科考表層海水采水系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計1

李健樂，楊日魁，鞠家輝，常景龍，隋以勇，任 杰

（1. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室（珠海），廣東珠海 519000；2. 中山大學(xué)，a. 系統(tǒng)科學(xué)與工程學(xué)院；b. 海洋科學(xué)學(xué)院，廣州 510275）

0 引言

近年來，國家提出“海洋強國”“海上絲綢之路”等戰(zhàn)略目標[1]。海洋科技作為國家科技水平和綜合實力的重要標志[2]，世界各國均把海洋科學(xué)考察船隊建設(shè)作為探索海洋、開發(fā)海洋、管控海洋的最重要手段之一[1]，我國大力投資建設(shè)各種新型海洋科考船、探測船，在建的海洋科考船數(shù)量居世界首位[3]。

海洋學(xué)科可細分為物理海洋、海洋化學(xué)、海洋生物、海洋大氣、海洋地質(zhì)等諸多專業(yè)。學(xué)科專業(yè)的復(fù)雜性和多樣性對船舶平臺搭載能力提出了可擴展、個性化的需求[4]。其中，走航狀態(tài)下連續(xù)抽水分析是海洋化學(xué)、海洋生物和海洋生態(tài)等學(xué)科開展海洋調(diào)查的最基本且有效的科研調(diào)查手段，因而多要素的表層海水分析系統(tǒng)（簡稱“分析系統(tǒng)”）屬于常規(guī)海洋科考船標配的專業(yè)設(shè)備之一?？瓶急韺硬伤到y(tǒng)（簡稱“采水系統(tǒng)”）既是分析系統(tǒng)采樣的支撐單元，又是全船實驗海水的供水單元。分析系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的有效性和精度除受設(shè)備自身因素影響外，也與采水系統(tǒng)息息相關(guān)。因此，良好的采水系統(tǒng)既是分析系統(tǒng)進行連續(xù)、穩(wěn)定、真實測量的基礎(chǔ)保證，又是海洋科考船開展科考作業(yè)的關(guān)鍵支撐。

本文對常規(guī)科考表層海水采水系統(tǒng)污損積垢現(xiàn)象的成因進行分析，基于行業(yè)現(xiàn)狀和系統(tǒng)原理對科考表層海水采水系統(tǒng)優(yōu)化進行深入的技術(shù)探索，并給出優(yōu)化方案，以期為海洋科考船表層科考海水采水系統(tǒng)的建設(shè)和迭代升級提供思路和方向。

1 現(xiàn)狀分析

海洋科考船通常配置有手動控制的采水系統(tǒng)，在真空泵的作用下通過采水管道將艏部表層海水輸送到艙內(nèi)所需場所，供實驗室和各類分析儀器等使用。

1.1 概述

船舶行業(yè)內(nèi)通常將排污系統(tǒng)的輸出口布置在艏部左側(cè)，因此，采水系統(tǒng)的采集口通常開設(shè)在艏部右側(cè)的水位線下[5]。根據(jù)船級社的相關(guān)要求，采集口的通海端設(shè)有通海閥。為解決科考需求，在采水系統(tǒng)的后管道內(nèi)安裝過濾大顆粒雜物的濾網(wǎng)，在濾網(wǎng)后安裝快速溫度傳感器以獲取最接近原位現(xiàn)場的海水溫度?？蓪⒃摐囟扰c艙內(nèi)分析儀器測量的水溫進行對比，必要時可用于校準修正。

為滿足淡水沖洗和潔凈空氣吹干的需求，采水系統(tǒng)通常同時接駁沖洗淡水和船用壓縮空氣，在航次結(jié)束、船舶靠碼頭等情況下，可利用淡水對采水管路進行沖洗，并使用壓縮空氣吹干管路。采水系統(tǒng)一般具備采水、淡水清洗、吹干等3種模式。系統(tǒng)原理較為簡單，按照操作模式需要對管路系統(tǒng)的閥門進行合理設(shè)置即可。沖洗和吹干的手動操作步驟如下：1）關(guān)閉進取水閥門，打開排水閥門，打開透氣孔的單向閥門，把管路里殘留的海水通過排水管道實驗室的地漏排出艙外；2）關(guān)閉取水閥門，打開沖洗淡水閥門、啟動取水泵，引入淡水對主管路進行沖洗；3）關(guān)閉淡水接入閥門，打開船用壓縮空氣閥門，用高壓空氣持續(xù)吹干管路。常規(guī)采水管系的系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 常規(guī)采水管系系統(tǒng)原理圖

