李志雨 童 波 邵武豪

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011）

0 引 言

我國是漁業(yè)生產(chǎn)大國，水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量占漁業(yè)總產(chǎn)量的70%以上，其中魚類養(yǎng)殖產(chǎn)量90%以上來自以池塘養(yǎng)殖為主的內(nèi)陸淡水養(yǎng)殖，而廣闊的海洋卻未被充分利用，故海水魚養(yǎng)殖發(fā)展空間巨大。近年來，隨著內(nèi)陸和近岸養(yǎng)殖水域水體惡化、養(yǎng)殖空間受限和水產(chǎn)品安全等問題日益突出，發(fā)展深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖的呼聲越來越高、實踐越來越多，我國深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)鏈正在不斷探索中構(gòu)建和發(fā)展[1]。發(fā)展深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖拓展養(yǎng)殖新空間，關(guān)鍵是安全可靠的設(shè)施裝備，前提是養(yǎng)殖品種與生產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟性，途徑是規(guī)?；a(chǎn)與工業(yè)化管理[1-2]。安全、經(jīng)濟、可靠的深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖裝備，必定是現(xiàn)代化、工業(yè)化養(yǎng)殖技術(shù)與海洋工程裝備技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，需要漁業(yè)領(lǐng)域和裝備領(lǐng)域跨學(xué)科深入合作，開展不同路線的深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖裝備研究，對于發(fā)展適合我國國情的深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)具有積極的意義。

本文在分析深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖裝備發(fā)展技術(shù)路線的基礎(chǔ)上，針對采用循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)的大型養(yǎng)殖工船技術(shù)路線，分析總結(jié)船型總體設(shè)計思路，并對船型設(shè)計中的關(guān)鍵點（如循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)構(gòu)建、深水取水系統(tǒng)設(shè)計等問題）進(jìn)行深入探討，為將來該種船型設(shè)計開發(fā)提供借鑒。

1 深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖裝備技術(shù)路線

水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域在深遠(yuǎn)海的定義與海上油氣領(lǐng)域有非常大的差別，這主要受到裝備發(fā)展經(jīng)濟性和技術(shù)水平的限制。根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的認(rèn)識，深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖定義的主要特點為：離大陸岸線3 km 以上，處于開放水域；水深20 m 以上，具有大洋性浪流特征；規(guī)?；O(shè)施，具有一定的自動投喂、遠(yuǎn)程監(jiān)控和系統(tǒng)管理等能力。相比遮蔽水域和近岸養(yǎng)殖，深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖面臨離岸距離遠(yuǎn)、環(huán)境惡劣以及前期投入大等挑戰(zhàn)。

目前國內(nèi)外深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖裝備發(fā)展的技術(shù)路線主要有兩大類：一是深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖網(wǎng)箱，二是養(yǎng)殖工船。深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖網(wǎng)箱與傳統(tǒng)近岸網(wǎng)箱不同，一般是指采用大型浮體和/或桁架組成的框架式結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)衣系統(tǒng)組成的養(yǎng)殖設(shè)施，采用漂浮或坐底等作業(yè)方式，網(wǎng)箱內(nèi)部養(yǎng)殖水體和外部自然海域可自由交換。養(yǎng)殖工船是指具有船型、排水型的結(jié)構(gòu)型式，依托船體結(jié)構(gòu)構(gòu)建養(yǎng)殖水艙，具備自航能力，在漂浮狀態(tài)下采用定位系統(tǒng)進(jìn)行養(yǎng)殖作業(yè)的漁業(yè)養(yǎng)殖設(shè)施。不同的技術(shù)路線下又發(fā)展出不同的裝備型式[3]。

1.1 深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖網(wǎng)箱裝備技術(shù)路線

深遠(yuǎn)海環(huán)境條件較為惡劣，對網(wǎng)箱養(yǎng)殖的安全性提出了高要求。最初試水深遠(yuǎn)海的是HDPE 框架重力式網(wǎng)箱，后經(jīng)不斷改良，可滿足20 m 水深養(yǎng)殖需求。此種網(wǎng)箱單位造價成本較低，但抗風(fēng)浪性能較差，單個網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)量相對較小。

