海洋渔业▏10万吨级深远海养殖平台总体技术研究

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我国是世界上海水养殖发达的国家之一，其养殖面积和总产量均居世界首位。世界粮农组织（FAO）的统计资料显示，我国海水养殖业总产量1955年仅10 万吨，此后逐年提高，近三十年里得到快速发展，1990年超过300万吨，2008年上升到1340万吨，占国内海洋水产品产量的51.6%，约占世界海水养殖总产量的2/3。水产品能为人类提供丰富的蛋白质，在土地资源日益稀缺的现代，水产品的重要性不断上升。水产养殖业作为增长最快的食品生产行业，绝大多数水产品均来自亚洲。鱼肉不仅富含微量元素，还含有较高浓度的ω-3脂肪酸。与农场动物肉质相比，鱼肉可更有效地转换能量和蛋白质。

我国近岸海水养殖方式粗放，受外部水域环境恶化与内部水质劣化的影响，沿海近岸的养殖空间不断受到挤压，养殖产品安全问题日益突出，受台风影响，海水养殖的安全性得不到保障。我国远离大陆的深远海水域具有水质优良、温度适宜及远离陆源性病虫害等优点，是发展现代海水养殖、海洋经济的新空间，是推进国家海洋战略的重要组成部分。在深远海海域开展水产养殖，现代化、工业化、机械化的养殖装备是关系到养殖成败的关键因素。

但是，我国深远海养殖装备研发尚处在起步阶段。上世纪，雷霁霖院士绘制了“未来海洋农牧场”建设蓝图，展示了在我国建造养殖工船的初步设想。上世纪80年代，发达国家也曾提出发展大型养殖工船的理念，但是受制于产业发展条件尚不具备，一直以来未形成主体产业。拓展深远海养殖新空间，关键是安全可靠的设施装备，前提是养殖品种和生产系统的经济性，途径是规模化生产与工业化管理。国际上尚无成熟的深远海养殖装备，我国国内科研院所正将目标聚焦于深远海养殖，并以此为契机研发工业化养殖装备。此举将使得我国在该领域的研究与世界先进水平保持同步。拓展深远海养殖新空间，是我国维护国家海洋权益、争取发展空间的重要战略手段。

本文围绕深远海养殖的技术需求，开展深远海养殖平台总布置、关键参数选取、航速选择、稳性校核和新能源利用等总体技术研究，形成集规模化养殖、繁育、加工及渔船补给和物流等功能的10 万吨级深远海养殖平台总体技术方案。

一、养殖需求

大舱养殖是该养殖平台的主要功能之一。养殖的关键因素是良好的水质、适宜的水温和远离病虫害等。良好的水质需要及时进行水体交换和排污。养殖平台采用溢流法进行水流交换，即取水泵从取水阱内抽取深远海海水，在养鱼水舱舱底设置溢流管，接到设计吃水以上从养殖平台舷侧往外排水，进而实现水流交换。由于养殖过程中难免会有死鱼现象，一般24小时以内死鱼将沉到舱底，超过24小时则漂浮在水面上。舱内死鱼若不及时处理将极大地影响养殖水质，影响舱养鱼类的生态健康，需要及时处理。该项目采用“进水推流”的方法来解决这个问题，即在大舱内造成一定的漩涡，将包括残饵、死鱼等污物汇集到舱底中心，然后再集中用泵排污。要取得较好的“进水推流”效果，舱室的长宽比最好是1∶1。

该项目具有加工功能，加工车间需要冷藏库用于渔获物冷藏，为了降低平台重心，提高平台稳性，加工区应尽量降低高度。该项目也具有苗种繁育功能，苗种繁育时需要较高的温度，为了节能最好是能利用太阳光进行保温，由此看来，繁育车间应布置在开敞甲板上，以方便利用太阳光。

二、总布置研究

该项目的总布置研究必须充分考虑如上所述的养殖、加工和繁育的特殊需求。并且由于平台涉及诸多功能区划，如繁育、养殖、加工和物流补给等，人员较多，如何在尽量提高平台养殖量的同时兼顾好平台的加工补给能力和生存能力等综合性能，需要开展布置合理化、操作人性化的总布置研究，建立合理完备、相互补充、互不干扰且适合长时间连续生产的总布置技术方案。

