第４６卷第２期渔业现代化
Ｖｏｌ.４６㊀Ｎｏ.２
２０１９年４月
ＦＩＳＨＥＲＹＭＯＤＥＲＮＩＺＡＴＩＯＮ
Ａｐｒ.２０１９
ＤＯＩ:１０ ３９６９/ｊ ｉｓｓｎ １００７￣９５８０ ２０１９ ０２ ０１０
收稿日期:２０１８￣１１￣２０
基金项目：山东省重大科技创新工程 深蓝渔业技术创新工程 专项 十万吨级养殖工船系统构建与总体设计研究(２０１８ＳＤＫＪ０３０３－３) 作者简介：崔铭超(１９８３ )ꎬ男ꎬ工程师ꎬ硕士ꎬ研究方向：船舶与海洋工程总体设计ꎮＥ－ｍａｉｌ:ｃｕｉｍｉｎｇｃｈａｏ＠ｆｍｉｒｉ.ａｃ.ｃｎ 养殖工船系统构建与总体技术探讨
崔铭超１ꎬ２ꎬ金娇辉１ꎬ２ꎬ黄温赟１ꎬ２
(１中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所ꎬ农业农村部远洋渔船与装备重点实验室ꎬ上海２０００９２ꎻ
２青岛海洋科学与技术国家实验室深蓝渔业工程联合实验室ꎬ山东青岛ꎬ２６６２３７)
摘要：随着社会经济发展ꎬ开发海洋生物资源是国家战略及必然趋势ꎮ养殖工船是发展深远海养殖工程的核心装备之一ꎬ深入研究养殖工船ꎬ大力发展深远海养殖ꎬ具有较高的经济价值和社会价值ꎮ该文从装备技术发展面临的问题出发ꎬ以动力系统㊁系泊系统㊁养殖系统㊁物流系统及加工系统的总布置为基础ꎬ兼顾安全性㊁经济性及环保性ꎬ将商用运输船设计方法和养殖技术要求有机结合在一起ꎬ初步探讨了构建深远海养殖工船系统和总体技术框架ꎮ提出了重点关注和研究的技术方向ꎬ以期实现船舶和养殖行业的联合技术攻关ꎬ早日形成产业指南和设计规程ꎬ指导后续养殖工船设计ꎮ结合中国强大的船舶海工制造能力ꎬ完成养殖工船的批量建设ꎬ实现未来规模化深远海养殖ꎮ
关键词：养殖工船ꎻ总布置ꎻ经济性ꎻ安全性ꎻ环保性
中图分类号:Ｓ９６９㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１００７－９５８０(２０１９)０２－０６１－０６
㊀㊀随着社会经济发展ꎬ优质水产品需求日益增长ꎬ据估计ꎬ到２０３０年世界将有２０００万ｔ的水
产品缺口需要弥补[１]ꎮ中国近海渔业资源日益枯竭ꎬ淡水及近海养殖环境日趋恶化ꎬ水体污染及养殖空间受限ꎬ发展深远海养殖ꎬ拓展现代化 深蓝 养殖新空间ꎬ开发海洋生物资源是国家战略及必然趋势[２－５]ꎮ发展深远海养殖ꎬ关键是安全可靠的设施装备ꎬ前提是品种与生产系统的经济性ꎬ途径是规模化生产与工业化管理[６]
ꎮ发展深
远海养殖工程设施装备的主要途径是构建大型养殖网箱和养殖工船
[７]
ꎮ国外深水网箱经过约４０
年的发展ꎬ先后开发了多种深海网箱ꎬ典型的有高密度聚乙烯(ＨＤＰＥ)网箱㊁张力腿(ＴＬＣ)网箱及瑞典牧海型(ＦＡＲＭＯＣＥＡＮ)网箱等ꎬ大幅提高了技术水平和生产效率[８]
ꎮ然而ꎬ网箱系统抵抗狂
风及其他自然灾害侵袭的能力还很弱ꎬ设施安全
保障不足ꎮ
２０世纪７０年代末ꎬ中国专家构想了 未来海
洋农牧场 建设蓝图ꎬ提出养殖工船的初步设想ꎬ
并开展了大型养殖工船系统研究[９－１０]ꎬ近年来对１０万吨级深远海养殖平台进行了总体技术研究[１１]ꎬ启动了中国首个深远海大型养殖平台构
