渔 业 现 代 化 ２０２２ 年

年长期运行于锚泊养殖作业状态，航行、转场的周

期非常短暂，采用常规推进形式，主机将长期闲

置，得不到利用［１４］

，不具优势。 相对而言，采用电

力推进则具有柴油机总装机功率小、经济性高、与

养殖载荷耦合性佳等诸多优势。

“国信 １ 号” 养殖工船采用电力推进双机双

定距桨的推进形式。 该方案较常规推进，经济性

和适渔性优势明显，但推进系统大功率变频器、推

进移相变压器、制动电阻等电气装置，设备重量和

尺寸巨大，机舱空间占用多，设备散热量大，配电

网络复杂。 此外，推进系统变频装置等核心元器

件也均为国外产品，价格较高，这些不利因素给我

国养殖工船产业的推广带来一定困难。 表 １ 为

“国信 １ 号”养殖工船各工况下的动力系统主要

性能参数。

表 １ “国信 １ 号”养殖工船各工况动力系统主要性能参数

Ｔａｂ．１ Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ “ｇｕｏｘｉｎ⁃１”

ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｕｎｄｅｒ ｖａｒｉｏｕｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ

主要性能 航行工况 养殖作业 吸鱼作业 转场作业

推进功率／ ｋＷ ２ ７００×２ 台 ／ ／ ７３３×２ 台

航速／ ｋｎ １０ ／ ／ ～８

每年运行天数／ ｄ ～２０ ～３００ ～２０ ～４

目前电力推进船舶，主推进和动力定位动力

系统绝大部分都采用定距桨，而侧推动力系统则

较多地应用到调距桨［１７］

。 定距桨具有螺距固定，

装置简单，成本低，管理方便，基本免维护的特点。

并且定距桨比调距桨在轻载工况下节省 １０％ ～

２０％的功率，对于有较长时间轻载低速运行的船

舶，有节能意义［１８］

。 调距桨是通过设置桨毂操纵

机构，使桨叶转动从而调节螺距［１９］

，调距桨多应

用于多工况作业、操控性要求较高的拖网渔船、工

作船、破冰船［２０］

，以及设有大容量轴带发电机且

稳定性要求高的船舶。 调距桨机构复杂，造价相

对较高，效率也比定距桨稍低［２０］

。

对于电力推进养殖工船，无论采用定距桨或

调距桨，因为船速都不是由柴油机转速调节，而是

相应的由船用变频器（及其推进电机） 或调距桨

来调节，柴油机转速均可以长期运行在最佳油耗

点处。 同时工船电站也都设有功率管理系统

（ｐｏｗｅｒ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ，ＰＭＳ），可以动态匹配

工船推进、养殖负载和在网发电机数量，使柴油机

始终运行在最佳负荷区间，因此二者都具有较高

的燃油经济性。 从表 １ 可知，养殖工船作业工况

多，工船全年“轻载运行” 的状态非常之短，采用

定距桨或调距桨两者能效差异也几乎可以忽略。

电力推进养殖工船，不同类型的螺旋桨对推

进电机的要求也不同［２１］

。 定距桨要求推进电机

具有无级调速性能，而采用调距桨策略，推进电机

将无调速需求，对推进电机可以大大简化为起动

性能的需求，并首选软起动器的起动方案。 综上，

养殖工船采用电力推进调距桨＋不调速电动机＋

软起动器的配置策略，在兼顾养殖工船燃油经济

性与适渔性的同时，具有节省机舱空间，降低投入

成本的可能。

２ 养殖工船电力推进调距桨动力系统配置

“国信 １ 号”电力推进养殖工船采用定距桨＋

调速电动机配置，主电站设计为 ＡＣ ６９０Ｖ，其动力

系统图如图 １ 所示。 系统主要包括以下设备：主

柴油发电机组、配电板、移相变压器、推进变频器、

推进电机和定距桨。 系统配置 ５ 台 ＡＣ ６９０Ｖ ３ 相

５０ Ｈｚ 主柴油发电机组，每台功率为 １５８０ ｋＷ；２

台 ３ ４００ ｋＶＡ 大功率移相变压器；２ 台虚拟 ２４ 脉

冲二极管整流前端（Ｄｉｏｄｅ Ｆｒｏｎｔ Ｅｎｄ，ＤＦＥ） 推进

变频器，每台功率约 ２７００ ｋＷ，采用水冷方式，配

有制动电阻；２ 台 ２ ７００ ｋＷ 主推进变频电机，额

定转速为 ７５０ ｒ／ ｍｉｎ；２ 只定螺距螺旋桨，并配有

减速齿轮箱。 系统 ＡＣ ６９０Ｖ 主配电板设计为 ２

段汇流排，推进负载、主要养殖负载均布于汇流排

两端。 系统还设有 ２ 只 １ ８００ ｋＶＡ，ＡＣ ６９０Ｖ／

４００Ｖ 日用变压器，也部分在汇流排两端，通过日

用变压器可向全船 ＡＣ ３８０Ｖ 及 ＡＣ ２２０Ｖ 日用负

载供电。

当采用电力推进调距桨＋不调速电动机＋软

起动器的配置策略时，其动力系统图如图 ２ 所示。

该系统主电源、养殖负载、日用负载配置与电力推

进定距桨方案一致，主要不同在于：１） 采用小功

率变频软起动器及转换柜，取代了容量、重量、尺

寸巨大的移相变压器、推进变频器、制动电阻；２）

推进电机改为不调速的三相异步电动机；３）螺旋

桨采用 ＣＰＰ 设计；４）推进电机的起动过程，需将

调距桨调节在“零螺距”状态下完成。

４６

第 ５ 期 黎建勋等：养殖工船电力推进调距桨动力系统策略

图 １ 养殖工船交流电力推进定距桨动力系统图

Ｆｉｇ．１ Ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ＡＣ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｆｉｘｅｄ ｐｉｔｃｈ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ｏｆ ｄｅｅｐ ｓｅａ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ

图 ２ 养殖工船交流电力推进调距桨动力系统图

Ｆｉｇ．２ Ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ＡＣ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ ｐｉｔｃｈ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ｏｆ ｄｅｅｐ ｓｅａ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ

４７

渔 业 现 代 化 ２０２２ 年

系统 １ 号、２ 号推进电机均设计为三相异步

电动机，功率仍为 ２ ７００ ｋＷ，并分别由 １ 号、２ 号

变频软起动器起动。 ２ 只变频软起动器设有转换

柜，可实现 ２ 只变频软起动器互为备用。 养殖工

船在航行或转场中，当某一路起动器故障时，另一

起动器通过转换柜仍可完成该路螺旋桨及推进电

机的整个起动过程，从而提高推进电机供电的可

靠性和动力系统的冗余度。 ２ 只变频软起动器在

其起动器两侧也分别设有旁路接触器 Ｋ１ 及 Ｋ２。

相较于常规软起动器的旁路接触器接线方式，该

系统 Ｋ１ 和 Ｋ２ 旁路接触器也分别设有独立供电

开关 ７ＱＦ 和 ９ＱＦ，这样可以通过转换柜，实现单

个旁路接触器分别对两路变频软起动器的旁通功

能，进一步提高系统冗余度。 当推进电机达到额

定转速，在软起动结束后，通过接通旁路接触器触

头，软起动器退出运行，推进电机通过旁路接触器

回路供电。 这样可以有效延长软起动器的使用寿

命，避免电网谐波污染。

对于不调速大功率电动机，采用软起动器电

力驱动的形式，是较为常用的一种措施。 软起动

器具有无冲击电流、恒流起动、可自由地无级调压

至最佳起动电流及节能等优点［２１］

，但是其起动转

矩较小。 本方案进一步采用变频软起动器，改善

了这种不利，并具有以下优点：１）可以调压调频，

增大起动转矩。 起动时电动机的气隙磁通保持恒

定（ϕ＝ kＵ／ ｆ），既能实现无过电流起动，而且还能

提供 １．２～２ 倍额定转矩的起动转矩；２）减少电网

谐波。 软起动用变频器，整流器多采用二极管整

流，产生的高次谐波少，减少了电网侧的高次谐

波，功率因数高。 而且对于养殖工船来说，这个起

动过程时间非常短，当供电转为旁通模式时，对电

网几乎无谐波输入；３）变频软起动器容量小。 由

于起动用变频器系短时工作制，所以其容量要比

普通的变频器小很多，一般为调速用变频器的 １ ／

３～１ ／ ４

［２２］

。

３ 变频软起动器容量的确定

根据调距桨的调速性能，一般认为调距桨在

零推力时的耗能约为满载时的 ２０％ 左右［２３⁃２４］

。

当需要起动推进电机时，螺旋桨处于零螺距，螺旋

桨空转，推进电机将基本处于空载状态，三相异步

电机空载电流约为额定电流的 ３０％ ～ ７０％

［２５⁃２６］

。

因此，当三相异步电机的功率仍为 ２ ７００ ｋＷ 时，

其变频软起动器的功率却可以不必按照推进电机

２ ７００ ｋＷ 的功率等级来选择，可以选择适宜小功

率的变频软起动来实现推进电机的起动需求。

螺旋桨空转状态，动力系统的耗能主要来源

于推进电机的空载负荷。 如果估算出异步电动机

的空载电流，进而换算出异步电动机空载状态下

的输入功率，则可进一步选择较准确的软起动器

容量。 对于交流三相异步电动机而言，空载电流

的大小与异步电动机的气隙磁密、气隙磁阻、绕组

定子、转子磁阻、绕组匝数有关，也与额定电流存

在一定的比例关系［２７⁃２８］

。 对于 １ ｋＶ 及以下的交

流三相异步电动机，当缺乏磁路特征参数时，其空

载电流大小的近似值可以根据以下公式得出［２９］

：

Ｉ０ ≈ ＩＮ １ － ｃｏｓ

２ϕＮ

－

ｃｏｓϕＮ

Ｋ

■

■

|

■

■

| （１）

式中：Ｉ０ 为电动机空载电流；ＩＮ 为电动机额定电

流；ｃｏｓϕＮ 为电动机的额定功率因数；Ｋ 为系数，

按电动机极对数取值，２ 极，Ｋ ＝ ５；４ 极，Ｋ ＝ ４；６、８、

１０ 极，Ｋ ＝ ３．５。

根据空载电流值，可以相应得出空载状态下

电动机的输入功率，约为 ６６０ ｋＷ。 螺旋桨及其推

进电机的特性，类似于风机、泵类负载，通常该类

负载软起动器的功率约为负载额定功率的 １．１ 倍

及以上，考虑到软起动的功率因数、效率等因素，

变频软起动的容量最终为选定为 ８００ ｋＷ。 如按

前文，软起动器的容量约为调速用变频器的 １ ／ ３～

１ ／ ４ 换算，则变频软起动器容量约为 ６７５ ｋＷ～ ９００

ｋＷ。 综上，变频软起动器容量选定为 ８００ ｋＷ 是

适宜的。

这意味着，在零螺距状态下，推进电机从零转

速起动到额定转速，８００ ｋＷ 的变频软起动器可满

足此功能。 显而易见，该容量等级的变频软起动

器要比 ２ ７００ ｋＷ 等级的变频器重量、尺寸、散热

小很多，并完全可以采用风冷形式，这样就大大降

低了电力推进配电部分的成本，也更有利于国产

船用变频器的选型。

４ 电力推进调距桨特性分析

４．１ 零螺距起动过程

电力推进定距桨是通过变频驱动电动机的调

４８

第 ５ 期 黎建勋等：养殖工船电力推进调距桨动力系统策略

速，来改变螺旋桨的推力以获得不同的航速，螺旋

桨本身无需另外的任何控制［２３］

，且定距桨电动机

具有恒转矩和恒功率调速性能，低转速时转矩也

大。 而采用电力推进调距桨时，在航行过程电动

机不调速，通过调螺距来改变转矩、推力和航速，

电动机运行及调节性能与采用柴油机直接推进调

距桨作动力时相似。 通常是小螺距时，转矩小，推

力也小，想要获得大转矩和航速，电机只能在额定

转速及大螺距下运行。

根据调距桨的调速性能，在需要起动推进电

机时，首先调节螺旋桨螺距，使处于“零螺距” 状

态。 此时船速为零，通过变频软起动器控制，推进

电机带动螺旋桨，转速从零运转至额定转速。 养

殖工船螺旋桨及推进电机的零螺距起动特性曲线

如图 ３ 所示。

恒转矩特征

恒功率特征

E

D

A B

C

2 1

3

Q(%)

100

50

Q0

0

0 50 100 120 n(%)

图 ３ 养殖工船螺旋桨及推进电机零螺距起动

特性曲线

Ｆｉｇ．３ Ｚｅｒｏ ｐｉｔｃｈ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ

ａｎｄ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｍｏｔｏｒ ｏｆ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ

图 ３ 中 １ 为螺旋桨自由航行特性曲线，自由

航行曲线是船舶在风平浪静的静水中航行时的螺

旋桨机械特性曲线；２ 为螺旋桨系柱特性曲线，可

看作船舶在码头被系泊拉住或被艉锚拉住；３ 为

零螺距起动螺旋桨特性曲线；图 ３ 中的恒转矩和

恒功率特性为电力推进定距桨时的推进电机的特

性曲线， 供对照参考；Ｑ０为零螺距变频软起动下

的电动机转矩。

根据螺旋桨理论，螺旋桨转矩关系如式（２）。

Ｑ ＝ ＫＱ

ρｎ

２Ｄ

５

（２）

式中：Ｑ 为螺旋桨转矩，Ｎ·ｍ；ＫＱ 为转矩系数；ρ

为水的密度，ｋｇ ／ ｍ

３

；ｎ 为柴油机的转速，ｒ／ ｓ；Ｄ 为

调距桨的直径，ｍ。

在自由航行曲线上，螺旋桨转矩与转速成二

次方关系，是典型的平方转矩负载特性。 螺旋桨

特性曲线是随着船舶推进阻力变化而改变的一簇

曲线，自由航行特性曲线是其中典型的一条特性

曲线。 当船舶航行阻力增大或更小时，螺旋桨特

性曲线将相对应的较自由航行特性曲线更高或

更低。

螺旋桨吸收功率与转矩关系式如公式（３）所

示，结合公式（２）可以看出，螺旋桨吸收功率与转

速成三次方关系。

Ｐ ＝

Ｑｎ

９５６５

（３）

式中：Ｐ 为螺旋桨吸收功率，ｋＷ；Ｑ 为螺旋桨转

矩，Ｎ·ｍ；ｎ 为柴油机的转速，ｒ／ ｓ；

调距桨在零螺距起动阶段，螺旋桨轻载运行，

处于零推力螺距工况［３０］

，其特性曲线 ３ 分布在自

由航行曲线下侧。 此时螺距为零，船速为零，推力

为零，螺旋桨转矩和功率需求较低。 当推进电机

到达额定转速后，变频软起动器退出，推进电机通

过软起动器的旁路接触器，继续在额定转速下运

行。 由于采用了变频软起动器，推进电机的转矩

获得了一定提高，可在 Ｑ０ 范围内（可以有一定的

短时过载能力范围）表现为低速大转矩特性。 从

图 ３ 可知，采用变频软起动器控制的电力推进调

距桨，当螺距小于一定值时，推进电机仍可在该轻

载状态下通过变频控制实现恒转矩运行。 螺旋桨

也仍可运行在螺旋桨自由航行曲线线段“ＯＤ”以

及系柱特性曲线线段“ＯＣ”上。 此时与电力推进

定距桨性能相似，并且相比柴油机直接推进调距

桨，养殖工船仍能在较佳的燃油经济性状态下维

持低速航行。

４．２ 调螺距运行过程

当螺旋桨和推进电机达到额定转速后，养殖

工船动力系统改为调螺距运行。 通过调节螺距，

来改变螺旋桨转矩、推力、功率以及工船航速，螺

旋桨转矩即运行在图 ３ 线段“ＥＡ”上。 随着螺旋

桨转矩和功率的持续加大，螺旋桨沿着线段“ＥＡ”

最终汇聚在自由航行曲线 １ 的工作点 Ａ。 此时，

养殖工船螺推进电机达到额定转矩，工船运行在

４９

渔 业 现 代 化 ２０２２ 年

额定航速下。 根据螺旋桨转矩计算公式（２），可

以看出此过程中，螺旋桨转速恒定，螺旋桨转矩随

转矩系数而变化。 公式（４）给出了转矩系数的函

数关系，为螺旋桨进速系数和螺距角（螺距比）的

函数［３１⁃３３］

。

ＫＱ

＝ ｆ（Ｊ，Ｐ ／ Ｄ） （４）

式中：Ｊ 为螺旋桨进速系数；Ｐ 为螺旋桨螺距，ｍ；Ｄ

为螺旋桨的直径，ｍ。

对于螺旋桨，通常由螺距比 Ｐ ／ Ｄ 来表征其

螺距角。 调距桨就是改变螺距角，从而得到不

同的螺距比值来改变转矩、推力和功率。 由于

螺旋桨实际工作特性极其复杂，导致转矩系数

很难与进速系数和螺距比 Ｐ ／ Ｄ 建立精确的数学

模型，通常是根据敞水螺旋桨模型试验结果绘

制的螺旋桨敞水特性曲线图谱查得［２４，３３］

。 图 ４

为某型调距桨敞水特性图谱［３４］

。 从图 ４ 可知，

当进速系数一定时，转矩系数随着螺距比 Ｐ ／ Ｄ

的增加而增加，这意味着养殖工船螺旋桨的推

力和转矩随之增加。

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 J

Kr,10K

Ω

0.8

0.6

0.4

0.2

图 ４ 调距桨敞水特性图谱

Ｆｉｇ．４ Ｏｐｅｎ ｗａｔｅｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ Ａｔｌａｓ ｏｆ

ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ ｐｉｔｃｈ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ

当养殖工船在稳定的航行工况，其调距桨的

调速特性如图 ５ 所示。 图 ５ 中的实线 ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、

ｆ、ｇ 是一组从大到小不同螺距比的螺旋桨特性曲

线，而虚线 １、２、３、４、５ 则是一组从大到小不同等

航速的速度特性曲线。 该等航速线，通常是反映

传统柴油机直接推进调距桨的特性曲线，实现柴

油机转速、螺距比的联合控制［３５⁃３６］

，可以反映出

柴油机转速和螺距比、船速的一个动态平衡关系

和不同航速下的最优设计点。 由于本方案电动机

不调速，相比传统的柴油机直接推进调距桨而言，

只能在额定转速下单一的通过调节螺距比来改变

航速。 所对应得到图 ５ 中的不同航速 Ｖ１、Ｖ２、

Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６，都是运行在额定转速线上。 只有

当航速小于某一值，满足变频软起动器和推进电

机轻载运行的工况，方可实现转速、螺距比和养殖

工船低航速的联合控制。

120

100

80

60

40

20

0

20 40 60 80 100 nmax n/(%)

P(%) V(kn)

1

2

3

4

a b c d

c

5

f g

图 ５ 调距桨调速特性图

Ｆｉｇ．５ Ｓｐｅｅｄ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ

ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ ｐｉｔｃｈ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ

５ 定距桨与调距桨性能对比

通常调距桨价格要高于定距桨。 但是由于配

电装置的不同，两者差异会很大。 在本电力推进

调距桨策略中，通过调距桨控制船速的策略，采用

了三相异步电动机，这样就免去了造价较高的三

相绕组移相变压器、大功率 １２ 脉冲水冷变频器，

取而代之的是小容量的变频软起动器，这样配电

装置的成本大大降低。 调距桨方案的总造价也得

到很大降低，两者的造价比较如表 ２ 所示。 通过

表 ２ 可以得到，采用电力推进调距桨方案，系统因

为主要减少了大功率的三绕组移相变压器、虚拟

２４ 脉冲水冷变频器等，虽然调距桨方案成本有所

增加，但总体造价减少了 １８４ 万元，约 ２２．６％。

结合前文分析，电力推进定距桨与电力推进

调距桨，两者的性能比较如表 ３ 所示。

５０

第 ５ 期 黎建勋等：养殖工船电力推进调距桨动力系统策略

表 ２ 定距桨与调距桨造价比较

Ｔａｂ．２ Ｃｏｓｔ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｆｉｘｅｄ ｐｉｔｃｈ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ ｐｉｔｃｈ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ

系动力统配置方案

电力推进定距桨

配置／ 套 单价／ 万元 小计／ 万元

电力推进调距桨

配置／ 套 单价／ 万元 小计／ 万元

三绕组移相变压器 ２ ３５ ７０ ／

虚拟 ２４ 脉冲水冷变频器 ２ ２００ ４００ ／

６ 脉冲风冷变频软起动器＋转换柜 ／ ２ ９０ １８０

主推进变频电机 ２ ５２ １０４ ／

主推进异步电动机 ／ ２ ４５ ９０

定距桨＋电力推进控制系统 ２ １００ ２００

调距桨 ／ ２ １８０ ３６０

其他：空调、管路、电缆等 ２ ２０ ４０

总价（万元） ８１４ ６３０

表 ３ 定距桨与调距桨方案性能比较

Ｔａｂ．３ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｆｉｘｅｄ ｐｉｔｃｈ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ ｐｉｔｃｈ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ

系统性能 电力推进定距桨 电力推进调距桨

螺旋桨效率 高 稍低

推进效率 存在变压、变频环节，能量损耗，降低效率 无变压、变频环节，推进效率相对高

可靠性 定距桨机构简单，可靠性高。 但系统设备数量众多，

故障点多

调距桨机构复杂，但配电装置简单、故障点少，

可靠性高

冗余性 一对一驱动，无冗余性；任一设备如移相变压器、变

频器、空调等故障，都会造成一套推进系统失效

冗余度高，二对二冗余设计，具有复合功能，任

意变频起动器故障，不影响推进器使用

谐波干扰 需考虑谐波干扰及谐波抑制措施 几乎无谐波，无需相关装置

可维性 基本免维护，推进系统复杂，备品备件多，工船靠港

少，自行维修要求高

螺旋桨装置需要定期维护

重量尺寸散热 变压器、变频器尺寸巨大，散热量大

起动器功率小，尺寸小，散热很小，大大节省机

舱空间

自主性 主要控制设备为进口产品，维护难、使用成本高 国产化率高、维护方便、使用成本低

从表 ３ 二者的性能比较可以看出，电力推进

定距桨和电力推进调距桨互有优势和不利因素。

传统方案下的调距桨，因为小功率、小转矩、效率

相对低、维护要求高，调距桨机构复杂，以及价格

高等因素，会认为调距桨劣势会相对明显。 由于

本船电力推进调距桨策略，充分利用了调距桨

“零螺距”状态下空载起动推进电机的特性，同时

采用变频软起动器，提高了低速下的转矩性能。

使得调距桨策略的优势大大增强，可靠性也得到

很大改善。

６ 讨论

６．１ 系统策略可行性与适渔性

目前电力推进船舶绝大部分都采用定距

桨［１７］

，“国信 １ 号” 养殖工船也采用此种推进方

式，本方案则在电力推进系统的基础上，结合养殖

工船长期锚泊与短期游弋轮作式生产的作业特

点，提出了一种新的调距桨＋不调速电动机＋变频

软起动器的动力系统策略。 构建了系统配置方

案，提出了主要设备变频软起动器的容量选型设

计思路，并分析了该系统的主要运行特性，系统具

有可行性与适渔性。

６．２ 电力推进调距桨系统经济性

通常认为调距桨经济性低于定距桨［２０］

，但对

长期处于锚泊作业状态的养殖工船来说，这种差

异性不大。 此外，由于采用了电力推进的方式，定

距桨与调距桨的柴油机转速、负荷率均可以维持

在最佳区间，都具有较高的燃油经济性。 虽然调

距桨要比固定桨费用高，但电气设备的差价远大

于螺旋桨的差价，可节省总造价约 ２２．６％，也显示

出了造价经济性优势。

５１

渔 业 现 代 化 ２０２２ 年

６．２ 电力推进调距桨系统可靠性

常规双机双桨的电力推进系统都是一对一驱

动［３７］

，无冗余性。 该系统 ２ 只小功率变频软起动

器则具有复合功能，任意变频器故障不影响推进

器使用，系统的冗余度、可靠性大大提高。 虽然调

距桨机构复杂，故障率相对较高［３８⁃３９］

，但该系统

取消了移相变压器、水冷变频器、制动电阻等装

置，简化了系统配电装置环节，系统故障点相对减

少，可靠性也得到提高。

６．３ 电力推进调距桨与定距桨的差异及创新性

一般调距桨在零推力时的耗能约为满载时的

２０％

［２３⁃２４］

，该策略反而将这种传统意识的不利因

素加以应用。 利用调距桨“零螺距”特性，以及变

频软起动器的起动特性，可以实现推进电机在起

动阶段“空载起动”，用小功率起动器实现大电机

无级、平滑、大转矩起动；起动完成后，转换为调距

桨对航速的完全控制。

该系统由于采用了小功率变频软起动器，其

容量仅为定距桨变频器容量的 ２９．６％，完全可以

采用国产化设备。 这有利于提升中国船用设备配

套自主化和本土化率，逐步摆脱对国外公司的依

赖局面［１７］

。 同时该系统配置、尺寸也大为简化，

总体上既节省了机舱空间，又降低了投入成本，而

且系统几乎不用考虑电力推进定距桨船舶不可避

免的谐波干扰影响。

６．４ 系统的不足之处

通常认为调距桨需要定期维护［４０］

，随着调距

桨装置的技术性能的日趋提高，相信会得到改善。

结合系统调距桨调速特性，该电力推进调距桨动

力系统策略，在常规操作模式下，对航速的控制只

能通过调螺距来实现，相对单一。 而常规推进的

调距桨船舶，通常则具有柴油机转速、螺距比的联

合控制优势，机桨匹配范围更大。

７ 结论

养殖工船因其自身特有的锚泊与游弋多工况

作业特点，采用常规主机推进＋调距桨的策略不

经济，而主流电力推进船舶又以定距桨居多。 该

系统在应用电力推进优势的背景下，采用电力推

进＋调距桨＋变频软起动器动力系统策略，将电力

推进、调距桨、变频软起动器三者的优势充分结

合，使电力推进动力系统的经济性、可行性、适渔

性、可靠性，得到了进一步挖掘，具有适宜的应用

场景，尤其是当机舱空间需求度大，初期投入成本

期望能较低时。 □

参考文献

［１］ 联合国粮农组织．２０２２ 年世界渔业和水产养殖状况：努力实

现蓝色转型概要［Ｒ］．罗马：联合国粮农组织，２０２２：９．

［２］ 徐皓，谌志新，蔡计强，等．我国深远海养殖工船装备发展研

究［Ｊ］．渔业现代化，２０１６，４３（３）：１⁃６．

［３］ 孟广玮，张青亮，姜旭阳．深远海养殖工船船岸一体化系统构

建［Ｊ］．船舶工船，２０２０，４２（增刊 ２）：８３⁃８５，１２６．

［４］ 蔡计强，张宇雷，李建宇，等．１０ 万吨级深远海养殖平台总体

技术研究［Ｊ］．船舶工程，２０１７，３９（增刊 １）：１９８⁃２０３．

［５］ 张成林，徐皓，王世明，等．基于大型渔业平台的深远海渔业

发展现状与思考［Ｊ］．中国农学通报，２０２０，３６（２５）：１５２⁃１５７．

［６］ 黎建勋，金娇辉，谌志新．电力推进拖网渔船控制系统设计

［Ｊ］．渔业现代化，２０１２，３９（５）：４３⁃４８．

［７］ 刘勇，黎建勋．渔船电力推进单相 ＰＷＭ 整流器控制策略研究

［Ｊ］．渔业现代化，２０１５，４２（２）：４６⁃４９．

［８］ 曹建军，李胜勇．渔船电力推进系统性能测定试验设计［ Ｊ］．

中国渔业质量与标准，２０１８，８（６）：４７⁃５０．

［９］ 黎建勋，赵欣颖，周德国．拖网渔船电力推进系统设计［ Ｊ］．船

舶与海洋工程，２０１２（３）：６２⁃６４，７８．

［１０］崔雪亮，张伟信．电力推进应用于我国渔船的适用性分析

［Ｊ］．造船技术，２０１７（６）：１９⁃２２．

［１１］黄温赟，黄文超，黎建勋，等．深远海养殖平台的电力推进应

用研究［Ｊ］．船电技术，２０１７（４）：１５⁃１９，２２．

［１２］李建宇，赵新颖．电力推进金枪鱼延伸钓船的经济性分析与

试验验证［Ｊ］．船舶工船，２０２０，，４２（增刊 ２）：１４５⁃１４９．

［１３］张彬，曹现峰，李建宇，等．３６ 米多用途渔船柴电混合动力推

进系统方案设计［ Ｊ］．中国渔业质量与标准，２０２２，１２ （ １）：

５９⁃６３．

［１４］黎建勋，王靖．型深远海养殖工船动力系统研究［ Ｊ］．渔业现

代化，２０２０，４７（５）：７４⁃８０．

［１５］吴斐文．交流变频调速与变频器 ［Ａ］ ／ ／ 吴斐文．船舶电气系

统高新技术论文选集［Ｃ］．上海：上海汉格自动化工程科技

有限公司，２０１１：３１⁃３９．

［１６］薛海东，张晓东．电力推进控制系统与监测报警系统网络化

浅谈［Ａ］ ／ ／ 吴斐文．船舶电气系统高新技术论文选集［Ｃ］．上

海：上海汉格自动化工程科技有限公司，２０１１：１５３⁃１５７．

［１７］吴斐文．海洋工船船舶电气系统及设备的现状与展望［Ａ］ ／ ／

吴斐文．船舶电气系统高新技术论文选集［Ｃ］．上海：上海汉

格自动化工程科技有限公司，２０１１：６⁃７．

［１８］缪燕华，吴斐文．电力推进船舶的设计技术［Ａ］ ／ ／ 吴斐文．船

舶电气系统高新技术论文选集［Ｃ］．上海：上海汉格自动化

工程科技有限公司，２０１１：４９⁃５３．

［１９］庞涛，何祖军，孙明平．可调螺距螺旋桨推进特性分析及控制

系统研究［Ｊ］．计算机测量与控制，２００６，１４（２）：１８８．

［２０］中国船舶工业集团公司，中国船舶重工集团公司，中国造船

工程学会．船舶设计实用手册：总体分册［Ｍ］．３ 版．北京：国

防工业出版社，２０１３：３７１．

５２

第 ５ 期 黎建勋等：养殖工船电力推进调距桨动力系统策略

［２１］吴斐文，韩明．电力推进系统参数和形式论证［Ａ］ ／ ／ 吴斐文．

船舶电气系统高新技术论文选集［Ｃ］．上海：上海汉格自动

化工程科技有限公司，２０１１：７５⁃７７．

［２２］方大千．变频器、软起动器及 ＰＬＣ 实用技术问答［Ｍ］．北京：

人民邮电出版社，２００７：１１２⁃１１３．

［２３］林德辉，黄建章．船舶电力推进［Ｍ］．武汉：湖北科学技术出

版社，２０１７：１２．

［２４］吴斐文，周健．定距桨电力推进在动力定位工况中的运行性

能［Ｊ］．上海造船，２００７（１）：１７．

［２５］陈金刚，巩方彬，李国治．笼型三相异步电动机空载电流合格

判定解析［Ｊ］．船电技术，２０２１，４１（４）：１９⁃２１．

［２６］黄莉明，陈金刚．笼型三相异步电动机运转性能参数解析

［Ｊ］．防爆电机，２０１９，５４（２１１）：２３⁃２５．

［２７］周国玉，吴晓东，袁卫国，等．异步三相电机空载电流大的原

因浅析［Ｊ］．电机技术，２０１５（５）：２３．

［２８］张俊，赵云峰，章力天等．三相异步电动机在不同负载率时的

效率探究分析［Ｊ］．科技与创新，２０２２（３）：１４⁃１２６．

［２９］肖明．三相异步电动机空载电流估算［ Ｊ］．中小型电机，１９９０

（６）：１９．

［３０］王永生，庞之洋，王绍增．可调螺距螺旋桨零推力螺距敞水力

矩特性研究［Ｊ］．船舶工程，２００５，２７（５）：１⁃４．

［３１］孙建波，郭晨，张旭，等．调距桨推进装置及其控制系统的建

模与仿真研究［Ｊ］．系统仿真学报，２００７，１９（９）：２０４１⁃２０４４．

［３２］ ＩＺＡＤＩ⁃ＺＡＭＡＮＡＢＡＤＩ ＲＯＯＺＢＥＨ，ＢＬＡＮＫＥ ＭＯＧＥＮＳ．Ａ ｓｈｉｐ

ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｓ ａ ｂｅｎｃｈｍａｒｋ ｆｏｒ ｆａｕｌｔ⁃ｔｏｌｅｒａｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ［ Ｊ］．

Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｒａｃｔｉｃｅ， Ｅｌｓｅｖｌｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｌ． ｔｄ， Ｄｅｎｍａｒｋ

（Ｓ０９６７⁃０６６１），１９９９，７（２）：２２７⁃２３９．

［３３］陈晓冬．渔政船调距桨特性分析及控制技术研究［Ｄ］．哈尔

滨：哈尔滨工程大学，２０１８．

［３４］刘超，罗薇，张攀．计算机编程实现船机桨匹配系统设计［ Ｊ］．

交通与计算机，２００７，２５（１）：１４７⁃１４９．

［３５］梁赞通．调距桨推进装置机桨优化匹配研究［Ｄ］．大连：大连

海事大学，２００９．

［３６］尚二国．调距桨推进装置控制系统的研究与设计［Ｄ］．湖北武

汉：武汉理工大学，２００９．

［３７］中国船舶工业集团公司，中国船舶重工集团公司，中国造船

工程学会．船舶设计实用手册（轮机分册）［Ｍ］．３ 版．北京：国

防工业出版社，２０１３：４９．

［３８］何祖军，庞涛．调距桨推进特性分析及其控制系统设计研究

［Ｊ］．船海工程，２００５ （５）：２７⁃３０．

［３９］杨杰，黄约均，于建等．大型船可调桨推进装置机动工况分析

不容忽视［Ｊ］．上海船舶运输科学研究所学报，２００８，３１ （２）：

１１１⁃１１５．

［４０］韦明强，李晓燕．可调螺距螺旋桨在挖泥船上的应用及维修

［Ｊ］．船舶工程，２０１７，３９ （增刊 １）：８４⁃８７．

Ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ ｐｉｔｃｈ

ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ｆｏｒ ａ ｔｙｐｅ ｏｆ ｄｅｅｐ ｓｅａ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ

ＬＩ Ｊｉａｎｘｕｎ

１，２

，ＤＯＮＧ Ｘｉａｏｎｉ

１，２

，ＣＵＩ Ｍｉｎｇｃｈａｏ

１，２

，ＹＡＮＧ Ｄｏｎｇｘｕａｎ

３

（１ Ｆｉｓｈｅｒｙ Ｍａcｈｉｎｅｒｙ ａｎｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｒｅｓｅａｒcｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａcａｄｅｍｙ ｏｆ Ｆｉｓｈｅｒｙ Ｓcｉｅｎcｅｓ，

Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｏcｅａｎ Ｆｉｓｈｉｎg Ｖｅｓｓｅｌ ａｎｄ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，

Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ａgｒｉcｕｌｔｕｒｅ ａｎｄ Ｒｕｒａｌ Ａｆｆａｉｒｓ，Ｓｈａｎgｈａｉ ２０００９２，Ｃｈｉｎａ；

２ Ｊｏｉｎｔ Ｒｅｓｅａｒcｈ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｄｅｅｐ Ｂｌｕｅ Ｆｉｓｈｅｒｙ Ｅｎgｉｎｅｅｒｉｎg Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｔｅcｈｎｏｌｏgｙ，

Ｑｉｎgｄａｏ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｍａｒｉｎｅ Ｓcｉｅｎcｅ ａｎｄ Ｔｅcｈｎｏｌｏgｙ，Ｑｉｎgｄａｏ ２６６２３７，Ｓｈａｎｄｏｎg，Ｃｈｉｎａ；

３ ＣＳＳＣ Ｑｉｎgｄａｏ Ｂｅｉｈａｉ Ｓｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎg Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｑｉｎgｄａｏ ２６６５２０，Ｓｈａｎｄｏｎg，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｈａｒｍｏｎｉｃ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｌａｒｇｅ

ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｓｐａｃｅ ｏｃｃｕｐａｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｓｔ ｏｆ ａ ｄｅｅｐ ｓｅａ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ， ａ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ

ｖａｒｉａｂｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｏｆｔ ｓｔａｒｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｐｉｔｃｈ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｉｎ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ

ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｆｉｓｈｉｎｇ．Ａｆｔｅｒ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，

ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔａｒｔｕｐ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ

ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ ｐｉｔｃｈ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ｐｏｗｅｒ

ｓｙｓｔｅｍ，ｉｔ ｉｓ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ ｐｉｔｃｈ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｓｉｍｐｌｉｆｙ ｔｈｅ

ｐｏｗｅｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ，ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｃｏｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ，ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ

ｓｙｓｔｅｍ ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ， ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ

ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ，ｆｅａｓｉｂｌｅ，ｒｅｌｉａｂｌｅ ａｎｄ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｆｉｓｈｉｎｇ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ； ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ； ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ ｐｉｔｃｈ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ （ ＣＰＰ ）； ｍａｒｉｎｅ

ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ； ｖａｒｉａｂｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｏｆｔ ｓｔａｒｔ

５３

第 45 卷第 2 期 渔 业 现 代 化 Vol． 45 No． 2

2018 年 4 月 FISHERY MODERNIZATION Apr． 2018

DOI: 10. 3969 /j. issn. 1007-9580. 2018. 02. 001

收稿日期: 2018 － 01 － 09

基金项目: 国家贝类产业技术体系岗位科学家项目( CARS － 48)

作者简介: 张光发( 1970—) ，男，副教授，博士，研究方向: 船舶 CAD/CAM、软件工程、渔业装备等。E － mail: zhangguangfa@ dlou． edu． cn

散货船改装养殖工船的经济论证模型及系统设计

张光发1

，安海听1

，刘 鹰2

，李明智1

( 1 大连海洋大学航海与船舶工程学院，辽宁 大连 116024;

2 大连海洋大学水产设施养殖与装备技术工程研究中心，辽宁 大连 116024)

摘要: 深远海养殖工船作为一种新型的海洋作业平台以及养殖模式，受到海洋工程以及海洋养殖产业领域的

广泛关注。针对中国对养殖工船的改装建造及其养殖运营尚缺少相关的技术经济论证系统，本文选取论证

参数，利用线性回归方程建立改造散货船船型的主尺度模型，以养殖效果系数、投资回收期、净现值，建立经

济模型，通过参数分析法对船型技术、经济多目标船型方案进行技术经济性计算。择优选取方案，选取鱼价、

养殖存活率、年养殖成本为不确定因素进行敏感性分析。基于技术经济论证模型，利用 VB 编程技术，开发

可用于养殖工船的技术经济论证系统。通过模拟计算得出船型的载重量应大于 3 万 t，鱼价应大于 61． 4 元/

kg，存活养殖密度应大于 36 尾/m3

。

关键词: 养殖工船; 论证模型; 系统设计

中图分类号: TP311． 56 文献标志码: A 文章编号: 1007 － 9580( 2018) 02 － 001 － 05

随着社会经济发展，优质水产品需求日益增

大，据估计，到 2030 年将有 2 000 万 t 的水产品缺

口需要弥补［1］。随着中国近海渔业资源日益枯

竭，国家对捕捞的严格限制，同时受到陆源性污

染，水域环境恶化，水质恶劣，内陆和沿海近岸的

养殖空间受到挤压，水产品供应和安全问题日益

突出。在深远海，有优质的水源，适宜的洋流性水

温，极少陆源性污染与病害等［2］。深远海养殖拓

展了现代水产养殖的新空间，也是维护国家海洋

权益、争取发展空间的重要战略手段［3］。发展深

远海养殖，是否具有可靠的养殖装备是养殖成败

的关键。

早在 20 世纪 80—90 年代，欧美发达国家提

出了发展大型养殖工船的理念［4］。养殖工船集

养殖、加工、储藏、育苗、看护周围网箱于一体，可

实现由“捕”向“养”的转变［5］。欧美等国家进行

了诸多实践，并取得了良好的效益［6 － 8］。法国与

挪威合作建成了一艘长 270 m 的养殖工船，总排

水量 10 万 t，有 7 000 m3 养 鱼 水 体，年 产 鲑 鱼

3 000 t。因为养殖鱼产品需求有限，养殖的综合

条件与发展中国家相比不具有竞争优势，所以未

形成主体产业。中国养殖工船研究是以旧船为母

型船进行改装设计起步的，并对改造方案进行了

探索研究［9 － 11］。蔡计强等［12］对10 万吨级深远海

养殖平台进行了总体技术研究，形成了规模化养

殖、繁育、加工及渔船补给和物流等功能的技术

方案。

对于散货船改装养殖工船，利用散货船舱容

量大的特点，模仿工业化养鱼［13］，结合循环水养

殖技术［14 － 15］，对散货船的货舱和甲板进行改造，

变货舱为养殖舱，变甲板为具有加工、育苗等功能

的车间，实现旧船利用，更加经济。对于船舶技术

经济论证，以往是针对传统的运输船和渔船，对变

水层拖网渔船进行船型论证，编写通用程序［16］。

作为一种新型船舶，目前对养殖工船经济论证的

报道较少。为辅助养殖工船的改造设计，在深入

调查的基础上，建立散货船改造养殖工船技术经

济论证的数学模型，开发论证系统软件，得到适合

于养殖工船方案的优选船型。

1 技术经济论证模型

1． 1 技术经济论证参数

由于养殖工船是由散货船改装的，无法改变

渔 业 现 代 化 2018 年

船舶的主尺度，因此通过选择养殖工船的载重量

以确定所选取散货船的主尺度并进行改造。养殖

工船与运输船舶相比，船上养殖装备、养殖鱼价格

和养殖鱼密度对其经济性影响较大。所以，选择

载重量、鱼价和养殖密度作为参数。

1． 2 技术指标

散货船的主尺度、船型系数、空船质量等技术

参数是根据大量实船资料，通过统计分析得出［17］。

在数学模型建立过程中，首先根据世界上不同类型

散货船制作相应的散点图，观察各参数之间呈现的

关系，分别应用一元线性、多元线性和非线性回归

程序进行拟合，最终得出以下数学模型。

( 1) 散货船主尺度模型。表 1 为散货船主尺

度数学模型。

表 1 散货船主尺度数学模型

Tab． 1 Mathematical models for main scales of bulk carrier ship

散货船参数 统计模型

垂线间长 LBP ( m) LBP = 0． 480 D1 /2

W + 82． 067

型宽 B( m) B = 0． 793 D1 /3

W + 1． 754

型深 D( m) D = 0． 041 D1 /2

W + 7． 481

吃水 T( m) T = 0． 729 DW － 0． 261

养殖舱容 V( m3

) V = 1． 069 DW + 6 433． 6

注: DW 为散货船的养殖工况载重量

( 2) 浮力重力平衡。散货船经改装后增加了

养殖、加工冷藏、育苗等设备和厂房，增加了空船

质量，需要对浮力和重力进行校核; 重力与浮力的

平衡是利用方形系数 Cb 来调整的，在两者平衡的

情况下，方形系数计算公式为:

Cb = Δ

kγLBPBT ( 1)

式中: Cb—方形系数; Δ—排水量，m3

; γ—海水的

密度，取为 1． 025 t /m3

; k—船体外板的膨胀系数，

取为 1． 003; LBP—垂线间长，m; B—型宽，m; T—

吃水深度，m。

1． 3 经济计算模型

( 1) 净现值( NPV ) 。净现值是衡量养殖工船

投资能否收回的经济指标，按式( 2) 计算。

NPV = ( AAI － Y) × PA － PV + L × PF ( 2)

AAI = O × Emax ( 3)

式中: NPV—净现值，万元; AAI—养殖工船平均年

收益，万元; Y—养殖工船年总费用，万元; PA—等

额现值因数; PV—养殖工船船价现值，万元; L—

养殖工船残值，万元; PF—现值因数; O—养殖鱼

价格，万元/t; Emax—年最大养殖水产品产量，t。

( 2) 养殖效果系数( M) 。养殖工船单位养殖

成本所能获得的利润，该指标能同时反映养殖年

利润与年养殖成本，其值越大，方案越合理，但难

以反映资金周转的速度。M 值按式( 4) 计算。

M = R

Y ( 4)

式中: M—养殖效果系数; R—养殖工船年利润，万

元; Y—养殖工船年总费用，万元。

( 3) 投资回收期( PBP ) 。改造的养殖工船养

殖所得 收 益，偿还其投资所需时间，按 式 ( 5 )

计算。

PBP = lg( － P × i /A)

lg( 1 + i) ( 5)

式中: PBP—投资回收期，年; P—初始投资( 旧船

价格和改装费) ，万元; A—年收益，万元; i—投资

收益率。

1． 4 其他模型

( 1) 养殖工船年非渔业养殖成本，指养殖工

船在一年周期里用于维持正常养殖所支出费用

的总 和，包 括 折 旧 费。折 旧 费 取 初 始 投 资 的

8% ，维修费取初始投资的 3% ，保险费取初始投

资的 1% ，船员工资为每人 10 万 /年，其他费用

占年非渔业养殖成本的 4% 。养殖工船使用年

限为 20 年。

( 2) 初始投资( P) ，指养殖工船以散货船为母型

船的船价与改装、养殖设备等费用总和。旧散货船

按直线折旧法计算折旧剩余的账面价值［18］。调研

获知改装和养殖装备的总费用约为2 326 万元。

( 3) 养殖工船年产量估算( 即年最大养殖水

产品产量 Emax ) ，在养殖工况下，养殖水体体积占

养殖舱容的 80% ，按式( 6) 计算:

Emax = ρ × V × 80% × k × G /1000 ( 6)

式中: Emax—年最大养殖水产品产量，t; ρ—养殖密

度，尾/m3

; V—养殖舱容，m3

; k—存活率，% ; G—

每尾鱼的质量，kg /尾。

1． 5 敏感性分析

论证中，将养殖鱼的存活率、鱼价、年养殖成

本作为不确定性因素进行处理。先按在养殖工况

2

第 2 期 张光发等: 散货船改装养殖工船的经济论证模型及系统设计

( 养殖工船、鱼的品种) 不变的情况作为固定值进

行论证，然后对其进行敏感性分析，分别计算其对

各经济指标的影响趋势及大小，并对影响比较大

的因素进行详细的计算分析，求出临界值。

2 养殖工船技术经济论证系统设计

2． 1 论证系统概况

养殖 工 船 论 证 系 统 用 VB 语 言 程 序 开

发［19］。VB 语言简单易学，采用面向对象的程序

设计技术，界面友好，使程序开发更加迅速、简

捷。本文开发的论证系统采用比较通用的参数

分析法( 即网格法) ［18］进行船型方案决策。先

选择优化参数( 即设计变量) ，通过调研，对这些

设计变量的范围进行设定，并按照一定的步长

组合成一系列设计方案，对每个方案进行技术

和经济方面的计算，选取一定的经济评价指标，

在比较的基础上评价选优。系统在技术上考虑

船舶浮态、稳性，经济上考虑造价、年养殖成本、

投资回收期、养殖效果系数、净现值作为经济评

价指标，具体求解适合技术、经济要求的散货船

船型方案以及养殖鱼的参数。

参数及指标计算的程序流程图如图 1 所示。

图 1 程序流程图

Fig． 1 Flow diagram of the program

2． 2 程序模块

通过对论证模型的抽象，基于上述论证计算

方法和内容，设计程序结构。根据程序功能要求，

程序主要划分为 4 种模块。

( 1) 参数输入模块。在此模块中，把论证所

需的数据，如养殖工船的载重量、养殖密度、鱼价

等技术经济参数范围，校核参数数据、改造成本费

用、养殖装备费用和其他经济参数( 如船员及其

工资等) 。

( 2) 系统计算优化模块。该模块为系统核心

部分，是利用输入的参数数据、约束条件以及上文

所述的数学模型，对各吨级的养殖工船进行技术

性能的计算和校核，剔除不合理方案。并计算各

项经济参数，论证各方案的船舶经济性能，输出计

算结果，并有结果打印、保存功能。

( 3) 敏感性分析模块，即参数敏感性分析模

块。选择敏感性参数，输入波动值，选择论证方案

进行敏感性分析计算。

( 4) 数据输出模块，即处理数据输出。

3 模拟应用

利用散货船改装养殖工船系统，在水温适

宜且温差较小的海域，有适合养殖的优质水质，

如中国的南海美济礁，全年水温 25 ℃ ，盐度几

乎不变，无污染，海水透明度高［20］，适合养殖名

贵暖水鱼。以养殖珍珠龙胆石斑鱼为例，其养

3

渔 业 现 代 化 2018 年

殖周期 10 个月，养殖密度 81 尾 /m3

，养殖存活

率84． 9% ，平均体质量约 1 kg /尾，市场平均价

89 元 /kg，渔业投入产出比 1 ∶ 2

［21］。考虑市场

变化因素，鱼价取市场平均价的 85% 。输入养

殖工船的经济参数和载重量范围为 1 ～ 10 万 t。

计算结果见表 2。

表 2 养殖工船设计方案技术经济论证结果

Tab 2 Technical and economic argumentation results of the design scheme for aquaculture engingeering ships

技术经济参数 方案 1 方案 2 方案 3 方案 4 方案 5 方案 6 方案 7 方案 8

工船载重量/万 t 3． 00 4． 00 5． 00 6． 00 7． 00 8． 00 9． 00 10． 00

垂线间长/m 125． 21 138． 07 149． 40 159． 64 169． 06 177． 83 186． 07 193． 86

型宽/m 26． 39 28． 87 30． 97 32． 80 34． 44 35． 92 37． 29 38． 56

型深/m 14． 58 15． 68 16． 65 17． 52 18． 33 19． 08 19． 78 20． 45

吃水/m 10． 41 11． 22 11． 92 12． 56 13． 15 13． 69 14． 20 14． 69

养殖舱容/m3 38 504． 0 49 194． 0 59 883． 6 70 574． 0 81 264． 0 91 954． 0 102 644． 0 113 334． 0

工船造价/万元 39 673． 0 39 673． 0 39 673． 0 39 673． 0 39 673． 0 39 673． 0 39 673． 0 39 673． 0

养殖效果系数 0． 16 0． 25 0． 31 0． 36 0． 39 0． 42 0． 45 0． 47

投资回收期/年 17． 91 9． 85 6． 79 5． 18 4． 19 3． 52 3． 03 2． 66

净现值/万元 232． 01 2 044． 56 3 857． 11 5 669． 66 7 482． 21 9 294． 77 11 107． 32 12 919． 87