⒈ 渔业航母船队构建模式

该项目将深远海养殖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，并配合物流补给船队和捕捞作业船队，形成多功能的大型渔业航母船队。渔业航母船队运作时，由综合补给船向平台上转存燃油、淡水、食物等物资，养殖平台再向捕捞作业渔船驳运该类补给物资，以延长作业渔船的自持力和续航力，节省渔船在海陆间的往返时间和油耗成本。养殖平台为捕捞作业船队提供了向深远海等纵深海域发展的载体，该模式具有模块化和可复制化等特点，方便项目的多点实施。具体实施方案如图1所示。

物流补给船队  多功能的移动式大型养殖平台   捕捞作业船队

图1  渔业航母船队构建模式

⒉ 总布置特点

养殖平台总体布置与作业海域、养殖需求、补给方式及生产流程等因素密切相关，主要依据船舶设计基本原理、该平台总体技术方案及应遵循的国际国内设计规范。由于该船型在国际上尚无先例可循，且该平台为船式平台，总布置设计时应遵循船舶设计的一般规定。养殖平台应满足MARPOL公约中关于燃油舱保护的要求，也应满足SOLAS关于脱险通道、海上救生设备布置等方面的要求。除此之外，养殖平台总布置需满足如下几方面要求：①生活区布置在平台尾部，以尽量扩大甲板作业面积；②养殖鱼舱布置在船中，且舱型尽可能规则，满足养殖需求；③加工区域应布置在主甲板上，方便吊装作业；④繁育车间应布置在开敞区域，以满足繁育的采光、保温和通风等需求；⑤布置转运吊机，以满足远离大陆的深远海作业；⑥布置补给燃油舱、淡水舱及生活物资补给间，以满足作业渔船的补给需求；⑦布置直升机平台，且尽可能靠近生活区，方便作业人员降落及撤离。

图2   养殖平台总布置侧面图

⒊ 养鱼水舱布置

为取得较好的“进水推流”效果，进而实现排污功能，该项目合理设置了各养鱼水舱的长宽比。养殖平台在主甲板下设置了6对养鱼水舱，No.1和No.6养鱼水舱长宽均为20.5m，长宽比为1∶1；No.2～No.5养鱼水舱长为35.55m，宽为20.5m，长宽比约为1.70∶1。通过流体软件分析可以发现，该类长宽比的养鱼水舱均具有较好的流态。为减小养殖鱼舱舱壁的生物附着状态，且改善水体流态，养殖鱼舱舱壁需要保持光滑。为满足养殖光滑舱壁的要求，设计了双舱壁结构，即在养鱼水舱中间设置中纵双舱壁，不仅可以提高船体强度，也可减小液舱养殖水体的自由液面，且其自由液面力矩将为不设中纵舱壁的1/4，提高船舶完整稳性。为满足养殖平台的排污需求，设计了倾斜船底形成锥底，并在锥底位置设置了排污口用于排污。排污时，开启排污泵至污物处理装置进行集中处理。

通过建模计算，养殖平台的养鱼水舱总舱容为116467m³，可用于大舱养鱼的养殖水体容积为87640m³。具体养鱼水舱容量表如表1所示。No.2～No.5养鱼水舱在大舱中间设置导流板用于改善“进水推流”效果。每个养鱼水舱上面都设置了液压折叠式养鱼舱口，其尺寸L×B 为：12350mm×3600mm。作业状态下，该养鱼舱口兼投饲口和起鱼口的功能，用于饲料投喂和起鱼。当海况恶劣时，该舱口盖可以快速关闭，以保证养殖平台和舱养鱼类的安全，并可避免雨水对舱养鱼类的不利影响。

表1   养鱼水舱容量表

组别	舱型	编号	数量/个	养殖水体量/m3	养殖负荷/t
1	组标准舱	No.2	2	8760×2	200×2
2	组标准舱	No.3	2	8760×2	200×2
3	组标准舱	No.4	2	8760×2	200×2
4	组标准舱	No.5	2	8760×2	200×2
5	组艏舱+艉舱	No.1+No.6	4	(3580+5200)×2	(80+120)×2

⒋ 加工车间布置

为满足养殖平台的加工需求，加工车间布置在主甲板上。在6 对养鱼水舱上面设置6 个加工区域，且集中布置4对冷藏鱼舱。在每个加工区域附近设置1台吊机，共计6台吊机，用于起吊捕捞作业渔船的渔获物到加工间进行清洗、分级和打包等粗加工。吊机的起吊能力为15t，吊距为8 m～20m。为减少捕捞作业渔船的等待时间，6台吊机可以同时为6艘作业渔船提供渔获物转运服务。每个加工区均设置了1个卸鱼池，作业渔船的渔获物通过卸鱼池进入到加工间。经过清洗、分级和打包等粗加工的渔获物通过液压电动叉车将渔获物放置在冷藏间内的搁架上，进行冷冻冷藏。

