海洋科考船自動化表層海水系統(tǒng)設計

段玉龍，段玉廷

(1.中國船舶工業(yè)集團公司第七〇八研究所，上海 200011；2.愛可倫貿易(上海)有限公司，上海 200025)

海洋科考船相當于一個將生物、化學、地質、氣象、聲學，以及電磁等學科集一身的大型綜合移動實驗室。海洋科考船通常主要配備三大類系統(tǒng)：樣品采集系統(tǒng)、儀器探測系統(tǒng)、實驗分析系統(tǒng)。樣品采集系統(tǒng)主要包括走航表層海水、痕量金屬海水、CTD采水、浮游生物、海底表層沉積物、海底深層物質、氣溶膠等采集的子系統(tǒng)；儀器探測系統(tǒng)主要包括海洋地質地貌、海底礦物、海流、魚群、氣象、聲學、海氣通量等探測的子系統(tǒng)；而實驗分析系統(tǒng)主要包括生物、化學、地質等實驗分析的子系統(tǒng)。海洋科考的數(shù)據及樣品的真實性的關鍵在于采樣系統(tǒng)。目前我國海洋科考船上的表層海水采樣系統(tǒng)基本為全手動操作，存在清洗時間短、沖洗效果不佳、操作復雜、管內殘留較多液體、存在清洗死角、僅可單方向沖刷、嚴重浪費清洗藥劑、易出現(xiàn)人為失誤等等問題，無法確保采集樣品的準確性及真實性。由于海水作為海洋科考船的最重要研究對象之一，故考慮設計解決上述問題的專用的自動化表層海水采樣系統(tǒng)。

1 科考海水種類及用途

目前科考海水主要分為三類：走航表層海水、痕量金屬海水、現(xiàn)場海水。

1.1 走航表層海水

走航表層海水是在船舶低速航行的情況下，提取的海洋表層處海水。表層海水的溫度、鹽度、顆粒物(如浮游生物等)，以及溶解氧等等生化指標的變化情況，最能直接反應人類活動對海洋生態(tài)環(huán)境產生的影響，并能為科學家分析海洋、氣候的變化，以及探索海洋的奧秘提供最原始的數(shù)據。

對于走航表層海水的分析主要是通過表層海水分析儀來完成的，在船舶走航過程中，實時分析表層海水并記錄對應海域坐標、時間及分析結果。其對取樣的要求主要是：連續(xù)性、實時性及真實性。為此，表層海水取水泵不可采用斷續(xù)供水的活塞泵；取樣口不得從海水門上直接引入，而需在舷側設置專門的取水口，以防止海水門內積存的海水影響實驗結果；取樣過程應盡可能減少來自外界環(huán)境的影響，如管路包覆絕緣材料以保證原海水溫度的穩(wěn)定性，采用塑料管或雙相不銹鋼管以減少對海水的污染等。

1.2 痕量金屬海水

痕量金屬元素在海洋生物的整個生命周期中起著至關重要的作用，有些痕量金屬對于海洋生物的生長起著促進作用，但有些痕量金屬對海洋生物的生長有著抑制作用，這些作用與痕量金屬的存在形態(tài)有關。不少痕量金屬在古海洋學研究中發(fā)揮著重要的作用，是解開地球環(huán)境變遷歷史的重要指標。

通過對海水中痕量金屬種類及含量的分析，不僅能夠幫助人類進一步了解海洋生態(tài)結構，而且還能夠真實地反映工農業(yè)廢水對于海洋的污染情況。

痕量金屬海水的采集主要是通過升降鰭板，從海洋較為深處獲取未受船舶污染的海水。其取水的主要要求與走航表層海水基本相同，但特別要求防止所取海水與金屬材料直接接觸，避免發(fā)生任何金屬離子污染。

1.3 現(xiàn)場海水

現(xiàn)場海水主要是用于甲板及樣品的沖洗，以及海生物的培養(yǎng)及養(yǎng)殖。對于海水的潔凈度及溫度等沒有特殊要求，僅需保證供水系統(tǒng)耐腐蝕。

常規(guī)設計的表層海水系統(tǒng)見圖1。

圖1 常規(guī)設計的表層海水系統(tǒng)示意

2 設計方案

表層海水系統(tǒng)在所有科考海水系統(tǒng)中設計最為復雜。目前常規(guī)設計的表層海水系統(tǒng)除存在引言中所述問題外，由于船上科學家非船員，對于管路系統(tǒng)的設計不了解，很難按正常流程操作；而船員也非科學家，也難以按科學研究的要求標準對管路系統(tǒng)進行清潔。