挪威是發(fā)展深遠(yuǎn)海大型網(wǎng)箱的代表。為鼓勵大型養(yǎng)殖企業(yè)走向深海，挪威政府推行“發(fā)展許可證”，鼓勵養(yǎng)殖企業(yè)采用新型養(yǎng)殖裝備走出峽灣；當(dāng)這些養(yǎng)殖裝備投產(chǎn)并達(dá)到預(yù)定養(yǎng)殖產(chǎn)量后，可免費獲得該養(yǎng)殖海域使用權(quán)，這對養(yǎng)殖企業(yè)極具吸引力。2017年，挪威SalMar 海洋集團(tuán)投資的全球首個半潛式養(yǎng)殖網(wǎng)箱“Ocean Fram 1”（見圖1）投產(chǎn)，養(yǎng)殖水體達(dá)25 萬m3，預(yù)計年產(chǎn)量8 000 t。該網(wǎng)箱于2020年通過了挪威漁業(yè)局的驗收，發(fā)展許可證成功轉(zhuǎn)換為永久養(yǎng)殖許可證。目前，SalMar 海洋集團(tuán)“Ocean Fram 2”項目正在積極推進(jìn)中。2021年，挪威Nordlaks 公司投資的“Havfram 1” 船形網(wǎng)箱交付，該裝備包含6 座深水網(wǎng)箱，采用外轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)進(jìn)行定位，養(yǎng)殖水體超過40 萬m3，可實現(xiàn)魚苗自動輸送、飼料自動投喂、水下監(jiān)測、水下增氧以及死魚回收和成魚自動搜捕等功能[4]。

圖1 “Ocean Fram 1”養(yǎng)殖網(wǎng)箱

圖2 “Havfram 1”養(yǎng)殖網(wǎng)箱

經(jīng)過多年發(fā)展，我國在深遠(yuǎn)海大型養(yǎng)殖網(wǎng)箱裝備方面已經(jīng)取得不小的成績，積累了豐富的設(shè)計、建造經(jīng)驗，但從單個裝備的養(yǎng)殖體量上看，與挪威仍有一定差距。國內(nèi)建成投產(chǎn)的典型裝備代表包括“深藍(lán)1 號”桁架式坐底網(wǎng)箱，養(yǎng)殖水體5 萬m3，經(jīng)過多年的實踐，成功驗證了黃海冷水團(tuán)鮭科魚類養(yǎng)殖技術(shù)路線[5]；“德海1 號”船形半潛桁架網(wǎng)箱，養(yǎng)殖水體5 萬m3，養(yǎng)殖大黃魚、軍曹魚等；“長鯨 1 號”坐底式網(wǎng)箱，養(yǎng)殖水體6 萬m3，養(yǎng)殖黑魚、黃魚；“振漁1 號”橄欖球形桁架網(wǎng)箱，養(yǎng)殖水體 1.3 萬m3，網(wǎng)箱可繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，可有效解決網(wǎng)衣海生物附著問題；“澎湖號”半潛式波浪能網(wǎng)箱，養(yǎng)殖水體1.5 萬m3，利用海洋波浪能和風(fēng)能為養(yǎng)殖生產(chǎn)提供必需的電力。2021年，煙臺海洋牧場“百箱計劃”首座網(wǎng)箱“經(jīng)海001號”在山東長島海域安裝。該網(wǎng)箱為坐底式網(wǎng)箱，養(yǎng)殖水體約7萬m3，養(yǎng)殖黑鲪。國內(nèi)目前發(fā)展的深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱多以3 萬至10 萬m3養(yǎng)殖水體的經(jīng)濟型網(wǎng)箱為主，部分省份（如山東、福建等）都制定了規(guī)模化發(fā)展深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱養(yǎng)殖的規(guī)劃。

養(yǎng)殖網(wǎng)箱內(nèi)部水體完全與外部相通，依托天然的海水資源養(yǎng)殖當(dāng)?shù)剡m養(yǎng)的魚種，根據(jù)裝備的實際需求配置自動化投飼設(shè)備、增氧設(shè)備、網(wǎng)衣清洗設(shè)備與水下監(jiān)控等設(shè)備，總體來講養(yǎng)殖成本相對較低。但網(wǎng)箱養(yǎng)殖面臨海洋水溫、水質(zhì)等變化導(dǎo)致的養(yǎng)殖失敗、海洋哺乳動物破損網(wǎng)衣導(dǎo)致魚類逃跑等風(fēng)險、網(wǎng)衣與桁架結(jié)構(gòu)連接處在海流作用下產(chǎn)生疲勞損害且海上安裝施工要求較高，這些相關(guān)問題還需要進(jìn)一步解決。

1.2 養(yǎng)殖工船裝備技術(shù)路線

上世紀(jì)80 至90年代，發(fā)達(dá)國家提出發(fā)展大型養(yǎng)殖工船的理念并進(jìn)行實踐，但始終未形成主體產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)規(guī)模有限。我國在養(yǎng)殖工船裝備技術(shù)路線上進(jìn)行了非常多研究。上世紀(jì)70年代末，雷霽霖院士繪制了“未來海洋農(nóng)牧場”建設(shè)藍(lán)圖，展示了建造養(yǎng)殖工船的初步設(shè)想；2017年國內(nèi)首艘養(yǎng)殖工船試驗船“魯嵐?jié)O養(yǎng) 61699”的開航標(biāo)志著我國發(fā)展養(yǎng)殖工船的設(shè)想進(jìn)入了實質(zhì)性的階段[6]。近幾年，國內(nèi)對深遠(yuǎn)海大型養(yǎng)殖工船的研究越來越系統(tǒng)和深入，就船載養(yǎng)殖系統(tǒng)技術(shù)來劃分，目前養(yǎng)殖工船裝備大致形成船體舷側(cè)開孔、封閉式全流水技術(shù)養(yǎng)殖工船以及封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖工船三種技術(shù)方向。