⒌ 繁育车间布置

根据繁育的采光和保温需要，将繁育车间放到了主甲板的顶层，即平台A甲板上构建126m×11m×4m的繁育车间2套，并在繁育车间上适当的地方开设透光天窗，在侧面开设窗户。按照繁育功能的流程需求，设置了亲鱼蓄养系统、孵化系统和育苗/驯化系统，并且为配合繁育的需要，设置了鱼苗颗粒饲料间、生物饵料间、监控室、风机房、库房、消毒室等功能间。养殖海水鱼亲鱼每3个月一批次，通过人工催产获得受精卵。该亲鱼蓄养系统采用流水方式，即抽取海水对系统水体进行交换。鱼苗颗粒饲料间用于贮存鱼苗培育过程用的生物饵料和配合颗粒饲料，面积为212m²，贮存量300t，可满足所有鱼种2个月喂食需要。生物饵料间用于进行单胞藻、卤虫、桡足类等生物饵料培育，面积为28m²。监控室用于放置监控用工控机、显示器和控制柜等，面积为15.2m²。风机房用于放置繁育车间用风机，布置罗茨鼓风机2台（1用1备）。库房用于放置繁育生产用工具和杂物。消毒室用于人员出入繁育车间时的消毒和更衣。

⒍ 生活区域布置

根据作业需要，养殖工船定员74人及1个引水员，人员居住在上层建筑内，分布在#29～#43。在上层建筑尾部设置直升机平台，用于人员降落及撤离。除了根据航行要求设置甲板部和轮机部外，还根据养殖平台的作业需求设置养殖部和加工部。该平台有6对养鱼水舱，分成5组舱室，每组设置2个养殖人员，再设置1名养殖长进行全船养殖系统管理；该平台有2套繁育系统，每组设置2个繁育人员，再设置1名繁育长进行全船繁育系统管理；该平台有6台吊机、6个加工车间，每台吊机设置1名吊机操作人员，每个加工车间设置2名加工人员，再设置1名加工长进行全船加工系统管理。平台上还设置了各类科学实验室，布置了科考人员及试验人员房间。具体人员配置情况如表2所示。

表2   养殖平台定员表

三、关键参数选择

养殖平台的关键参数包括平台主尺度（表3）和航速等。平台主尺度选取时需要兼顾总布置图的要求，且与平台造价、稳性等重要指标息息相关。平台的航速选择关系到平台的油耗经济性和操纵性，航速定得过高，装机功率大；航速定得过低，对平台低速运行时的操纵性产生不利影响。

表3   养殖平台主尺度

主尺度	数值	主要制约因素
垂线间长/m	241.00	防撞舱壁长度12.7m，养鱼水舱187.85m，补给燃油舱7.65m，机舱段22.1m，尾舱段14.7m；与总布置密切配合，且对平台经济性有较大影响
型宽/m	48.00	参考油船尺度，且用正交法进行优化；考虑养鱼水舱舱型的特殊性；平台稳性是主要的制约因素
型深/m	18.50	根据正交法进行优化，且考虑最下干舷的要求，并兼顾捕捞渔船的作业要求
结构吃水/m	12.50	满足最小干舷要求
满足排水量/t	126916.25	考虑养殖水体，续航力要求及补给能力等

⒈ 主尺度选择

养殖平台的养鱼水舱内放置海水用于养鱼，其半舱养鱼的工况与油船装载液货在装载方式上有一定相似性。通过分析可以发现，油船的长宽比L/B为5.15～6.04，宽度吃水比B/T为2.8～3.96。该养殖平台参考油船的基础回归数据，并采用正交表进行主尺度论证。运用正交设计法时，选取5个变量，每个变量等距取5个水平，在55=3125个方案中进行优选。优选时，以航速V、钢料质量HW和船舶能效设计指数EEDI等为考核指标，从中选择最佳的主尺度。从综合性能指标上可以看出，L/B=5.0、B/T=4.0时，该指标取得最优值。综合对航速、空船质量和EEDI的影响，取主尺度为L=241、B=48、T=12.5，进而根据最小干舷，取型深D=18.5m，其他参数依据总布置和规范要求而定。该养殖平台半舱养鱼，存在自由液面，且主甲板上布置加工及繁育车间，提高养殖平台的重心高度。

