楚樹坡，徐志強(qiáng)，張耀明，張璐，孟廣瑋

(1.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310058；3.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 2000921；4.青島國(guó)信藍(lán)色硅谷發(fā)展有限責(zé)任公司，山東 青島 266200；5 國(guó)信中船(青島)海洋科技有限公司，山東 青島 266200)

深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖業(yè)是海洋新興產(chǎn)業(yè)，發(fā)展深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖對(duì)于推進(jìn)漁業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、拓展藍(lán)色經(jīng)濟(jì)發(fā)展空間、保障國(guó)家糧食安全意義重大[1]。目前中國(guó)海水養(yǎng)殖空間已經(jīng)逐步從近岸向深遠(yuǎn)海拓展，深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速。大型化、自動(dòng)化、智能化的深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖工程裝備是開展深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖的關(guān)鍵，世界漁業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖工程裝備的主要途徑是構(gòu)建大型養(yǎng)殖網(wǎng)箱和浮式養(yǎng)殖平臺(tái)，其中浮式養(yǎng)殖平臺(tái)以專業(yè)化養(yǎng)殖工船為代表[2-3]。20世紀(jì)70年代末，雷霽霖院士提出養(yǎng)殖工船初步設(shè)想[4]。經(jīng)過四十多年的發(fā)展，特別是近五年來(lái)，中國(guó)在養(yǎng)殖工船基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)方面取得了一批研究成果[5-8]。2020年11月，“國(guó)信101”號(hào)養(yǎng)殖工船試驗(yàn)船正式交付[9]，青島國(guó)信集團(tuán)在該船上開展了大黃魚(Larimichthyscrocea)養(yǎng)殖試驗(yàn)。

中國(guó)海上養(yǎng)殖設(shè)施的工程化水平相對(duì)落后，養(yǎng)殖裝備機(jī)械化、智能化、信息化技術(shù)水平較低，精準(zhǔn)投喂、水下觀測(cè)、起捕作業(yè)等配套裝備尚未能取得突破，粗放型的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式已無(wú)法滿足深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖工程裝備的需求[10]。作為一種漁業(yè)現(xiàn)代化設(shè)備，吸魚泵在魚類起捕環(huán)節(jié)起著重要作用，在國(guó)外已得到廣泛應(yīng)用，也必將成為養(yǎng)殖工船的關(guān)鍵配套設(shè)施之一。吸魚泵形式多樣，如離心式、真空式、射流式等[11-13]。盡管離心吸魚泵工作效率高，但因結(jié)構(gòu)上存在高速旋轉(zhuǎn)的葉輪，容易對(duì)魚類造成機(jī)械切割損傷[12-13]。射流吸魚泵工作效率低，內(nèi)部存在強(qiáng)烈的剪切流動(dòng)，極易造成魚類損傷[14]。真空吸魚泵無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作效率高，能耗低，特別是對(duì)魚無(wú)損傷，適合輸送較大規(guī)格活魚[11-17]。目前國(guó)內(nèi)外真空吸魚泵普遍采用在真空集魚筒的進(jìn)魚口和出魚口處設(shè)置單向板式閥[18-22]，通過該單向板式閥的啟閉實(shí)現(xiàn)吸/排魚，適合在陸地上使用。然而對(duì)于開放水域中的養(yǎng)殖工船來(lái)講，由于風(fēng)浪等的影響，船體處于搖晃狀態(tài)時(shí)，單向板式閥會(huì)因閥板與閥座分離而失效，因而使用單向板式閥的真空吸魚泵不適用于養(yǎng)殖工船。使用單向板式閥時(shí)，真空吸魚泵全過程邊抽氣邊吸魚水，因真空集魚筒內(nèi)形成有效真空度需要一定的時(shí)間，在形成有效真空度前，水就在內(nèi)外壓差的作用下低速進(jìn)入真空集魚筒，從而只吸水不吸魚，降低吸魚效率[17]。黃濱等[15]研究表明，對(duì)真空集魚筒進(jìn)行預(yù)抽真空可以提高吸魚效率。通常使用時(shí)間控制吸排過程，吸程影響吸排時(shí)間，因此需要根據(jù)不同的吸程改變控制時(shí)間，對(duì)操作人員要求較高，且海洋波浪的存在會(huì)影響每次實(shí)際吸魚水量，若改成液位控制則可避免以上不足。

