楚树坡，徐志强，张耀明，张璐，孟广玮
(1.青岛海洋科学与技术试点国家实验室，山东 青岛 266237；
2.农业农村部设施农业装备与信息化重点实验室，浙江 杭州 310058；
3.中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 2000921；
4.青岛国信蓝色硅谷发展有限责任公司，山东 青岛 266200；
5 国信中船(青岛)海洋科技有限公司，山东 青岛 266200)
深远海养殖业是海洋新兴产业，发展深远海养殖对于推进渔业转型升级、拓展蓝色经济发展空间、保障国家粮食安全意义重大[1]。目前中国海水养殖空间已经逐步从近岸向深远海拓展，深远海养殖业发展迅速。大型化、自动化、智能化的深远海养殖工程装备是开展深远海养殖的关键，世界渔业发达国家发展深远海养殖工程装备的主要途径是构建大型养殖网箱和浮式养殖平台，其中浮式养殖平台以专业化养殖工船为代表[2-3]。20世纪70年代末，雷霁霖院士提出养殖工船初步设想[4]。经过四十多年的发展，特别是近五年来，中国在养殖工船基础研究和技术开发方面取得了一批研究成果[5-8]。2020年11月，“国信101”号养殖工船试验船正式交付[9]，青岛国信集团在该船上开展了大黄鱼(Larimichthyscrocea)养殖试验。
中国海上养殖设施的工程化水平相对落后，养殖装备机械化、智能化、信息化技术水平较低，精准投喂、水下观测、起捕作业等配套装备尚未能取得突破，粗放型的传统生产方式已无法满足深远海养殖工程装备的需求[10]。作为一种渔业现代化设备，吸鱼泵在鱼类起捕环节起着重要作用，在国外已得到广泛应用，也必将成为养殖工船的关键配套设施之一。吸鱼泵形式多样，如离心式、真空式、射流式等[11-13]。尽管离心吸鱼泵工作效率高，但因结构上存在高速旋转的叶轮，容易对鱼类造成机械切割损伤[12-13]。射流吸鱼泵工作效率低，内部存在强烈的剪切流动，极易造成鱼类损伤[14]。真空吸鱼泵无运动部件，结构简单，工作效率高，能耗低，特别是对鱼无损伤，适合输送较大规格活鱼[11-17]。目前国内外真空吸鱼泵普遍采用在真空集鱼筒的进鱼口和出鱼口处设置单向板式阀[18-22]，通过该单向板式阀的启闭实现吸/排鱼，适合在陆地上使用。然而对于开放水域中的养殖工船来讲，由于风浪等的影响，船体处于摇晃状态时，单向板式阀会因阀板与阀座分离而失效，因而使用单向板式阀的真空吸鱼泵不适用于养殖工船。使用单向板式阀时，真空吸鱼泵全过程边抽气边吸鱼水，因真空集鱼筒内形成有效真空度需要一定的时间，在形成有效真空度前，水就在内外压差的作用下低速进入真空集鱼筒，从而只吸水不吸鱼，降低吸鱼效率[17]。黄滨等[15]研究表明，对真空集鱼筒进行预抽真空可以提高吸鱼效率。通常使用时间控制吸排过程，吸程影响吸排时间，因此需要根据不同的吸程改变控制时间，对操作人员要求较高，且海洋波浪的存在会影响每次实际吸鱼水量，若改成液位控制则可避免以上不足。
本研究采用团队的专利技术[23-24]，研制一台真空吸鱼泵样机，采用可编程控制器(PLC)控制，在真空集鱼筒的进鱼口和出鱼口处设置刀闸阀代替单向板式阀，采用预抽真空工艺，用液位控制吸排过程。在“国信101”号养殖工船试验船上开展性能试验和大黄鱼起捕试验，以期为养殖工船机械化起捕提供有力的技术支撑。
真空吸鱼泵主要由真空集鱼筒、水环真空泵、控制柜、阀门、仪表、管道等组成。真空吸鱼泵的工作原理见图1。真空吸鱼泵的吸排鱼过程如下：水环真空泵对真空集鱼筒抽气，真空集鱼筒内部压力逐渐降低，鱼水混合物在真空集鱼筒内外压差的作用下，沿着吸鱼管道进入真空集鱼筒内；
真空集鱼筒内鱼水混合物达到设定液位后，水环真空泵停止对真空集鱼筒抽气，同时真空集鱼筒与大气连通；
在重力作用下，鱼水混合物从真空集鱼筒排出。
图1 真空吸鱼泵工作原理示意图Fig.1Schematic diagram of operating principle of the vacuum fish pump
2.1 设计总体要求
真空吸鱼泵样机采用单筒式结构，设计输送鱼水量不小于40.00 m3/h。采用PLC进行智能控制，实现无人值守运行。开发可视化控制界面，便于人机交互。样机安装于“国信101”号养殖工船试验船上，开展性能试验和大黄鱼起捕试验，试验用大黄鱼体重为0.50 kg左右。