建ꎬ形成了具有自主知识产权的集养殖㊁繁育㊁加工及渔船补给和物流等多功能于一体的规模化养殖工船技术方案ꎮ２０１７年７月２日ꎬ国内首艘养殖工船试验船 鲁岚渔养６１６９９ 在日照港达船厂码头起航ꎬ标志着中国在推进深远海养殖装备现代化方面迈出了坚实步伐ꎮ２０世纪８０㊁９０年代ꎬ欧美发达国家开始研发大型养殖工船ꎬ并形成试验船ꎬ但受制于产业发展条件尚不具备ꎬ且需求不足ꎬ缺乏大规模发展水产养殖的动力ꎬ最为根本的原因是发展水产养殖的综合条件与发展中国家相比ꎬ难以形成竞争力ꎬ因此一直以来未形成主体产业[１０]ꎮ
１ 研究意义
深远海水域具有渔业资源丰富㊁水源优质㊁水温适宜和远离陆源性污染与病害等显著优点ꎬ具备开展海上规模化养殖与物流加工补给的优良条件ꎬ但是大部分深远海水域还处在未开发状态ꎮ合理控制近海捕捞ꎬ积极发展远洋渔业是推动渔业供给侧改革的重要措施ꎬ是海洋渔业强海之路的战略基点ꎬ符合国家产业导向和需求ꎮ以深远
渔业现代化２０１９年
海大型游弋式养殖工船为核心的养殖与渔业生产平台ꎬ可集成养殖㊁繁育㊁捕捞㊁加工与物流保障等功能ꎬ并以养殖工船为母船ꎬ形成渔业航母船队ꎬ通过合理规划ꎬ以点带面ꎬ构建深远海养殖全链条一体化的养殖体系ꎬ可持续发展的海洋渔业将向
以养为主 转变ꎬ构建 蓝粮仓 ꎬ将极大优化捕捞生产结构ꎬ拓展水产养殖空间ꎬ提升中国深远海渔业资源利用能力ꎬ渐次修复海洋生物资源ꎮ形成驻守边远海疆的现代渔业生产模式ꎬ推动渔业 提质增效 生产方式转变ꎬ也是有效利用我国海域资源㊁推动海洋经济发展的新途径ꎬ对充分挖掘海洋在食物供给方面潜力㊁保障我国粮食安全㊁生态安全㊁维护海洋权益具有长远意义ꎮ 深蓝渔业 是全新的产业模式ꎬ要成功实施 深蓝渔业 发展战略ꎬ首先需要解决走向深远海的重大装备支撑ꎬ发展养殖工船ꎬ实施 深蓝渔业 是世界海洋渔业发展的中国方案ꎬ可以引领世界渔业发展ꎮ
２㊀发展面临的问题
养殖工船作为新生事物ꎬ其发展必然会面临很多技术挑战ꎬ一是国家产业政策的限制ꎬ二是针对性规范规则的缺失ꎮ２０１８年６月３０日ꎬ交通运输部发布２０１８第５３号公告«交通运输部关于加强国(境)外进口船舶和中国籍国际航行船舶从事国内水路运输管理的公告»ꎮ根据公告要求ꎬ２０１８年９月１日起ꎬ申请从事国内水路运输的进口船舶和中国籍国际航行船舶ꎬ柴油机氮氧化物排放量应满足国
际海事组织国际防止船舶造成污染公约(ＭＡＲＰＯＬ)７３/７８附则Ⅵ的特定要求：氮氧化物排放量标准是排放标准第二阶段(ＴｉｅｒＩＩ)ꎬ即进口２０１１年以前建造的船均被限制ꎮ便宜的老旧船舶改造操作空间越来越小ꎮ随着排放标准第三阶段(ＴｉｅｒＩＩＩ)预期ꎬ该类船舶操作改装空间近乎封闭ꎮ次新船的成本远远高于老旧船舶ꎬ船舶政策的调整大幅度增加了由旧船改造成养殖工船的成本ꎮ
规范规则层面ꎬ目前中国船级社(ＣＣＳ)尚未有对应的规范ꎬ如«钢质海船入级规范»[１２]㊁«海上移动平台入级规范»[１３]中都没有要求或不完全符合实际需求ꎮ挪威－劳氏(ＤＮＶ－ＧＬ)则提出了设计指南[１４]ꎬ明确规定为确保安全ꎬ规范规则主要参照海上移动式钻井平台构造和设备规则(ＩＭＯＭＯＤＵＣＯＤＥ)ꎬ一些基本安全要求可以采用船舶规范ꎮ采用ＩＭＯＭＯＤＵＣＯＤＥ进行养殖工船设计ꎬ安全冗余度较大ꎬ而养殖工船实际作业工况环境载荷远远低于海上移动平台ꎬ如此会大幅度增加不必要的建造成本ꎬ降低经济性ꎮ基于此ꎬ对标国际船舶安全及防污染等相关公约ꎬ根据养殖工船实际作业工况特点ꎬ开展养殖工船设计方法和技术路线研究ꎬ为养殖工船的发展提供方向指引ꎬ具有十分重要的现实意义ꎮ
３㊀总体设计思路