1.2 常規(guī)采水系統(tǒng)的弊端

對多艘現(xiàn)役海洋科考船的管路拆檢，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過手動沖洗、吹干操作，采水和供水管路依然存在鹽垢、海生污染物等累積問題，管內(nèi)的積垢腐蝕較為嚴重。

在船舶靠港、停航后，雖經(jīng)過清洗吹干操作，但水管內(nèi)仍殘留部分海水和海生物，這些會成為二次污染源。史艷華等[6]對不銹鋼316L 管路在殘留海水中的點蝕現(xiàn)象進行了研究，結(jié)果表明：316L 不銹鋼的點蝕與Cl-的離子濃度關(guān)系密切，點蝕程度隨著Cl-離子濃度的增加先增大后減弱，當Cl-離子濃度為3%時，點蝕最嚴重。隨著殘留海水中的水分逐漸蒸發(fā)，Cl-的離子濃度不斷升高，為二次電化學(xué)腐蝕提供了基礎(chǔ)條件。在殘留海水對海生物腐蝕的第二階段，生物膜的形成有不可忽視的促進作用[7-8]。常規(guī)采水管路內(nèi)的污染情況見圖2，不銹鋼法蘭件內(nèi)的結(jié)晶鹽、海生物污染較為嚴重。

圖2 常規(guī)采水管路內(nèi)的污染情況

根據(jù)航次使用情況，推測分析管路污染與以下因素密切相關(guān)：1）不同海域的海溫和鹽度的變化；2）手動采水系統(tǒng)存在清洗盲區(qū)，部分支路無法清洗吹干；3）人工依靠經(jīng)驗操作缺陷，存在清洗不到位、未吹干等偶然性操作問題。

綜上原因，在走航海水分析系統(tǒng)作業(yè)時，表層海水流經(jīng)被海生物、鹽垢污染的管路后，必然受到二次污染，引起成分含量的變化，分析儀器所檢測的海水要素已與現(xiàn)場原位海水不同，影響海洋科考調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)果的準確性。

2 技術(shù)探索

采水系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用廣泛，但在復(fù)雜的海洋環(huán)境中，需要更加縝密的設(shè)計和考量。因船體結(jié)構(gòu)、海區(qū)溫度鹽度、科研分析儀器等諸多差異，不同海洋科考船采水系統(tǒng)的作業(yè)環(huán)境幾乎均不相同。因此，從原理設(shè)計上解決共性的核心問題是重中之重，本文以共性問題為導(dǎo)向，從以下4 個方面進行改進和優(yōu)化。

2.1 管路的絕熱隔溫

海洋生物、生態(tài)要素的測量分析與水溫關(guān)系較大，即使是同一水樣品，在不同溫度下實測數(shù)據(jù)都會存在明顯差異[9]。走航海水分析系統(tǒng)的多個傳感器，如測量水中二氧化碳（CO2）體積分數(shù)、pH 值、總堿度等傳感器的結(jié)果均與測量水溫息息相關(guān)。此外，溫度過高會使海藻中的部分酶失活[10]，而蛋白酶是海洋化學(xué)關(guān)于海洋新藥物發(fā)現(xiàn)的重要部分。蔡潔等[11]建議從入水口到分析點的水溫差建議不得高于0.5 ℃。溫度變化越小，測量結(jié)果越接近原位值。因此，在設(shè)計方面，需要做好輸送水管路的絕熱隔溫；在工程方面，要盡量縮短采水管路的長度；在工藝方面，要做好必要的絕熱保溫工藝，包含選用絕熱保溫材料和雙相不銹鋼管等材質(zhì)，特別要關(guān)注保溫材料的包裹工藝。此外，為避免316L不銹鋼的點蝕問題，鈍化膜厚度要根據(jù)實際情況作出相應(yīng)調(diào)整。