1.2.1 船體舷側(cè)開孔

該方案將養(yǎng)殖艙與海水直接連通，典型代表為“明德號”養(yǎng)殖工船 （見下頁圖3）。該船于2020年由散貨船改裝而成，養(yǎng)殖水體約 6 200 m3，以養(yǎng)殖黃條為主。該種方案養(yǎng)殖艙內(nèi)外水位高度相同，考慮到船型養(yǎng)殖裝備航行和作業(yè)干舷，養(yǎng)殖艙上部空間利用率較低；由于船體舷側(cè)開孔面積有限，完全依靠水體自然交換導(dǎo)致其養(yǎng)殖水體交換能力相對較差。該種船型雖然初始投資相對較低，但在養(yǎng)殖效率和防止病害方面具有明顯的劣勢，不具備裝備大型化和單個裝備規(guī)?；B(yǎng)殖發(fā)展的基礎(chǔ)。

圖3 “明德號”通海型養(yǎng)殖工船

1.2.2 封閉式全流水技術(shù)養(yǎng)殖工船

該船型采用封閉式養(yǎng)殖艙結(jié)構(gòu)，使用艙內(nèi)水泵不斷從一定深度抽取海水注入養(yǎng)殖艙內(nèi)，并通過舷外排孔排出，使得養(yǎng)殖艙內(nèi)水體具有適合養(yǎng)殖的流場和水體環(huán)境。該種方案養(yǎng)殖水體交換量大，一定程度上也受到養(yǎng)殖海域水溫水質(zhì)條件的影響。典型代表為“國信1 號”（見圖4）。該船由青島國信發(fā)展 （集團(tuán)）有限責(zé)任公司投資建造，2022年5月交付，設(shè)有15 個養(yǎng)殖艙，養(yǎng)殖水體接近9 萬m3，主要開展大黃魚養(yǎng)殖，設(shè)計年產(chǎn)量約3 700 t。

圖4 “國信1 號”養(yǎng)殖工船

國信集團(tuán)在發(fā)展以養(yǎng)殖工船為核心的深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖船隊方面展示了不小的雄心，計劃在未來5至10年陸續(xù)投資建造50 艘養(yǎng)殖工船，配以13 艘補給船、油料加注船、綜合試驗船，形成總噸位超過1 000 萬t 的12 支國際領(lǐng)先的標(biāo)準(zhǔn)示范船隊。

1.2.3 封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖工船

該船型采用封閉式養(yǎng)殖艙結(jié)構(gòu)，利用船載循環(huán)水處理系統(tǒng)去除養(yǎng)殖水體中的雜質(zhì)并增氧，保證最適宜的養(yǎng)殖水體水質(zhì)；配置變水層取水系統(tǒng)，根據(jù)需求抽取適宜溫度的海水并注入養(yǎng)殖水艙，維持養(yǎng)殖需要的水體溫度。該方案系統(tǒng)復(fù)雜、耗能較大，但能夠營造最適宜的養(yǎng)殖水體環(huán)境，且所需注入的外界海水量相對小，養(yǎng)殖產(chǎn)量高，可適用廣泛的海域，并可養(yǎng)殖不適合當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖的高附加值魚種（如大西洋鮭）。

本文結(jié)合某型養(yǎng)殖工船（下文簡稱“目標(biāo)船”）開發(fā)情況，就采用循環(huán)水技術(shù)的養(yǎng)殖工船總體設(shè)計進(jìn)行探討。該船以大西洋鮭為養(yǎng)殖對象，采用封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，配備深水變水層取水設(shè)備，有效養(yǎng)殖水體達(dá)8 萬m3，設(shè)計年產(chǎn)成魚6 000 t。

2 總體設(shè)計思路

養(yǎng)殖工船是一種新興的海上工程裝備，由于其首要目標(biāo)是保證海上養(yǎng)殖魚類的成長，其設(shè)計理念和方法與常規(guī)工程船和海上油氣裝備不同，在保證安全的前提下，尤其注重裝備的經(jīng)濟性。采用循環(huán)水技術(shù)的養(yǎng)殖工船相比其他養(yǎng)殖工船系統(tǒng)更加復(fù)雜，對船體和輔助系統(tǒng)的要求更高，對總體設(shè)計提出了更高的挑戰(zhàn)。

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)是海上養(yǎng)殖大西洋鮭最直接的保障，也是養(yǎng)殖工船的核心，船型總體設(shè)計需要緊緊圍繞該系統(tǒng)和功能需求展開，參見圖5。

