气举泵技术研究进展及在深远海工船养殖中的应用探讨

文/林礼群 张耀明 董晓妮 王志勇

气举泵是以压缩气体为工作介质，通过气液动量交换作用，实现提升液体或液体固体颗粒混合物的装置。与常规机械泵相比，气举泵具有无机械传动部件、结构简单、耐腐蚀、不受水深限制、初始成本和维护成本低、空间要求小等特点，在使用方面具有一定优势，较早应用于石油、化工、河港口清淤等领域。虽然现阶段相关专家已在气举泵结构设计、工艺参数合理选择上积累了大量的实践经验，但由于气举泵中气液流动复杂性高，其工作效率较低，市场推广受到限制。

气举泵技术在深远海工船养殖应用方面尚处于探索阶段。深远海养殖作为拓展中国水产养殖空间，提升中国深远海渔业资源利用能力，推动渔业提质增效、生产方式转变的重要途径，是中国水产养殖重要研究和发展方向。我国深远海工船养殖起步较晚，目前缺乏系统性的养殖工艺研究与支撑设备的关键环节、关键技术突破。深远海工船养殖需要大量水泵、排污泵、增氧泵等，存在耗能巨大、安装复杂、维护费用高等问题。开展气举泵技术在深远海养殖工程中的应用研究，挖掘其应用潜能，对推动我国深远海绿色养殖产业发展具有重要意义。

气举泵结构原理图

一、气举泵技术国内外研究进展

第一台气举泵由德国工程师卡尔·伊曼纽尔·洛舍于1797年发明。这项技术的第一次实际应用直到1846年才在美国出现，当时该技术在宾夕法尼亚州首次被用于石油工业。1949年，苏联阿塞拜疆油田将气力提升技术应用于石油开采并取得了较好的效果。随后，气举泵开始向多领域扩展，技术也日臻完善。由于气举泵提升管内多相流建模的复杂性和气举泵在各行业中应用的特殊性，研究评价气举泵的性能一直是国内外学者们感兴趣的课题。

在气举泵运行参数影响研究方面：Saito等研究了深海应用中气举泵系统的流体动力学，在研究的气体速率范围内获得了每个泵的最大液体流速；Abed使用数学模型计算得出扬水量与提升管长度、浸入率及内径的关系；Kassab等得出泵的扬水量和效率是空气质量流量、浸入率和提升管长度的函数；Hanafizadeh等利用图像处理技术对气举泵提升管内的气液两相上升流动进行了实验分析，检测到4种主要流动状态，发现弹状流状态最适合气举泵系统；Fujimoto等研究了提升管局部弯曲对三相空气—水—固体颗粒混合物流动特性的影响，试验表明弯管的存在降低了气举泵的性能；Esen对横截面为矩形和圆形的提升管进行了对比试验研究，表明在高气流量值下矩形截面管道对气力提升效率高于圆形截面管道，而在低气流量下则相反。

在进气结构参数影响研究方面：Runkin开创性计算得到喷射器在变工况下的特征曲线方程；Morrison等使用不同数量气体喷射器研究了不同进气方式下的气举泵提升性能，得出空气进气方式对气举泵提升效率有很大影响；Khalil等研究了空气注入方法对气举泵性能的影响，表明初始气泡尺寸和气泡在主提升管中的分布对泵的性能有很大的影响；Ahmed将空气喷射器喷嘴在提升管底部以径向和轴向组合的方式注入压缩空气，可有效提高泵的效率；向文英等提出气举泵与自激振荡脉冲水射流联合作用清淤方法，并在海南省文昌市某滨海砂矿场进行了现场实验，取得了良好效果；胡东、唐川林、裴江红等研究了气孔数量与进气安装角度对扬水量、扬沙量及总效率的影响，得出任一进气方式下扬水量、扬沙量及总效率并不随气量值增加呈现单调特性，气孔数量和进气角度对扬水量及扬沙量影响较小，对总效率影响程度稍大。

在气举泵流体物性参数影响研究方面。Kassab等基于控制容积法，建立了气举泵在气—水—固三相流中的性能预测模型，并使用粗糙、不规则、不均匀颗粒进行实验，研究了浸入率和固体颗粒粒径对泵性能的影响，计算结果与实验结果吻合较好。当气流速度一定时，随着浸入率的增大，固体颗粒的质量流量也增大，反之，随颗粒尺寸的增大而减小，气举泵扬水量和固体颗粒的性能均取决于泵运行时的流型。Barrut等研究测试了循环水养殖系统淡水和海水对气举泵性能影响，结果显示，随着管道长度和空气流量的增加和扬程高度的减小，水流量增加，但是水流量与水的类型有关，淡水的水流量范围为0～35m/h，海水流量仅为0～20m/h，这种差异归因于在海水（0%～20%）中观察到的气泡直径较小，气含率高于淡水（0%～10%）。