由表 2 可知，输出的养殖工船载重量从 3 万 t

开始，也就是说，选择的散货船载重量要大于 3 万

t，否则成本可能无法回收，不符合要求。本文选

择养殖工船载重量 6 万 t，其船型为常见的巴拿马

型散货船，选取不确定因素如鱼价、存活率、成鱼

平均质量，在其他养殖工况不变的情况下进行敏

感性分析。输出结果见表 3 ～ 表 5。

表 3 鱼价的影响

Tab． 3 Effects of different fish prices

变化率/% 养殖效果系数 投资回收期/年 净现值/万元

－ 20 0． 09 21． 55 —

－ 10 0． 22 8． 36 2 763． 60

0 0． 36 5． 18 5 669． 66

+ 10 0． 49 3． 76 8 575． 70

+ 20 0． 63 2． 95 11 481． 80

表 4 存活率的影响

Tab． 4 Effects of different fish survival rates

变化率/% 养殖效果系数 投资回收期/年 净现值/万元

－ 50 0． 13 23． 75 —

－ 40 0． 20 13． 84 883． 2

－ 30 0． 25 9． 76 2 079． 8

－ 20 0． 29 7． 54 3 276． 4

－ 10 0． 33 6． 44 4 473． 0

0 0． 36 5． 18 5 669． 7

+ 10 0． 38 4． 48 6 866． 3

+ 20 0． 40 3． 95 8 062． 9

表 5 年养殖成本的影响

Tab． 5 Effects of different annual aquaculture costs

变化率/% 养殖效果系数 投资回收期/年 净现值/万元

－ 40 0． 48 4． 23 7 394． 8

－ 20 0． 41 4． 66 6 532． 2

0 0． 36 5． 18 5 669． 7

+ 20 0． 30 5． 84 4 807． 1

+ 40 0． 26 6． 69 3 944． 5

+ 60 0． 21 7． 83 3 082． 0

对表 3 ～ 表 4 进行线性分析，当鱼价降低

19% ，即鱼价 61． 4 元/kg，养殖效果系数 0． 1，投

资回收周期为 19 年，净现值 148． 2 万元，所以，鱼

价应大于61． 4元/kg，才对养殖有利。当鱼的存活

率减少 47% ( 即存活率 39% ) 、密度36 尾/m3

时，

养殖效果系数 0． 15，投资回收期为 20 年，净现值

45. 6 万 元。所 以，只有当鱼的养殖密度大于

36 尾/m3

时，才对养殖工船有利。对表 5 线性分

析可知，年养殖成本不是影响经济性的主要因素

( 本文不对其详细分析) 。

4 结论

针对散货船改装养殖工船的特点，对其进行了

技术经济分析和论证，开发了相关的论证系统软件，

得到了适合于散货船改建养殖工船的优选船型，论

证了有关船舶的主尺度及各项养殖参数。以某型散

货船为计算实例，通过分析得到: 经济性的养殖工船

4

第 2 期 张光发等: 散货船改装养殖工船的经济论证模型及系统设计

载重量应大于 3 万 t，其主尺度为垂线间长大于

125. 21 m，型深大于26． 39 m，型宽大于 14. 58 m。利

用敏感性分析模块对存活率、鱼价进行敏感性分析

得到: 存活率应大于 39% ( 即存活养殖密度大于

36 尾/m3

) ，鱼价应大于61． 4 元/kg。 □

参考文献

［1］ 唐启升，丁晓明，刘世禄，等． 我国水产养殖业绿色、可持续发

展战略与任务［J］． 中国渔业经济，2014，32( 1) : 4 － 9．

［2］ 潘迎捷． 水产辞典［M］． 上海: 上海辞书出版社，2007: 15．

［3］ 徐皓，谌志新，蔡计强，等． 我国深远海养殖工程装备发展研

究［J］． 渔业现代化，2016，43( 3) : 1 － 6．

［4］ 徐皓，江涛． 我国离岸养殖工程发展策略［J］． 渔业现代化，

2012，39( 4) : 1 － 6．

［5］ 丁永良． 海上工业化养鱼［J］． 现代渔业信息，2006，21( 3) : 4 －6．

［6］ 李娟，林德芳，黄滨． 世界金枪鱼网箱养殖技术现状［J］． 海

洋水产研究，2008，29( 6) : 142 － 147．

［7］ SEATEAING． Therestockingship［EB /OL］．［2016 － 03 － 08］．

http: / /www． seasteading． Ore /2011 /04 /the． restokingsip．

［8］ E24． Nordlaks vii plassere to millioner laks ute pi

gigantiskehavfarme er［EB /OL］．［2016 － 03 － 10］． http / /e24．

No /naeringsliv /fiskeri /nordlaks － vii·plassere － to － millioner

·laks·ute － paa － gigantiske － havfarmer/23568465．

［9］ 科学网． 我国首艘养鱼工船雏形初现［EB/OL］．［2016 － 03 －

08］． http: / /news． sciencenet． cn /htmlnewsY2014/11 /308032．

［10］李尧，谢晋斌，严谨，等． 油船改造养殖渔船方案设计与研

究［J］． 中国水运，2015，15( 12) : 7 － 9．

［11］许洪露． 养殖工船液舱晃荡的制荡措施研究［J］． 中国水运，

2017，17( 3) : 7 － 10．

［12］蔡计强，张宇雷，李建宇，等． 10 万吨级深远海养殖平台总体

技术研究［J］． 船舶工程，2017，39( S1) : 198 － 203．

［13］王能贻． 国内外工业化养鱼新技术［J］． 渔业现代化，2006

( 1) : 9 － 11，16．

［14］刘鹰． 海水工业化循环水养殖技术研究进展［J］． 中国农业

科技导报，2011，13( 5) : 50 － 53．

［15］刘晃，张 宇 雷，吴 凡，等． 美国工厂化循环水养殖系统研

究［J］． 农业开发研究，2009( 3) : 10 － 13．

［16］张光发，张亚，赵学伟，等． 变水层大型拖网渔船技术经济论

证［J］． 大连海洋大学学报，2014，29( 3) : 299 － 302．

［17］金平仲，荣换宗． 船舶主尺度的回归分析［J］． 船 舶 工 程，

2004( 5) : 8 － 18．

［18］张光发，张维英． 船舶技术经济论证方法［M］． 北京: 农业科

学技术出版社，2013: 102 － 103．

［19］夏强． Excel VBA 应用开发与实例精讲［M］． 北京: 科学出版

社，2006: 1 － 15．

［20］张阿友． 教授屯海美济礁珍稀鱼类味道好［J］． 科学种养，

2015( 11) : 9 － 11．

［21］杨超，孙建明，徐哲，等． 循环水高密度养殖珍珠龙胆石斑鱼

效果研究［J］． 渔业现代化，2016，43( 3) : 18 － 22．

Economic argumentation model and system design for

refitting bulk carrier into aquaculture engineering ship

ZHANG Guangfa1

，AN Haiting1

，LIU Ying2

，LI Mingzhi

1

( 1 Dalian Ocean University，Dalian 116024，Liaoning，China;

2 Dalian Ocean University，Fishery Facilities and Equipment Technology Engineering Research Center，

Dalian 116024，Liaoning，China)

Abstract: As a new type of marine operation platform and aquaculture model，the deep ocean aquaculture

engineering ship has received extensive attention in the field of marine engineering and marine aquaculture． At

present，China still lacks relevant technical and economical verification systems for the refitting and construction

of aquaculture engineering ships． In this paper，based on the argumentation parameters，the main scale model for

reconstructing the bulk carrier ship type was established using the linear regression equation; the economic

model was established with the farming effect coefficients，investment payback period，and net present value; the

technical-economic performances of the ship type technology and economic multi-target ship type scheme were

calculated by the parametric analysis method，thus to select the best scheme among them by comparison;

sensitivity analysis was carried out on the uncertain factors such as the fish price，the survival rate and the

annual aquaculture cost． Thus VB programming technology can be used to develop a technical and economical

demonstration system for aquaculture engineering ships based on the technology and economics demonstration

model． Through the simulation calculation，the carrying capacity of the ship type should be more than 30 000 t，

the fish price should not be less than 61． 4 yuan /kg，and the breeding density should not be less than 36 ind /m3

．

Key words: aquaculture engineering ships; argumentation model; system design

5

第 43 卷第 5 期 渔 业 现 代 化 Vol. 43 No. 5

2016 年 10 月 FISHEＲY MODEＲNIZATION Octorber. 2016

DOI: 10． 3969 /j． issn． 1007-9580． 2016． 05． 001

收稿日期: 2016 － 07 － 25 修回日期: 2016 － 09 － 28

基金项目: 上海市科委科研计划项目( 15DZ1202102) ; 现代农业产业技术体系专项资金资助( CAＲS － 50)

作者简介: 张宇雷( 1980—) ，男，副研究员，研究方向: 渔业装备与工程技术。E － mail: zhangyulei@ fmiri． ac． cn

基于氨氮平衡的水产养殖换水率计算方法研究

张宇雷，曹 伟，蔡计强

( 农业部渔业装备与工程技术重点实验室，中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092)

摘要: 为进一步掌握海水养殖鱼类氮排泄的规律，准确计算养殖所需换水率( 量) ，为深远海大型养殖平台养

殖模式与系统设计提供基础数据和技术支撑。研究了斑石鲷( Oplegnathus punctatus) 在不同投饲频率条件下

的排氨情况，分析了维持氨氮平衡所需换水率的优化计算方法，并通过流水实验进行验证。结果显示，斑石

鲷在空腹、日投喂 1、2、3 次等 4 种条件下，水体氨氮质量浓度随时间变化基本呈线性增长趋势，排氨率平均

值分别为( 6． 23 ± 6． 71) 、( 18． 16 ± 11． 90) 、( 21． 69 ± 17． 52) 和( 17． 98 ± 12． 93) mg /( kg·h) 。根据物质平衡

原理，提出基于氨氮平衡的换水量计算方法。以该计算方法获得换水率分别为 0． 18、0． 55、0． 66 和 0． 55 次/

h。验证实验中，设计养殖密度 13． 4 kg /m3

，计算所需换水率为 1． 09 次/h( 换水量 0． 147 m3 /h) 。在该条件

下的流水养殖实验结果表明，氨氮能够稳定维持在设计要求范围内。

关键词: 排氨率; 换水率; 养殖工船; 斑石鲷

中图分类号: S964． 9; S959 文献标志码: A 文章编号: 1007 － 9580( 2016) 05 － 001 － 06

我国水产养殖生产方式粗放，受外部水域环

境恶化与内部水质劣化的影响，内陆和沿海近岸

的养殖空间受到挤压，养殖产品安全问题日益突

出［1］。走向深远海，开展海水养殖是满足日益增

长的水产品供给需求的重要途径［2］。国外在深

远海养殖有较多实践可供参考［3 － 4］。2014 年，农

业部中国水产科学研究院联合相关企业正式启动

了国内首个深远海大型养殖平台的构建。该养殖

平台由 10 万 t 级阿芙拉型油船改装而成，能够提

供养殖水体近 8 万 m3

，满足 3 000 m 水深以内的

水产品海上养殖、加工、冷藏等［5］。巨大的养殖

规模要求养殖平台能够提供大量水源保证养殖生

产。因此，准确计算养殖所需要的换水量，尽可能

减少每天的排换水，对于减少平台的运行维护成

本、提高经济效益具有重要意义。本研究以斑石

鲷( Oplegnathus punctatus) 为对象，采用实验方法

获得其在不同投喂频次条件下的排氨率，优化提

出基于氨氮平衡的换水率( 量) 计算方法，旨在为

平台养殖模式的完善和养殖系统的精准设计提供

技术支撑。

1 材料与方法

1． 1 试验对象

选用莱州明波公司提供的斑石鲷，体质量平均

( 301．0 ±46．7) g，驯养在循环水养殖系统内，实验前停

止喂食2 d。斑石鲷属广温、广盐性鱼类，生存水温6 ～

32 ℃，适宜水温22 ～28 ℃，适宜盐度15 ～33

［6 －7］。

1． 2 试验用水和饲料

试验用水( 盐度 1) 通过自来水添加海水晶

( 上海蓝海水产发展有限公司) 配置，蓄存于 2 个

水缸内，24 h 不间断曝气备用，氨氮质量浓度分别

为 0． 05 mg /L 和 0． 17 mg /L，水温 22 ～ 27℃。所

用饲料为艾乐牌海水鱼饲料，其营养成分: 蛋白质

≥47% ，脂类≥14% ，纤维≤3% ，水分≤10% ，灰

分≤8% ，钙≥0． 8% ，总磷≤2% ，氨基酸≥3． 3% 。

1． 3 试验方法

采用静水方式测定水体中的氨氮质量浓度随

时间变化的曲线，根据曲线斜率计算出养殖对象

的排氨率，再根据排氨率计算出所需要的换水率，

同时与采用流水养殖实验结果进行对比。静水排

渔 业 现 代 化 2016 年

氨率实验分为 4 组，分别为 1 个空白组、3 个实验

组( A、B、C) 。空白组: 将 3 尾斑石鲷蓄养在实验

鱼缸内，不投喂饲料; 实验组 A: 使用 3 尾斑石鲷，

9: 00投喂 1 次，10． 3 g /次; 实验组 B: 使用 3 尾斑

石鲷，9: 00 和 20: 00 各投喂 1 次，5． 2 g /次; 实验

组 C: 使用 3 尾斑石鲷，9: 00、17: 00 和 00: 00 各投

喂 1 次，每次 3． 5 g /次。流水养殖实验使用 6 尾

斑石鲷，早中晚各投喂 1 次，投喂量为 6． 8 g /次。

各试验组均采用连续监测，不设平行组。

1． 4 试验系统

实验鱼缸直径 700 mm，水深 350 mm，水体量

135 L; 蓄水池直径 2 m，水深 800 mm( 图 1) 。静

水排氨率实验不换水，因此不使用蓄水池。进行

流水养殖实验时，通过水泵将蓄水池内的水抽入

实验鱼缸内，再由鱼缸内的水位插管溢流排出，水

流量可调范围为 50 ～ 400 L /h。

图 1 实验系统原理图

Fig． 1 Schematic diagram of test system

1． 5 测定与分析方法

1． 5． 1 排氨率

排氨率计算方法: 将单位时间内实验水体中

的氨氮增加量除以实验鱼体重。

FAOE = ( Ct2 － Ct1 ) × V / TBW ( t2 － t1 ) ( 1)

式中: FAOE—斑石鲷排氨率，mg /( kg·h) ; Ct2—t2

时刻水体氨氮浓度，mg /L; Ct1—t1 时刻水体氨氮

浓度，mg /L; V—实验用鱼缸体积，L; t2—排氨率测

定时间段结束时刻，h; t1—测定时间段开始时刻，

h; TBW—实验鱼总体重，kg。

1． 5． 2 换水率

水产养殖系统中一般将单位时间内干净水流

入系统内的体积量称为换水量，而将单位时间内

系统水体被干净水替代的百分比称为换水率。本

文提出的基于氨氮平衡的换水率计算方法为: 使

得通过换水排出的氨氮总量大于或等于由于养殖

对象排泄活动所产生的氨氮总量。

QTAN ≥ PTAN ( 2)

式中: QTAN—通过换水排出的氨氮总量，mg /h，计

算方法见公式( 3) ; PTAN—养殖对象排泄活动所产

生的氨氮总量，mg /h，计算方法见公式( 4) 。

QTAN = Qwater × ( Climit － C0 ) × 1 000 ( 3)

PTAN = FAOE × TBW ( 4)

式中: Qwater—基于氨氮平衡的换水量计算值，m3 /

h; Climit—养殖管理要求的氨氮控制上限，参考渔

业水质标准［8］设为 0． 37 mg /L; C0—干净水氨氮

浓度，即蓄水池内氨氮浓度，经检测为 0． 15 mg /

L; 1 000 为单位换算系数，mg /g。

整理公式( 1) ～ ( 3) 即可获得基于氨氮平衡

的换水量和换水率计算方法。

Qwater = f × FAOE × TBW /1 000( Climit － C0 ) ( 5)

iwater = Qwater /V ( 6)

式中: f—水温和盐度经验系数，本实验假设为 1;

iwater—换水率，次/h。

1． 5． 3 水化学指标测定

水温、pH、盐度和溶氧浓度等采用美国产 YSI

多参数水质分析仪测定; 氨氮浓度采用哈希试剂

盒测试; 数据统计分析与作图使用 Excel2010 软

件处理。

2 结果

2． 1 投喂频率对水体氨氮浓度变化的影响

图2 为空白组( 不投喂饲料) 条件下，实验鱼缸

内水体氨氮浓度随时间变化的情况。实验水温

22 ℃，溶氧浓度6． 6 mg /L，pH 8． 19。可以发现，氨氮

浓度比较有规律地呈现阶梯状上升趋势。9: 00 至

17:00，8 h 内氨氮浓度从0．7 mg /L 上升到0．95 mg /L。

图 2 斑石鲷空腹条件下水体氨氮浓度随

时间变化曲线

Fig． 2 TAN concentration in the culture tank with

starved oplegnathus punctatus

2

第 5 期 张宇雷，等: 基于氨氮平衡的水产养殖换水率计算方法研究

图 3 为实验组 A、B、C( 即日投喂 1 次、2 次和

3 次) 条件下测得的实验鱼缸内水体氨氮浓度随

时间变化情况。实验水温为 23 ～ 26℃，溶氧浓度

5． 5 ～ 6． 4 mg /L，pH 8． 05 ～ 8． 66。从中可以看出，

氨氮浓度基本上随时间变化呈线性增长，而且在

24 h内没有出现变缓的趋势。采用线性拟合曲线

所得斜率分别为 0． 123 4、0． 140 1 和 0． 100 6。

图 3 不同投喂频率条件下斑石鲷养殖水体

氨氮浓度随时间变化曲线

Fig． 3 TAN concentration in the culture tank with oplegnathus

punctatus under different feeding ratios

2． 2 排氨率随时间变化情况

根据公式( 1) 计算所得，空白组条件下斑石

鲷排氨率平均值为( 6． 23 ± 6． 71) mg /( kg·h) ，

最高值为 14． 96 mg /( kg·h) 。图 4 分别为实验

组 A、B 和 C 斑石鲷摄食后的不同排氨率。日投

喂1 次: 平均值为( 18． 16 ± 11． 90) mg / ( kg·h) 。

摄食后 1 h 排氨率即达到摄食前的 3 ～ 4 倍，并保

持这一水平，然后在第 8 小时和第 12 小时出现 2

个高峰，最高值达到 44． 87 mg /( kg·h) 。日投喂

2 次: 平均值为( 21． 69 ± 17． 52) mg /( kg·h) 。第

1 次投喂后的第 5 小时，排氨率即达到一个较高

水平 44． 87 mg /( kg·h) ; 第 2 次投喂后的 3 h 内，

排氨率降低至摄食前水平，然后在第 12 小时和第

15 小时达到峰值 59． 82 mg /( kg·h) 。日投喂

3 次: 平均值为( 17． 98 ± 12． 93) mg /( kg·h) 。峰

值出现在了投喂后第 1 小时，达到 44． 87 mg /( kg

·h) ，其他时刻基本维持在 37． 39 mg /( kg·h) 以

下，没有出现较明显的峰值。

图 4 不同日投喂次数下的斑石鲷排氨率

Fig． 4 Ammonia excretion rate of oplegnathus punctatus

under different feeding frequencies

根据空白组、实验组 A、B 和 C 测得的斑石鲷

排氨率，采用公式( 4) 和( 5) 计算维持水体氨氮平

衡所需换水量和换水率( 表 1) 。其中，实验组 B 最

高，A 和 C 几乎一致。其原因可能是由于气候关

系，水温持续上涨，导致实验前后温差达到4 ～5℃;

其次，由于研究出发点是为养殖工程设计提供理论

数据支撑而不是纯粹研究斑石鲷生理特性，因此实

3

渔 业 现 代 化 2016 年

验过程中并未将鱼类粪便进行及时清理，可能会对

氨氮浓度产生影响，从而影响排氨率计算的准确

性。总体来看，实验组 C 的排氨率变幅较小，相对

平稳，更有利于水质稳定和鱼类生长。

表 1 不同组别计算所得换水量和换水率

Tab． 1 Water flow rate and exchange ratio of

different test groups

组别 排氨率平均值/

［mg /( kg·h) ］

换水量/

( m3 /h)

换水率/

( 次/h)

空白组 6． 23 ± 6． 71 0． 025 0． 18

实验组 A 18． 16 ± 11． 90 0． 074 0． 55

实验组 B 21． 69 ± 17． 52 0． 089 0． 66

实验组 C 17． 98 ± 12． 93 0． 074 0． 55

2． 3 流水养殖实验

采用流水养殖实验，通过监测水体中的氨氮

浓度来验证基于氨氮平衡的换水率计算方法的可

靠性。实验设计使用 6 条斑石鲷，日投喂饲料

3 次，水温 27℃，溶氧浓度 6． 3 mg /L，pH 8． 85。

同时，根据排氨率 17． 98 mg /( kg·h) ，按照上述

公式计算所需换水量和换水率分别为 0． 147 m3 /

h 和 1． 09 次/h。实验结果如图 5 所示。可以发

现，在监测的 18 h 内，氨氮浓度小幅震荡，缓慢增

加，从 0． 26 mg /L 上升到 0． 35 mg /L，未超过设定

上限( 0． 37 mg /L) 。氨氮浓度小幅上升的原因主

要是由于实验水温高于前期排氨率实验水温。根

据相关研究报道［9 － 11］，水温升高会导致鱼类排氨

率的增加( 前提是不超过该品种的适温条件) 。

图 5 流水条件下水体氨氮浓度随时间

变化曲线

Fig． 5 TAN concentration in the culture tank under water

flow － through condition

3 讨论

3． 1 斑石鲷排氨率

对于斑石鲷排氨率的研究，国内还未见报道，

但对其他海水鱼类的相关研究较多，其范围一般

在 3． 985 ～ 82 mg /( kg·h) ［12 － 14］。Timmons 等［15］

研究认为，养殖水体中每天的氨氮产生量可根据

公式: PTAN =0． 092·F·MPC计算，式中: PTAN为日氨

氮产生量，g /day; 0． 092 为半经验系数; F 为投饲量，

g /day; MPC为饲料蛋白质含量，%。以此计算得出:

日投喂饲料 10． 3 g，养殖水体中氨氮产生量为 21

mg /( kg·h) ，稍大于本实验获得的结果，即 17． 98

～21． 69 mg /( kg·h) 。以上研究报道的结论虽与本

文研究结果存在一定的偏差，但由于鱼类品种和养

殖工况的差异，可以认为其在可接受范围内。

3． 2 斑石鲷排泄规律

王占全等［16］研究了体质量( 30． 25 ± 2． 50) g

的哲罗鱼幼鱼在 4 个温度下摄食前后的排氨率。

结果显示: 饱食后，4 个温度组哲罗鱼幼鱼的排氨

率先升高后降低，其中在( 11． 5 ± 0． 5) ℃ 组产生 2

个峰值，分别在第 5 小时和第 11 小时; 另外 3 个

温度组都在 12 ～ 15 h 有 1 个峰值。沈勤等［17］研

究结果显示，大黄鱼摄食后有 2 个明显的排氨高

峰期，一个出现在摄食后，另一个出现在摄食后

30 ～ 34 h; 大黄鱼在摄食 24 h 后，排氨率没有恢复

到摄食前水平。李治等［18］实验结果显示，南方鲇

摄食( 10． 1 ± 0． 9) h 后，排氨率达到峰值( 76． 1 ±

2． 5) mg /( kg·h) ，经过( 37． 2 ± 2． 8) h 恢复到摄

食前水平。本实验总体上与上述研究结果一致，

在日投喂1 次条件下，斑石鲷排氨率峰值出现在 8

h 和12 h，随着投喂次数增加( 总摄食量不变) ，排

氨率峰值出现时间提前; 在日投喂 3 次条件下，峰

值出现在投喂后 1 h 内，后期排氨率变化幅度相对

较弱。因此认为斑石鲷投喂策略以少量多次为宜。

3． 3 换水率

国内在流水养殖技术方面的研究应用已有较

长时间，系统所需换水率通常根据经验。据研究

报道，“温室大棚 + 深井海水”大菱鲆工厂化养殖

模式，要求放养 400 ～ 500 g 大菱鲆 20 ～ 30 尾/m2

( 水深 60 ～ 100 cm 计，养殖密度为 10 ～ 25 kg /

m3

) ，换水率一般保持在 5 ～ 10 次/d( 即 0． 21 ～

0． 42 次/h ) ［19］; 北方地区使用池塘 养殖虹鳟

30 尾/m2

( 按照 0． 5 kg /尾，水深 1 m 计，养殖密度

为 15 kg /m3

) 条件下，换水率必须要达到 2 次/h

以上［20］。本实验研究结果显示，在养殖密度为

13． 4 kg /m3 条件下，换水率 1． 09 次/h 即可维持

4

第 5 期 张宇雷，等: 基于氨氮平衡的水产养殖换水率计算方法研究

氨氮的平衡，该数据低于虹鳟养殖方式，高于大菱

鲆养殖方式。分析其原因，主要是由于大菱鲆的

排氨 率 远 低 于 斑 石 鲷。研 究 表 明，平 均 体 重

( 264． 11 ± 35. 79) g 的大菱鲆，在水温 15℃、盐度

35 条件下，排氨率为( 2． 831 ± 0． 662 ) mg /( kg·

h) ，仅仅是斑石鲷的 15． 7%［21］。由此表明，本实

验研究提出的计算方法科学合理，对于水产养殖

系统的设计构建有较好的参考价值。

4 结论

采用静水实验方法监测养殖水体氨氮浓度随

时间变化情况，计算出斑石鲷在空腹、日投喂 1、2、3

次的排氨率，分别为( 6． 23 ± 6． 71) mg /( kg·h) 、

( 18. 16 ±11． 90) mg /( kg·h) 、( 21． 69 ± 17． 52) mg /

( kg·h) 和( 17． 98 ± 12． 93) mg /( kg·h) 。根据物

质平衡原理，推演获得换水率计算公式。实验验证

结果表明: 养殖水体氨氮浓度可以控制在设计指标

范围内。需要说明的是，该公式仅考虑了氨氮的物

质平衡，而没有考虑溶氧、碱度、二氧化碳等水质指

标，因此仅适用于低密度的流水养殖模式。 □

参考文献

［1］ 徐皓． 水产养殖设施与深水养殖平台工程发展战略［J］． 中

国工程科学，2016，18( 3) : 37 － 42．

［2］ 康 丽 琳． 我国首个深远海大型养殖平台启动构建［EB /

OL］．［2014 － 11 － 24］． http: / /www． gov． cn /xinwen /2014 －

11 /24 /content_2782858． htm．

［3］ 徐皓，江涛． 我国离岸养殖工程发展策略［J］． 渔业现代化，

2012，39( 4) : 1 － 7．

［4］ 丁永良． 海上工业化养鱼［J］． 渔业现代信息，2006，21( 3) : 4 －6．

［5］ 黄姗． 深远海养殖未来中国的“海上养殖航母”［EB /OL］．

［2016 － 01 － 14］． http: / /www． bbwfish． com/article． asp artid

= 181316．

［6］ 钟鸿干，张旭，张海滨，等． 南方地区斑石鲷工厂化养殖试

验［J］． 中国水产，2015( 5) : 64 － 66．

［7］ 张旭，钟鸿干，张海滨． 南方地区斑石鲷养殖技术要点［J］．

河北渔业，2015( 2) : 41 － 42．

［8］ GB11607 － 92． 渔业水质标准［S］．

［9］ 丁福江，杨明，戴习林，等． 温度对黄金鲈( Perca flavescens) 耗氧

率和排氨率的影响［J］． 淡水渔业，2010，40( 5) : 68 －71．

［10］ 江丽华，朱爱意． 温度和盐度对美国红鱼耗氧率和排氨率的

影响［J］． 水产养殖，2009，30( 10) : 27 － 30．

［11］ 郭念岗，吴雄飞，沈伟良． 温度和盐度对岱衢族大黄鱼排氨

率和耗氧率的影响［J］． 渔业现代化，2014，41( 3) : 21 － 25．

［12］ 张涛，王庚申，平洪领，等． 盐度对大黄鱼幼鱼耗氧率和排氨

率的影 响 研 究［J］． 浙江海洋学院学报( 自 然 科 学 版) ，

2015，34 ( 4) : 310 － 313．

［13］ 梁华芳，黄东科，吴耀华，等． 温度和盐度对龙虎斑耗氧率和

排氨率的影响［J］． 渔业科学进展，2014，35( 2) : 30 － 34．

［14］ 何亚，王华，王伟，等． 温度对不同体质量红鳍东方鲀幼鱼耗

氧率和 排 氨 率 的 影 响［J］． 大 连 海 洋 大 学 学 报，2014，

29( 5) : 481 － 485．

［15］ TIMMONS M B，EBELING J M，WHEATON F W，et al．

Ｒecirculating Aquaculture Systems［M］． 2nd Edition． New

York: Cayuga Aqua Ventures，2002: 100 － 101．

［16］ 王占全，王丽，贺杰，等． 温度和摄食对哲罗鱼幼鱼排氨率的

研究［J］． 水产学杂志，2014，27( 6) : 40 － 43．

［17］ 沈勤，徐善良，严小军，等． 饲料及体重对大黄鱼排氨率影响

的初步研究［J］． 宁波大学学报( 理工版) ，2008，21( 3) : 318

－ 322．

［18］ 李治，谢小军，曹振东． 摄食对南方鲇耗氧和氨氮排泄的影

响［J］． 水生生物学报，2005，29( 3) : 247 － 252．

［19］ 付鹏． 北方山区高密度流水养殖虹鳟高产试验［J］． 科学养

鱼，2014，30( 1) : 40 － 41．

［20］ 雷霁霖，门强，王印庚，等． 大菱鲆“温室大棚 + 深井海水”