圖5 以循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)為核心的養(yǎng)殖工船總體設(shè)計思路

首先，根據(jù)大西洋鮭人工養(yǎng)殖的特性，制定海上養(yǎng)殖流程，包括循環(huán)水養(yǎng)殖、船載加工、魚苗補給、飼料補給存儲投喂、油水補給與成品魚轉(zhuǎn)運等，梳理養(yǎng)殖工船不同系統(tǒng)功能模塊之間的聯(lián)系。

然后，制定海上循環(huán)水養(yǎng)殖工藝，構(gòu)建循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，明確養(yǎng)殖系統(tǒng)對于船舶及系統(tǒng)設(shè)計的各項需求。大西洋鮭為冷水性魚類，最適宜養(yǎng)殖水溫為12～15 ℃，水溫若超過18 ℃就有可能發(fā)生死亡。我國尚無天然的長年滿足大西洋鮭生長的自然海域，故養(yǎng)殖工船從深層抽取冷海水維持封閉養(yǎng)殖艙內(nèi)水溫是一種較好的解決方案。其他主要設(shè)計需求如下：

（1）養(yǎng)殖艙容量和數(shù)量需求，需要結(jié)合養(yǎng)殖密度和產(chǎn)量確定；

（2）養(yǎng)殖艙艙型需求，便于形成穩(wěn)定的環(huán)形流場，進(jìn)出水量設(shè)計保證流場流速適宜魚類生長；

（3）養(yǎng)殖艙結(jié)構(gòu)設(shè)計需求，內(nèi)部盡量不能有突出的結(jié)構(gòu)物、便于集污、人員巡檢通道等；

（4）循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)備和管路重量、養(yǎng)殖艙及循環(huán)水處理系統(tǒng)內(nèi)部水體重量等對排水量的需求；

（5）各養(yǎng)殖水艙、循環(huán)水處理系統(tǒng)、管路、通風(fēng)以及趕魚通道等對總體布置的需求；

（6）包含養(yǎng)殖水艙進(jìn)出水管、溢流管及循環(huán)水管等的循環(huán)水管路設(shè)計需求；

（7）循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)在不同養(yǎng)殖階段和工況下對電力的需求；

（8）為維持養(yǎng)殖艙水溫和水量，進(jìn)行取水補水水量的需求；

（9）循環(huán)水處理系統(tǒng)中的生物濾池曝氣、二氧化碳除氣等對大量新風(fēng)的需求。

針對上述需求，結(jié)合用于保障養(yǎng)殖系統(tǒng)的取水系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)與投飼系統(tǒng)管控系統(tǒng)設(shè)計，以及用于成魚收獲后的加工系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、冷藏系統(tǒng)與轉(zhuǎn)運系統(tǒng)設(shè)計，論證養(yǎng)殖工船船型尺度參數(shù)，開展功能區(qū)劃分及總體布置，使得各系統(tǒng)設(shè)計相互協(xié)調(diào)匹配。最后，以養(yǎng)殖可靠性和經(jīng)濟性為目標(biāo)，對養(yǎng)殖工船總體布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及系統(tǒng)配置等進(jìn)行綜合優(yōu)化，得到可靠的船型總體方案。

2.1 船型主尺度

養(yǎng)殖工船既屬于排水型船舶，又屬于布置型船舶。從船舶載重量角度講，養(yǎng)殖水體質(zhì)量占絕大部分。為保證8 萬m3養(yǎng)殖水體，結(jié)合循環(huán)水處理系統(tǒng)及管路等水體、成魚暫養(yǎng)艙水體等需求，總的養(yǎng)殖水需求不小于9 萬t；再考慮滿足海上養(yǎng)殖需求的燃油、淡水、飼料、加工產(chǎn)品、取水管及壓載水等質(zhì)量，目標(biāo)船載質(zhì)量需求約為10.2 萬t。從船舶布置角度來講，循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)對布置空間的需求也占了主船體內(nèi)部的大部分空間，不僅滿足養(yǎng)殖艙水體空間需求，還需要滿足養(yǎng)殖艙巡檢及設(shè)備維護(hù)空間要求。船型主尺度的確定還需要滿足干舷、快速性、穩(wěn)性、耐波性等性能，綜合考慮布置、浮態(tài)、總體性能等因素，確定目標(biāo)船船長約250 m、船寬約44 m、型深23.8 m、滿載吃水14 m。

2.2 總體布置

養(yǎng)殖工船總體布置需要滿足船載養(yǎng)殖、加工、存儲、補給和轉(zhuǎn)運等各系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，同時也需要保證船舶浮態(tài)和穩(wěn)性。根據(jù)大西洋鮭船上養(yǎng)殖流程，實現(xiàn)養(yǎng)殖過程的流程化和自動化，規(guī)劃主船體內(nèi)養(yǎng)殖從后向前，從養(yǎng)殖艙至?xí)吼B(yǎng)艙，再至主甲板上的加工車間，然后向后至船中的存儲和轉(zhuǎn)運。目標(biāo)船功能區(qū)劃分如圖6所示。