本研究采用團(tuán)隊(duì)的專利技術(shù)[23-24]，研制一臺(tái)真空吸魚泵樣機(jī)，采用可編程控制器(PLC)控制，在真空集魚筒的進(jìn)魚口和出魚口處設(shè)置刀閘閥代替單向板式閥，采用預(yù)抽真空工藝，用液位控制吸排過程。在“國(guó)信101”號(hào)養(yǎng)殖工船試驗(yàn)船上開展性能試驗(yàn)和大黃魚起捕試驗(yàn)，以期為養(yǎng)殖工船機(jī)械化起捕提供有力的技術(shù)支撐。

1 真空吸魚泵工作原理

真空吸魚泵主要由真空集魚筒、水環(huán)真空泵、控制柜、閥門、儀表、管道等組成。真空吸魚泵的工作原理見圖1。真空吸魚泵的吸排魚過程如下：水環(huán)真空泵對(duì)真空集魚筒抽氣，真空集魚筒內(nèi)部壓力逐漸降低，魚水混合物在真空集魚筒內(nèi)外壓差的作用下，沿著吸魚管道進(jìn)入真空集魚筒內(nèi)；真空集魚筒內(nèi)魚水混合物達(dá)到設(shè)定液位后，水環(huán)真空泵停止對(duì)真空集魚筒抽氣，同時(shí)真空集魚筒與大氣連通；在重力作用下，魚水混合物從真空集魚筒排出。

圖1 真空吸魚泵工作原理示意圖Fig.1Schematic diagram of operating principle of the vacuum fish pump

2 工藝方案

2.1 設(shè)計(jì)總體要求

真空吸魚泵樣機(jī)采用單筒式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)輸送魚水量不小于40.00 m3/h。采用PLC進(jìn)行智能控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守運(yùn)行。開發(fā)可視化控制界面，便于人機(jī)交互。樣機(jī)安裝于“國(guó)信101”號(hào)養(yǎng)殖工船試驗(yàn)船上，開展性能試驗(yàn)和大黃魚起捕試驗(yàn)，試驗(yàn)用大黃魚體重為0.50 kg左右。

2.2 吸排魚管徑

考慮到漁獲密度大時(shí)，存在2條及以上大黃魚同時(shí)被吸入管道的情況，為避免大黃魚堵塞吸魚管道，確定吸魚管徑時(shí)還應(yīng)考慮魚類體厚。目前未見有大黃魚體型參數(shù)的研究報(bào)道。根據(jù)漁民經(jīng)驗(yàn)，0.50 kg左右重的大黃魚體高范圍為0.11～0.12 m。結(jié)合管道的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，吸魚管徑設(shè)計(jì)為DN200。排魚管徑與吸魚管徑相同。

2.3 真空集魚筒結(jié)構(gòu)尺寸

真空吸魚泵樣機(jī)輸送魚水量取40.00 m3/h，一個(gè)吸排周期設(shè)計(jì)為35 s。經(jīng)計(jì)算，一次吸排魚水量應(yīng)為0.39 m3。真空集魚筒的充填系數(shù)取0.85，故真空集魚筒的容積應(yīng)不小于0.46 m3。根據(jù)以上參數(shù)，真空集魚筒的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)為：圓筒內(nèi)徑0.70 m，容積為0.49 m3。

2.4 水環(huán)真空泵選型

不考慮漏氣，水環(huán)真空泵的抽氣時(shí)間按以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算：

式(1)

S=Sp·η

式(2)