工厂化养殖模式［J］． 海洋水产研究，2002，23( 4) : 1 － 7．

［21］ 唐贤明． 鲆科鱼类渗透调节与代谢的基础研究［D］． 青岛:

中国海洋大学，2004．

( 下转第 35 页

櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄

)

·文摘· 鱼的游动对圆形水池水流型态的影响

研究了鱼的游动对圆形水池的平均水流速度和流速剖面特征的影响。使用不同的进水口直径和进

水流速，对 9 种不同的冲力( 配置) 进行了评价。在有鱼和无鱼的水池中对各个配置进行了测试，并比

较了两种鱼体尺寸产生的影响。在有鱼试验中，速度剖面特征呈现出在靠近出水口的水池中央流速有

一个明显的减小，这是因鱼的游动引起的紊流致使动涡流粘滞度增加的结果。在水池中央区观察到了

角速度剖面的扁平化，该区域半径约为 0． 3 m( 占水池总体积的 18% ) 。为了更好地描述有鱼的水池中

央区域的水流速度分布，对以前提出的一个模型做了改进。在有鱼和无鱼两种试验中，水池中的平均水

流速度与冲力的平方根呈比例关系。有鱼试验中呈现出较低的平均水流速度，意味着其水池阻力系数

较高。在相同的放养密度( 14． 6 kg /m3

) 下，用小尺寸鱼( 154 g) 所做试验得到的水池阻力系数的增加略

高于使用较大尺寸的鱼( 330 g) 。

( 《Aquacultural Engineering》Vol． 74)

5

第 5 期 陈 琳，等: 苏云金芽孢杆菌酵解大西洋鲑加工废弃物制备抗氧化酵解液研究

Study on the optimal conditions of preparing antioxidant hydrolysate

from Atlantic salmon processing wastes using Bacillus Thuringiensis

CHEN Lin1

，LI Bingjun1

，FENG Junrong1

，YU Benshu 2

，HAN Gongwen3

( 1 School of Ocean，Yantai University，Yantai 264005，China;

2 Shandong Hyelrobros Conservation and Management Center，Yantai 264005，China;

3 Longkou Aquaculture Technology Extending Station，Longkou 265700，China)

Abstract: There are abundant proteins that are of high value in the processing residues of Atlantic salmon

( Salmo salar) ; to avoid waste and environmental pollution caused by throwing them away，and to improve their

comprehensive utilization value，the research was conducted where the dry powder made from Atlantic salmon

processing residues were hydrolyzed by Bacillus Thuringiensis to produce antioxidant hydrolysate． The reaction

conditions of the enzymatic hydrolysis including material － to － solvent ratio，inoculum quantity，time，

temperature，pH and cell age were investigated． Firstly the best single factor was found by comparing the total

antioxidant activity and amino nitrogen concentration; then based on single factor experiment and taking the

degree of hydrolysis and the total antioxidant activity as indicators，orthogonal experimental design method was

used to optimize the hydrolysis conditions，and the optimal conditions were determined by as follows: material －

to － solvent ratio 0． 7 g /50 mL，inoculum quantity 3% ，time 72 h，temperature 30 ℃，pH 6． 6 and cell age

48 h; under such conditions the total antioxidant activity and degree of hydrolysis were 503． 59 U and 17．

29% ，respectively． In conclusion，it is feasible and practical to prepare antioxidant hydrolysate from Atlantic

salmon processing wastes using Bacillus Thuringiensis．

Key words: Atlantic salmon; processing wastes; bacillus thuringiensis; enzymolysis; antioxidant hydrolysate;

櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄

orthogonal experiment

( 上接第 5 页)

Studies on water exchange ratio

calculation method based on TAN balance

ZHANG Yulei，CAO Wei，CAI Jiqiang

( Laboratory of Fishery Equipment and Engineering，Ministry of Agriculture，Fishery Machinery and

Instrument Ｒesearch Institute，Chinese Academy of Fishery Sciences，Shanghai 200092，China)

Abstract: In order to deeply understand the nitrogen excretion rules of marine cultured fish，precisely calculate

the water exchange ratio ( amount) needed，and provide basic data and technical support for the design of Deep

Sea Aquaculture Farming Platform，TAN excretion rate of Oplegnathus punctatus under different feed frequencies

was studied and the calculation method of water exchange ratio was analyzed． Ｒesults show that the ammonia

excretion rate of Oplegnathus punctatus is ( 6． 23 ± 6． 71) mg /( kg·h) under starved condition，( 18． 16 ± 11．

90) mg /( kg·h) when fed one time per day，( 21． 69 ± 17． 52) mg /( kg·h) when fed two times per day，and

( 17. 98 ±12． 93) mg /( kg·h) when fed three times per day． Based on the principle of mass balance，one kind of

water exchange ratio calculation method is put forward for keeping TAN stable． By using the method，the water

exchange ratio under 4 different conditions are 0． 18，0． 55，0． 66，and 0． 55 times/h，respectively． The verification

test is under the condition of culture density 13． 4 kg /m3

，and the water exchange ratio is calculated as 1． 09

times/h． Ｒesults show that TAN concentration can be maintained within the required level of the test design．

Key words: ammonia excretion rate; water exchange ratio; farming platform; Oplegnathus punctatus

35

第 ４９ 卷第 ５ 期 渔 业 现 代 化 Ｖｏｌ．４９ Ｎｏ．５

２０２２ 年 １０ 月 ＦＩＳＨＥＲＹ ＭＯＤＥＲＮＩＺＡＴＩＯＮ Ｏｃｔ．２０２２

ＤＯＩ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１００７⁃９５８０．２０２２．０５．００７

收稿日期：２０２２⁃０７⁃０４

基金项目：国家重点研发计划课题（２０１９ＹＦＤ０９００９０３）

作者简介：王志勇（１９７９—），男，副研究员，硕士，研究方向：海洋渔业设施。 Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｗｚｙ２７９＠ ｓｉｎａ．ｃｏｍ

深远海养殖工船投饲系统设计

王志勇１，２

，邹海生１

，张耀明１

，徐志强１

（１ 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 ２０００９２；

２ 农业农村部远洋渔船与装备重点实验室，上海 ２０００９２）

摘要：针对深远海养殖大型化、规模化发展需求，以大型养殖工船为依托平台，基于气力输送原理和自动化控

制技术设计了远程自动投饲系统。 该投饲系统由上料装置、饲料输送和分配装置、撒料装置以及自动控制装

置等组成。 系统设计输送管道直径 ８０ ｍｍ，最大输送距离为 ８５ ｍ，系统以触摸屏为人机操作界面，以 ＰＬＣ 为

控制核心，根据投喂不同需求即时调节饲料投放速率和距离。 海上试验结果显示，该投饲系统能有效完成工

船养殖模式的投喂需求，投饲作业效率为 ０～ ４０ ｋｇ ／ ｍｉｎ， 投饲距离为 ６～ ９ ｍ。 本研究为深远海养殖工船投

饲系统研制提供了技术参考。

关键词：深远海；养殖工船；投饲系统；正压输送；自动控制

中图分类号：ＴＰ２９ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００７⁃９５８０（２０２２）０５⁃００５４⁃００７

深远海养殖工船是深远海养殖的一个发展方

向，以深远海大型游弋式工船为核心的养殖与渔

业生产平台，可集成养殖、繁育、捕捞、加工与物流

保障等功能，优化养殖结构，拓展水产养殖空间。

构建深远海大型养殖工船舱养系统，实施集约化

高效养殖，除需要大型工船作业平台，还需要更加

高效的作业装备作为支撑，以及信息化系统作为

保障，配套设施的完善对深远海养殖的可行性与

安全性至关重要［１⁃３］

。 由于工船规模化、集约化

养殖，饲料投喂工作量和劳动强度大，需要适宜的

自动 投 饲 系 统， 才 能 满 足 深 远 海 养 殖 工 船

管理［４⁃６］

。

目前，国内外在自动化投饲系统方面已有很

多研究，在池塘养殖、工厂化养殖和网箱养殖方面

也有很多应用，但不同的养殖环境其投饲系统也

不尽相 同， 同 一 基 本 构 成 模 式 下 有 不 同 具 体

形式［７⁃１０］

。

本研究围绕深远海养殖工船养殖模式，基于

工船养殖环境和结构特点，采用正压气力输送技

术，以 ＰＬＣ 为控制核心，气动分配器选择多舱投

喂，结合工作传感器进行远程输料和抛料控制。

通过机械化的上料装置和自动化投喂控制，实现

舱养投饲自动化管理，满足深远海养殖工船养殖

需求，进一步为深远海养殖发展提供技术支撑。

１ 工船投饲系统总体方案

１．１ 工船投饲系统布置

养殖工船投喂流程：通过补给船吊运饲料至

工船主甲板储料仓，投喂前根据投饲需求通过吊

装、自动拆袋上料到自动投饲机料斗，经投饲机输

送管道输送投喂至不同养殖舱［１１⁃１２］

。 根据养殖

舱实际布置，系统设计采用低压气力输送技术，设

备集中式布置，通过料仓自动化上料、投饲机集中

式远程自动投喂，减少养殖投喂人工劳动强度，实

现工船养殖投喂自动化管理，工船投饲系统设计

包括拆包上料装置和自动投饲装置。

上料装置位于主甲板上，由于海上环境潮湿，

饲料采用吨袋包装，更容易密封储存，防止受潮发

霉。 自动投饲装置位于主甲板以下养殖设备平

台，根据养殖工艺设置 ４ 套低压气送投饲机，图 １

为单套投饲装置结构布置图，４ 套系统沿船中线

对称布置。

投喂前通过电动卷扬机起吊袋料，拆包机破

袋下料到投饲机料斗，投饲输送分配装置结构见

图 ２ 所示。 饲料经过输送分配装置，在风压作用

第 ５ 期 王志勇等：深远海养殖工船投饲系统设计

下通过管道输送到不同的养殖舱，每根输料管末

端设有撒料装置，撒料装置按程序设定依次工作，

也可手动选择，满足养殖舱的投喂需求。 整套投

饲系统可以机旁控制和集中控制，通过集中控制

室对投饲机进行远程投饲操作，４ 套自动投饲机

可同时并行进行各自的投喂作业［１３⁃１８］

。

2000 kg

22m

图 １ 养殖工船投饲系统布置图

Ｆｉｇ．１ Ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｓｈｉｐ

图 ２ 输送分配装置结构简图

Ｆｉｇ．２ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ ａｎｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ

１．２ 养殖投饲策略

目前，该工船规划养殖大黄鱼，按照现在海区

网箱养殖大黄鱼模式的投喂策略，一般在早晚各

投喂一次。 虽然这种投喂方法有一定的优势，但

是如果在工船养殖中采用这种投喂策略，会在短

时间内保证所有的鱼达到饱食状态，进而导致耗

氧量急剧增加，势必会使养殖舱承受很大的溶氧

问题，此外，还会导致代谢物集中排放，引起水质

剧烈变化［１９⁃２１］

。 为避免这些风险，综合考虑大黄

鱼规格、摄食情况、饲料粒径、投喂率等，工船养殖

可采用表 １ 投喂策略进行投饲量初步设计计算。

表 １ 工船养殖投喂策略表

Ｔａｂ．１ Ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｓｈｉｐ

鱼体规格 投喂率 投喂频次／ ｄ

１５０～３００ ｇ １％ ３～４

３００（含） ～６００ ｇ ０．８％ ３～４

≥６００ ｇ ０．６％ ３～４

注：投喂率是指 １００％×日投喂量／ （平均尾重×尾数）

２ 系统主要结构设计

２．１ 气动分配器

该投饲系统采用集中式布置于工船中间位

置，需要远程将饲料由一点向多个养殖舱输送，系

５５

渔 业 现 代 化 ２０２２ 年

统设计通过多路分配器来进行不同养殖舱的投饲

选择控制。 大多数分配器采用电动机驱动溜管转

动，根据对应出料口接近开关信号转动到不同的

出料口，但是电驱动过程中分配器转动存在一定

误差，转管与分配盘上出料管口产生间隙而漏气，

影响输送效果。 该工船投饲分配器采用气动控制

设计，详细结构如图 ３ 所示。 驱动组件包括气缸、

出料口光电开关和气缸位置开关，气缸采用一组

水平导向气缸和一组竖直导向气缸组合，导向气

缸是将与活塞杆平行的两根导杆与气缸组成一

体，防止发生回转损坏气缸，结构紧凑，能承受较

大的横向负载和力矩［２２⁃２３］

。

图 ３ 投饲分配器结构

Ｆｉｇ．３ Ｆｅｅｄｉｎｇ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

进料管固定连接在箱体前侧，多根出料管固

定连接于箱体另一侧，溜管连通进料管的一端和

出料管的一端。 选择出料口时，水平导向气缸伸

出，到位后竖直导向气缸活塞杆推出，活塞杆末端

拨片接触转盘上的销柱后，水平导向气缸缩回，通

过转盘上的销柱拨动转盘转动，进而带动溜管转

动与出料管依次连接。 每个工位分配器均有 ４ 个

通道，分配器内部 ４ 个通道均有 ４ 只光电开关一

一对应，４ 只接近开关代表 ４ 个通道位置。 由于

水平导向气缸行程固定，导向精度高，通过出料管

口接近开关和气缸上位置开关控制，溜管和转盘

可以准确转动到指定出料管口，保证气密封良好，

输送可靠。 按下对应工位的启动按钮，分配器开

始动作，分配器停止情况分为两种：人工干预按下

对应工位的停止按钮；分配器通道到达预设位置，

自动停止。

２．２ 回转撒料装置设计

撒料装置是投饲系统的终端输出部分，由于

养殖舱面积较大，养殖密度高，投喂尽量提高鱼类

摄食效率［２４］

。 撒料装置采用半回转结构设计，由

驱动电机、曲柄、回转支撑、出料管、撒料管以及支

架组成。 支架固定于养殖舱内走道平台一侧，方

便安装和维护，如图 ４ 所示。

图 ４ 投饲撒料装置结构

Ｆｉｇ．４ Ｆｅｅｄ ｓｐｒｅａｄｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

系统投饲时，颗粒饲料在气力作用下经输送

管进入出料管，驱动电机输出轴通过曲柄结构带

动上面的撒料管往复摆动，摆动角度为 １２０°，将

颗粒饲料均匀喷洒在养殖舱内，喷洒面积类似于

扇形分布。 采用一定角度的喷洒可以使撒料尽量

分散，扩大鱼类摄食空间，同时饲料又不抛洒出养

殖舱范围，撒料装置现场样机如图 ５ 所示。 撒料

装置减速机驱动输入转速 １ ３５０ ｒ／ ｍｉｎ，减速比

１０５ ∶ １，输出转速 １２．８ ｒ／ ｍｉｎ，输出扭矩 ８７ Ｎ·ｍ。

５６

第 ５ 期 王志勇等：深远海养殖工船投饲系统设计

图 ５ 撒料装置样机

Ｆｉｇ．５ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｏｆ ｓｐｒｅａｄｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ

３ 投饲控制系统设计

３．１ 系统构成

投饲系统控制核心基于总线技术构建，控制

系统主要由中央控制柜、变频下料电机、送风风

机、投喂管道工况监视系统（管压、风温）、分配器

电机等组成。 中央控制柜是投饲机系统控制核

心，主要完成 ４ 套投饲系统的投速设定、投喂控制

及投喂管道风温及管压工况监视等。 投喂数据管

理及远程控制信号交联也由柜中工控机及其软件

系统实现［２５⁃２８］

。

３．２ 系统主要功能

投饲系统软件应用 ＭＣＧＳ 组态软件设计，运

行效率高、界面友好高效。 软件功能除设计了投

喂操控及工况监视界面模块外，还设计了投喂数

据记录、报表出具、数据管理等功能模块，旨在为

投饲作业报告及追溯、投饲汇总等提供基本记录

查询汇总功能，为渔业精细饲养评估评价提供数

据支撑。

系统设有“远程控制”和“机侧控制”，控制柜

机旁操作有两种方式，一种是通过按钮操作，一种

是通过触摸屏操作进入参数设置界面。 选择所有

投饲系统及相应舱号，并根据实际需要进行投饲

参数（投饲量、投喂速度、饲料容重）设置，设置完

成后，点击相应“开始投饲” 按钮，投饲机按照设

定参数自动运行，直到所有养殖舱按照设定投饲

完毕，投饲系统参数设置界面如图 ６ 所示。

图 ６ 养殖工船投饲系统操作界面

Ｆｉｇ．６ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｓｈｉｐ

５７

渔 业 现 代 化 ２０２２ 年

系统主要功能如下：

投饲操作：根据养殖需要，选择目标养殖舱，

设置投饲量，完成饲料的风送和投喂操作。

投喂速度设定：对于不同饲料及投喂模式需

要，通过下料电机变频调速，设定下料器不同转

速，可以控制投饲下料速度。

工控监视：通过压力传感器和温度传感器，实

时监测风机出口压力和送风温度数据，压力过大

时控制下料速度，保证投饲系统输送安全。

数据记录及报表：记录当前投喂重量、投喂时

间，投喂作业报告出具。

历史数据：历史投喂数据检索、汇总及查看。

远程控制：集控室远程投喂作业及投饲系统

基本运行参数监视。

４ 系统试验及分析

工船投饲系统根据养殖舱结构特点采用集中

式布置，每个养殖舱输送距离不同，其输送距离最

大长度为 ８５ ｍ，输送管内径 ϕ８０ ｍｍ，投饲系统样

机如图 ７ 所示。

图 ７ 工船投饲系统样机

Ｆｉｇ．７ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｏｆ ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ

试验采用 ８ ｍｍ 圆形鱼用颗粒饲料，下料器

采用变频式容积控制，容积为 ５．０ Ｌ ／ ｒ，初始试验

时系统设置下料速度恒定，下料转速为 １７ ｒ／ ｍｉｎ。

气源采用罗茨风机，在风压变化较大时风量变化

较小，风机出口风量基本恒定，而压力会根据输送

距离和下料速度不同而变化。 系统在风机出口设

置压力传感器，压力报警值设定为 ４６ ｋＰａ，当风机

出口压力超过设定值时，控制系统调节下料电机

减速，减少下料，防止管道堵塞，直至压力恢复正

常范围，当出口压力长时间处于高值时，需要停机

检查。

试验结果如表 ２ 所示，该自动投饲系统平均

投饲量为 ２ ４００ ｋｇ ／ ｈ，抛料距离为 ６～ １６ ｍ。 根据

试验结果，当输送风量恒定时，随着输送距离增

加，其末端抛料距离减小，风机出口压力也随输送

距离增大而增大。 由于养殖舱投饲范围有限，撒

料装置与舱壁最小距离为 １０ ｍ，为保证抛料距离

适合养殖舱规格，减少饲料浪费，在舱 １、舱 ２ 近

距离输送时系统自动控制开启风机旁通阀，通过

控制阀口开度大小，调整风机输出风量。 调节风

量后，舱 １、舱 ２ 抛料距离分别为 ９ ｍ 和 ７．５ ｍ，撒

料往复摆动，能在水面 １２０°范围内扇形抛撒，此

时，撒料口出料连续，风机出口压力保持基本恒

定，撒料均匀正常。

表 ２ 投饲系统测试结果

Ｔａｂ．２ Ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ

工况 舱号

投饲

量／ ｋｇ

投饲时

间／ ｓ

输送距

离／ ｍ

抛料距

离／ ｍ

管道压

力／ ｋＰａ

风机

恒流量

舱 １ ４０ ６０ ２０ １６．０ ５．１

舱 ２ ４０ ６０ ３６ １１．０ ８．５

舱 ３ ４０ ６０ ６０ ８．０ １０．９

舱 ４ ４０ ６０ ８５ ６．０ １２．１

风机

变流量

舱 １ ４０ ６０ ２０ ９．０ ４．８

舱 ２ ４０ ６０ ３６ ７．５ ８．０

该投饲系统设计输送量为 ２ ０００ ｋｇ ／ ｈ 以上，

试验结果表明系统输送量和输送距离能够满足设

计要求。 在设计气力输送装置时，主要通过输送

量、混合比、输送用空气量及阻力损失的设计和计

算，从而确定气源装置的压力和流量以及电动机

功率。 该工船投饲系统输送量不变情况下，需要

满足不同距离的饲料输送，由于管道越长阻力越

大，出口抛料距离越小，需要调节风量来控制抛料

距离，系统通过风机出口旁通阀开启大小调节风

量，相比通过风机电机变频调速来控制风量更简

便和节省成本。 气力输送是一项综合性技术，设

计时需要综合考虑各种参数，在满足输送量要求

前提下，要求安全性和实用性，在此基础上充分发

挥气力输送的优点，以利于提高生产效率［２９⁃３０］

。

５８

第 ５ 期 王志勇等：深远海养殖工船投饲系统设计

５ 结论

深远海养殖工船投饲系统通过气动分配器进

行多支路选择控制，导向气缸精准定位，输送末端

出料管往复摆动，实现多养殖水舱独立投喂，撒料

面积均匀；投饲系统采用 ＰＬＣ 结合传感器进行投

喂控制，人机界面操作，实时监测输送管道压力，

当压力超出预警值时，系统通过变频电机控制下

料速度，调节风机出口风量，保证合理撒料距离，

满足养殖舱鱼类摄食空间。

深远海养殖工船自动投饲系统针对大型养殖

设施特点，通过集中供料、自动投喂、智能监测、跟

踪记录，基本满足工船养殖模式投喂需求，保障深

远海鱼类养殖的安全性。 该工船投饲系统虽然实

现了投喂的自动化，但在智能化程度上有所欠缺，

需要与水质参数包括温度、ｐＨ 和溶氧等关键监测

数据结合起来，智能控制舱养投饲，总结养殖鱼类

的适合投喂数据，以提高深远海大型设施养殖投

喂科学化管理，实现工业化高效养殖。 □

参考文献

［１］ 徐皓，谌志新，蔡计强，等．我国深远海养殖工程装备发展研

究［Ｊ］．渔业现代化，２０１６，４３（３）：１⁃６．

［２］ 麦康森，徐皓，薛长湖，等．开拓我国深远海养殖新空间的战

略研究［Ｊ］．中国工程科学，２０１６，１８（３）：９０⁃９５．

［３］ 潘滢．我国深远海养殖装备发展及设计要求［ Ｊ］．船舶工船，

２０２１，４３（４）：２４⁃３０．

［４］ 徐杰，韩立民，张莹．我国深远海养殖的产业特征及其政策支

持［Ｊ］．中国渔业经济，２０２１，３９（１）：９８⁃１０７．

［５］ 闫国琦，倪小辉，莫嘉嗣．深远海养殖装备技术研究现状与发

展趋势［Ｊ］．连海洋大学学报，２０１８，３３（１）：１２３⁃１２９．

［６］ 黄一心，徐皓，丁建乐．我国离岸水产养殖设施装备发展研究

［Ｊ］．渔业现代化，２０１６，４３（２）：７６⁃８１．

［７］ 左渠，田云臣，马国强．水产养殖智能投饲系统研究进展和存

在问题［Ｊ］．天津农学院学报，２０２０，２７（４）：７３⁃７７．

［８］ 纠手才，张效莉．海水养殖智能投饵装备研究进展［ Ｊ］．海洋

开发与管理，２０１８，３５（１）：２１⁃２７．

［９］ ＰＡＰＡＮＤＲＯＵＬＡＫＩＳ Ｎ，ＤＩＭＩＴＲＩＳ Ｐ，ＰＡＳＣＡＬ Ｄ．Ａｎ ａｕｔｏｍａｔｅｄ

ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｉｎｔｅｎｓｉｖｅ ｈａｔｃｈｅｒｉｅｓ ［ Ｊ ］． Ａｑｕａｃｕｌｔｕｒａｌ

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００２，２６（１）：１３ ⁃２６．

［１０］ ＣＨＡＮＧ Ｃ Ｍ， ＦＡＮＧ Ｗ， ＪＡＯ Ｒ Ｃ， ｅｔ ａｌ． Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｎ

ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｆｅｅｄｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｆｏｒ ｉｎｄｏｏｒ ｉｎｔｅｎｓｉｖｅ ｃｕｌｔｕｒｉｎｇ ｏｆ ｅｅｌ

［Ｊ］．Ａｑｕａｃｕｌｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００５，３２：３４３⁃３５３．

［１１］蔡计强，张宇雷，李建宇，等．１０ 万吨级深远海养殖平台总体

技术研究［Ｊ］．船舶工程，２０１７（增刊 １）：１９８⁃２０３．

［１２］崔铭超，金娇辉，黄温赟．养殖工船系统构建与总体技术探讨

［Ｊ］．渔业现代化，２０１９，４６（２）：６１⁃６６．

［１３］庄保陆，郭根喜，王良运．远程气力输送自动投饵系统分配器

设计初步研究［Ｊ］．海洋水产研究，２００８，２９（６）：１３３⁃１４１．

［１４］郭根喜，庄保陆，王良运，等．基于 ＰＬＣ 的远程气力输送自动

投饵控制系统的设计与实现［ Ｊ］． 南方水产，２００８，４ （ ６）：

７⁃１６．

［１５］ＫＥＶＩＮ Ｄ Ｐ，ＲＡＹＡＮＮ Ｊ Ｐ．Ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ａ ｍａｃｈｉｎｅ⁃ ｖｉｓｉｏｎ ｐｅｌｌｅｔ

ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ［ Ｊ ］． Ａｑｕａｃｕｌｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２００３， ２９：

