，低温液体罐式集装箱样箱需通过国家主管机关或国际组织认可的权威检验机构所进行的铁路碰撞试验，并取得相应检验证书。

液氧罐箱采用高真空多层绝热结构，内容器壁厚按GB 150—2011《压力容器》计算、校核，同时按IMDG Code 2018 Edition《国际海运危险货物规则》进行1.3倍的最大允许工作压力强度校核和等效低碳钢最小厚度的校核。采用100%射线检测，焊缝系数取1.0；由于介质对内容器材料无腐蚀，故腐蚀裕度取0；外壳(注：根据 CGA 341 3.6.2.1或IMDG 6.7.4.2.9外压应力校核)焊缝系数取0.85(A类)、0.85(B类)。外壳设置内加强圈，满足GB 150—2011《压力容器》的相关规定。

液氧罐箱具有陆上充装运输和船用液氧储存应急供氧功能。

3.2 罐箱组成及技术参数

液氧罐箱主要由液氧罐、集装箱框架组成，其技术参数如表2。

表2 液氧罐箱技术参数表Table 2 Technical parameters list of liquid oxygen tank

4 液氧罐箱换罐模式加注技术

目前港口码头基本没有液氧加注设施，养殖工船液氧无法采用码头加注模式加注。故养殖工船液氧加注采用可移式液氧罐箱换罐模式是最佳解决方案。创新应用液氧罐箱“换罐模式”，即养殖工船靠岸后直接利用船上吊机将船上空箱和港口满箱进行调换，实现快速切换。换罐模式区别于传统船舶靠泊加注，采用可移动液氧罐箱替代传统固定式液氧罐，通过类似于电池换装的形式快速换箱，节省了建造专用加注站(船)的费用，同时有效解决了现有加注模式加注时间长、安全隐患多的缺点。液氧换箱“加注”作业可在现有大部分港口码头完成，因而可移动式液氧罐箱作为养殖工船上应急增氧储存容器更具有适用性。

4.1 可移动式罐箱与船舶固定结构

罐箱与船体之间采用角件锁连接，手动旋转实现锁紧，可实现快速换箱。

图3 燃料罐箱与船舶固定结构图Fig.3 Fixed structure of fuel tank and ship

4.2 罐箱与供氧撬联接技术

为了保证液氧换罐加注，罐箱与增氧汽化撬联接，采用了干式快接接头+双层真空管联接技术(如图4)；为防止液氧泄漏对船体甲板带来不可逆的损害，在所有的连接点均布置了不锈钢承滴盘，能够有效降低低温损坏风险，保护船体甲板和周围设备。

图4 干式快接接头+真空软管连接Fig.4 Dry quick connection + vacuum hose connection

5 结束语

本项目研发的液氧应急增氧系统及液氧罐箱将应用在“国信一号”全封闭可游弋大型养殖工船，属行业首例。液氧罐箱养殖工船新型换罐模式应急增氧系统的成功应用，为后续行业“LNG动力船换罐模式解决方案”的推广提供了有力的技术支撑和实践经验；在水上清洁能源应用上产生引领效应，为践行绿色发展承诺、深入推进双碳目标的落地助力添能。