2.2 采水口的布置

采水口的選擇和布置直接影響到管路的工程施工，蔡潔等[11]認為取水口應(yīng)盡量布置于側(cè)推裝置之前。通常情況下，海洋科考船的艏部均配有側(cè)推裝置，為避免側(cè)推裝置對表層海水產(chǎn)生影響，一種合理的做法是將采水口設(shè)置在艏側(cè)推的前部。然而，在實際工程中要在有限的船艏側(cè)推前部有限空間上尋找合適的布置位置難度較大。此外，管路延長、多次穿艙均增加了工程實施難度和保溫效果。在艏側(cè)推作業(yè)時，艏部附近的水體會受到明顯擾動。從流場分布情況看，在動力定位運行后，艏側(cè)推隧道口前后半徑5～10 m 區(qū)域的水體均會受到較大的擾動，采水口周邊水體受到擾動，特征參數(shù)被破壞，采水分析會失去科學(xué)價值。

輸送水管路的延長對末端水體溫度的變化存在負向影響。過度追求將采水口布置在側(cè)推的前端，在艏尖區(qū)域狹小的空間內(nèi)布置采水口和相關(guān)裝置，也將給后期的維護增加困難。動力定位作業(yè)時長占比偏小，側(cè)推在大部分時間里屬于關(guān)閉狀態(tài)，對表層海水的分析影響不大。根據(jù)上述分析，綜合考慮管路長度、穿艙情況、保溫條件等因素，在海洋科考船艏部區(qū)域的合適位置合理布置采水口即可。

2.3 管路循環(huán)流通

為增加系統(tǒng)管路的自清潔和消殺能力，引入實驗室常用的藥劑循環(huán)浸泡的概念，在采水任務(wù)完成后，自動將消毒桶里的消毒液注入管道，在管道內(nèi)進行循環(huán)浸泡。

為滿足循環(huán)浸泡的要求，管路系統(tǒng)設(shè)計要滿足全管路可循環(huán)、可沖洗、可吹干的要求，保證在出水口使用端關(guān)閉的前提下所有支路都可構(gòu)成一個循環(huán)流通的閉環(huán)，避免由于某些支路無法清洗、吹干而對管路造成二次腐蝕。因此，要對所有管路進行控制邏輯分解，在不同作業(yè)模式時，均能保證水流/氣流按照設(shè)計的要求在管道內(nèi)循環(huán)流動。要合理設(shè)置單向電控閥門和雙向電控閥門，這些閥門除開關(guān)作用外，還可為各分支路建立起阻斷和聯(lián)通的橋梁。

2.4 全自動邏輯控制

海上科考作業(yè)任務(wù)繁重，船上實驗技術(shù)人員的工作負擔和壓力較大，傳統(tǒng)采水系統(tǒng)的人工控制難免出現(xiàn)經(jīng)驗性和偶然性錯誤。此外，采水的運維管理需要根據(jù)科考調(diào)查需要進行動態(tài)調(diào)整，人工操作存在明顯的不便性和滯后性。按照作業(yè)模式，對采水、沖洗、消殺、吹干等流程進行智能控制非常關(guān)鍵。

在進行采水系統(tǒng)設(shè)計時，引入中央邏輯控制器，除少量與船舶安全相關(guān)的閥門（如通海閥等）采用手控外，其余均使用電控閥，在各主/支路之間架起啟閉的橋梁。每條管路均能在中央單元的邏輯控制下切換采水、沖洗、消殺、吹干等作業(yè)模式，有效避免傳統(tǒng)采水系統(tǒng)人工控制中出現(xiàn)的經(jīng)驗性和偶然性錯誤。

根據(jù)實際情況，對系統(tǒng)控制邏輯進行合理的迭代調(diào)整，使整套采水系統(tǒng)始終保持最佳的工作狀態(tài)。此外，邏輯控制系統(tǒng)也能大大增強系統(tǒng)的可擴展性，借助靈活的邏輯動作組合使一些特殊的采樣需求成為可能，如設(shè)置不同航次、航區(qū)的采水模式等。

3 工程實現(xiàn)