１０９⁃１２３．

［１６］林礼群，王志勇．工船养殖颗粒饲料气力输送系统参数优化

［Ｊ］．船舶工程，２０２０，４２（增刊 ２）：５１⁃５５．

［１７］邓素芳，杨有泉，陈敏．全自动饵料精量投喂装置的研究［ Ｊ］．

农机化研究，２０１０，３２（１１）：１０３⁃１０５．

［１８］刘志强．海上网箱养殖自动投饵器的研制［Ｄ］．泰安：山东农

业大学，２０１６．

［１９］王兴春．软颗粒饲料与鲜杂鱼糜对大黄鱼养殖水质的影响

［Ｊ］．水产科学，２０１４，３３（１０）：６３５⁃６３８．

［２０］丁雪燕，何中央，何丰，等．大黄鱼膨化和湿软饲料的饲喂效

果［Ｊ］．宁波大学学报：理工版，２００６，１９（１）：４９⁃５３．

［２１］关燕云，胡兵，艾春香，等．大黄鱼配合饲料研发与投喂技术

策略［Ｊ］．饲料工业，２０１４，３５（２２ ）：２７⁃３２．

［２２］王志勇，谌志新，江涛．集中式自动投饵系统的研制［ Ｊ］．渔业

现代化，２０１１，３８（１）：４６⁃４９．

［２３］王锟，潘洪利，刘宗明．浓相气力输送分支管道分流特性的数

值模拟［ Ｊ］． 济南大学学报（ 自然科学版）， ２０１３，２７ （ ３）：

３０３⁃３０８．

［２４］ＯＥＨＭＥＡ Ｍ， ＡＡＳＴ Ｓ， ＳØＲＥＮＳＥＮ Ｍ， ｅｔ ａｌ． Ｆｅｅｄ ｐｅｌｌｅｔ

ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｓｅａ ｃａｇｅ ｕｓｉｎｇ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ

ｒｏｔｏｒ ｓｐｒｅａｄｅｒ ［ Ｊ］． Ａｑｕａｃｕｌｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２０１２， ５１ （ １ ）：

４４⁃５２．

［２５］张惠娣，汪昌固，王贤成．基于无线通信和 ＰＬＣ 的网箱自动投

饵系统设计［Ｊ］．控制工程，２０１４，２１（４）：５２０⁃５２３．

［２６］肖忠，张新建，莫洪林．程控投饵机自动控制系统设计［ Ｊ］．农

机化研究，２００７（１２）：７９⁃８１．

［２７］王永华．现代电气控制及 ＰＬＣ 应用技术［Ｍ］．北京：北京航空

航天大学出版社，２００３．

［２８］韩世成，曹广斌，陈中祥，等．水产养殖投饵控制系统的设计

与研究［Ｊ］．水产学杂志，２００９，２２（４）：４６⁃４８．

［２９］曹守启，陈英才，刘雨青，等．养殖业饵料输送自动化过程设

计仿真［Ｊ］．计算机仿真，２０１７，３４（５）：２４７⁃２５２．

［３０］李丹阳，刘姝，王晓宁．颗粒粒径对气力输送影响的数值模拟

与分析［Ｊ］．中国粉体技术，２０１５，２１（６）：８⁃１１．

５９

渔 业 现 代 化 ２０２２ 年

Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｏｆｆ⁃ｓｈｏｒｅ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｓｈｉｐ

ＷＡＮＧ Ｚｈｉｙｏｎｇ

１，２

，ＺＯＵ Ｈａｉｓｈｅｎｇ

１

，ＺＨＡＮＧ Ｙａｏｍｉｎｇ

１

，ＸＵ Ｚｈｉｑｉａｎｇ

１

（１ Ｆｉｓｈｅｒｙ Ｍａcｈｉｎｅｒｙ ａｎｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｒｅｓｅａｒcｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａcａｄｅｍｙ ｏｆ Ｆｉｓｈｅｒｙ Ｓcｉｅｎcｅ，Ｓｈａｎgｈａｉ ２０００９２，Ｃｈｉｎａ；

２ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｏcｅａｎ Ｆｉｓｈｉｎg Ｖｅｓｓｅｌ ａｎｄ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ａgｒｉcｕｌｔｕｒｅ ａｎｄ Ｒｕｒａｌ Ａｆｆａｉｒｓ，

Ｓｈａｎgｈａｉ ２０００９２，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ⁃ｓｃａｌｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｍａｒｉｎｅ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ，ａ ｒｅｍｏｔｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ

ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ ａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ

ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ａ ｆｅｅｄｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ，ｆｅｅｄ ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ ａｎｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ，ｓｐｒｅａｄｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ，ａｎｄ

ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｅｖｉｃｅ． Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｉｓ ８０ ｍｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ

ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｉｓ ８５ ｍ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｔａｋｅｓ ｔｈｅ ｔｏｕｃｈ ｓｃｒｅｅｎ ａｓ ｔｈｅ ｍａｎ⁃ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ａｎｄ ＰＬＣ ａｓ ｔｈｅ

ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｒｅ ｔｏ ａｄｊｕｓｔ ｔｈｅ ｆｅｅｄｉｎｇ ｒａｔｅ ａｎｄ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｉｎ ｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｅｅｄｉｎｇ ｎｅｅｄｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ

ｏｆ ｔｈｅ ｓｅａ ｔｒｉａｌ ｔｅｓｔ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｆｅｅｄｉｎｇ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒａｆｔ

ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｍｏｄｅ．Ｔｈｅ ｆｅｅｄｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｓ ０⁃４０ ｋｇ ／ ｍｉｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｅｅｄｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｉｓ ６⁃９ ｍ．Ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｐｒｏｖｉｄｅｓ

ａ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｏｆｆ⁃ｓｈｏｒｅ ｓｈｉｐ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｏｆｆ⁃ｓｈｏｒｅ； ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｓｈｉｐ； ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ； ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ； ａｕｔｏ⁃ ｃｏｎｔｒｏｌ

６０

第 ４９ 卷第 ５ 期 渔 业 现 代 化 Ｖｏｌ．４９ Ｎｏ．５

２０２２ 年 １０ 月 ＦＩＳＨＥＲＹ ＭＯＤＥＲＮＩＺＡＴＩＯＮ Ｏｃｔ．２０２２

ＤＯＩ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１００７⁃９５８０．２０２２．０５．００９

收稿日期：２０２２⁃０８⁃２６

基金项目：中国船舶集团有限公司第七一一研究所发展基金项目（Ｚ２０２１ＳＦＣ⁃０７ ／ ＤＺ）

作者简介：黄建伟（１９９２—），男，硕士，工程师，研究方向为智能化渔业设备、循环水养殖系统，Ｅ⁃ｍａｉｌ：１９０４１０６４４５＠ ｑｑ．ｃｏｍ

深远海养殖自动投饲系统仿真分析与试验验证

黄建伟１，２

，骆 意１，２

，魏树辉１，２

，陈铭治３

，朱端祥１

，刘亮清１，２

（１ 中国船舶集团有限公司第七一一研究所，上海，２０００９０；

２ 船舶与海洋工程特种装备和动力系统国家工程研究中心，上海，２０００９０；

３ 上海海事大学商船学院，上海，２０１３０６）

摘要：为解决深远海养殖颗粒饲料长距离管道输送易产生的管道堵塞、饲料破碎问题，对研制的自动投饲系

统进行验证。 基于计算流体力学和离散单元法耦合方法（ＣＦＤ⁃ＤＥＭ），开展饲料运动状态、料气混合比、管路

压降、管路堵塞与饲料碰撞情况分析，结合试验验证以考核仿真精度。 结果显示，颗粒饲料进入管道后受气

流拖拽力作用将被加速，颗粒饲料全局平均速度为 ８．５ ｍ／ ｓ。 下料口、弯管等处料气混合比高，压力损失大，

饲料与饲料、管壁之间碰撞频繁，易导致饲料破碎、管路堵塞。 经试验验证，流体仿真精度可达 ９４．４％，可用

于指导系统设计。 自动投饲系统饲料破碎率 ０．４０％，计量误差小于 １．３％，吨料能耗 ３．１１ ～ ６．４０ ｋＷ·ｈ，具有

输料能耗低、不易堵塞、饲料破碎率低、计量精准的优点，适用于深远海养殖的应用场景。

关键词：自动投饲系统；气力输送；颗粒饲料；ＣＦＤ⁃ＤＥＭ；养殖工船；深海网箱

中图分类号：Ｓ９６９．３１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００７⁃９５８０（２０２２）０５⁃００６８⁃００８

国内外相对成熟的深远海养殖装备包括深海

网箱、养殖工船等［１⁃２］

，自动投饲系统作为核心养

殖设备，其性能与自动化程度深刻影响到养殖效

益、人工劳动强度，是深远海智能化与自动化养殖

的重要组成部分［３⁃４］

。 深远海养殖装备上，颗粒

饲料自料仓至投喂点的输送距离在 １００ ｍ 以上，

如挪威 ＡＫＶＡ 的 ＣＣＳ９０ 系统最大投喂距离可达

８００ ｍ

［５⁃６］

。 自动投饲系统的输送管道需根据养

殖装备的结构进行布置，容易因系统设计不合理

出现管道堵塞、饲料破损的情况，造成系统故障与

饲料破碎［７⁃８］

。 国内现有鱼类投饲机多针对池塘

或陆基养殖车间开发，投喂距离短、结构简单，无

法满足养殖工船、深海网箱的应用要求。

为研究颗粒在管道内的运动过程，众多学

者［９⁃１１］基于气固两相流建立了许多分析方法，计

算流体力学和离散单元法的 耦 合 方 法 （ ＣＦＤ⁃

ＤＥＭ）因可分析颗粒与气流之间的相互作用，颗

粒与其他物体之间的接触情况， 被广泛采用。

Ｔｕｒｉｄｓｙｎｎøｖｅ 等［１２］研究了 ３ 种三文鱼颗粒饲料在

不同风速及进料速率下的颗粒破碎情况，发现在

高风速和低进料速率下，颗粒破碎率最高。 胡昱

等［１３］针对深水网箱用自动投饵系统颗粒饲料输

送易阻塞、易破损的情况，借助 ＣＦＤ⁃ＤＥＭ 模拟分

析了颗粒饲料初始加速阶段到稳定阶段的运动状

态，并将结果用于优化下料口管路结构。 总体而

言，国内外深远海投饲系统多借助流体仿真优化

局部关键管路结构，使用流体仿真对投饲系统全

局进行仿真分析的研究较少。

本研究针对养殖工船、深海网箱等装备鱼类

饲料长距离自动投喂需求，开展基于气力输送原

理的自动投饲系统性能验证，使用 ＣＦＤ⁃ＤＥＭ 方

法分析颗粒饲料在 １００ ｍ 管道气力输送过程中下

料口、弯管等处饲料堵塞、运动轨迹及饲料碰撞的

情况，并通过试验样机对性能进行验证，以确保研

制的自动投饲系统不易堵塞、饲料破碎率低，满足

深远海养殖的使用要求。

１ 系统设计与研究方法

１．１ 系统设计

本研究研制的自动投饲系统由罗茨风机、空气

冷却器、监测组件、下料装置、投料选择器、旋转布

第 ５ 期 黄建伟等：深远海养殖自动投饲系统仿真分析与试验验证

料器等组成。 罗茨风机产生饲料输送气源，空气冷

却器用于输送气流冷却，监测组件用于管道参数监

测，下料装置用于饲料计量、气料混合，投料选择器

用于管路切换，旋转布料器实现饲料布料。

罗茨

风机

监测

组件

下料

装置

观察

窗口

空气

冷却器

旋转

布料器

投料

选择器

图 １ 自动投饲系统组成

Ｆｉｇ．１ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ

参考相关学者［１４⁃１６］ 对稀相气力输送系统的

设计过程，自动投饲系统设计的关键在于确定饲

料输送量、混合比、输送风量、输送管径、管路压损

等参数，并形成管路布置及设备选型方案。

混合比 ｍ 为输送气体中输送物料的质量浓

度，公式如下：

ｍ ＝ Ｇｓ

／ Ｇ０ （１）

式中：ｍ 为混合比， ｋｇ ／ ｋｇ；Ｇｓ 为饲料质量流量，

ｋｇ ／ ｈ；Ｇ０ 为气体质量流量，ｋｇ ／ ｈ。

输送 风 量 Ｑ０ 为 常 温 常 压 （ ２０℃ ， １０１． ３２５

ｋＰａ）输送饲料所需的有效风量，公式如下：

Ｑ０

＝

Ｇｓ

ｍρ０

（２）

式中：Ｑ０ 为常温常压下有效风量，ｍ

３

／ ｈ；ρ０ 为常

温常压下气体密度，空气为 １．２０ ｋｇ ／ ｍ

３

。

根据 Ｑ０ 以及气流速度 ｖａ ，可计算得到输送管道内

径，公式如下：

Ｄ ＝

４Ｑ０

３６００πｖａ

（３）

式中：Ｄ 为管道内径，ｍ；ｖａ 为气体流速，ｍ ／ ｓ。

本研 究 设 计 的 系 统 饲 料 输 送 量 Ｇｓ 为

５００ ｋｇ ／ ｈ，参考均匀粒状气压输送过程中“ ｖａ

＝

１６～２５ ｍ ／ ｓ，ｍ ＝ ２～４”的设计经验值［１７］

，选定 ｍ ＝

２. ５３，ｖａ

＝ ２０ ｍ ／ ｓ（１０１．３２５ ｋＰａ），根据式（１） ～ （３）

计算得到输送风量 Ｑ０ 为 １６５ ｍ

３

／ ｈ，管道内径 Ｄ

为 ５４ ｍｍ，系统管路压损由流体仿真得出。 试验时

选择风量范围 １００～２３０ ｍ

３

／ ｈ、最大升压 ５０ ｋＰａ 的

变频罗茨风机，各设备之间的连接使用 ＨＤＰＥ 管道

（外径 ６３ ｍｍ，内径 ５４ ｍｍ，耐压 ０．８ ＭＰａ）。

结合林礼群等［８］

、庄保陆［６］ 的研究成果，本

研究设计了系统下料口、投料选择器管的路结构。

下料口为逐步收缩结构，饲料进入管路后在此处

与高速气流相互作用被加速与气流一起前进，避

免饲料下落后在此处堆积。 投料选择器为 Ｓ 型弯

管结构，可在机电结构作用下转动，对接在不同出

口，实现一套投饲系统对深海养殖装备多个养殖

水体的依次投喂。 系统设计时对下料口的长度、

收缩角，投料选择器的曲率半径以及角度结合局

部流体仿真做了专门设计，以满足深远海养殖的

实用需求，优化设计完成后的具体管路结构如

图 ２所示。

图 ２ 下料口（左）与投料选择器（右）管路结构

Ｆｉｇ．２ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｆｅｅｄ ｉｎｌｅｔ（ｌｅｆｔ） ａｎｄ ｆｅｅｄ ｓｅｌｅｃｔｏｒｓ ｖａｌｖｅ（ｒｉｇｈｔ）

本研究开展的仿真分析与样机试验，主要为

获取颗粒饲料在优化设计后的系统管路中的运动

规律、全局压降并验证系统性能。

１．２ 试验材料

本研究使用的仪表包括涡街流量计（３５ ～ ３５０

ｍ

３

／ ｈ，精度±１．５％Ｒ），压力传感器（０～ １００ ｋＰａ，精

度±０．５％ＦＳ），标准筛（１０ 目、１２ 目），卷尺（１０ ｍ，

精度 １ ｍｍ），电子秤（０～１００ ｋｇ，精度 １ｇ），智能电

测表（ＰＺ９６Ｌ⁃Ｅ４ ／ Ｍ）。 使用某品牌大黄鱼饲料开

展研究，根据通用方法［６，１８］ 测定了饲料的真实密

６９

渔 业 现 代 化 ２０２２ 年

度、平均粒径、平均高度等参数。

１．３ 仿真方法

采用 ＳＴＡＲ⁃ＣＣＭ ＋ （ ｖ１４． ０６． ０１２） 软件，基于

ＣＦＤ⁃ＤＥＭ 方法开展流场仿真，针对气（连续相）、

固（离散相）两相开展计算。 连续相通过求解 ｋ⁃ε

的瞬态 ＲＡＮＳ（雷诺⁃平均 ＮＳ 方程）确立动量守恒

方程，并求解质量守恒方程，采用恒密度状态方

程，将流域划分为网格，在网格处以积分形式的

Ｎ⁃Ｓ 和连续性方程求解连续相。 整体流域计算为

隐式非定常计算， 求解为二阶精度离散， 使用

ＡＭＧ 线性求解器。

［１９⁃２２］

１．４ 试验方法

保持管路布局、系统参数与仿真一致，根据投

饲系统行业标准［２３］

、邵恺怿等［２４］ 的相关方法，开

展 ５００ ｋｇ ／ ｈ 下料速度的样机试验，以验证仿真精

度；随后开展 １ ０００、１ ５００ ｋｇ ／ ｈ 下料速度的样机

试验，以验证系统性能，获得管路流量、压力、用电

功率、饲料破碎率、计量误差等系统参数。

２ 流场仿真及结果

２．１ 几何模型

深远海鱼类养殖饲料种类众多，密度、尺寸各

不相同，输送过程中可能因为过低的气流速度导

致管路颗粒堵塞堆积，或者过高的气流速度导致

颗粒破碎加剧、管路压降增大、管道磨损［２２，２５］

。

多球面饲料离散元模型如图 ３ 所示。

图 ３ 多球面饲料离散元模型

Ｆｉｇ．３ Ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｍｕｌｔｉ ｓｐｈｅｒｅ ｆｅｅｄ

本研究所用饲料接近于直径 ９．６０ ｍｍ，高度

６．２０ ｍｍ 的圆柱体，使用 ｐａｒｔｉｃｌｅ 工具创建饲料颗

粒离散元模型，采用 ８ 个直径为 ４．８０ ｍｍ 的球体

聚合成形成，离散元模型构建同胡昱等［１３］ 的相关

研究。 仿真模型中饲料的物料属性及饲料与管道

内壁的接触参数如表 １ 所示。

表 １ ＣＦＤ⁃ＤＥＭ 模型中物料属性与接触参数

Ｔａｂ．１ Ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｃｏｎｔａｃｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ＣＦＤ⁃ＤＥＭ

参数 数值

入口空气流率 按表 ２ 随压力变化

饲料密度 ６００ ｋｇ ／ ｍ

３

平均下料速率 ５００ ｋｇ ／ ｈ

饲料杨氏模量 １．８Ｅ８ Ｐａ

饲料泊松比 ０．４

管壁杨氏模量 ７Ｅ１０ Ｐａ

管壁泊松比 ０．３

粒子间滚动摩擦阻力系数 ０．０１５

粒子与管壁间滚动摩擦阻力系数 ０．０１

为提高计算速度，简化系统建立几何模型，下

料口、投料选择器及旋转布料器仅建立管道部分模

型。 管路总长度约 １００ ｍ，内径为 ５４ ｍｍ。 其中：气

流入口经下料口至投料选择器入口长度为 ６．５ ｍ，

投料选择器 Ｓ 型管路长度为 １．４０ ｍ（具体见图 ２），

投料选择器出口至布料器入口处的管路长度为 ９１．

１０ ｍ，自动投饲系统管路结构如图 ４ 所示。

零压出口

管壁:无滑移壁面

饲料粒子喷射器

气流速度入口

图 ４ 自动投饲系统管路结构

Ｆｉｇ．４ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ

２．２ 流场计算域与网格划分

流场计算域中，在下料器处设置饲料喷射器，

管壁设置为无滑移壁面，出口处设置为零压出口。

对于饲料颗粒选择离散元方法，开启双相耦合，并

选择大颗粒平滑。 使用切割体和棱柱层网格生成

器进行网格划分，共划分了 ６ １５０ ２３３ 个网格。 罗

茨风机压力与质量流率关系如表 ２ 所示。 颗粒饲

料瞬时质量流率如图 ５ 所示。

表 ２ 罗茨风机压力与质量流率关系

Ｔａｂ．２ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｍａｓｓ ｆｌｏｗ

ｒａｔｅｏｆ ｒｏｔｓ ｂｌｏｗｅｒ

出口压力／ ｋＰａ 流率／ （ｍ

３

／ ｍｉｎ）

９．８ ４．１７６ ９

２４．５ ３．５７６ ９

３４．３ ３．２９２ ３

４４．１ ３．１３８ ４

７０

第 ５ 期 黄建伟等：深远海养殖自动投饲系统仿真分析与试验验证

图 ５ 颗粒饲料瞬时质量流率

Ｆｉｇ．５ Ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ ｍａｓｓ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｏｆ ｐｅｌｌｅｔ ｆｅｅｄ

罗茨风机的压力与输送风量根据风机特性设

置，压降点之间的数值采用线性插值获取。 采用

梯形设置方法设置饲料下料速率，平均流率为

５００ ｋｇ ／ ｈ，风机启动 ３ｓ 后开始进入下料阶段。

２．３ 仿真结果分析

２．３．１ 饲料加速过程分析

仿真的气流压降、粒子平均速度稳定，并且残

差曲线收敛到平稳状态后，认为流场仿真处于相

对稳定状态，本研究后续分析均选择稳定状态数

据。 饲料进入管道后与输送气流混合，因饲料占

据了下料口部分空间，导致气流在此处被局部加

速，产生比入口更高的气流速度（此时入口处平

均流速 ２３．６６ ｍ ／ ｓ）；由于气⁃固两相之间存在着较

大速度差，气流对饲料产生拖拽力，使得饲料不断

被加速，加速过程中气、固两相不断进行动量和能

量交换［２６］

。 颗粒饲料管路加速过程分析如图 ６

所示。

图 ６ 颗粒饲料管路加速过程分析

Ｆｉｇ．６ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｐｅｌｌｅｔ ｆｅｅｄ ｉｎ ｐｉｐｅｌｉｎｅ

在距离下料口 ８ ｍ 处（Ｘ 方向），大部分饲料

被加速到 ８．５ ｍ ／ ｓ 左右（全局平均流速），自下料

口与投料选择器处的管段内均未发生堵塞现象。

但是，管路中也存在着成团输送的情况，主要原因

在于部分饲料速度较慢，被后端速度较快的饲料

追赶上导致的，该现象也出现在黄杨清［１８］ 的试验

结果中。

２．３．２ 管路饲料混合比分析

以投料选择器出口为原点，选取 ４ 个长度为

１．０ ｍ 的统计段。 在 Ｘ 方向上，第一个统计段距

离原点 ３．５ ｍ，第二、三、四个统计段距离原点均为

６．０ ｍ。 混合比管路统计段位置如图 ７ 所示。

第三个统计管段

第四个统计管段

第一个统计管段 第二个统计管段

原点

图 ７ 混合比管路统计段位置

Ｆｉｇ．７ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｘｔｕｒｅ ｒａｔｉｏ

７１

渔 业 现 代 化 ２０２２ 年

根据每个管段中饲料与气体质量计算统计段

混合比，分析时段的统计时间为气流进入管路开

始 ２６．３４５ ６ ～ ２６．６９５ ５ ｓ，管路统计段位置的饲料

混合比如图 ８ 所示。

图 ８ 管路统计段位置的饲料混合比

Ｆｉｇ．８ Ｆｅｅｄ ｍｉｘｔｕｒｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ｓｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｐｉｐｅｌｉｎｅ

在第一个统计管段，混合比范围为 ３０ ～ ４０ 之

间，此处距离下料口近，饲料集中进入且速度缓

慢，形成整体前进的状态，因此管路混合比明显大

于后续统计管段。

［１３］

在第二个统计管段及后续管段中，大部分饲

料被加速到 ８．５ ｍ ／ ｓ 左右，在颗粒间的碰撞、颗粒

与颗粒之间的碰撞、场内旋涡等作用下，饲料在管

路中处于较为分散的状态，统计管段的混合比随

着距离增长，较前一管段呈现下降趋势。 由于梯

形下料的设置，且管路中存在着部分饲料成团输

送的情况，因此混合比随时间变化存在一定的

波动。

２．３．３ 管路压降分析

在 Ｇｓ

＝ ５００ ｋｇ ／ ｈ，Ｑ０

＝ １６５ ｍ

３

／ ｈ 的工况下，分

别在下料口、投料选择器、投料选择器后直管段

（长度设置为 １ ｍ）、第 １、４ 个管路弯管、旋转布料

器的进、出口等处设置统计截面，在 ２６．３４５ ６ ｓ ～

２６．６９５ ５ ｓ 时间段内，根据该时段内进、出口压力

平均值的差值得到全局与局部压降。

１００ ｍ 气力输送管路全局压降为１８ ｋＰａ，其

中下料口、投料选择器等处的单位长度压降明显

大于其他位置，弯管的单位压降大于直管段。 下

料口处，饲料进入管路占据了部分管路体积，输送

气流在此被局部加速，因为气、固相之间存在较大

速度差，气流不断对颗粒饲料做功，因此下料口处

单位压降大。 投料选择器处，饲料群仍处于加速

过程，气、固两相经过该段管路与管壁存在较多碰

撞，且存在着克服颗粒群重力势能提升的过程，因

此单位压降比水平弯管高［１１］

。 气力输送过程压

降统计如表 ３ 所示。

表 ３ 气力输送过程压降统计

Ｔａｂ．３ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｒｏｐ ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ｉｎ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ

项目 长度／ ｍ 压降／ Ｐａ 单位压降／ （Ｐａ ／ ｍ）

全局 １００ １８ ０００ １８０

下料口 ０．３６ ４２１ １ １６９

投料选择器 １．４２ １ １２９ ７９５

直管段 １ １１０ １１０

第 １ 个弯管 ２．３６ ５４０ ２２９

第 ４ 个弯管 ２．３６ ３６０ １５３

旋转布料器 １．８０ ５００ ２７８

２．３．４ 管路堵塞与饲料碰撞分析

从饲料进入管路至离开旋转布料器，饲料在

管路中的最大停留时间为 １２．１ ｓ，说明管路中未

出现堵塞、堆积的情况，输送管路设计较为合理。

在全局流场仿真中，稳定状态下管道中的饲

料总数约 １１ ０００ 个，与管壁、饲料颗粒之间存在

碰撞的饲料总数约 ３ ０００ 个，占比 ２７．３％，根据统

计结果碰撞主要发生在下料口、投料选择器、弯

管、旋转布料器等处，这是因为在饲料加速、输送

方向转变时碰撞较频繁，而饲料在直管段中处于

悬浮 输 送 状 态， 碰 撞 出 现 较 少。 根 据 相 关 研

究［２７⁃２８］

，弯管处容易引起饲料破碎、管路堵塞及

管壁磨损，输送系统中应尽量减少弯管使用数量。

气力输送饲料颗粒碰撞情况如图 ９ 所示。

图 ９ 气力输送饲料颗粒碰撞情况

Ｆｉｇ．９ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｅｅｄ ｐｅｌｌｅｔ ｉｎ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ

ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ

７２

第 ５ 期 黄建伟等：深远海养殖自动投饲系统仿真分析与试验验证

３ 系统试验及结果

结合流场仿真的管道模型，完成自动投饲系

统试验样机搭建。 试验时结合涡街流量计将管道

流量调整到 １６５ ｍ

３

／ ｈ，待气流稳定后依次将下料

速度调整为 ５００、１ ０００、１ ５００ ｋｇ ／ ｈ（每次试验前在

料仓中装入 ２５０ ｋｇ 大黄鱼饲料），每次试验时间

为 ３ ｍｉｎ，重复 ３ 次。

结合相关方法［２３⁃２４］及仪表测得计量误差、全

局压降、饲料破碎率、布料器旋转速度、风机功率

参数。 自动投饲系统试验样机现场布置如图 １０

所示。 自动投饲系统性能试验结果如表 ４ 所示。

6

3

4

7

5

2

1

注：１－罗茨风机，２－空气冷却器，３－监测组件，４－下料装置，５－投料选择器，６－旋转布料器，７－电控柜

图 １０ 自动投饲系统试验样机现场布置

Ｆｉｇ．１０ Ｓｉｔｅ ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ

表 ４ 自动投饲系统性能试验结果

Ｔａｂ．４ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ

测试项目 流场仿真 系统试验

下料量／ （ｋｇ ／ ｈ） ５００ ５００ １ ０００ １ ５００

输送风量／ （ｍ

３

／ ｈ） １６５．０ １６４．５ １６４．６ １６５．１

计量误差／ ％ － １．２３ １．３０ ０．８０

混合比 ２．５３ ２．５３ ５．０６ ７．５７

全局压降／ ｋＰａ １８．０ １７．０ ２５．０ ２８．０

饲料破碎率／ ％ ⁃ ０．３５ ０．４０ ０．４０

布料器旋转速度／ （ ｒ／ ｍｉｎ） ⁃ ８７．３ ９５．８ ９５．２

风机功率／ ｋＷ ⁃ ３．２０ ４．３５ ４．６７

吨料能耗／ （ｋＷ·ｈ ／ ｔ） － ６．４０ ４．３５ ３．１１

根 据 试 验 结 果， 系 统 计 量 误 差 ０． ８０％ ～

１．３０％，饲料破碎率 ０． ４０％，吨料能耗为 ３． １１ ～

６. ４０ ｋＷ·ｈ。 而行业标准中［２９］

，投饲系统要求平

均破碎率≤２％，吨料能耗 ５．５ ～ ９．０ ｋＷ·ｈ ／ ｔ。 对

比 Ｇｓ

＝ ５００ ｋｇ ／ ｈ，Ｑ０

＝ １６５ ｍ

３

／ ｈ 下仿真与试验结

果，全局压降分别为 １８．０ ｋＰａ 与 １７．０ ｋＰａ，仿真精

度达到 ９４．４％，流场仿真得到的饲料运动规律可

辅助实物系统的结构设计与优化，全局管路压降

可用于指导罗茨风机选型。

在系统试验中，当输送风量不变，随着下料量

增大，管路全局压降增大，由于罗茨风机功率正比

于压降与空气流量乘积［２７，３０］

，所以系统能耗增

加。 当管路输入风量一致，高下料量管路中饲料

体积占比更大，末端管路风速较大，因旋转布料器

的自转主要源于出口气流的反作用力，所以布料

器旋转速度更高。 针对系统投饲能力，尽管可达

到 １ ５００ ｋｇ ／ ｈ 的下料速率，计量误差及饲料破碎

率并无太大差别，且吨料能耗有较大下降，但是因

输送饲料量增大 ３ 倍，道输送过程中多贴着光滑

管壁前进，长时间运行可能导致管道内壁磨损，并

造成 饲 料 破 碎 与 管 路 堵 塞。 祝 先 胜［２５］ 引 进

Ａｒｃｈａｒｄ Ｗｅａｒ 磨损模型，分析了颗粒对弯管壁面

的磨损，结果表明颗粒对弯管的磨损主要集中在

弯头外侧 １５°到 ３０°的区域。

４ 结论

对于 Ｇｓ

＝ ５００ ｋｇ ／ ｈ 以及管路长度 １００ ｍ 左右

的自动投饲系统，流体仿真得到饲料在水平直管

中多处于悬浮输送状态，且管路中未出现堵塞情

况。 全局仿真管路中与颗粒、管壁之间存在碰撞

的饲料数占比 ２７．３％，且碰撞主要发生在下料口、

弯管等处，这些结构突出影响到系统管路压降、系

统能耗、饲料破碎率等参数。 ＣＦＤ⁃ＤＥＭ 方法得

到的全局管路压降与样机试验得到的压降的精度

可达 ９４．４％，但也存在着仿真计算速度慢、无法分

７３

渔 业 现 代 化 ２０２２ 年

析碰撞中饲料破碎过程的情况。 后续将进一步研

究饲料尺寸、管径、弯管曲率半径、风速、下料量等

对饲料颗粒管路运动状态的影响规律，以获得适

用于不同养殖鱼种的深远海养殖用自动投饲系统

的系统方案。 □

参考文献

［１］ 纪毓昭，王志勇．我国深远海养殖装备发展现状及趋势分析

［Ｊ］．船舶工程，２０２０，４２（增刊 ２）：１⁃４．

［２］ 徐皓，谌志新，蔡计强，等．我国深远海养殖工程装备发展研

究［Ｊ］．渔业现代化，２０１６，４３（３）：１⁃６．

［３］ 闫国琦，倪小辉，莫嘉嗣．深远海养殖装备技术研究现状与发

展趋势［Ｊ］．大连海洋大学学报，２０１８，３３（１）：１２３⁃１２９．

［４］ 王俊会，俞国燕，刘皞春，等．船载式深水网箱投饵系统设计

与试验［Ｊ］．广东海洋大学学报，２０１９，３９（６）：１２４⁃１２９．

［５］ 胡昱，郭根喜，黄小华，等．基于 ＰＬＣ 的深水网箱自动投饵系

统［Ｊ］．南方水产科学，２０１１，７（４）：６１⁃６８．

［６］ 庄保陆．远程气力输送自动投饵技术与装备的研究［Ｄ］．上

海：上海海洋大学，２００８．

［７］ 俞国燕，陈振雄，刘皞春，等．船载式投饲机饲料输送关键参

数仿真分析［Ｊ］．渔业现代化，２０２２，４９（２）：１０⁃１７．

［８］ 林礼群，王志勇．工船养殖颗粒饲料气力输送系统参数优化

［Ｊ］．船舶工程，２０２０，４２（增刊 ２）：５１⁃５５．

［９］ 张春燕，马超，晏飞．基于 ＣＦＤ⁃ＤＥＭ 方法的不同弯径比弯管

中气固两相流动特性［ Ｊ］． 江苏科技大学学报（ 自然科学

版），２０１８，３２（６）：８０３⁃８０８．

［１０］纪云．喷浆物料长距离管道气力输送特性研究［Ｄ］．徐州：中

国矿业大学，２０１９．

［ １１ ］ ＢＨＡＴＴＡＲＡＩ Ｓ， ＯＨ Ｊ， ＥＵＨ Ｓ， ｅｔ ａｌ． Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｔｕｄｙ ｆｏｒ

ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ ｄｒｙｉｎｇ ｏｆ ｓａｗｄｕｓｔ ｆｏｒ ｐｅｌｌｅｔ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ［Ｊ］．

Ｄｒｙｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１４，３２（１０）：１１４２⁃１１５６．

［１２］ ＡＡＳ Ｔ Ｓ，ＯＥＨＭＥ Ｍ，ＳØＲＥＮＳＥＮ Ｍ，ｅｔ ａｌ． Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｐｅｌｌｅｔ

ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｘｔｒｕｄｅｄ ｈｉｇｈ ｅｎｅｒｇｙ ｆｉｓｈ ｆｅｅｄｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ

ｐｈｙｓｉｃａｌ ｑｕａｌｉｔｉｅｓ ｉｎ ａ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ［ Ｊ ］．

Ａｑｕａｃｕｌｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１１，４４（１）：２５⁃３４．

［１３］胡昱，黄小华，陶启友，等．基于 ＣＦＤ⁃ＥＤＭ 的自动投饵饲料

颗粒气力输送数值模拟［ Ｊ］．南方水产科学，２０１９，１５ （ ３）：

１１３⁃１１９．

［１４］崔文钧．粉粒料稀相气力输送的设计［ Ｊ］．化工设备与管道，

２００３，４０（６）：７⁃１１．

［１５］王志勇，谌志新，江涛．集中式自动投饵系统的研制［ Ｊ］．渔业

现代化，２０１１，３８（１）：４６⁃４９．

［１６］孙广明，付志茹，谢刚，等．气动输送系统设计计算［ Ｊ］．价值

工程，２０１５，３４（９）：７５⁃７７．

［１７］王志勇，冯书庆，林礼群，等．网箱养殖平台自动投饲系统设

计与试验分析［Ｊ］．渔业现代化，２０２０，４７（５）：５２⁃５８．

［１８］黄杨清．海洋网箱远程风送投料系统的研制［Ｄ］．广州：华南

农业大学，２０１８．

［１９ ］ ＺＡＩＣＨＩＫ Ｌ Ｉ， ＳＩＭＯＮＩＮ Ｏ， ＡＬＩＰＣＨＥＮＫＯＶ Ｖ Ｍ． Ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ

ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｒａｔｅｓ ｏｆ ａｒｂｉｔｒａｒｙ⁃ｄｅｎｓｉｔｙ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ

ｏｆ Ｈｅａｔ ａｎｄ Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒ，２０１０，５３（９／ １０）：１６１３⁃１６２０．

［２０］Ｄｉ ＲＥＮＺＯ Ａ，Ｄｉ ＭＡＩＯ Ｆ Ｐ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｃｏｎｔａｃｔ⁃ｆｏｒｃｅ ｍｏｄｅｌｓ

ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｓ ｉｎ ＤＥＭ⁃ｂａｓｅｄ ｇｒａｎｕｌａｒ ｆｌｏｗ ｃｏｄｅｓ

［Ｊ］．Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００４，５９（３）：５２５⁃５４１．

［２１］ＣＵＮＤＡＬＬ Ｐ Ａ，ＳＴＲＡＣＫ Ｏ Ｄ Ｌ．Ａ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ

ｇｒａｎｕｌａｒ ａｓｓｅｍｂｌｉｅｓ［Ｊ］．Ｇéｏｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，１９７９，２９（１）：４７⁃５６．

［２２］杜俊．基于 ＣＦＤ⁃ＤＥＭ 方法的稀相气力输送数值模拟研究

［Ｄ］．武汉：武汉大学，２０１５．

［２３］ＳＣ／ Ｔ ６０２３—２０１１ 投饲机［Ｓ］．

［２４］邵恺怿．气送式自动投词装置的设计与试验［Ｄ］．武汉：华中

农业大学，２０２１．

［２５］祝先胜．气力输送管内气固两相流动的数值模拟［Ｄ］．上海：

华东理工大学，２０１５．

［２６］关佳斌，裴旭明，张琳荔．粮食颗粒群密相变径气力输送的流

动特性［Ｊ］．中国粉体技术，２０１８，２４（２）：３８⁃４３．

［２７］杨伦，谢一华．气力输送工程［ Ｍ］．北京：机械工业出版社，

２００６：３２４⁃３２９．

［２８］王明旭，秦超，李永祥，等．气力输送过程中粮食颗粒的输送

特性研究［Ｊ］．农机化研究，２０１４，３６（９）：１８⁃２２．

［２９］王志勇，谌志新，江涛，等．标准化池塘养殖自动投饵系统设

计术［Ｊ］．农业机械学报，２０１０，８（４１）：７７⁃８０．

［３０］陈晓龙，田昌凤，杨家朋，等．高密度养殖池塘自动气力投饲

机的设计试验［Ｊ］．渔业现代化，２０１６，４３（５）：１８⁃２２．

７４

第 ５ 期 黄建伟等：深远海养殖自动投饲系统仿真分析与试验验证

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｎ

ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｄｅｅｐ ｓｅａ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ

ＨＵＡＮＧ Ｊｉａｎｗｅｉ

１，２

，ＬＵＯ Ｙｉ

１，２

，ＷＥＩ Ｓｈｕｈｕｉ

１，２

，ＣＨＥＮ Ｍｉｎｇｚｈｉ

３

，ＺＨＵ Ｄｕａｎｘｉａｎｇ

１

，ＬＩＵ Ｌｉａｎｇｑｉｎｇ

１，２

（１ Ｓｈａｎgｈａｉ Ｍａｒｉｎｅ Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎgｉｎｅ Ｒｅｓｅａｒcｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎgｈａｉ ２０００９０，Ｃｈｉｎａ；

２ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎgｉｎｅｅｒｉｎg Ｒｅｓｅａｒcｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｓｐｅcｉａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ

Ｓｈｉｐ ａｎｄ Ｍａｒｉｎｅ Ｅｎgｉｎｅｅｒｉｎg，Ｓｈａｎgｈａｉ ２０００９０，Ｃｈｉｎａ；

３ Ｍｅｒcｈａｎｔ Ｍａｒｉｎｅ Ｃｏｌｌｅgｅ Ｓｈａｎgｈａｉ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎgｈａｉ ２０１３０６，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｐｉｐｅ ｂｌｏｃｋａｇｅ ａｎｄ ｆｅｅｄ

ｃｒｕｓｈｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｆｏｕｎｄｅｄ ｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙ ｄｕｒｉｎｇ ｌｏｎｇ⁃ｄｉｓｔａｎｃｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｅｌｌｅｔ ｆｅｅｄ ｉｎ ｓｃｅｎｅｓ ｏｆ

ｄｅｅｐ⁃ｓｅａ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ． Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ⁃ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ （ ＣＦＤ⁃ＤＥＭ）， ｔｈｅ

ｓｔｕｄｙ ｉｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｆｅｅｄ ｍｏｔｉｏｎ ｓｔａｔｅ，ｍｉｘ ｒａｔｅ ｏｆ ｆｅｅｄ⁃ ａｉｒ，ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｒｏｐ，ｐｉｐｅ ｂｌｏｃｋａｇｅ，

ａｎｄ ｆｅｅｄ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｆｅｅｄ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ． Ｍｏｒｅｏｖｅｒ， ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ ｗｉｌｌ ｂｅ

ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｆｅｅｄ ｐｅｌｌｅｔｓ ａｒｅ ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ ａｆｔｅｒ ｅｎｔｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ，ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｄｒａｇ

ｆｏｒｃｅ ｏｆ ａｉｒｆｌｏｗ．Ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｐｅｌｌｅｔ ｆｅｅｄｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｉｓ ８．５ ｍ ／ ｓ．Ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｓ ｏｆ ｆｅｅｄ ｃｒｕｓｈｉｎｇ

ａｎｄ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｂｌｏｃｋａｇｅ ｅａｓｉｌｙ ｈａｐｐｅｎ ｉｎ ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｆｅｅｄ ｏｕｔｌｅｔｓ ａｎｄ ｅｌｂｏｗｓ．Ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｍｉｘ ｒａｔｅ ｏｆ ｆｅｅｄ⁃

ａｉｒ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｒｏｐ ａｒｅ ｌａｒｇｅ，ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｓ ｏｃｃｕｒ ｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙ ｄｕｒｉｎｇ ｆｅｅｄ ａｎｄ ｆｅｅｄ，ｆｅｅｄ，ａｎｄ ａｎ ｉｎｎｅｒ ｗａｌｌ ｏｆ ｔｈｅ

ｐｉｐｅｌｉｎｅ．Ｆｌｕｉｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｇｕｉｄｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｗｉｔｈ ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ

９４．４％ ａｆｔｅｒ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｌｏｔｓ ｏｆ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ａｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｓｕｃｈ ａｓ ｌｏｗ

ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｌｏｗ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｂｌｏｃｋａｇｅ ａｎｄ ｆｅｅｄ ｃｒｕｓｈｉｎｇ ｒａｔｅ，ａｃｃｕｒａｔｅ ｆｅｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，

ｗｉｔｈ ａ ｆｅｅｄ ｃｒｕｓｈｉｎｇ ｒａｔｅ ｏｆ ０． ４％， ｆｅｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｅｒｒｏｒ ｌｏｗｅｒ ｔｈａｎ １． ３％， ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ｆｅｅｄ

ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ ｏｆ ３． １１⁃６． ４０ ｋＷ·ｈ ／ ｔ． Ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓ ｔｈａｔ ａｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ

ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ ｔｏ ｓｃｅｎｅｓ ｏｆ ｄｅｅｐ⁃ｓｅａ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ； ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ； ｐｅｌｌｅｔ ｆｅｅｄ； ＣＦＤ⁃ＤＥＭ； ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌ；

ｄｅｅｐ ｓｅａ ｃａｇｅ

７５

第 50 卷第 4 期 渔 业 现 代 化 Vol. 50 No. 4

2023 年 8 月 FISHERY MODERNIZATION Aug. 2023

DOI:10. 3969 / j. issn. 1007-9580. 2023. 04. 007

收稿日期:2023-03-12

基金项目:浙江省“尖兵”“领雁”研发攻关计划海洋智能装备关键技术、装备及示范“深远海集约化养殖配套智能装备研发与示范应用

(2022C03023) ”

作者简介:高炜鹏(1999—)男,硕士研究生,研究方向:渔业机械化。 E-mail:754324050@ qq. com

通信作者:谢永和(1967—)男,教授,博士,研究方向:船舶强度结构设计、船舶与海洋结构物水动力分析。 E-mail:xieyh@ zjou. edu. cn

养殖工船自动投饲机设计和螺旋下料器的仿真分析

高炜鹏1

,谢永和2

,李德堂2

,王 君1

,陈 卿2

,洪永强2

,张佳奇1

(1 浙江海洋大学海洋工程装备学院,浙江舟山 316000;

2 浙江海洋大学船舶与海运学院,浙江舟山 316000)

摘要:针对现有投饲机无法满足大型集约化深远海养殖工船投饲作业的工作需求,颗粒饲料因输送工艺和

结构参数不合理导致管道堵塞,为提高颗粒饲料输送性能与效果,设计了一种可集中控制、定时、定量、定

速作业的远程气力输送的自动投饲机,确定了投饲机的总体结构,完成了对螺旋下料器的关键部位的设

计,开展了 EDEM 离散元仿真分析。 仿真结果显示:饲料颗粒在该装置中,从生成到排除过程中不会发生

堵塞、滞留的现象,且下料速度可以通过螺旋轴的转速控制,下料速度稳定,当螺旋轴转速达到 40 r/ min

时,满足投料速度 1. 5 t / h。 该设计和研究为后续的深远海养殖投饲设备的设计和性能优化提供参考和

依据。

关键词:养殖工船;自动投饲机;螺旋下料;气力输送;EDEM

中图分类号:S969. 31 文献标志码:A 文章编号:1007-9580(2023)04-0059-09

养殖工船养殖是一项新兴产业,是一个全新

的生产模式,是当前推进渔业转型升级,培育新经

济增长点的创新之举。 养殖工船是集成多个养殖

水舱,在深远海适宜水产养殖的海域长期游弋的

大型船只,相比于深远海网箱养殖,养殖工船的养

殖模式可以通过移动躲避台风、寒潮、赤潮等自然

灾害,也可以避免污染沿海水质,但深远海水域生

产条件特殊,海上环境恶劣,养殖量大,船上人员

有限,深远海移动舱养模式是规模化、集约化养

殖,饲料投喂工作量大,劳动强度大,传统的投饲

机虽然实现了机械化投料,但据时间粗略估算投

饲量的方式精度太低,既造成浪费,增加养殖成

本,又降低鱼类的抗应激能力,也不能获得良好的

生长性能,养殖工船投饲量大,投饲精度高,对投

饲速度有着极高的要求。 胡昱等[6] 通过 CFDEDM(基于欧拉-拉格朗日参考系的离散模拟),

对颗粒从管道初始阶段到稳定阶段运动过程进行

了分析,将结果用于优化供料器壳体。 林礼群

等[7]通过 CFD-EDM 仿真对养殖工船投饲系统的

加速器进行仿真分析,得出下料口径和加速器收

缩段部分的角度对加速器性能的影响。 黄建伟

等[8]针对深远海投饲系统的全局进行仿真分析,

研究颗粒运动轨迹及碰撞情况。 王志勇等[9] 设

计了以 PLC 控制的标准化池塘养殖自动投饲系

统可以达到 1. 1 t / h 的投饲量。 宋协法等[10]设计

的网箱养殖投喂装置可以达到 400 kg / h 的投喂

量,刘志强等[11]设计的海上网箱养殖自动投饵器

达到了 900 kg / h 的输送速度,黄杨清等[3]研制的

风送投料系统最大投饲速率 891 kg / h。 邓志勇

等[12]研制的自动化精准投饲机料仓的设计容量

仅为 5 kg。 下料器的设计对加速器和后续的管

道输送产生巨大影响,对颗粒饲料在高速气流的

作用下运动轨迹和碰撞情况起到了关键性作用。

养殖工船所需的投饲量远远超过市面上设计的投

饲机所能达到的最大投饲量。

本研究围绕深远海养殖工船的养殖环境和工

作需求,设计以压送式气力输送原理,以螺旋绞龙

和减速电机作为关键部件,达到控制下料速度并

计算饲料量。

渔 业 现 代 化 2023 年

1 材料与方法

1. 1 养殖工船投饲系统

深远海大型设施养殖投喂流程:通过补给船

吊运饲料至船舷侧颗粒饲料存储区,然后根据投

喂量倒入饲料至料仓,经分配器气力输料,输送投

喂至不同养殖仓。

该系统主要由动力设备、料仓、分配设备、输

送设备、控制系统 5 大部分组成,并通过 PLC 实

现智能控制,可以实现对多个养殖鱼舱的饲料精

确智能投喂。 动力设备包括罗茨风机、电机等,分

配设备以分配管道、定位圆盘、电机、弯管、光电开

关组成的具有一机多舱并精确定位功能[13]

。 输

送设备包括输送管道、加速室、螺旋下料器和减速

电机[14]

。 控制系统主要由变频器、电动排空阀、

下料蝶阀、料位仪、称重传感器等组成。

离心通风机

下料仓

手动闸门

叶轮闭风器

叶轮喂料器

气动分配器

罗茨风机

料仓

图 1 自动投喂流程图

Fig. 1 Automatic feeding flowchart

系统工作原理:当 PLC 给出本次投饲任务启

动指令,斩光片和槽型光电开关构成定位传感器,

电机带动传感器旋转识别,信号变化依次定位,分

配器出料口在电机带动下旋转到指定位置,称重

传感器实时传输数据,判断料仓内的饲料量是否

达到本次投饲任务需求,若达到,排空蝶阀阀口满

开,罗茨风机开始运行,进行管道残留饲料的排

空,运行 30 s 后,开始下料[15]

。

加速室

分配器电机

分配器

螺旋下料器

下料蝶阀

料位仪 螺旋下料电机

罗茨风机消声器

罗茨风机

罗茨风机支架

料仓支架 三通接头 排空蝶阀

料仓

图 2 自动投料系统整体结构图

Fig. 2 Overall structure diagram of automatic feeding system

60

第 4 期 高炜鹏等:养殖工船自动投饲机设计和螺旋下料器的仿真分析

系统根据投饲任务通过控制变频器来控制电

机的转速从而达到速度控制的功能,下料蝶阀打

开,在下料电机带动下料绞龙开始转动。 饲料在

螺旋下料器中低速运动,罗茨风机在产生的高速

气流在下料器出口出形成一个低压区,对下料器

出口处的饲料产生吸附力,加快饲料输送,饲料和

高速气流通过分配器的旋转进料口进入 S 型管

道,在出料口喷出送达对应的鱼舱,分配器弯管可

以 360°旋转[16]

。 根据实际需要,分配系统在定位

圆盘中设计了 8 个出料口。

1. 2 投饲参数分析及技术要求

养殖对象为大黄鱼,密度 20 kg / m

3

。 养殖舱

池长、宽、高分别是 22. 4 m、19. 6 m、18 m,水位线

高度 14 m,每个养殖舱设计养殖量为 100 t,日投

饲率为 1. 5%,按每天 2 次,每次 0. 5 h,投饲系统

最大投饲量为 1. 5 t / h。

1. 3 关键部件设计

螺旋下料器作为饲料输送系统的关键零部件,

螺旋下料器对整个投料系统的输送能力、投料速度

有着巨大的影响。 螺旋下料器由电机、联轴器、绞

龙、壳体等组成,螺旋下料器结构如图 3 所示。

联轴器

螺旋下料电机

轴承 外筒 机械密封 端面密封

绞龙 端盖 机械密封

图 3 螺旋下料器结构图

Fig. 3 Screw cutter structure diagram

本设计中,养殖工船舱养大黄鱼投饲装置中,

螺旋输送器用于大黄鱼饲料从料仓中输送,并控

制输送速度和记录输送质量,对饲料进行水平输

送,输送距离为从下料蝶阀到加速室入口的距离,

输送距离短,所以用满面式等螺距的普通水平螺

旋输送机。 螺旋输送机的每个参数都要根据实际

需求来确定。 输送量即输送速度,它与螺旋的其

他参数密切相关[17]

。

Q = 3 600 Fλvε (1)

式中:Q 表示螺旋输送机输送量,t / h;F 表示物料

横截面积,m

2

;λ 表示物料的单位容积质量,取

0. 9 t / m

3

;ε 表示输送倾斜系数,该装置水平布置,

取 1;v 表示物料输送速度,m / s。

物料横截面积计算表达式[18]

:

F =

φD

2π

4

(2)

式中:φ 表示填充系数;F 表示物料横截面积,m

2

;

D 表示螺旋叶片直径,mm。

物料输送速度表达式[19]

:

v = sn / 60 (3)

式中:s 表示螺距,mm;v 物料输送速度,m / s;n 表

示螺旋轴转速,r/ min。

将公式(2)和公式(3)代入公式(1)代入得:

Q = 47D

2

snφελ (4)