以动力系统㊁系泊系统㊁养殖系统㊁物流系统及加工系统的总布置为基础ꎬ兼顾安全性㊁经济性及环保性ꎬ将商用运输船设计方法和养殖技术要求有机结合在一起ꎬ探讨构建深远海养殖工船系统和总体技术框架(图１)ꎮ
３.１㊀总布置
养殖工船有别于传统运输船ꎬ其集养殖㊁繁育㊁加工及渔船补给和物流等多功能于一体ꎬ长期游弋在深远海区域ꎬ配合物流补给船队和捕捞作业船队ꎬ形成多功能的大型渔业航母船ꎮ依据其功能ꎬ总布置也必然有异于传统运输船ꎮ(１)动力系统ꎮ养殖工船对航速要求不高ꎬ庞大的动力系统主要用来支撑养殖平台的日常功能需求ꎬ兼顾航行推进ꎮ基于这种需求ꎬ常规燃油主机推动螺旋桨动力方式在系泊养殖期间几无作用ꎬ势必会造成极大浪费ꎮ若全船采用电力推进系统ꎬ其优点包括：可使机舱布置更加紧凑[１５]ꎬ节省大量空间ꎻ提高船舶操纵性ꎬ易于实现自动控制ꎻ针对多种不同工况ꎬ全船功率全部由电站进行调配[１６]ꎬ可大幅度降低运营成本ꎬ减少常规推进主机的闲置浪费ꎮ采用中高速发电机ꎬ可降低振动噪音ꎬ改善养殖环境ꎮ
(２)系泊系统ꎮ养殖工船主要功能是水产养殖ꎬ稳定泊于特定海域㊁减小横摇以利于平台内开展繁育及养殖工作是较理想的状态ꎮ然而ꎬ不同于浮式生产平台(ＦＰＳＯ)等ꎬ养殖工船对精准定位的要求并不高ꎬ动力定位(ＤＰ)系统以及复杂高级的系泊系统ꎬ无论是建造成本还是后期运营成本都相当高昂且无必要ꎬ探索经济高效的深水系泊
２６
第２期崔铭超等：养殖工船系统构建与总体技术探讨
系统具有较大的工程实际意义[１７－２１]ꎮ
(３)加工补给系统ꎮ养殖工船综合服务平台
定位于可以养殖且兼有服务补给功能的大型渔业航母ꎬ并配合物流补给船队和捕捞作业船队ꎬ形成多功能的大型渔业航母船队ꎮ渔业航母船队运作时ꎬ由综合补给船向平台上转存燃油㊁淡水㊁食物等物资ꎬ需要时养殖平台再向捕捞作业渔船驳运该类补给物资ꎬ同时可以收储作业渔船的渔获并进行加工作业ꎬ延长作业渔船的自持力和续航力ꎬ节省渔船在海陆间的往返时间和油耗成本ꎮ
(４)养殖系统ꎮ养殖工船的核心作用是水产
养殖ꎬ利用深远海优越的气候㊁资源和水质条件ꎬ开展高附加值经济性鱼类养殖生产ꎮ在平台甲板
上布置繁育车间ꎬ实现鱼种培育ꎬ包括亲本蓄养㊁受精卵孵化㊁中间培育和规格苗种培育等生产环节ꎻ同时ꎬ利用平台内部空间构建大型养鱼水舱ꎬ采用深层取水流水养殖方式ꎬ将鱼种养成至商品规格ꎮ
(５)物流系统ꎮ养殖工船长期游弋于深远
海ꎬ兼具深海渔业物流平台功能ꎬ集运输㊁储存㊁装卸㊁吊运㊁包装㊁加工㊁驳运中转㊁信息处理及贸易平台功能于一体ꎮ在深远海没有码头辅助的情况下ꎬ依据物流工业流程的需求ꎬ应做好甲板吊机㊁冷链存储配置ꎬ同时需要兼顾各类船舶的便捷靠泊
ꎮ
图１㊀养殖工船系统构建路线图
Ｆｉｇ.１㊀Ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅｐｌａｔｆｏｒｍｓｙｓｔｅｍｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍ
３.２㊀安全性
常规船舶安全性主要考虑总体安全㊁结构安全㊁防火防爆㊁逃生及全船监控等方面ꎬ在此基础上ꎬ养殖安全在工船体系当中也尤为重要ꎮ养殖安全性主要涵盖以下几个方面：适渔性环境㊁水质安全㊁抑制横摇周期应激反应[２２]㊁振动噪声以及防疫隔离安全[２３－２４]等ꎮ
(１)舱养适渔性环境ꎮ营造良好的舱内生存