為滿足循環(huán)浸泡的要求，在管路中增加一個容量合適的消毒桶并接駁到消毒支路上。在完成采水任務(wù)且排干后，自動將消毒桶里的消毒液注入管道，在管道內(nèi)進行循環(huán)浸泡，實現(xiàn)管路自清潔和消殺的效果。根據(jù)工作任務(wù)需要，對該系統(tǒng)的模式動作進行分解，再按照工作情景進行動作組合?；緢?zhí)行動作包含泵啟動、采水、排出海水、淡水注入、排出淡水、壓縮空氣吹干、注入藥劑液、藥劑循環(huán)浸泡、排干藥劑液、循環(huán)沖洗、關(guān)閉所有電控閥門等，每個執(zhí)行動作均由程序自動控制，按照邏輯控制要求打開關(guān)閉所需閥門等，其中，藥劑循環(huán)浸泡和排干藥劑步驟是自清潔的關(guān)鍵。

本文采用可編程邏輯控制器，搭載彩色觸摸屏，通過觸摸屏可實現(xiàn)啟?？刂啤存I和參數(shù)設(shè)置。編程采用模塊化、結(jié)構(gòu)化相結(jié)合的方式完成執(zhí)行動作的分解和組合，對系統(tǒng)內(nèi)的電控閥門進行啟閉邏輯控制。

采水管路系統(tǒng)的工作情景及動作組合情況見表1。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行，采用1#泵和2#泵雙通道雙泵互備模式。

表1 采水管路系統(tǒng)工作情景及動作組合

為監(jiān)測和調(diào)節(jié)采水、沖洗、消殺、吹干等狀態(tài)，在各個主/支管路上根據(jù)執(zhí)行動作的需要設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥、電控閥門、流量傳感器和壓力傳感器，在進行流量和壓力監(jiān)控的同時，利用流量傳感器和壓力傳感器檢測獲得的管路內(nèi)水流瞬時動態(tài)數(shù)據(jù)，提供給控制單元作為工作情景的邏輯判斷依據(jù)，進而對壓力和流量進行優(yōu)化調(diào)節(jié)控制。

考慮實際工程中傳感器精度隨時間漂移、管路長度、管徑、現(xiàn)場生產(chǎn)與設(shè)計存在的偏差等因素，系統(tǒng)采用觸摸屏實現(xiàn)人機交互，在使用中可根據(jù)航次的需要進行參數(shù)優(yōu)化，包括各執(zhí)行動作的啟閉時長、報警閾值等。所有參數(shù)可按照不同工作情景模式進行設(shè)置和保存，保證各個執(zhí)行動作的運行效果。

系統(tǒng)可在執(zhí)行任務(wù)時采集和記錄各監(jiān)測數(shù)據(jù)，包含系統(tǒng)時間、泵轉(zhuǎn)速、各閥門流量、流速、壓力、入口水溫、出口水溫、經(jīng)緯度、啟停時間等。數(shù)據(jù)可根據(jù)需要通過工業(yè)通訊協(xié)議向外發(fā)布，方便第三方軟件進行采集，以作為科考數(shù)據(jù)分析的參考依據(jù)。

為實現(xiàn)本地和遠程管理，除本地觸摸屏外，系統(tǒng)也搭載有遠程控制觸摸屏，可滿足在本地、遠程進行運行狀態(tài)監(jiān)控和控制的要求。任何情況下均可通過觸摸屏對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行調(diào)節(jié)，包括開關(guān)機、修改運行參數(shù)、改變運行狀態(tài)等。改進后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 改進后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文提出的改進方案已在某新海洋科考船上正式運行，經(jīng)實際科考航次使用證明，改進后的系統(tǒng)可有效提升操作的便利性、使用的可靠性和穩(wěn)定性，以及系統(tǒng)反應(yīng)速度。

4 結(jié)論

本文分析了常規(guī)科考表層海水采水系統(tǒng)污損積垢現(xiàn)象的成因，基于行業(yè)現(xiàn)狀和系統(tǒng)原理對科考表層海水采水系統(tǒng)優(yōu)化進行了深入的技術(shù)探索，并給出了優(yōu)化方案，研究表明：改進后的系統(tǒng)可有效提升操作的便利性、使用的可靠性和穩(wěn)定性，以及系統(tǒng)反應(yīng)速度。研究成果可為科考船表層科考海水采水系統(tǒng)的建設(shè)和迭代升級提供一定參考。

致謝

感謝上海瑞業(yè)自動化有限公司為本研究提供圖紙和部分圖片。