式中:Q 表示螺旋输送机输送量,t / h;D 表示螺旋

叶片直径,mm;s 表示螺距,mm;ϕ 表示填充系数;ε

表示输送倾斜系数,该装置水平布置,取 1;λ 表示

物料的单位容积质量,取 0. 9 t / m

3

。

由式(4) 可知,下料机的输送量即输送能力

受螺旋叶片的直径、螺距、转速、填充系数等参数

影响。 在确定输送饲料的种类一定时,输送量主

要与叶片直径、螺距、转速有关。 因此通过设计螺

旋叶片直径、螺距、转速等来满足螺旋输送机的输

送量。

螺旋下料器在旋转过程中,饲料由于受螺旋

转动的影响,其运动是沿螺旋轴做复合的空间运

动,既有轴向移动,又有径向旋转[20]

。 螺旋升角

是螺旋叶片上法线与轴线的夹角,恰当的螺旋升

角可以使饲料更好地排出,螺旋升角由螺距决定,

除此之外螺距还决定着在一定填充系数下物料运

61

渔 业 现 代 化 2023 年

动的滑移面。 螺距的计算有[19]

:

s = K1D (5)

式中:s 表示螺距,mm;D 表示螺旋叶片直径,mm;

K1 表示螺旋轴直径系数。

螺旋轴直径系数与螺旋轴的布置方式有关,

本研究设计的螺旋轴是水平放置的,参数在 0. 8~

1

[19]之间,选取 K1

= 0. 8。 螺旋叶片直径 D 作为螺

旋轴的主要参数之一,与转轴直径 d,转速 n 以及

螺距 s 的大小都有着直接关系,其大小直接影响

着螺旋下料器的输送能力和大小[21]

。 本次输送

的饲料为小颗粒状饲料,查表 1 物料综合特性系

数表使用线性插值法可得 φ= 0. 3,A = 46。

n ≤ nmax

=

A

D

(6)

式中:nmax 表示螺旋轴最大转速,r/ min;A 表示物

料综合特性系数;D 表示螺旋叶片直径,mm。

表 1 物料综合特性系数表

Tab. 1 Table of comprehensive characteristic coefficients of materials

物料块度 磨琢性 举例 填充系数 φ K 值 A 值

粉状 无磨琢性 面粉、米粉 0. 40~0. 50 0. 038 7 86

粉状 半磨琢性 水泥、石灰 0. 30~0. 40 0. 041 5 75

粒状 半磨琢性 小麦、玉米 0. 25~0. 30 0. 055 8 46

粒状 磨琢性 矿石、化肥 0. 20~0. 35 0. 063 2 28

块状 无磨琢性 豆粕、菜饼 0. 30~0. 35 0. 584 0 36

块状 半磨琢性 煤、矿石 0. 15~0. 20 0. 079 5 15

液状 无磨琢性 面浆、纸浆 0. 55~0. 60 0. 078 5 19

将式(6)、式(5)代入式(4)中,得到:

D ≥

Q

47K1Aφελ

( )

2

5

(7)

式中:Q 表示螺旋输送机输送量,t / h;D 表示螺旋

叶片直径,mm;s 表示表示螺距,mm;φ 表示填充

系数;ε 表示输送倾斜系数,该装置水平布置,取

1;λ 表示物料的单位容积质量,取 0. 9 t / m

3

。

得出螺旋下料器 D≥100. 475 mm,叶片直径

与输送物料的直径有关,为了减少饲料的破碎率

叶片直径也应选大些,但考虑到下料精度及螺旋

式供料装置的常用尺寸,确定叶片直径在 100 mm

≤D≤130 mm,80 mm≤s≤104 mm;125. 6 r/ min

≤nmax≤145. 5 r/ min 参考同类型产品选用叶片厚

度 a = 2 mm。

螺旋轴直径的大小与螺距有关,因为二者共

同决定了螺旋叶片的升角[22]

。 轴径的计算公

式为[21]

:

d = (0. 20 ~ 0. 35)D (8)

式中:d 表示螺旋轴轴径,mm。

计算得到 d = 28 ~ 49 mm,取螺旋轴直径为

42. 5 mm。 螺旋轴还要承担料仓出口处堆积的压

力,须满足一定的刚度要求,但不能过大,过大会

导致整个螺旋下料机整体结构庞大[23]

。

螺旋轴转速要根据叶片直径、螺距、物料特性

来确定,在确保输送能力的情况下转速不宜过高,

不能超过最大转速。 由式(4)可得 38 r/ min≤n≤

82 r/ min,满足 n≤nmax。 确定完转速、直径、螺距

后,通过验算物料填充系数,验证之前的计算是否

合适,将以上数据代入式 ( 4) 中计算得到 φ =

0. 29,与 表 1 进 行 对 比 可 知 物 料 填 充 系 数 在

0. 25~0. 30 之间。

物料填充系数对螺旋输送机的输送速度和能

耗有较大影响,填充系数大,对能耗增大,填充系

数小时,对能耗减小,通过验算可知填充系数在颗

粒饲料范围内,且数值较小。

1. 4 EDEM 离散元仿真分析

利用 SolidWorks 软件绘制出自动投饲机各部

分的三维图[24]

,如图 4 所示,为了提高仿真计算

速率,对投料机结构进行简化,保留料仓和螺旋下

料器。 为了简化重力加速度的方向计算,在导入

EDEM 之前先建立坐标系与 EDEM 中的坐标系对

应,简化后导入 EDEM 中如图 5 所示。

62

第 4 期 高炜鹏等:养殖工船自动投饲机设计和螺旋下料器的仿真分析

图 4 投饲机三维建模

Fig. 4 3D modeling of feeders

图 5 螺旋下料器仿真装置

Fig. 5 Screw cutter simulation device

在 EDEM 中进行饲料颗粒的物料参数和接

触参数的建立。 物料接触参数见表 2。

表 2 物料参数及接触参数

Tab. 2 Material parameters and contact parameters

名称 参数 数值

物料颗粒

泊松比

剪切模量/ Pa

密度/ (kg / m

3

)

饲料尺寸/ mm

0. 4

8. 9×10

7

900

h = 5~6 d = 7~10 圆柱体

设备

泊松比

剪切模量/ Pa

密度/ (kg / m)

0. 3

10

11

7 800

物料-物料

恢复系数

静摩擦系数

动摩擦系数

0. 2

0. 5

0. 01

物料-设备

恢复系数

静摩擦系数

动摩擦系数

0. 15

0. 3

0. 01

利用 Particle 工具创建颗粒模型,由饲料的参

数可知饲料的尺寸是个高度 5~ 6 mm,直径在 7 ~

10 mm 的圆柱体,过多的颗粒堆积会增加计算量,

提高计算成本,本研究颗粒饲料的形状并不会影

响仿真结果,为了提高计算速度,节约计算资源,

如图 6 所示,采用两个半径为 5 mm 的球形颗粒

堆叠而成简化而接近真实的饲料形状的模型[6]

。

图 6 颗粒饲料模型

Fig. 6 Pelleted feed model

在料仓的正上方设置一个平面颗粒工厂,生

成颗粒饲料集合,设置生成速度为 200 kg / s

[30]

,

生成 50 kg 饲料,设置绞龙的旋转方向和转速,设

置 EDEM 总时长为 10 s。 根据螺旋下料器的投饲

量 Q 的计算公式可知改变螺旋轴转速、螺距、叶

片外径等都会影响投饲量和投饲速度。 为了验证

该螺旋下料器的设计是否合理,设定螺旋下料器

分别在 80、60 和 40 r/ min 3 种转速下,观察饲料

的颗粒饲料的速度和受力情况以及下料速度,并

找到符合技术要求的最优转速。

2 结果与分析

2. 1 饲料运动过程分析

通过仿真结果显示饲料在螺旋轴中的运动变

化大致分为 3 个阶段,饲料从颗粒工厂平面中生

成在重力加速度的作用下掉落作加速运动,在接

触到倾斜料仓壁颗粒之间发生强烈碰撞,速度减

小,下料蝶阀打开,从料仓往螺旋下料器运动的过

程中,做加速运动,在颗粒达到螺旋下料器内,颗

粒在螺旋轴的转动下运动,速度无较大波动,到达

出料口时,摆脱螺旋轴和其他颗粒挤压摩擦的影

响,在重力加速度下做加速运动[27]

,如图 7 所示。

通过受力结果显示颗粒在掉落到料仓斜壁的

过程中颗粒与颗粒、颗粒与料仓之间发生碰撞产

生较为强烈的受力波动,在掉落到螺旋下料器之

后颗粒饲料之间相互摩擦挤压排列紧密,受力值

无较大波动,如图 8 所示。

63

渔 业 现 代 化 2023 年

图 7 颗粒速度值变化

Fig. 7 Particle velocity value changes

图 8 颗粒受力值变化

Fig. 8 The force value of the particles changes

从颗粒的速度变化曲线图 9 和受力变化曲线

图 10 中可以看出饲料从生成到下料完成过程中,

未发生堵塞、滞留的现象。

时间/s

力/N

图 9 颗粒速度受力变化曲线

Fig. 9 Particle velocity force change curve

时间/s

速

度/(m/s)

图 10 颗粒速度变化曲线

Fig. 10 Particle velocity change curve

2. 2 螺旋轴转速对下料速度的影响

仿真完成后,在后处理模块中在螺旋下料器

出料口增加一个质量流传感器,记录下料速度。

设定 3 种不同的转速 80、60、40 r/ min(图 11 ~ 图

13),仿真结果显示颗粒在叶片绞龙的作用下,从

2 s 左右开始出料,在 5 s 左右输送速率达到稳

定,当螺旋轴转速在 80 r/ min 时,稳定时下料速

率在 0. 82 ~ 0. 84 kg / s 之间,即投饲量可达到

3 t / h;在螺旋轴转速为 60 r/ min 时,下料速率在

0. 61~0. 63 kg / s 之间,即投饲量可达 2. 2 t / h;在

螺旋轴转速在 40 r/ min 时,下料速率在 0. 40 ~

0. 43 kg / s 之间,即投饲量可达 1. 5 t / h。

时间/s

质

量

流/(kg/s)

图 11 转轴转速 80 r/ min 的质量流曲线

Fig. 11 Mass flow curve of shaft speed 80 r/ min

通过 EDEM 软件模拟投饲机下料过程能够

真实地还原饲料颗粒在螺旋下料器中的应用,预

测投饲机的堵塞情况和下料速度。 整个下料阶段

并未见到颗粒堆积现象。 在螺旋轴其他参数确定

的情况下,通过改变螺旋轴转速可以良好地实现

对下料速度的控制,在张浩然[27] 的正交试验中也

64

第 4 期 高炜鹏等:养殖工船自动投饲机设计和螺旋下料器的仿真分析

显示了下料过程中螺旋轴的转速是对投料量影响

最为显著。

时间/s

质

量

流/(kg/s)图 12 转轴转速 60 r/ min 的质量流曲线

Fig. 12 Mass flow curve of shaft speed 60 r/ min

时间/s

质

量

流/(kg/s)

图 13 转轴转速 40 r/ min 的质量流曲线

Fig. 13 Mass flow curve of shaft speed 40 r/ min

本次仿真也符合实际工作需求,即在养殖工

船投饲过程中改变螺旋下料器电机的转速即可改

变下料速度和下料量。 不同饲喂速率对鱼体的体

重增长和营养利用率都有显著提高,鱼体的脂肪

酶仅受投喂速率的影响[28]

,汪固昌等[29] 提出的

模糊控制器根据鱼体生长的环境和阶段来计算不

同的投饲量和投饲时间,也需要改变不同的投饲

速度,此设计通过变频器改变电机转速即可实现

投饲速度的控制,在李佳奇等[30] 的螺旋式供料装

置排料试验中和林章华等[31] 对螺旋输送装置输

送量的试验中都显示了改变螺旋轴转速可以迅速

实现对投料量和投料速度的改变。

本设计中,料仓落料口与螺旋下料器入口紧

密相连,且入料口与出料口需要通过螺旋轴旋转

带动饲料从出料口掉出,仿真过程中并未出现下

料器两端有颗粒饲料的滞留。 解决了胡昱等[6]

仿真过程中颗粒在供料器两端滞留的问题,该设

备对饲料颗粒具有良好的导向性[8]

。 通过质量

流传感器数据显示,即使在 80 r/ min 的转速下

时,该颗粒输送也较为平稳,大部分饲料颗粒能顺

利进入加速器,并不会接触到下料口的管壁,不会

因此影响加速器的性能。 从仿真结果中可以看出

在 2~4 s 过程中下料速度出现较大的波动,结合

仿真过程分析在饲料还未完全填满螺旋下料器之

前,饲料排出的数量并不均匀,在季雨等[32] 的仿

真中也体现了填充率对输送性能的影响。 螺旋下

料器还决定了整个系统的安全性,输送物料的特

性不同对输送能力也会有很大影响,对管道压力

有很大影响,当管道压力过大时就需要调整螺旋

下料器的下料速度,调整下料量,避免管道发生堵

塞,在王志勇等[33]设计的深远海养殖工船投饲系

统中投喂速度的控制采用的是变频容积式控制,

其系统在实现下料速度控制过程中也保证了整个

系统运行的安全性。

在徐志强等[34]和王志勇等[33] 的相关试验中

显示采用颗粒饲料以螺旋式下料其破碎率均小于

1%,从颗粒饲料运动过程中可以看到颗粒饲料的

粒径远远小于螺旋轴叶片和套筒之间的距离,饲

料几乎没有受到螺旋轴叶片和套筒的挤压,饲料

只受到了螺旋轴旋转时提高的圆周力和轴向力和

饲料颗粒之间的相互摩擦。 由于养殖工船特殊的

工作环境,利用称重传感器可能会在因为工船在

海上的横摇而失准,而螺旋下料器可以根据转速

来控制投饲量,但需要考虑到螺旋下料器开始工

作和暂停工作时的转速并不等于设定转速,在徐

志强等[34]

、王志勇等[35] 的投饲精度试验中用螺

旋下料器来控制投料量的误差也都小于 3%。 综

上所述,螺旋轴转速改变可以及时改变投饲量、投

饲速度,对加速器、管道、风机、整个供料系统都起

到了关键性的作用。

3 结论

本研究设计的下料器能够满足对养殖工船这

种投饲量大、投饲速率确定、自动化程度高的投喂

系统的需求。 通过对下料器转速设定分别为 80、

60、40 r/ min 进行仿真,仿真结果显示在其他参数

不变的情况下,颗粒饲料在该下料器运输过程中

不会产生饲料滞留、堵塞管路的现象,且可以达到

65

渔 业 现 代 化 2023 年

稳定的下料速度。 螺旋轴的转速是对下料速度控

制的关键因素,该下料器的转速在 40 r/ min 时,

可以达到下料速度为 1. 5 t / h,达到技术要求,证

明该下料器设计是合理的。 由于养殖工船投饲量

大,颗粒饲料的气力输送影响因素多,考虑到养殖

工船的特殊作业环境,在后续的研究中将对动力

源罗茨风机的风速、管道的内径和弯径等工艺参

数对饲料输送的影响,以及对养殖工船投料系统

的自动化、智能化进行研究。 □

参考文献

[1] 董晓妮,王志勇,徐志强,等. 10 万吨级养殖工船投饲控制系

统设计[J]. 渔业现代化,2022,49(5):61-67.

[2] 庄保陆,郭根喜. 水产养殖自动投饵装备研究进展与应用

[J]. 南方水产,2008 (4):67-72.

[3] 黄杨清. 海洋网箱远程风送投料系统的研制[D]. 广州:华南

农业大学,2018.

[4] 吴强泽. 池塘养殖智能投饲系统的研究[D]. 南京:南京农业

大学,2016.

[5] 杨朦朦. 池塘养殖精准投喂量投饲机的研究[D]. 上海:上海

海洋大学,2018.

[6] 胡昱,黄小华,陶启友,等. 基于 CFD-EDM 的自动投饵饲料

颗粒气力输送数值模拟[ J]. 南方水产科学,2019,15( 3):

113-119.

[7] 林礼群,王志勇. 工船养殖颗粒饲料气力输送系统参数优化

[J]. 船舶工程,2020,42(2):51-55.

[8] 黄建伟,骆意,魏树辉,等. 深远海养殖自动投饲系统仿真分

析与试验验证[J]. 渔业现代化,2022,49(5):68-75.

[9] 王志勇,谌志新,江涛,等. 标准化池塘养殖自动投饵系统设

计[J]. 农业机械学报,2010,41(8):77-80,89.

[10]宋协法. 网箱养殖配套设备的设计与试验研究[D]. 青岛:中

国海洋大学,2006.

[11]刘志强. 海上网箱养殖自动投饵器的研制[D]. 泰安:山东农

业大学,2016.

[12]邓志勇. 自动化精准投饲机设计与试验[D]. 武汉:华中农业

大学,2022.

[13]常晓艺. 基于模糊控制的网箱养殖精准投饵与设备研制

[D]. 舟山:浙江海洋大学,2021.

[14]马长震. 深水网箱养殖装备控制与管理系统[D]. 上海:上海

海洋大学,2012.

[15]胡昱,郭根喜,汤涛林,等. 基于 MCGS 的深水网箱自动投饵

远程控制系统的设计[ J]. 渔业科学进展, 2010, 31 ( 6):

110-115.

[16]庄保陆,郭根喜,王良运. 远程气力输送自动投饵系统分配

器设计初步研究[J]. 海洋水产研究,2008,29(6):133-141.

[17]向冬枝,徐余伟. 螺旋输送机设计参数的选择和确定 [ J]. 水

泥技术,2010(1):29-33.

[18]徐余伟. 螺旋输送机设计参数的选择和确定 [J]. 面粉通讯,

2008(5):21-24.

[19]陈广富,徐余伟. 饲料螺旋输送机设计参数的选择和确定

[J]. 饲料工业,2008(15):1-5.

[20]代林波. 母猪精确饲喂装置的设计与仿真分析研究 [D]. 郑

州:郑州大学,2012.

[21]乐林.一种螺旋饲喂装置的设计与优化研究 [D]. 长沙:长

沙理工大学,2017.

[22]柴华,樊静波. 葡萄埋藤机的研制 [ J]. 中国农机化学报,

2016,37(12):83-88.

[23]魏思明. 简式出仓机的整体设计 [J]. 农村牧区机械化,2014

(2):14-16.

[24]姚艳萍,刘素琰,刘永强. 基于 CFD-DEM 的文丘里供料器设

计 [J]. 起重运输机械,2022(8):38-41.

[25]汪帅帅. 基于 EDEM-Fluent 耦合仿真的气力式投饲机设计与

试验 [D]. 武汉:华中农业大学,2022.

[26]赵思琪,丁为民,赵三琴,等. 基于 EDEM-Fluent 的气动式鱼

塘投饲 机 性 能 优 化 [ J]. 农 业 机 械 学 报, 2019, 50 ( 9 ):

130-139.

[27]张浩然. 基于 EDEM 的卧式绞龙自动投饲机的设计与性能

分析 [D]. 上海:上海海洋大学,2021.

[28]LI X Q,XU H B,SUN W T,et al. Grass carp fed a fishmeal-free

extruded diet showed higher weight gain and nutrient utilization

than those fed a pelleted diet at various feeding rates [ J].

Aquaculture,2018,493:283-288.

[29]汪昌固. 网箱智能投喂系统开发及关键技术研究 [D]. 太

原:太原科技大学,2014.

[30]李佳奇. 猪用饲喂器螺旋式供料装置的设计与试验研究

[D]. 哈尔滨:东北农业大学,2020.

[31]林章华. 船载风力抛投饲料装置设计与试验 [D]. 广州:华

南农业大学,2019.

[32]季雨. 基于 CFD-DEM 螺旋输送机内颗粒流动特性数值模拟

研究 [D]. 大庆:东北石油大学,2020.

[33]王志勇,冯书庆,林礼群,等. 网箱养殖平台自动投饲系统设

计与试验分析 [J]. 渔业现代化,2020,47(5):52-58.

[34]徐志强,王涛,鲍旭腾,等. 池塘养殖自动投饲系统远程精准

化升级 与 验 证 [ J]. 中 国 工 程 机 械 学 报, 2015, 13 ( 3 ):

272-276.

[35]王志勇,邹海生,张耀明,等. 深远海养殖工船投饲系统设计

[J]. 渔业现代化,2022,49(5):54-60.

66

第 4 期 高炜鹏等:养殖工船自动投饲机设计和螺旋下料器的仿真分析

Design and simulation analysis of automatic bait feeder for

breeding vessels

GAO Weipeng

1

,XIE Yonghe

2

,LI Detang

2

,WANG Jun

1

,CHEN Qin

2

,HONG Yongqiang

2

,ZHANG Jiaqi

1

(1 College of Marine Engineering and Equipment,Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316000,Zhejiang,China;

2 Naval and Marine Academy,Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316000,Zhejiang,China)

Abstract:In order to improve the performance and effect of pellet feed conveying, an automatic baiting

machine with remote pneumatic conveying,which can be controlled centrally,and operated at regular time,

quantity and speed,was designed to meet the working demand of large intensive deep-sea breeding vessels for

baiting operation. The overall structure of the baiter was determined,the design of the key parts of the screw

feeder was completed, and the discrete element simulation analysis of EDEM ( high performance bulk and

granular material simulation software) was carried out. The simulation results show that the feed pellets in the

device will not be clogged or stagnated during the process from generation to elimination. The feeding speed

can be controlled by the rotational speed of the spiral shaft,and the feeding speed is stable. When the spiral

shaft speed reaches 40 r/ min,the feeding speed of 1. 5 t / h is satisfied. The design and a research provide

reference and a basis for the design and performance optimization of the subsequent deep-sea culture feeding

equipment.

Key words:farming workboat; automatic feeding machine; screw down;pneumatic conveying;EDEM

67

第 ４９ 卷第 ５ 期 渔 业 现 代 化 Ｖｏｌ．４９ Ｎｏ．５

２０２２ 年 １０ 月 ＦＩＳＨＥＲＹ ＭＯＤＥＲＮＩＺＡＴＩＯＮ Ｏｃｔ．２０２２

ＤＯＩ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１００７⁃９５８０．２０２２．０５．００５

收稿日期：２０２２⁃０９⁃２０

基金项目：青岛海洋科学与技术试点国家实验室问海计划“深远海养殖实验舱构建与中试验证（２０２１ＷＨＺＺＢ１３０１）”；工业和信息化部高

技术船舶科研项目“可移动式养殖工船工程开发及关键系统研制（工信部装函［２０１９］３６０ 号）”

作者简介：秦康（１９９５—），男，硕士研究生，研究方向为船舶与海洋工程。 Ｅ⁃ｍａｉｌ：３０２６２０８８３＠ ｑｑ．ｃｏｍ

通信作者：刘晃（１９７３—），男，研究员，硕士生导师，研究方向为水产养殖工程。 Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｉｕｈｕａｎｇ＠ ｆｍｉｒｉ．ａｃ．ｃｎ

基于 ＦＬＯＷ⁃ ３Ｄ 的船载舱养流场特性分析

秦 康１，２

，崔铭超２，３

，刘 晃２，３

，张成林２，３

，吉泽坤１，２

（１ 大连海洋大学航海与船舶工程学院，大连 １１６０２３；

２ 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 ２０００９２；

３ 青岛海洋科学与技术试点国家实验室深蓝渔业工程联合实验室，青岛 ２６６２３７）

摘要：以船载舱养为核心的工船养殖为在深远海开展海水鱼养殖提供了一条新的途径。 为研究进水射流对

养殖工船鱼舱流场的影响并评估横摇运动下进水射流对鱼舱流场的调节能力，采用 ＦＬＯＷ⁃３Ｄ 软件，对 ３０００

吨级养殖工船鱼舱流场特性进行数值模拟研究，分析总进水流量、进水口数目和横摇角度幅值对鱼舱流速大

小和流动均匀性的影响。 结果显示：随着总进水流量从 １１０ ｍ

３

／ ｈ 增加到 ２１５ ｍ

３

／ ｈ，鱼舱流速大幅增加，而流

动均匀性的变化并不显著；随着进水口数目从 ４ 个增加到 １６ 个，鱼舱流速大幅降低，流动均匀性显著增加。

对于锚泊状态下的工船，其横摇运动的周期变化范围较小，多在 ５．３～ ６．４ ｓ 间；随着横摇角度从 ０°增加到 ２°，

鱼舱最大流速从 ０．３８５ ｍ／ ｓ 增加到 ０．４１３ ｍ／ ｓ，流场变化较小，而当横摇角度从 ０°增加到 ５°，鱼舱最大流速从

０．３８５ ｍ／ ｓ 增加到 ０．５０７ ｍ／ ｓ，流场变化较大。 研究表明：对于工船鱼舱，当进水口数目一定时，鱼舱最大流速

与总进水流量呈线性正相关；故对于 ４ 个进水口的鱼舱，当总进水流量小于 １８４ ｍ

３

／ ｈ 时，鱼舱流速始终小于

０．５ ｍ／ ｓ，是适合 １ 龄以上大黄鱼（体长大于 ２７ ｃｍ）养殖的。 当因增加总进水流量而导致舱内流速大于鱼类

适养流速上限时，可以通过增加进水口数目来降低鱼舱流速，同时增加水体流动的均匀性。 对于锚泊状态下

的工船，当横摇角度幅值小于 ２°时，横摇运动对鱼舱流场的影响较小，此时可以通过改变总进水流量和进水

口数目来调节鱼舱流场；当横摇角度幅值大于 ２°时，横摇运动对鱼舱流场的影响较大，尤其当横摇角度幅值

达到 ５°后，此时进水射流对鱼舱流场的调节作用有限。

关键词：水产养殖；养殖工船；横摇；流速；流动均匀性

中图分类号：Ｓ９６５．３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００７⁃９５８０（２０２２）０５⁃０００１⁃００７