2.2 吸排鱼管径
考虑到渔获密度大时，存在2条及以上大黄鱼同时被吸入管道的情况，为避免大黄鱼堵塞吸鱼管道，确定吸鱼管径时还应考虑鱼类体厚。目前未见有大黄鱼体型参数的研究报道。根据渔民经验，0.50 kg左右重的大黄鱼体高范围为0.11～0.12 m。结合管道的标准尺寸，吸鱼管径设计为DN200。排鱼管径与吸鱼管径相同。
2.3 真空集鱼筒结构尺寸
真空吸鱼泵样机输送鱼水量取40.00 m3/h，一个吸排周期设计为35 s。经计算，一次吸排鱼水量应为0.39 m3。真空集鱼筒的充填系数取0.85，故真空集鱼筒的容积应不小于0.46 m3。根据以上参数，真空集鱼筒的结构尺寸设计为：圆筒内径0.70 m，容积为0.49 m3。
2.4 水环真空泵选型
不考虑漏气，水环真空泵的抽气时间按以下经验公式进行估算：
式(1)
S=Sp·η
式(2)
式中，t为抽气时间，s；
V为真空集鱼筒容积，m3；
S为水环真空泵有效抽速，m3/s；
Sp为水环真空泵名义抽速，m3/s；
η为水环真空泵抽气效率；
pi为开始抽气时真空集鱼筒内的压力，Pa；
p为经t时间后真空集鱼筒内的压力，Pa。
真空集鱼筒预抽时间设计为15 s。将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，计算得到水环真空泵的名义抽速Sp=180.12 Nm3/h。因系统内的漏气量无法估算，故设计余量取20%，则水环真空泵的实际抽速应不小于216.14 Nm3/h，根据该数值进行水环真空泵选型。
2.5 智能控制
真空吸鱼泵样机采用PLC进行控制，按照设定的控制程序自动运行。配置了10寸触摸屏，采用组态软件开发了可视化操作界面。吸排过程中真空集鱼筒内的压力变化是真空吸鱼泵的关键参数，包含了真空吸鱼泵的多个重要信息，因此为了监测吸排过程中真空集鱼筒内的压力变化，在真空集鱼筒筒体上设置了压力变送器。同时在真空集鱼筒筒体上设置了液位开关，控制吸排过程。阀门启闭动作、液位开关通断状态、压力变送器数值均可保存在PLC内部存储器中，可用U盘等外部存储介质拷贝出来，便于后期进行数据分析。自动运行过程中如出现问题，PLC将会输出报警信息，系统自动停止运行。
真空吸鱼泵样机制造完成后，安装于“国信101”号养殖工船试验船主甲板上，可通过管路分别从3个养殖舱内起捕大黄鱼，见图2。
图2 真空吸鱼泵Fig.2 The vacuum fish pump
3.1 试验条件与试验方法
3.1.1 试验条件
试验在“国信101”号养殖工船试验船上开展，试验时该船锚泊于浙江省台州市近海海域。试验当天多云，海水温度20 ℃，东北风4～5级，浪高1.00～1.40 m，船体横摇和纵摇明显。3号养殖舱先于1号和2号养殖舱进行了大黄鱼起捕，大黄鱼应激性强，为避免对1号和2号养殖舱内大黄鱼造成不利影响，故利用该间歇期在3号养殖舱开展试验。
3.1.2 试验材料
试验用鱼取自2号养殖舱，该养殖舱内的大黄鱼已养殖近6个月，平均个体体质量已达0.50 kg，可作为成鱼对外出售。人工使用抄网从2号养殖舱内随机抓取游动活跃的大黄鱼，共抓取4次，经外观检查无明显损伤后，暂养于3号养殖舱中的柔性网具内。
3.1.3 试验内容与评价指标
首先开展真空吸鱼泵吸水性能试验，获取吸鱼泵运行过程中真空集鱼筒内压力变化情况，包括不同吸程下真空集鱼筒内最低压力、吸鱼泵吸排周期和吸鱼泵输送量的变化情况，验证设计吸程内真空吸鱼泵的实际输送量是否满足设计输送量。然后开展大黄鱼起捕试验，验证使用真空吸鱼泵起捕大黄鱼的可行性，起捕后大黄鱼的损伤率应控制在1.00%以内。
3.1.4 试验方法
通过舱底的海水泵向舱外排水或者向舱内注水改变养殖舱内水位的方式改变吸程。为便于吸鱼，在吸鱼管道的进鱼端设置了喇叭口，喇叭口的锥顶角为60°。在真空吸鱼泵的排鱼管末端搜集捕获的大黄鱼，并暂养于水箱中进行观察、计数，最后称重。
3.2 试验结果与分析
3.2.1 真空吸鱼泵吸水性能