养殖平台船宽定为48m，可以弥补上述的不利影响，并且满足抵抗恶劣海况的稳性需要。通过后文的稳性校核计算，最小初稳心高度为10m，满足规则及各作业工况的稳性要求。

⒉ 航速选择

在选择航速时，考虑船舶的经济指标和躲避台风的需要，初步设计航速定位9.75kn，并利用航行油耗图进行优化论证。以9.75kn上下偏差0.4kn为例，时间减少和增加都为3.65%，但是油耗增加和减少分别为30.8%和11.8%，体现了增加航速需要消耗更多的油耗，而降低航速虽然可以减少油耗，但是该趋势要缓慢得多。并且，参考IMO导则的要求，在逆风顶流下，船舶的最小航行速度≥4.0kn；为了维持良好的操纵性，本船航速定为9.75kn。

图3  养殖平台航行油耗图

四、稳性核算

该项目的线型采用芬兰专业的船舶设计软件NAPA进行设计。线型设计前需要进行空船质量进行估算，得到平台的空船质量。线型设计时，综合考虑方形系数、浮心纵向位置、设计水线半进流角等要求，兼顾平台的总布置要求，在NAPA软件内完成线型设计，并在NAPA 软件内完成线型光顺。

深远海养殖平台为船式平台，设计时其完整稳性按《国际完整稳性规则》（2008）的要求进行计算。LOAD01、LOAD02分别为压载出港、压载到港，该类工况为非作业状态下的平台自航工况；LOAD03、LOAD04 分别为作业1出港、作业1到港，该类工况为养殖、繁育、加工均处于正常工作状态下的工况；LOAD05、LOAD06分别为作业2出港、作业2到港，该类工况为繁育、加工均处于正常工作状态，而养鱼水舱没有进行养殖作业的工况。计算结果表明平台的各工况均具有良好的稳性及适宜的浮态。

图4 养殖平台作业出港工况恢复力臂图

表4 完整稳性汇总表

五、新能源利用

⒈ 风能利用

为充分利用深远海海域丰富的风力条件，根据甲板布置情况，主甲板空白区域可安装12套风力发电机，每套功率4kW，其发电总功率为48kW；2个区域共安装垂直轴发电机组24套，总发电量共计为96kW。风机6个一排地垂直安装于甲板上，间距约5m。风机底部固定于甲板上，其支架为框架式结构，同时连带一条侧链斜拉索。每6台风机组成一套子系统，每台风机都配有自己的控制器，负责将发电机发出的交流电转换成直流电。每套子系统含有6台垂直轴风机、6台整流控制器、1台直流风机汇流防雷箱、1台并网逆变器和1台交流汇流防雷控制箱等。

⒉ 太阳能利用

太阳能光伏技术的不断进步正在为太阳能船舶的快速发展提供新的契机。在船舶平台上应用太阳能光伏系统最为核心的环节是在不改变常规船舶电力系统既有架构的基础上，集成整套光伏系统设备并能够始终高效利用光伏电能。根据养殖平台的总布置图，在露天区域安装太阳能电池板。光伏可安装区域总面积为3756m²，但考虑到维护通道、卸鱼池及透光天窗等，实际安装面积为3000m²。按照光伏组件1kWp需占地面积为10m²来计算，每个区域光伏组件总功率为150kW，2个对称区域可安装光伏组件总功率为300kWp。正常情况下，光伏发电系统每小时的发电量为300kW·h，平台运行区域的日平均光照有效时间按4h计算，每天的发电量即为1200kW·h。每年晴天按照200天计算，该光伏发电系统的年发电量为240000 kW·h。

六、结论

深远海养殖平台的构建旨在研发可以在深远海海域开展绿色、高效的工业化养殖模式，形成面向深远海、分布在有主权诉求海域内的集养殖、繁育、加工及物流补给的渔业生产新模式。该项目顺应我国的海洋强国战略，围绕深远海养殖的作业特点，提出一种多功能的移动式大型养殖平台，并从总布置研究、关键参数选取、航速选择、稳性校核和新能源利用等多个角度加以阐述。本文介绍的绿色高效的养殖新模式，对我国的深远海养殖平台建设具有重大的参考价值。现在正值船舶业产能过剩阶段，该项目的实施对于去过剩产能及助力深远海养殖装备发展具有重大的推动意义。

【作者简介】文/蔡计强 张宇雷 李建宇 谌志新，来自中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所农业部远洋渔船与装备重点实验室和上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院。第一作者蔡计强，1985年出生，男，硕士研究生，研究方向为船舶总体设计；通讯作者谌志新，1969年出生，男，研究员，研究方向为海洋渔业工程装备。本文来自《船舶工程》（2017年增刊1），参考文献略，用于学习与交流，版权归出版社与作者共同拥有。

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