环境是考察养殖工船适渔性的基本条件ꎮ养殖工船系泊于深远海ꎬ利用大舱进行养殖ꎬ这就不可避免地出现液舱晃荡问题[２５]ꎮ波浪环境下船舶的晃荡特性在液化天然气运输船舶等特种船型已研究多年[２６－２７]ꎬ波浪振荡载荷和舱内流体振荡相互耦合是一个典型的晃荡问题[２８－３２]ꎬ但对船舱内部的流动特征却鲜有研究ꎮ养殖舱内的流场运动形态会影响营养物的输移扩散进而影响鱼苗的食物
３
６
渔业现代化２０１９年
摄取ꎬ流场特性同样影响水体温度场的变化从而改变鱼苗的生存体感ꎬ因此研究养殖舱内的流场特性对优化养殖舱结构ꎬ发展舱内养殖具有重要意义ꎮ晃荡问题受到结构水弹性㊁多孔介质阻尼等不同物理机制的影响ꎬ在模型试验中需要综合考虑水弹性㊁雷诺数和傅汝德数的影响ꎬ急需发展复杂介质和结构特性影响下的晃荡问题试验方法ꎮ因此ꎬ发展高效的数值(ＣＦＤ)养殖舱进行流场仿真尤为重要ꎮ
(２)舱养水质安全ꎮ定期换水的封闭区域水质是决定工船内鱼生态环境的重要指标ꎮ目前大范围定量预报水中溶解富营养物质㊁氧气等物质的输运扩散过程尚存在输运扩散系数难以确定的问题ꎬ这一难点在有限空间鱼游动和船舶振荡条件下尤为突出ꎮ通过匀质化理论分析ꎬ建立周期性振荡流动和模拟鱼随机游动两种特殊因素影响下的物质输运扩散模型ꎬ获得养殖工船内部复杂环境下的湍流扩散㊁泰勒散等参数ꎬ为数值仿真养殖工船内部水质特性提供基本模型参数ꎬ并开展机理模型试验以验证所建立的输运扩散模型ꎮ定期换水是改善养殖工船内部水质的有效途径ꎮ通过ＣＦＤ模拟不同换水位置㊁强度和频率对水质的影响规律ꎬ分析换水过程中舱内的流场特征ꎬ获得不显著影响鱼类生活状态的换水模式ꎮ通过比选ꎬ提出优化的换水模式ꎮ(３)振动噪声以及防疫隔离安全ꎮ鱼类在水中主要通过内耳㊁测线器官和气鳔感受振动和声音ꎬ其中内耳是主要的声音感受器ꎬ侧线是鱼类感受水中微小活动的感觉系统[３３]ꎮ不同鱼类在短时间振动胁迫和长时间振动胁迫下会有应激反应ꎮ振动和噪声对部分鱼类影响较大ꎬ如大黄鱼等ꎬ严重者可造成鱼体死亡ꎮ需要研究养殖品种对振动噪声的耐受度ꎬ探索主动及被动
减振降噪措施ꎬ以提高养殖环境质量ꎮ当暴发某种病虫害时ꎬ为防止疫病向非疫区扩散㊁蔓延ꎬ除严格隔离外ꎬ还要采取严格的措施ꎬ实行封锁ꎮ封锁区划分应从防疫㊁生产㊁效益几个方面考虑确定疫区和受威胁区ꎬ按 早㊁快㊁严㊁小 的原则进行ꎮ通风系统隔离和疫区快速阻断是必要的手段ꎮ
３.３㊀经济性
依据国内外试验平台的数据结论ꎬ较小尺度的工船虽然初始建造成本较低ꎬ但是养殖水体较小ꎬ养殖量不高ꎬ单位产量养殖成本高ꎮ养殖水体达到万吨以上ꎬ单位产量养殖成本迅速降低ꎬ但是初始建造成本又比较高ꎮ因此ꎬ需要在初始建造成本和后期营运成本之间寻求一个平衡点ꎬ来衡量养殖工船的经济性ꎮ通过优化设计ꎬ控制空船重量重心ꎬ增大养殖舱容积ꎬ进而在一定排水量的前提下ꎬ增加养殖水体量ꎮ在高效动力系统和深水系泊系统之间也可以寻求一个建造及营运的平衡点ꎮ在一定环境载荷下可维持系泊ꎬ而在超过设计工况环境载荷情况下ꎬ采用动力推进游弋的方式维持养殖舱的适渔性ꎬ探索一种高效且经济的深水系泊系统具有切实的工程意义ꎮ
３.４㊀环保性
大型养殖平台应满足ＭＡＲＰＯＬ公约中相应的要求ꎮ燃油舱总容积超过６００ｍ３的所有单个容积超过３０ｍ３的燃油舱均需要进行双壳保护ꎮ生活污水和生活垃圾等要符合ＭＡＲＰＯＬ７３/７８附则ＩＶ防止船舶生活污水污染规则ꎮ大气中氮氧化物(ＮＯｘ)和硫氧化物(ＳＯｘ)的持续上升是令国际