吸水试验数据显示，不同吸程条件下，吸排过程中真空集鱼筒内的压力变化曲线见图3。随着吸程的增大，吸排周期时长增加(图4)。因为吸入真空集鱼筒内的水体体积相同，所以排水时间相同，因而随着吸程的增大，吸水时间增加。随着吸程的增大，真空集鱼筒内的最低压力降低，即所需的真空度增大(图4)。较大的真空度以及压力梯度会对鱼类内部器官造成不可逆转的损伤，甚至导致鱼类快速死亡[25-27]，对于活鱼起捕，建议控制吸排过程中的真空度，因此真空吸鱼泵的吸程需限制在一定范围内。真空吸鱼泵的输送量随着吸程的增大而减小，该真空吸鱼泵单次可吸水0.43 m3，经计算，不同吸程下的输送量见图5。因此，真空吸鱼泵的输送量并不是一个确切的数值，而是一个范围，在一定的操作条件下(如给定吸程、吸入管径等)，真空吸鱼泵的输送量才会是一个确切数值。对于所研制真空吸鱼泵，在吸程≤2.30 m时，其实际输送量可满足设计输送量要求。
图3 不同吸程条件下真空集鱼筒内的压力变化曲线Fig.3Pressure change curves of the tank in vacuum fish pump under different suction heights
图4 吸排周期时长、真空集鱼筒内最低压力与吸程的关系Fig.4Relationships between suction-discharge cycle time, minimum pressure in the tank and suction height
图5 输送量与吸程的关系Fig.5Relationship between transportation rate and suction height
3.2.2 大黄鱼试捕效果
试验显示，在吸程2.30 m条件下，吸排过程中最低压力为-49.10 kPa，不会对大黄鱼内部器官造成不可逆损伤，因此大黄鱼起捕试验选择在2.30 m吸程条件下进行。
经过13个吸排周期(用时498 s)成功将75条大黄鱼(37.10 kg)全部吸捕完成；
起捕后，所有大黄鱼体表均无明显损伤，均未死亡，鱼类损伤率为0；
水箱中有14条(18.70%)大黄鱼呈肚皮上翻状态，活跃性低，其余大黄鱼游动正常，表现出较高活跃性。
本次大黄鱼起捕试验用时较长，一是由于鱼水比较小，吸鱼效果较差，随着吸鱼过程的进行，鱼水比越来越小，吸鱼效果越来越差；
二是由于管路较粗较长，排鱼过程中吸鱼管路中形成回流，回流时被吸入吸鱼管的部分大黄鱼又被冲回到网具中，降低了吸鱼效率。鱼水比是影响真空吸鱼泵吸鱼效率的关键因素之一[28]，在吸鱼过程中，应人工干预保证吸鱼口处具有较大的鱼水比以提高吸鱼效率。对于大型化的深远海养殖工程装备，如何有效聚鱼及保证一定的鱼水比，是使用吸鱼泵时需解决的重要技术问题之一。另外，使用单个真空集鱼筒时，吸鱼过程为间歇性操作，应尽量减小吸鱼管长度，或者吸鱼管较长时，在吸鱼管吸入端设置止回阀防止回流，以提高吸鱼效率。对于大多数使用真空吸鱼泵的场合，建议采用两个及以上真空集鱼筒，实现连续吸鱼，提高吸鱼效率。试验中发现，在吸鱼过程中，吸鱼管道内大部分大黄鱼是鱼尾朝前，鱼头朝后，这是由鱼类试图顶流逃逸造成的。鱼类具有顶流游泳的生活习性，鱼类的游泳能力是设计吸鱼泵时必须考虑的关键参数之一，吸鱼口处水流流速大于鱼类的极限游速时才能成功将鱼类吸入吸鱼管。因此，在设计吸鱼泵之前，应获取所吸捕鱼类的游泳能力数据。
采用真空吸鱼泵对工船养殖大黄鱼进行了机械化起捕实船试验。针对养殖工船起捕时可能处于摇晃状态的工况，在真空吸鱼泵真空集鱼筒的进鱼口和排鱼口处设置刀闸阀以代替目前普遍采用的单向板式阀结构，并采用预抽真空工艺，用液位控制吸排过程。在养殖工船横摇和纵摇明显的条件下，真空吸鱼泵成功起捕大黄鱼，起捕后所有大黄鱼体表均无明显损伤，且大部分大黄鱼仍保持较高活跃性。真空吸鱼泵的输送量不是一个固定值，会因操作条件不同而变化，故养殖工船的工况应作为真空吸鱼泵的设计输入条件。鱼类的游泳能力是设计吸鱼泵时必须要考虑的因素之一，建议在设计吸鱼泵之前应获取工船所吸捕鱼类的游泳能力数据。鱼水比是影响吸鱼效率的关键因素之一，对于大型养殖工船，如何有效聚鱼及保证一定的鱼水比是需要解决的一个技术问题。本研究将为养殖工船的机械化起捕提供参考。
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