近年来，养殖工船成为海水养殖领域新的研

究热点［１⁃４］

。 养殖工船锚泊于深远海水域，通过

其内置的大容积鱼舱进行水产养殖，并通过进出

水推流 实 现 舱 内 水 体 的 流 动， 养 殖 水 环 境 可

控［５］

，然而，进出水推流下的舱内流场是否适合

鱼类养殖仍需评估；同时，在风浪流作用下，养殖

工船鱼舱不可避免地会发生晃荡现象，鱼舱晃荡

可能会改变舱内原有的水体流动状态，从而影响

鱼类的养殖环境。 因此，研究进出水推流和晃荡

对养殖工船鱼舱流场的影响，分析舱内水体的流

动特性，对发展深远海工船养殖具有重要意义。

养殖水环境内流速大小、流动的均匀程度等

对鱼类的生长和环境内残饲粪便等颗粒物的排出

有重要影响［６⁃８］

。 流速引起的强制运动可以改善

养殖鱼类肌肉张力，从而提高鱼种放生后的存活

率［９］

；但过高的流速会使养殖鱼类失去游泳能

力，甚至导致鱼类死亡［１０］

；适合鱼类养殖的流速

与其体长有关，对于 １ 龄以上的大黄鱼（体长大

于 ２７ ｃｍ），流速在 ０．５ ｍ ／ ｓ 以内对其的不利影响

较小［１１⁃１２］

。 均匀的水体流动不仅可以使溶氧在

有限的养殖空间内均匀分布［６，１３］

，而且还有利于

养殖环境内颗粒物的排出［１４］

，故在流场特性的研

究中应尽可能地提高养殖环境内水体流动的均匀

程度，以为养殖鱼类提供均匀的水质。

在陆基工厂化养殖中，矩形池、圆形养殖池以

及 ＭＣＲ 跑道池（Ｍｉｘｅｄ⁃Ｃｅｌｌ Ｒａｃｅｗａｙ）是 ３ 种常用

渔 业 现 代 化 ２０２２ 年

的养殖池，且因易于建造，矩形养殖池最先被采

用。 当矩形养殖池的长宽比大于 １．９１ 时，池内水

体流动的均匀性显著降低，会产生大量的低速区，

而当长宽比小于 １． ４３ 时流动均匀性无显著变

化［１５］

。 Ｏｃａ 等［１６］对圆形养殖池池形结构对池内

流速分布的影响做了理论分析和试验研究，提出

了一种确定池形结构参数的模型。 为评估进水射

流和排水速率（池底中心排水）对 ＭＣＲ 跑道池内

流速大小和流动均匀性的影响，Ｌａｂａｔｕｔ 等［１７］ 进

行了试验研究，发现排水速率的影响并不显著，进

水射流对流速大小有显著影响，而对流动均匀性

的影响并不显著；然而，有研究发现采用带有径向

分量的进水射流是可以改善养殖池内水体流动的

均匀性［６］

。 此外，Ｌａｂａｔｕｔ 等［１８⁃１９］ 针对 ＭＣＲ 跑道

池依次进行了二维和三维的数值模拟研究，结果

与其试验研究的结果［１７］ 一致；另外，还发现池内

水体绕着其垂向中心轴循环流动，流速大小从近

壁区到中心轴区域呈递减。 因此，对于陆基工厂

化养殖而言，养殖池的形状、进水流量以及进水射

流的方向对池内流场均有较大的影响；然而，对于

面向深远海的养殖工船，其鱼舱水环境受进水射

流和鱼舱晃荡共同作用，二者对鱼舱流场的影响

同样重要。 近期，Ｇｕｏ 等［７］ 和崔铭超等［２０］ 采用

ＦＬＯＷ⁃３Ｄ 软件，对横摇运动下养殖工船鱼舱流场

特性进行数值研究，分析了角度为 ５°、７°、１０°和

１２°的横摇运动下的鱼舱流场，并对其适渔性进行

了评估。 目前，在横摇运动下养殖工船鱼舱流场

特性的研究中，横摇角度小于 ５°的研究尚未见

报道。

以船载舱养为核心的工船养殖是一种新兴的

水产养殖方式，在实践中其仍有基础知识和经验

上的不足。 本研究基于海上实测的船体横摇运动

数据，采用 ＦＬＯＷ⁃３Ｄ 软件［２１⁃２２］

，对 ３０００ 吨级养

殖工船鱼舱流场特性进行研究，分析总进水流量

和进水口数目对养殖工船鱼舱流场的影响，并评

估横摇运动下进水射流对鱼舱流场的调节能力，

为船载鱼舱养殖提供理论指导。

１ 模型构建

１．１ 数值模型

在本研究的数值仿真中，养殖工船鱼舱内流

体为三维不可压缩流体，控制方程为连续性方程

和雷诺平均 Ｎａｖｉｅｒ⁃Ｓｔｏｋｅｓ 方程；湍流模型选择

ＲＮＧｋ⁃ε 模型，该模型适用范围较广，且能较好地

模拟旋转流动［２３］

；本研究的数值仿真通过 ＦＬＯＷ⁃

３Ｄ 软件完成，该软件擅长处理存在自由液面的剧

烈晃荡问题［７，２４⁃２５］

。

基于 Ｌｉｕ 等［２６］的晃荡试验，验证本研究数值

模型的正确性。 如图 １ａ 所示，根据 Ｌｉｕ 等［２６］ 晃

荡试验的设置建立相应的矩形舱模型，舱长 Ｂ ＝ ０．

５７ ｍ，高 Ｈ＝ ０．３０ ｍ，初始的静水位 ｈ ＝ ０．１５ ｍ，舱

内水体的固有频率 ｗ０

＝ ６．０６ ｒａｄ ／ ｓ；在矩形舱的左

壁和右壁附近以及舱中央位置依次放置三个测波

仪（Ｇ１、Ｇ３、Ｇ２），用以监测液面波高。 如图 １ｂ 所

示，采用网格尺寸为 ０．００２ ５ ｍ 的均匀网格建立网

格模型；矩形舱的外部激励为 Ｓ（ｔ）＝ －Ｓ０

ｓｉｎ （ｗｔ），

其中 Ｓ０

＝ ０．００５ ｍ，ｗ ＝ｗ０ 。

G1 G2

0.00 0.07 0.34 0.57

0.02

0.285

0.55

B

h H

B/m

H/m

G3

(a)几何模型 (b)网格模型

注：图中，Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３ 为测波仪，Ｂ 为舱长，Ｈ 为舱高，ｈ 为液舱的初始静水位，尺寸单位为 ｍ

图 １ 矩形舱的几何模型和网格模型

Ｆｉｇ．１ Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｍｅｓｈ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｔａｎｋ

对比数值仿真结果与 Ｌｉｕ 等［２６］ 的试验结果

（图 ２），可以看出二者具有较好的一致性，说明本

研究所建立的数值模型是正确的，其应用于养殖

工船鱼舱流场的模拟是可行的。

３６

第 ５ 期 秦康等：基于 ＦＬＯＷ⁃３Ｄ 的船载舱养流场特性分析

0 1 2 3 4 5 6 7

0 1 2 3 4 5 6 7

0 1 2 3 4 5 6 7

0.21

0.14

0.07

0.00

-0.07

0.21

0.14

0.07

0.00

-0.07

0.21

0.14

0.07

0.00

-0.07

Liu等的试验结果—仿真结果

Liu等的试验结果—仿真结果

Liu等的试验结果—仿真结果

图 ２ 数值模型验证

Ｆｉｇ．２ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ

１．２ 计算模型

本研究采用等比例建立 ３ ０００ 吨级养殖工船

“国信 １０１” （以下简称“工船”）的鱼舱模型。 工

船全船对称布置了 ３ 个相同的鱼舱（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３），

如图 ３ａ 所示。 鱼舱长 ８．８ ｍ、宽 ７．８ ｍ、高 ５．２ ｍ，

静水液位高 ４．２ ｍ，鱼舱水体体积约为 ２６３ ｍ

３

；全

舱共布置了 １６ 个进水口，１ 个出水口，进水口位

于鱼舱壁面转角处，出水口位于舱底中央位置，如

图 ３ｂ、图 ３ｃ 所示。 为便于后续处理，以鱼舱底部

中央位置（ Ｏ 点） 为原点建立空间直角坐标系

ＯＸＹＺ，如图 ３ｂ 所示；同时，将鱼舱进水口的布置

分为 ４ 层（记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ），每层 ４ 个进水口，

相邻两层间相距 ０．７ ｍ，靠近舱底的一层（Ⅳ层）

距舱底 １．５ ｍ，如图 ３ｃ 所示。

在 ＦＬＯＷ⁃３Ｄ 软件中，鱼舱的几何形状和液

面通过 ＦＡＶＯＲ

ＴＭ 方法［２２］ 重构，固液交界面采用

无滑移 边 界； 鱼 舱 的 进 出 水 通 过 质 量 动 量 源

（Ｍａｓｓ Ｍｏｍｅｎｔｕｍ Ｓｏｕｒｃｅ）中的源和汇实现。 对于

海上船舶，横摇运动为最主要的船体运动，故在本

研究中以简谐横摇运动作为工船的船体运动，公

式如下

θ（ｔ） ＝ Ａｓｉｎ

２π

ＴＲ

ｔ

■

■

|

■

■

| （１）

式中：Ａ 为横摇角度幅值，ＴＲ为横摇运动的周期，θ

（ｔ）为随时间 ｔ 变化的横摇角度。

在 ＦＬＯＷ⁃３Ｄ 软件中，横摇运动通过非惯性

参考系（Ｎｏｎ⁃ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｆｒａｍｅ）实现。 对于

工船鱼舱，其养殖水体在横摇方向上的一阶固有

周期 Ｔ０≈３．２７ ｓ

［３，２７］

。

(b)三维鱼舱模型 (c)鱼舱模型侧视图

(a) 工船鱼舱布置图

T3 T2 T1

16.6 5.2 4.2

0.7 0.7 0.7 1.5

93.0

P

注：图中，Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３ 为鱼舱，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为鱼舱 ４ 层进水口的位置，Ｏ 为空间直角坐标

系的原点，Ｘ、Y、Ｚ 为坐标轴，尺寸单位为 ｍ

图 ３ 工船鱼舱的布置与结构

Ｆｉｇ．３ Ｌａｙｏｕｔ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｆｉｓｈ ｔａｎｋｓ ｏｎ ｔｈｅ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌ

３７

渔 业 现 代 化 ２０２２ 年

网格收敛性验证采用横摇周期为 ６ ｓ、横摇角

度为 ５°的横摇工况进行，模型网格为均匀网格，

网格尺寸依次为 ０．１、０．２ 和 ０．４ ｍ，最密集网格的

网格总数约为 ４２ 万；分别使用 ３ 种不同尺寸的网

格进行数值计算，并记录点（０，３． ６，３． １） 处的流

速。 当仿真时间大于 ９５０ ｓ 后，点（０，３．６，３．１）处

的流速呈周期性变化，９５０ ～ ９７０ ｓ 间的流速变化

如图 ４ 所示，３ 种网格尺寸对应的流速幅值依次

为 ０．４５７、０．４５４ 和 ０．４１３ ｍ ／ ｓ。 以 ０．１ ｍ 网格尺寸

下的流速幅值为基准，得到 ０．２ 和 ０．４ ｍ 网格尺寸

下的流速分别为 ９９．３％和 ９０．４％；若以 ９５％作为

收敛标准，则当网格尺寸小于 ０．２ ｍ 后，网格尺寸

对仿真计算结果的影响较小，计算结果是收敛的。

因此，综合考虑计算精度和效率，将本研究中数值

仿真的网格尺寸取为 ０．１ ｍ。

D=0.1 m D=0.2 m D=0.4 m

954 957 960 963 966

0.6

0.4

0.2

0.0

注：图中，Ｄ 为网格尺寸

图 ４ 网格收敛性验证

Ｆｉｇ．４ Ｍｅｓｈ ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ

１．３ 仿真工况

船体横摇运动的现场实测通过数字量航姿参

考系统（型号：ＡＨＲ７３０，中国无锡极锐科技有限

公司制造）完成，实测过程中，工船锚泊于青岛市

长门岩锚地（３６°１５′０７１″Ｎ，１２０°５４′７２９″Ｅ），数字

量航姿参考系统（以下简称为“ＡＨＲＳ”）固定于船

中甲板上（图 ３ａ 中的 Ｐ 点位置）。 ＡＨＲＳ 所采集

的船体横摇角度数据是时历数据，从其中可直接

获取横摇角度幅值，但横摇周期的获取需对数据

做一定的处理，该过程包括分帧、加窗和时频域转

换；分析处理后的船体横摇运动数据，发现工船横

摇运动的周期集中在 ５．３ ～ ６．４ ｓ 间，角度幅值在

０° ～７．３°间，且 ０° ～２°居多。

基于鱼舱进水口的控制状态和现场实测的船

体横摇运动数据，在不同工况下进行数值仿真，分

析总进水流量、进水口数目和横摇角度幅值对鱼

舱流场的影响，数值仿真工况具体如表 １ 所示。

表 １ 仿真工况分组

Ｔａｂ．１ Ｇｒｏｕｐｉｎｇ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ

组别

进水射流

总流量／

（ｍ

３

／ ｈ）

进水口

数目／ 个

横摇运动

角度／ （°） 周期／ ｓ

Ａ１ １１０

Ａ２ １４５

Ａ３ １８０

Ａ４ ２１５

４ 无

Ｂ１

Ｂ２

Ｂ３

Ｂ４

１４５

４

８

１２

１６

无

Ｃ１

Ｃ２

Ｃ３

１４５ ４

０

２

５

６

注：在上述 １１ 种工况中，４ 个进水口的工况对应于打开Ⅰ层

的进水口，８ 个进水口的工况对应于打开Ⅰ和Ⅲ两层的进水

口，１２ 个进水口的工况对应于打开Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三层的进水口，

１６ 个进水口的工况对应于打开所有的进水口，进水口的位置

如图 ３ｃ 所示；出水口始终处于开启状态

１．４ 数据处理

本研究主要探讨了总进水流量 Ｑ、进水口数

目 Ｎ 以及横摇角度幅值 Ａ 对鱼舱流场的影响，流

场特性参数为流速大小和流动均匀性，其中，水体

流动的均匀程度通过流动均匀性指数来量化，公

式［８，２８］如下

γ ＝ １ －

１

２Ｓ∑

ｎ

ｉ ＝ １

ｖｉ

－ ｖ

－

ｖ

－

Ｓｉ （２）

式中：γ 为某截面上水体流动的均匀性指数，γ∈

［０，１］，γ 越大，水体流动的均匀性越好；Ｓ 为截面

面积；ｎ 为截面上的计算单元个数；ｖｉ 和 Ｓｉ 分别为

计算单元 ｉ 的流速和面积；ｖ

－ 为截面上所有计算单

元的平均流速。

通过公式（２）计算出鱼舱不同水深处水平截

面（ＸＯＹ 截面）的流动均匀性指数 γ，从而绘制流

动均匀性指数 γ 随水深 Ｈ 变化的曲线，分析不同

工况下鱼舱水体流动的均匀性。

对于工船鱼舱流场，几个点、线或平面上流速

数据的变化不能代表整个流场的特征；因此，本研

究通 过 累 计 概 率 密 度 （ ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ

ｄｅｎｓｉｔｙ，ＣＰＤ）来统计分析鱼舱流速 ｖ，绘制出 ＣＰＤ

随 ｖ 变化的累计概率密度曲线，从而在整体上分

３８

第 ５ 期 秦康等：基于 ＦＬＯＷ⁃３Ｄ 的船载舱养流场特性分析

析鱼舱流场；同时，为避免因过大数据的干扰而无

法把握数据的整体情况，取流速数据的 ９９％分位

数来代表最大流速，即鱼舱内最大流速为 ｖ０．９９ 。

另外，分析总进水流量 Ｑ 和进水口数目 Ｎ 对 ｖ０．９９

的影响，并进行线性回归分析和显著性检验。

在本 研 究 中， 数 据 的 处 理 通 过 ＭＡＴＬＡＢ

Ｒ２０２１ａ 和 ＩＢＭ ＳＰＳＳ Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ２５ 完成。

２ 结果与分析

２．１ 总进水流量对鱼舱流场的影响

为分析总进水流量 Ｑ 对鱼舱流速大小 ｖ 的影

响，在 Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４ 四种工况下对比分析舱内

流速分布，如图 ５ａ 所示。 ４ 种工况对比，发现当

进水口数目不变时，随着总进水流量从 １１０ ｍ

３

／ ｈ

增加到 ２１５ ｍ

３

／ ｈ， 鱼 舱 流 速 大 幅 增 加， ｖ０．９９ 从

０. ３０４ ｍ ／ ｓ 增加到 ０．６０２ ｍ ／ ｓ，增幅为 ９８．０％。 对

流速 ｖ０．９９ 和总进水流量 Ｑ 进行回归分析，发现

ｖ０．９９与 Ｑ 呈线性相关（图 ５ｂ），其线性回归方程为

ｖ０．９９

＝ ０．００２８Ｑ ⁃ ０．０１６ ３

Ｒ

２ ＝ ０．９９１，Ｐ ＝ ０．００４ ６

（３）

式中：ｖ０．９９ 、Ｑ 分别表示流速、总进水流量，单位分

别为 ｍ ／ ｓ、ｍ

３

／ ｈ；Ｐ＜０．０１。

图 ５ 总进水流量对鱼舱流速大小的影响

Ｆｉｇ．５ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｉｎｆｌｕｅｎｔ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｏｎ ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｆｉｓｈ ｔａｎｋ

为分析总进水流量 Ｑ 对鱼舱流动均匀性的

影响，在 Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４ 四种工况下对比分析鱼

舱不同水深处水平截面的流动均匀性指数 γ，如

图 ６ 所示。

A1 A2

A3 A4

0.70 0.75 0.80 0.85 0.90

图 ６ 总进水流量对鱼舱流动均匀性的影响

Ｆｉｇ．６ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｉｎｆｌｕｅｎｔ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｏｎ

ｆｌｏｗ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｏｆ ｆｉｓｈ ｔａｎｋ

四种工况对比，发现当进水口数目不变时，随

着总进水流量的增大，鱼舱不同水深处的流动均

匀性指数变化较小，尤其当总进水流量从 １４５

ｍ

３

／ ｈ 增加到 １８０ ｍ

３

／ ｈ 时，不同水深处的流动均

匀性指数几乎无变化（图 ６ 中 Ａ２、Ａ３ 两种工况下

的曲线几乎完全重合）。 另外，发现除 ０ ～ １ ｍ 水

深区域外，不同工况下鱼舱内其余区域的流动均

匀性指数均大于 ０．８，流动均匀性较好；０ ～ １ ｍ 水

深区域的流动均匀性较差应与鱼舱进水口的位置

有关（Ⅰ层进水口的水深为 ０．６ ｍ）。

２．２ 进水口数目对鱼舱流场的影响

为分析进水口数目 Ｎ 对鱼舱流速大小 ｖ 的影

响，在 Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４ 四种工况下对比分析舱内流

速分布，如图 ７ａ 所示。 ４ 种工况对比，发现当总

进水流量不变时，随着进水口数目从 ４ 增加到

１６，鱼舱流速大幅降低，ｖ０．９９从 ０．３８５ ｍ ／ ｓ 降低至

０．１６１ ｍ ／ ｓ，降幅为－５８．２％。 对流速 ｖ０．９９和进水口

数目 Ｎ 进行回归分析，发现 ｖ０．９９与 Ｎ 呈线性相关

（图 ７ｂ），其线性回归方程为

３９

渔 业 现 代 化 ２０２２ 年

ｖ０．９９

＝ － ０．０１７ ６Ｎ ＋ ０．４２７ ５，

Ｒ

２ ＝ ０．９０３，Ｐ ＝ ０．０４９ ９

（４）

式中：ｖ０．９９ 、Ｎ 分别表示流速和进水口数目，单位分

别为 ｍ ／ ｓ、个；Ｐ＜０．０５。

图 ７ 进水口数目对鱼舱流速大小的影响

Ｆｉｇ．７ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｉｎｌｅｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｆｉｓｈ ｔａｎｋ

为分析进水口数目 Ｎ 对鱼舱流动均匀性的

影响，在 Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４ 四种工况下对比分析鱼舱

不同水深处水平截面的流动均匀性指数 γ，如图 ８

所示。

B1 B2

B3 B4

0.72 0.76 0.80 0.84 0.88 0.92

图 ８ 进水口数目对鱼舱流动均匀性的影响

Ｆｉｇ．８ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｉｎｌｅｔｓ ｏｎ

ｆｌｏｗ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｏｆ ｆｉｓｈ ｔａｎｋ

四种工况对比，发现当总进水流量不变时，随

着进水口数目从 ４ 增加到 ８，流动均匀性指数出

现了大幅的增加，尤其在 ０ ～ １．５ ｍ 水深区域；而

当进水口数目从 ８ 增加到 １６ 时，流动均匀性指数

略有增加，变化并不明显；同时，发现除 Ｂ１ 工况

外，其余三种工况下鱼舱不同水深处的流动均匀

性指数均大于 ０．８，流动均匀性较好。 另外，从图

８ 中可以看出，在不同工况下，鱼舱进水口和出水

口水深处的流动均匀性指数均较小，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ

层进水口处的水深依次为 ０．６、１．３、２．０、２．７ ｍ（图

３ｃ），出水口位于舱底中央处，即 ４．２ ｍ 水深位置。

受口径的影响，鱼舱水体在流经进水口或出水口时

流速会较高，故在靠近进水口或出水口处的水平截

面上，流速分布不均匀，流动均匀性较差。

２．３ 横摇角度幅值对鱼舱流场的影响

为分析横摇角度幅值 Ａ 对鱼舱流速大小 ｖ 的

影响，在 Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ 三种工况下对比分析舱内流

速分布，如图 ９ 所示。 三种工况对比，发现当横摇

周期不变时，随着横摇角度幅值从 ０°增加到 ２°，

鱼舱流速略有增加， ｖ０．９９ 从 ０． ３８５ ｍ ／ ｓ 增 加 到

０. ４１３ ｍ ／ ｓ；而当横摇角度幅值从 ０°增加到 ５°时，

鱼舱流速出现了大幅的增加，ｖ０．９９从 ０．３８５ ｍ ／ ｓ 增

加到 ０．５０７ ｍ ／ ｓ，增幅为 ３１．７％。

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

C1 C2 C3

G

P

D

图 ９ 横摇角度幅值对鱼舱流速大小的影响

Ｆｉｇ．９ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｒｏｌｌ ａｎｇｌｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｏｎ ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ

ｆｉｓｈ ｔａｎｋ

４０

第 ５ 期 秦康等：基于 ＦＬＯＷ⁃３Ｄ 的船载舱养流场特性分析

为分析横摇角度幅值 Ａ 对鱼舱流动均匀性

的影响，在 Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ 三种工况下对比分析鱼舱

不同水深处水平截面的流动均匀性指数 γ，如图

１０ 所示。

注：红色虚线为Ⅰ层进水口所在的水深位置，水深为 ０．６ ｍ

图 １０ 横摇角度幅值对鱼舱流动均匀性的影响

Ｆｉｇ．１０ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｒｏｌｌ ａｎｇｌｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｏｎ

ｆｌｏｗ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｏｆ ｆｉｓｈ ｔａｎｋ

３ 种工况对比发现，当横摇周期不变时，随着

横摇角度幅值从 ０°增加到 ２°，鱼舱流动均匀性略

有降低，但 Ｃ２ 工况下 １．１～３．９ ｍ 水深区域内流动

均匀性指数仍大于 ０．８；而当横摇角度幅值从 ０°

增加到 ５°时，鱼舱流动均匀性显著降低，Ｃ３ 工况

下鱼舱 ０．７～４．２ ｍ 水深区域内流动均匀性指数明

显低于 Ｃ１ 工况。

３ 讨论

３．１ 进水射流对工船鱼舱流场的影响

在工船鱼舱的日常养殖作业中，常通过增加

总进水流量来缩短鱼舱单次排水所需的时间（鱼

舱水体体积／ 总进水流量），加快鱼舱水体的更新

和水中颗粒物的排出，但不同总进水流量下的鱼

舱流场是否适合鱼类养殖仍需评估。 本研究在控

制进水口数目不变的条件下分析总进水流量对鱼

舱流速大小和流动均匀性的影响，结果表明，总进

水流量对鱼舱流速大小有显著影响，而对流动均

匀性的影响并不显著。 随着总进水流量的增大，

鱼舱流速大幅增加图 ５（ ａ），且流速 ｖ０．９９与总进水

流量 Ｑ 呈线性相关，关系式如公式（３）所示。 对

于 １ 龄以上大黄鱼（体长大于 ２７ ｃｍ），其适养流

速上限为 ０．５ ｍ ／ ｓ

［１１⁃１２，２９］

，故通过公式（３）计算可

知，当总进水流量小于 １８４ ｍ

３

／ ｈ 时，流速 ｖ０．９９始

终小于 ０．５ ｍ ／ ｓ，鱼舱流速是适合 １ 龄以上大黄鱼

养殖的。

除总进水流量外，还研究了进水口数目对鱼

舱流场的影响。 在控制总进水流量不变的条件

下，分析进水口数目对鱼舱流速大小和流动均匀

性的影响，结果表明，进水口数目对鱼舱流速大小

和流动均匀性均有显著影响。 随着进水口数目的

增加，鱼舱流速大幅降低（图 ７ａ），且流速 ｖ０．９９与

进水口数目 Ｎ 呈线性相关，关系式如公式（４）所

示；当进水口数目从 ４ 增加到 ８ 时，流动均匀性指

数大幅增加，而当进水口数目从 ８ 增加到 １６ 时，

流动均匀性指数略有增加，变化并不明显（图 ８）。

因此，当因增加总进水流量而导致舱内流速大于

鱼类适养流速上限时，可以通过增加进水口数目

来降低鱼舱流速，同时增加水体流动的均匀性。

３．２ 横摇运动下进水射流对鱼舱流场的调节

对于锚泊状态下的养殖工船，其鱼舱水环境

受进水射流和横摇运动共同作用，二者对鱼舱流

场的影响同样重要；因此，在研究进水射流对鱼舱

流场的调节作用时，横摇运动对其的影响不容忽

视，而横摇角度幅值和横摇周期是两个重要的影

响因素。 横摇角度幅值对养殖工船鱼舱流场有显

著影响，随着横摇角度幅值的增大，舱内流速显著

增大，同时也加剧了鱼舱水体流动的不均匀程

度［７，１２，２０］

。 通过分析现场实测的工船船体横摇运

动数据，发现横摇角度幅值在 ０° ～ ７．３°间，且 ０° ～

２°居多，大部分时间内工船横摇运动均较为平缓；

因此，在本研究中，重点分析 ０°、２°和 ５°角度幅值

下的横摇运动；其中，当横摇角度幅值达到 ５°时，

鱼舱流速 ｖ０．９９为 ０．５０７ ｍ ／ ｓ，已达到了 １ 龄以上大

黄鱼（体长大于 ２７ ｃｍ）的适养流速上限［１１⁃１２］

。 横

摇周期对养殖工船鱼舱流场的影响主要与鱼舱水

体的固有周期有关，当船体横摇运动的周期接近

鱼舱水体的固有周期时，鱼舱水体因共振而剧烈

晃荡，流场变化较大，而当船体横摇运动的周期远

离鱼舱水体的固有周期后，横摇周期对鱼舱流场

的影响较小［７，２０，３０］

。 通过分析现场实测的工船船

体横摇运动数据，发现横摇周期变化范围较小，多

４１