圖6 養(yǎng)殖工船總體功能區(qū)及總布置概況

主船體內(nèi)艉部為動力功能區(qū)，包含發(fā)電機組、推進(jìn)器、舵系、燃油艙壓載艙以及大功率的制氧設(shè)備等；主船體中部為養(yǎng)殖功能區(qū)，設(shè)置養(yǎng)殖艙、循環(huán)水處理設(shè)備間、暫養(yǎng)艙和壓載艙等；艏部為壓載艙等。主甲板以上自艉部向艏部為生活功能區(qū)、變水層取水裝置、加工存儲轉(zhuǎn)運功能區(qū)、錨泊設(shè)備區(qū)。

船舯養(yǎng)殖功能區(qū)設(shè)置兩列共16 個養(yǎng)殖艙，每個養(yǎng)殖艙配置一套循環(huán)水處理系統(tǒng),從而形成一個相對獨立的循環(huán)水養(yǎng)殖單元。兩列養(yǎng)殖艙之間設(shè)置人行通道和趕魚通道，可實現(xiàn)人員和魚、水在不同養(yǎng)殖艙之間的移動；前端設(shè)置2 個暫養(yǎng)艙，成魚在收獲之前先在暫養(yǎng)艙養(yǎng)殖一周左右，以去除魚體的腥味。取水裝置抽取的深層冷海水通過總管輸送到每個養(yǎng)殖艙和暫養(yǎng)艙內(nèi)，通過智能養(yǎng)殖控制系統(tǒng)計算所需水量并進(jìn)行調(diào)節(jié)。

生活樓設(shè)在艉部能增加艉部受風(fēng)面積，在艏部單錨定位時能充分利用風(fēng)標(biāo)效應(yīng)保持船位；同時，將取水裝置設(shè)在靠艉部區(qū)域，避免取水管在水下與錨鏈發(fā)生碰撞。船舯兩舷露天甲板上各設(shè)置1 臺海工型轉(zhuǎn)運吊機，覆蓋魚品存儲冷藏貨艙范圍，主要用于冷藏集裝箱和飼料等貨物的海上轉(zhuǎn)運作業(yè)；船中心線上布置3 臺甲板吊機，聯(lián)合轉(zhuǎn)運吊機覆蓋露天甲板上的作業(yè)區(qū)域，以實現(xiàn)船上普通貨物吊運。

2.3 總體性能

2.3.1 穩(wěn) 性

養(yǎng)殖工船既具備海上定點養(yǎng)殖的功能，又具備航行調(diào)遣的功能，因此需要滿足海上移動平臺和自航船舶對于穩(wěn)性的具體要求[7]。根據(jù)中國船級社《海上漁業(yè)養(yǎng)殖設(shè)施檢驗指南》[8]的要求，航行工況下需要滿足《鋼制海船入級規(guī)范》對于航行船舶的要求，非國際航行船完整和破艙穩(wěn)性還需滿足主管機關(guān)的要求。漂浮定位養(yǎng)殖工況下，完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性需要滿足《海上移動平臺入級規(guī)范》對水面式平臺的相關(guān)規(guī)定。

目標(biāo)船許用GM曲線如圖7所示，可知穩(wěn)性的主要限制條件為航行工況破艙穩(wěn)性。養(yǎng)殖工船航行工況采用三吃水概率法校核破艙穩(wěn)性，需要將養(yǎng)殖艙當(dāng)作貨艙設(shè)定隨吃水變化的滲透率；由于大量循環(huán)水管路設(shè)置在雙層底內(nèi)，需要按照規(guī)范要求校核非規(guī)則雙層底破損，這也是導(dǎo)致目標(biāo)船破艙穩(wěn)性較為緊張的原因。實際上，對于載重主要為海水的養(yǎng)殖工船，養(yǎng)殖艙內(nèi)部水位一般高于海平面，既使養(yǎng)殖艙發(fā)生破損，也不會導(dǎo)致養(yǎng)殖艙內(nèi)再度進(jìn)水而使船舶下沉。

圖7 養(yǎng)殖工船穩(wěn)性許用GM 曲線

2.3.2 作業(yè)定位能力

作業(yè)定位能力是指養(yǎng)殖工船在零航速漂浮養(yǎng)殖工況下，保證工船限定在一定養(yǎng)殖作業(yè)范圍內(nèi)的能力，需由作業(yè)定位系統(tǒng)實現(xiàn)。不同與常規(guī)海上油氣定位系統(tǒng)，養(yǎng)殖工船的定位系統(tǒng)需要能夠快速解脫和安裝，且在保證安全的前提下，系統(tǒng)造價和運營成本應(yīng)盡量低。目前國內(nèi)發(fā)展的養(yǎng)殖工船均采用單錨定位的方式，臺風(fēng)來臨前可自行快速起錨航行避臺[9]。目標(biāo)船配置經(jīng)濟型單錨作業(yè)定位系統(tǒng)，可在100 m 作業(yè)水深、最大5.8 m 有義波高、風(fēng)速 20.7 m/s、流速1.5 m/s 的海況條件下實現(xiàn)作業(yè)定位。