式中，t為抽氣時(shí)間，s；V為真空集魚筒容積，m3；S為水環(huán)真空泵有效抽速，m3/s；Sp為水環(huán)真空泵名義抽速，m3/s；η為水環(huán)真空泵抽氣效率；pi為開始抽氣時(shí)真空集魚筒內(nèi)的壓力，Pa；p為經(jīng)t時(shí)間后真空集魚筒內(nèi)的壓力，Pa。

真空集魚筒預(yù)抽時(shí)間設(shè)計(jì)為15 s。將t=15 s，pi=101 325 Pa，p=30 000 Pa，V=0.49 m3，η=0.80代入式(1)、式(2)中，計(jì)算得到水環(huán)真空泵的名義抽速Sp=180.12 Nm3/h。因系統(tǒng)內(nèi)的漏氣量無(wú)法估算，故設(shè)計(jì)余量取20%，則水環(huán)真空泵的實(shí)際抽速應(yīng)不小于216.14 Nm3/h，根據(jù)該數(shù)值進(jìn)行水環(huán)真空泵選型。

2.5 智能控制

真空吸魚泵樣機(jī)采用PLC進(jìn)行控制，按照設(shè)定的控制程序自動(dòng)運(yùn)行。配置了10寸觸摸屏，采用組態(tài)軟件開發(fā)了可視化操作界面。吸排過程中真空集魚筒內(nèi)的壓力變化是真空吸魚泵的關(guān)鍵參數(shù)，包含了真空吸魚泵的多個(gè)重要信息，因此為了監(jiān)測(cè)吸排過程中真空集魚筒內(nèi)的壓力變化，在真空集魚筒筒體上設(shè)置了壓力變送器。同時(shí)在真空集魚筒筒體上設(shè)置了液位開關(guān)，控制吸排過程。閥門啟閉動(dòng)作、液位開關(guān)通斷狀態(tài)、壓力變送器數(shù)值均可保存在PLC內(nèi)部存儲(chǔ)器中，可用U盤等外部存儲(chǔ)介質(zhì)拷貝出來(lái)，便于后期進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。自動(dòng)運(yùn)行過程中如出現(xiàn)問題，PLC將會(huì)輸出報(bào)警信息，系統(tǒng)自動(dòng)停止運(yùn)行。

真空吸魚泵樣機(jī)制造完成后，安裝于“國(guó)信101”號(hào)養(yǎng)殖工船試驗(yàn)船主甲板上，可通過管路分別從3個(gè)養(yǎng)殖艙內(nèi)起捕大黃魚，見圖2。

圖2 真空吸魚泵Fig.2 The vacuum fish pump

3 試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)條件與試驗(yàn)方法

3.1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在“國(guó)信101”號(hào)養(yǎng)殖工船試驗(yàn)船上開展，試驗(yàn)時(shí)該船錨泊于浙江省臺(tái)州市近海海域。試驗(yàn)當(dāng)天多云，海水溫度20 ℃，東北風(fēng)4～5級(jí)，浪高1.00～1.40 m，船體橫搖和縱搖明顯。3號(hào)養(yǎng)殖艙先于1號(hào)和2號(hào)養(yǎng)殖艙進(jìn)行了大黃魚起捕，大黃魚應(yīng)激性強(qiáng)，為避免對(duì)1號(hào)和2號(hào)養(yǎng)殖艙內(nèi)大黃魚造成不利影響，故利用該間歇期在3號(hào)養(yǎng)殖艙開展試驗(yàn)。

3.1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用魚取自2號(hào)養(yǎng)殖艙，該養(yǎng)殖艙內(nèi)的大黃魚已養(yǎng)殖近6個(gè)月，平均個(gè)體體質(zhì)量已達(dá)0.50 kg，可作為成魚對(duì)外出售。人工使用抄網(wǎng)從2號(hào)養(yǎng)殖艙內(nèi)隨機(jī)抓取游動(dòng)活躍的大黃魚，共抓取4次，經(jīng)外觀檢查無(wú)明顯損傷后，暫養(yǎng)于3號(hào)養(yǎng)殖艙中的柔性網(wǎng)具內(nèi)。