為了解決上述問題，以中山大學科考船為例，對自動化表層海水系統(tǒng)組成、功能及設計要點進行介紹。

自動化表層海水系統(tǒng)組成見圖2。

圖2 自動化表層海水系統(tǒng)示意

自動化表層海水系統(tǒng)中應設有兩臺表層海水取水泵，相互備用，可實現(xiàn)故障自動切換，確保供水的連續(xù)性。表層海水取水泵可采用氣動隔膜泵，也可采用食品級不銹鋼螺桿泵(變頻)。采用氣動隔膜泵可有效地杜絕海水與金屬物質直接接觸，但需要消耗大量的壓縮空氣，甚至配置額外的壓縮空氣系統(tǒng)；而采用食品級不銹鋼螺桿泵(變頻)，雖不能避免海水直接與金屬物質接觸，但其材質為食品級不銹鋼，也可防止對海水樣品的影響。此外，食品級不銹鋼螺桿泵(變頻)可有效調節(jié)供水量，實現(xiàn)平穩(wěn)運轉，防止紊流的發(fā)生，更能有效的防止對海水樣品的影響，確保表層海水取樣的真實性及準確性。

為了防止取樣海水被污染，并確保取樣的實時性，通常在右舷艏側推前設置專用的系統(tǒng)取水口，排水口設置在左舷(科考船其他排水口均布置在左舷)水面附近。按規(guī)范要求，系統(tǒng)在機器處所內的管路，通常采用雙相不銹鋼管，其他處所管路可采用PVDF管，管路外均包覆隔熱材料，以減少對海水樣品的污染。在表層海水取水泵的進口需設置濾器，以減少海水中雜物對泵及監(jiān)測儀器的影響。

系統(tǒng)中走航表層海水分析儀前還需設置渦流除泡器，以去除海水中氣泡及渦流，降低對試驗分析結果的影響，并確保走航表層海水分析儀對表層海水進行不間斷的分析監(jiān)測。

通過在表層海水取水泵的出口總管上設置流量計及壓力傳感器，取水泵的進口總管以及用戶的進口總管上設置壓力傳感器和溫度傳感器，表層海水控制箱可實現(xiàn)對整個系統(tǒng)功能的監(jiān)測及故障報警，并通過對遙控閥及表層海水取水泵的控制，完成自動糾錯功能。

此外，表層海水控制箱采用一鍵觸屏式，簡化操作流程，便于操作，減少人為操作失誤，并可使系統(tǒng)實現(xiàn)自動采樣、自動清洗、自動循環(huán)浸泡消毒以及自動干燥等功能，解決常規(guī)表層海水系統(tǒng)中存在問題及弊端。

2.1 自動采樣工況

當需要采集或連續(xù)監(jiān)測走航表層海水時，僅需點擊表層控制箱觸屏上的自動采樣按鈕，系統(tǒng)將自動開啟相應的遙控閥，并通過監(jiān)測流量、壓力等參數(shù)，調節(jié)表層海水取水泵(變頻)轉速及三通閥開度，為用戶或走航表層海水分析儀提供連續(xù)、穩(wěn)定的表層海水。當供壓或流量異常、泵故障時，系統(tǒng)可自動切換至備用泵組，確保供水的連續(xù)性。

2.2 自動清洗工況

當采樣完成，停止使用時，為防止管路內海生物附著，首先采用技術淡水或蒸餾水對整個管系進行徹底沖洗，將原管路內海水排至舷外。

2.3 自動循環(huán)浸泡消毒工況

待系統(tǒng)經技術淡水或蒸餾水徹底沖洗后，通過開關遙控閥，調整管路內液體流向，引入消毒桶內液體，使消毒液充滿整個系統(tǒng)，并在系統(tǒng)管路內不斷循環(huán)及靜置浸泡消毒，徹底消除管路內海生物，以防對后續(xù)采樣試驗產生影響。循環(huán)及浸泡的時間可通過表層海水控制箱進行調整，消毒桶的容量必須大于清洗管路的容積。

在完成循環(huán)浸泡消毒工況時，需再次按照自動清洗工況，引入技術淡水或蒸餾水，對整個系統(tǒng)管路進行徹底沖洗，并將系統(tǒng)管路內的消毒液排至舷外。

2.4 自動干燥工況

通過接入干燥清潔的壓縮空氣，將管路內遺留的技術淡水或蒸餾水，壓至舷外。待管路內液體基本排凈后，暫停引入壓縮空氣，通過開啟泄放管及進氣管上的遙控閥，將系統(tǒng)內殘留的液體徹底排放干凈。然后，再次接入壓縮空氣，對管路內壁進行不斷沖刷，直至管內水蒸氣徹底消除為止。

自動干燥工況的沖刷時間也可在表層海水控制箱上進行調整。在沖刷完成后，系統(tǒng)內所有遙控閥均將自動關閉，使系統(tǒng)管路一直處于干燥清潔的狀態(tài)，以備下次使用。

除自動采樣工況外，其他各項工況，可單獨運行操作，也可按預定程序組合運行操作。

3 結論

實船的運行及拆檢試驗結果表明，自動化表層海水系統(tǒng)不僅操作方便，簡化了人員操作步驟，極大的降低了操作失誤的可能；而且各工況運行狀況良好，各管段經清洗后干燥清潔，無殘留液體，較好的解決了常規(guī)手動操作的表層海水系統(tǒng)的問題及弊端，更加符合海洋科考的需求，可確保表層海水采樣的準確性及真實性。同樣，痕量金屬海水的自動化取樣系統(tǒng)也可參照上述自動化表層海水系統(tǒng)的設計原理進行設計，以減少科考人員工作量及人為失誤，并提高取樣的準確性及真實性。