根據(jù)船級社對此種定位方式的要求，系泊索安全系數(shù)按照動力分析方法或靜力分析方法選擇比常規(guī)海洋工程裝備要求更高的數(shù)值，而且目標(biāo)船配置了作業(yè)過程中船位和姿態(tài)監(jiān)控等措施，保證工船在定位失效前啟動推進(jìn)系統(tǒng)以確保船舶的安全。為有效評估目標(biāo)船在風(fēng)、流變換過程中錨鏈與取水管發(fā)生纏繞和碰撞的風(fēng)險，采用模型試驗在海洋工程水池中進(jìn)行模擬驗證，結(jié)果顯示發(fā)生上述風(fēng)險的概率極低，但在實船操作中仍然需要隨時關(guān)注船舶位置和錨鏈的狀態(tài)。

2.3.3 運動性能

不同于油船和LNG 等液貨船，養(yǎng)殖工船內(nèi)部有多個非連續(xù)的自由液面，養(yǎng)殖艙內(nèi)水體與船體會發(fā)生耦合晃蕩，在某些情況下會加劇船舶的運動響應(yīng)。此外，在正常養(yǎng)殖作業(yè)工況下，養(yǎng)殖工船艏部采用單錨定位的方式，船舶運動響應(yīng)分析還需要考慮單錨定位和風(fēng)標(biāo)效應(yīng)的影響。養(yǎng)殖工船開發(fā)中不僅需要關(guān)注養(yǎng)殖水艙的晃蕩，也需要盡量抑制船舶的運動。目標(biāo)船在養(yǎng)殖艙內(nèi)部靠近水面的位置可設(shè)置晃蕩抑制平臺，也可作為巡檢通道；船舶應(yīng)設(shè)置盡可能大的舭龍骨，以增加船舶橫搖阻尼。

2.3.4 機動航行性能

養(yǎng)殖工船具備自航能力是有別于網(wǎng)箱類非自航裝備的一種顯著特征。具備機動自航能力不僅可使船舶尋找最佳的養(yǎng)殖水源，也可使其能夠航行避臺，這對該種養(yǎng)殖裝備安全性至關(guān)重要。較高的避臺航速對裝備安全性有利，但對裝備經(jīng)濟性有明顯的負(fù)面影響，根據(jù)臺風(fēng)路徑預(yù)測情況，合理規(guī)劃避臺路線的前提下，養(yǎng)殖工船避臺航速一般達(dá)到 10～12 kn 即可滿足需求。鑒于長時間在海上漂浮作業(yè)，船體外板增加的污物會導(dǎo)致船體阻力增加，并增加波浪中的航行阻力，因此目標(biāo)船的推進(jìn)功率應(yīng)留有一定裕度。

此外，由于目標(biāo)船養(yǎng)殖過程中需要不間斷抽取冷海水，在避臺航行時取水管的阻力又非常大，同時全速航行取水管受到的載荷也非常大。經(jīng)過計算分析，目標(biāo)船可低速帶取水管航行避臺（提前撤離）；或者不帶取水管全速航行避臺，在避臺前通過抽取更冷的海水預(yù)先降低養(yǎng)殖艙內(nèi)水體溫度，待工船航行至安全區(qū)域后再下放取水管抽取冷海水。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

養(yǎng)殖工船結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅需要滿足船舶總強度的要求，還需要滿足船體適漁性設(shè)計需求，如特殊的養(yǎng)殖艙艙型設(shè)計、特殊結(jié)構(gòu)節(jié)點的設(shè)計、養(yǎng)殖艙走道平臺設(shè)計等，且需要不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)型式和尺寸，盡量優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)重量。目標(biāo)船中段設(shè)計為雙底、雙殼、雙層中縱壁、雙層橫艙壁，養(yǎng)殖艙和暫養(yǎng)艙內(nèi)部無結(jié)構(gòu)件，避免損傷魚類；養(yǎng)殖艙、暫養(yǎng)艙的四角均設(shè)置斜封板，平面呈八角形，利于營造水循環(huán)環(huán)境；養(yǎng)殖艙、暫養(yǎng)艙的底部（即內(nèi)底板），做成向心漏斗狀結(jié)構(gòu)，便于清污；雙層中縱壁內(nèi)設(shè)置結(jié)構(gòu)趕魚通道，養(yǎng)殖艙、暫養(yǎng)艙的上部設(shè)置艙內(nèi)走道平臺，便于日常觀察；艙內(nèi)走道平臺下面設(shè)置傾斜封板，避免平臺構(gòu)件損傷魚類，還利于減小養(yǎng)殖艙晃蕩。