3.1.3 試驗(yàn)內(nèi)容與評(píng)價(jià)指標(biāo)

首先開展真空吸魚泵吸水性能試驗(yàn)，獲取吸魚泵運(yùn)行過程中真空集魚筒內(nèi)壓力變化情況，包括不同吸程下真空集魚筒內(nèi)最低壓力、吸魚泵吸排周期和吸魚泵輸送量的變化情況，驗(yàn)證設(shè)計(jì)吸程內(nèi)真空吸魚泵的實(shí)際輸送量是否滿足設(shè)計(jì)輸送量。然后開展大黃魚起捕試驗(yàn)，驗(yàn)證使用真空吸魚泵起捕大黃魚的可行性，起捕后大黃魚的損傷率應(yīng)控制在1.00%以內(nèi)。

3.1.4 試驗(yàn)方法

通過艙底的海水泵向艙外排水或者向艙內(nèi)注水改變養(yǎng)殖艙內(nèi)水位的方式改變吸程。為便于吸魚，在吸魚管道的進(jìn)魚端設(shè)置了喇叭口，喇叭口的錐頂角為60°。在真空吸魚泵的排魚管末端搜集捕獲的大黃魚，并暫養(yǎng)于水箱中進(jìn)行觀察、計(jì)數(shù)，最后稱重。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 真空吸魚泵吸水性能

吸水試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，不同吸程條件下，吸排過程中真空集魚筒內(nèi)的壓力變化曲線見圖3。隨著吸程的增大，吸排周期時(shí)長(zhǎng)增加(圖4)。因?yàn)槲胝婵占~筒內(nèi)的水體體積相同，所以排水時(shí)間相同，因而隨著吸程的增大，吸水時(shí)間增加。隨著吸程的增大，真空集魚筒內(nèi)的最低壓力降低，即所需的真空度增大(圖4)。較大的真空度以及壓力梯度會(huì)對(duì)魚類內(nèi)部器官造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷，甚至導(dǎo)致魚類快速死亡[25-27]，對(duì)于活魚起捕，建議控制吸排過程中的真空度，因此真空吸魚泵的吸程需限制在一定范圍內(nèi)。真空吸魚泵的輸送量隨著吸程的增大而減小，該真空吸魚泵單次可吸水0.43 m3，經(jīng)計(jì)算，不同吸程下的輸送量見圖5。因此，真空吸魚泵的輸送量并不是一個(gè)確切的數(shù)值，而是一個(gè)范圍，在一定的操作條件下(如給定吸程、吸入管徑等)，真空吸魚泵的輸送量才會(huì)是一個(gè)確切數(shù)值。對(duì)于所研制真空吸魚泵，在吸程≤2.30 m時(shí)，其實(shí)際輸送量可滿足設(shè)計(jì)輸送量要求。

圖3 不同吸程條件下真空集魚筒內(nèi)的壓力變化曲線Fig.3Pressure change curves of the tank in vacuum fish pump under different suction heights

圖4 吸排周期時(shí)長(zhǎng)、真空集魚筒內(nèi)最低壓力與吸程的關(guān)系Fig.4Relationships between suction-discharge cycle time, minimum pressure in the tank and suction height

圖5 輸送量與吸程的關(guān)系Fig.5Relationship between transportation rate and suction height

3.2.2 大黃魚試捕效果

試驗(yàn)顯示，在吸程2.30 m條件下，吸排過程中最低壓力為-49.10 kPa，不會(huì)對(duì)大黃魚內(nèi)部器官造成不可逆損傷，因此大黃魚起捕試驗(yàn)選擇在2.30 m吸程條件下進(jìn)行。