社会担忧的问题ꎮ有几个因素被认为是造成空气中ＮＯｘ增加的原因ꎬ而船舶废气的排放物就是其中之一ꎬ全球１８％~３０％的氮氧化物排放来自航运船舶ꎮ虽然关于ＴｉｒｅＩＩＩ关于ＮＯｘ的要求尚未在全球海域强制实施ꎬ但不可否认ꎬ随着世界环保意识的增强ꎬＮＯｘ和ＳＯｘ的排放会受到越来越强的管控[３４]ꎮ养殖工船在初始建造或者改装阶段ꎬ需要重点关注这一领域的技术进展ꎬ并视最新要求予以付诸实施ꎮ
船舶压载水携带的外来物种一旦入侵港口国水域[３５]ꎬ会使海洋生态环境和人类健康受到严重威胁ꎬ因此ＩＭＯ对压载水管理作出了积极应对ꎮ对于无限航区航行的国际船舶ꎬ压载水处理需要满足«国际船舶压载水及沉积物控制和管理公约»ꎮ作为新生事物ꎬ常年游弋在固定海域的养殖工船携带大量养殖水体ꎬ其如何界定也是一个较为尖锐的问题ꎮ航区和船舶性质对该问题有着重要影响ꎬ因此需要依据实际使用情况ꎬ匹配合适的航区并与主管当局就养殖工船性质进行协商[３６－３７]ꎬ以期控制成本ꎬ避免造成不必要的浪费ꎮ４㊀结语
养殖工船作为新生事物ꎬ其发展必然会面临
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第２期崔铭超等：养殖工船系统构建与总体技术探讨
很多技术挑战ꎬ迫切需要有关部门建立专业化设计总则㊁技术规范与工艺规程予以指导ꎮ结合当前技术现状的基础ꎬ联合船舶和养殖行业开展技术攻关ꎬ基于动力系统㊁系泊系统㊁养殖系统㊁物流系统及加工系统的总布置ꎬ兼顾安全性㊁经济性及环保性ꎬ探讨构建深远海养殖工船系统和总体技术框架ꎬ以养殖工船为载体实施深远海养殖ꎬ构建集养殖㊁繁育㊁加工及渔船补给和物流等多功能于一体的深蓝渔业航母具有较大的经济价值和社会价值ꎬ可有效利用我国海域资源ꎬ是推动海洋经济发展的新途径ꎬ对充分挖掘海洋在食物供给方面的潜力㊁保障我国粮食安全和维护海洋权益具有长远意义ꎮѲ
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渔业现代化２０１９年Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎａｂｏｕｔｓｙｓｔｅｍｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄｇｅｎｅｒａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆ
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ＣＵＩＭｉｎｇｃｈａｏ１ꎬ２ꎬＪＩＮＪｉａｏｈｕｉ１ꎬ２ꎬＨＵＡＮＧＷｅｎｙｕｎ１ꎬ２
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Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｏｃｉａｌｅｃｏｎｏｍｙꎬｔｈｅｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎｏｆｍａｒｉｎｅｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｏｕｒｃｅｓｉｓａｎ
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