3 關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計探討

3.1 循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)

如何在有限的船體空間內(nèi)構(gòu)建經(jīng)濟高效的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)是養(yǎng)殖工船開發(fā)首先需要考慮的問題。

不同的養(yǎng)殖工藝構(gòu)建的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)是有較大差異，而系統(tǒng)的構(gòu)建也受到船體結(jié)構(gòu)型式的約束。養(yǎng)殖工船設(shè)置多個養(yǎng)殖水艙，每個養(yǎng)殖水艙與其配套的循環(huán)水處理設(shè)備等組成一個循環(huán)水養(yǎng)殖單元，即一套循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含了水、氣的循環(huán)與平衡，系統(tǒng)設(shè)備多且管路復(fù)雜。典型的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)包含了內(nèi)壁光滑的養(yǎng)殖艙、循環(huán)水處理系統(tǒng)、制氧系統(tǒng)、應(yīng)急氧系統(tǒng)和取水系統(tǒng)等，其中循環(huán)水處理系統(tǒng)包含轉(zhuǎn)鼓式微濾機、紫外線消毒器/臭氧消毒裝置、CO2除氣器、生物濾池、變頻循環(huán)泵和氧氣錐等。目標(biāo)船循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)構(gòu)成如圖8所示。

圖8 循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)是養(yǎng)殖工船的“能耗大戶”，最大運行工況下系統(tǒng)耗電可占全船電力消耗的80%以上，且為維持養(yǎng)殖需要的水體環(huán)境，循環(huán)水系統(tǒng)需不間斷運行，并根據(jù)不同養(yǎng)殖階段、養(yǎng)殖密度以及避臺航行工況調(diào)整系統(tǒng)的用電負(fù)荷。目標(biāo)船采用變頻循環(huán)泵既能滿足循環(huán)水量靈活調(diào)節(jié)的需求，又能達(dá)到節(jié)能的效果。此外，循環(huán)水處理過程中的CO2除氣和生物濾池曝氣過程中需要大量的外界空氣與養(yǎng)殖水體接觸，如外界空氣與內(nèi)部海水溫差較大，會導(dǎo)致熱量/冷量的大量損失，因此可考慮熱回收裝置對其進(jìn)、排風(fēng)進(jìn)行全熱熱回收。目標(biāo)船采用轉(zhuǎn)輪式熱回收裝置回收一部分冷能，轉(zhuǎn)輪在制冷運行和制熱運行時的綜合總熱回收溫度效率大于80%。

3.2 階段分級養(yǎng)殖

階段分級養(yǎng)殖是根據(jù)大西洋鮭生長特性曲線，將不同養(yǎng)殖階段在對應(yīng)的不同養(yǎng)殖艙內(nèi)實現(xiàn)，本質(zhì)上是充分利用水體的容積，是提高循環(huán)水大西洋鮭養(yǎng)殖經(jīng)濟性的有效手段，理論上年產(chǎn)量較傳統(tǒng)單艙養(yǎng)殖可提高30%以上。階段分級養(yǎng)殖還可以實現(xiàn)單船“階段”出漁，較常規(guī)單級養(yǎng)殖可有效分散出漁季，避免大批漁獲集中上市沖擊市場。圖9為目標(biāo)船大西洋鮭船上分級養(yǎng)殖流程。

圖9 大西洋鮭船上養(yǎng)殖流程

階段分級養(yǎng)殖需要將養(yǎng)殖的魚體從一個養(yǎng)殖艙中調(diào)撥到其他養(yǎng)殖艙，因此目標(biāo)船設(shè)置了魚群調(diào)撥裝置，在調(diào)撥的過程中需要防止魚種發(fā)生機械損傷。此外，魚群調(diào)撥裝置應(yīng)當(dāng)充分利用船體結(jié)構(gòu)，且能夠?qū)崿F(xiàn)魚體自主游動調(diào)撥；通過在養(yǎng)殖艙調(diào)撥進(jìn)出口設(shè)置計魚器，實時監(jiān)控進(jìn)出艙的魚體數(shù)量。

3.3 取水系統(tǒng)

采用循環(huán)水技術(shù)的養(yǎng)殖工船通過從深層取冷海水維持養(yǎng)殖艙內(nèi)水溫，取水系統(tǒng)是保證養(yǎng)殖艙水溫的關(guān)鍵。取水深度越深、取水量越大，系統(tǒng)設(shè)計越復(fù)雜。目前還未有用于養(yǎng)殖工船深層取水系統(tǒng)的實踐，但疏浚船、浮式液化天然氣船（FLNG）可提供一些解決思路，如：取水深度不深時可考慮舷側(cè)采用鋼絲繩絞車下放取水管，配合艙內(nèi)泵和舷外吸口進(jìn)行取水；考慮甲板面設(shè)置軟管絞車配合水下泵方式取水；考慮桁架式提升塔配合水下泵的型式取水等。