經(jīng)過13個(gè)吸排周期(用時(shí)498 s)成功將75條大黃魚(37.10 kg)全部吸捕完成；起捕后，所有大黃魚體表均無(wú)明顯損傷，均未死亡，魚類損傷率為0；水箱中有14條(18.70%)大黃魚呈肚皮上翻狀態(tài)，活躍性低，其余大黃魚游動(dòng)正常，表現(xiàn)出較高活躍性。

本次大黃魚起捕試驗(yàn)用時(shí)較長(zhǎng)，一是由于魚水比較小，吸魚效果較差，隨著吸魚過程的進(jìn)行，魚水比越來(lái)越小，吸魚效果越來(lái)越差；二是由于管路較粗較長(zhǎng)，排魚過程中吸魚管路中形成回流，回流時(shí)被吸入吸魚管的部分大黃魚又被沖回到網(wǎng)具中，降低了吸魚效率。魚水比是影響真空吸魚泵吸魚效率的關(guān)鍵因素之一[28]，在吸魚過程中，應(yīng)人工干預(yù)保證吸魚口處具有較大的魚水比以提高吸魚效率。對(duì)于大型化的深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖工程裝備，如何有效聚魚及保證一定的魚水比，是使用吸魚泵時(shí)需解決的重要技術(shù)問題之一。另外，使用單個(gè)真空集魚筒時(shí)，吸魚過程為間歇性操作，應(yīng)盡量減小吸魚管長(zhǎng)度，或者吸魚管較長(zhǎng)時(shí)，在吸魚管吸入端設(shè)置止回閥防止回流，以提高吸魚效率。對(duì)于大多數(shù)使用真空吸魚泵的場(chǎng)合，建議采用兩個(gè)及以上真空集魚筒，實(shí)現(xiàn)連續(xù)吸魚，提高吸魚效率。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在吸魚過程中，吸魚管道內(nèi)大部分大黃魚是魚尾朝前，魚頭朝后，這是由魚類試圖頂流逃逸造成的。魚類具有頂流游泳的生活習(xí)性，魚類的游泳能力是設(shè)計(jì)吸魚泵時(shí)必須考慮的關(guān)鍵參數(shù)之一，吸魚口處水流流速大于魚類的極限游速時(shí)才能成功將魚類吸入吸魚管。因此，在設(shè)計(jì)吸魚泵之前，應(yīng)獲取所吸捕魚類的游泳能力數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

采用真空吸魚泵對(duì)工船養(yǎng)殖大黃魚進(jìn)行了機(jī)械化起捕實(shí)船試驗(yàn)。針對(duì)養(yǎng)殖工船起捕時(shí)可能處于搖晃狀態(tài)的工況，在真空吸魚泵真空集魚筒的進(jìn)魚口和排魚口處設(shè)置刀閘閥以代替目前普遍采用的單向板式閥結(jié)構(gòu)，并采用預(yù)抽真空工藝，用液位控制吸排過程。在養(yǎng)殖工船橫搖和縱搖明顯的條件下，真空吸魚泵成功起捕大黃魚，起捕后所有大黃魚體表均無(wú)明顯損傷，且大部分大黃魚仍保持較高活躍性。真空吸魚泵的輸送量不是一個(gè)固定值，會(huì)因操作條件不同而變化，故養(yǎng)殖工船的工況應(yīng)作為真空吸魚泵的設(shè)計(jì)輸入條件。魚類的游泳能力是設(shè)計(jì)吸魚泵時(shí)必須要考慮的因素之一，建議在設(shè)計(jì)吸魚泵之前應(yīng)獲取工船所吸捕魚類的游泳能力數(shù)據(jù)。魚水比是影響吸魚效率的關(guān)鍵因素之一，對(duì)于大型養(yǎng)殖工船，如何有效聚魚及保證一定的魚水比是需要解決的一個(gè)技術(shù)問題。本研究將為養(yǎng)殖工船的機(jī)械化起捕提供參考。