養(yǎng)殖工船取水系統(tǒng)要求能夠快速收放，以便應(yīng)對臺風(fēng)來臨前的快速撤離以及臺風(fēng)過后的迅速就位作業(yè)。取水系統(tǒng)的組成大致包含取水泵系統(tǒng)（艙內(nèi)/水下）和取水管（軟管/硬管）、取水管收放裝置和取水管存儲裝置等，還需考慮取水管管端防海生物裝置，并應(yīng)保證所取海水溫度、鹽度保持相對穩(wěn)定。取水深度的考慮應(yīng)當(dāng)在調(diào)研所需作業(yè)的海域后確定，保證所取深層冷海水能夠滿足養(yǎng)殖艙溫度控制的需求。

目標(biāo)船在養(yǎng)殖功能區(qū)靠后位置左右舷各設(shè)置一套取水收放裝置，一用一備。采用分節(jié)的硬質(zhì)取水管，通過快速連接接頭將其連接，然后穿過甲板和船底上的結(jié)構(gòu)開孔下放至指定深度，最后下放的管段上設(shè)有多個開孔，固定在船體內(nèi)部的取水緩存艙。取水泵設(shè)置在船體機艙內(nèi)，通過管路抽取緩存艙內(nèi)的海水，使得艙內(nèi)海水與外部海水產(chǎn)生較大的壓力差，從而將深層冷海水通過取水管壓入緩存艙內(nèi)。

3.4 養(yǎng)殖綜合管控系統(tǒng)

養(yǎng)殖綜合管控系統(tǒng)是養(yǎng)殖工船整個生產(chǎn)過程中的管控系統(tǒng)，具備工船自主航行、綜合監(jiān)控、能效管理、船舶及養(yǎng)殖設(shè)備管理和養(yǎng)殖生產(chǎn)管控等功能，該系統(tǒng)主要包括船端信息網(wǎng)絡(luò)綜合管理系統(tǒng)、船舶監(jiān)控管理系統(tǒng)、養(yǎng)殖集中控制系統(tǒng)、船岸通訊系統(tǒng)和岸端數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)[10]。

其中，養(yǎng)殖集中控制系統(tǒng)是核心，該系統(tǒng)針對養(yǎng)殖工船的生產(chǎn)和養(yǎng)殖工藝流程，需要監(jiān)測多個養(yǎng)殖艙內(nèi)的包括水溫、水質(zhì)、溶解氧、氨氮，以及養(yǎng)殖魚體數(shù)量和狀態(tài)等參數(shù)，實現(xiàn)水質(zhì)調(diào)節(jié)、溶氧控制和自動投喂等功能。該系統(tǒng)監(jiān)控參數(shù)多、邏輯復(fù)雜，在工船開發(fā)中還需要根據(jù)實際的養(yǎng)殖情況不斷積累數(shù)據(jù)，進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化和升級。

4 結(jié) 語

采用循環(huán)水技術(shù)的大型養(yǎng)殖工船是目前國內(nèi)養(yǎng)殖工船發(fā)展的技術(shù)路線之一。采用工廠化養(yǎng)殖技術(shù)與海上浮動裝備有機融合，可提升養(yǎng)殖裝備的適用范圍和工業(yè)化水平。循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)是本文探討船型的核心，船型總體設(shè)計必須厘清目標(biāo)養(yǎng)殖魚種的海上養(yǎng)殖需求，制定明確的海上養(yǎng)殖流程，以循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)為核心開展總體布置、系統(tǒng)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和總體性能分析等工作。循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)為養(yǎng)殖魚種提供必需的水環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)中水、氣的循環(huán)與平衡，在系統(tǒng)設(shè)計中也要充分考慮船體結(jié)構(gòu)布置、節(jié)能設(shè)計等。取水系統(tǒng)是采用循環(huán)水技術(shù)養(yǎng)殖冷水性魚類的重要保障，系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)有適當(dāng)冗余，取水管能夠快速安全可靠地收放，系統(tǒng)能夠在設(shè)計海況下長期安全運行。

考慮到我國居民水產(chǎn)品消費結(jié)構(gòu)和市場需求情況，采用循環(huán)水技術(shù)的養(yǎng)殖工船可以養(yǎng)殖國內(nèi)自然水域難以大規(guī)模養(yǎng)殖的高附加值魚種，未來船型需求前景廣闊，而對于船載循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的研究也會越來越深入。相信不久的將來會有更加節(jié)能高效的船載循環(huán)水處理系統(tǒng)實現(xiàn)應(yīng)用，從而顯著降低養(yǎng)殖工船運營成本，推動船型不斷升級。