二、气举泵技术应用于水产养殖的研究现状

关于气举泵技术在水产养殖中的应用研究，早在1987年，Parker就设计了一种应用于水产养殖的气举泵系统，评估气举泵输送水的流速后发现，水流量会随着进气量的增加而增加，水流量增加到临界点后，由于两相流型的转变，水的流速会突然减小。在之后一些国外文献中也有不少气举泵技术在水产养殖方面的相关研究，研究关注点除了气举泵运行参数与结构参数对提升和曝气性能的影响外，还有颗粒密度、养殖水体含盐率和养殖空间真空度等对气举泵提升性能的影响规律。这些研究大部分处于实验阶段，很少有水产养殖企业应用气举泵技术进行水循环、曝气和养殖污物清除。这可能是由于传统气举泵设计效率较低，在提高气举泵性能方面的研究有限，以及水产养殖行业对气举泵技术的认识与研究不足。

Barrut等为测试气举泵在淡水和养殖海水中的输水能力，并将其与循环养殖系统中常用的其他泵送系统进行比较，构建了真空气举泵水循环实验平台系统。研究表明，由于气含率和气泡大小的不同，气举泵在淡水和海水中的功能存在显著差异。与海水相比，淡水条件下，气泡聚并现象明显，气含率低于海水，输水能力更高，但扬程较低。抽水方面，真空度的增加略微提高了气举泵的输水能力，并被用作在不增加注入深度的情况下增加浸没比的替代方案。在循环养殖系统中，由于水质的变化以及气泡尺寸和气含率的变化，加入进料会迅速增加真空气举泵输送的水流量。在低扬程循环养殖系统（扬程≤0.3m）中，真空气举泵可将提升同样高度的离心泵所需的能量降低40%，但对于高扬程，离心泵在水流量和能耗方面都有更好的效果。气举泵装置的主要优点为在同一装置中结合了水输送、气体交换和泡沫分馏三大功能，因此在低扬程水产养殖中具有一定应用前景。

Shallouf等针对集成式水产养殖跑道的气举泵系统进行了CFD数值模拟，并在加拿大安大略省南部的一处水产养殖设施中安装了一个由FloNergia公司提供的气举泵系统。基于在跑道养殖系统中保持特定流速值对于帮助鱼类生长至关重要，他研究了气举泵系统对跑道养殖的流量及运行的影响，测量了穿过和沿着跑道的流速分布，以及不同深度的流速分布，试验测量值与数值结果吻合较好。这些结果表明，CFD方法可以用来研究气举泵系统的性能，并很好地提供预测结果，Shallouf将CFD方法纳入该项目的设计阶段，获取对设备运行的准确预测，并按照预测数据将气举泵集成到水产养殖系统中，挖掘出巨大的经济效益潜力。

江涛等针对大水面网箱养殖面域污染的问题，研发了网箱底部养殖污物汇集装置，利用气举泵提升方法对沉积在养殖网箱底部的养殖污物尾水进行提升收集，并结合相关生态处理技术及工艺对收集的养殖废弃尾水进行处理。经大水面网箱养殖试验表明，每个网箱废弃物每日收集一次，每个集污斗采用的气举泵提水量为0.34m，集污斗内的水由浑浊排至透明仅需85s以上，试验证实了气举泵能快速有效提升排放养殖污物。

三、气举泵技术应用于深远海工船养殖的探讨

气举泵技术在水产养殖的应用场景主要有三种：一是养殖用水曝气增氧。养殖用水的循环和曝气提高了初级生产力，减少了分层，增加了养分的溶解，减少了底层有机物的积累，增加了鱼类产量。二是养殖水体输送交换。输送水通常采用常规泵循环，但由于气举泵装置易于建造、使用简单且经济，在低扬程系统中使用时，能源成本比标准泵低35%，所以更适用于养殖水体输送交换。三是养殖污物提升排放。通过气力提升的方法对沉积在养殖池底部的废弃物尾水进行提升收集。

深远海工船养殖是通过养殖水体交换系统，实现养殖舱内水体与外界自然海水进行不间断强制交换，借助深层取水装置获取温度盐度适宜的海水进行养殖，保持养殖鱼处于良好生长状态，提升水产养殖品质。同时，考虑到工船养殖经济性，在工船有限养殖空间内一般采用高效增氧方式开展高密度养殖，为保持良好的养殖水质，必须要在养殖舱中安装集排污装置及时清除养殖污物。因此，养殖海水交换、养殖舱增氧与养殖污物清除是深远海工船养殖作业的重要环节。

在深远海工船养殖生产中，经常需要输送流量大、扬程低的水体。目前市售的传统水泵扬程多高于1m，能耗较高，电路铺设与安装麻烦，运行维护费用高。此外由于传统水泵流量大、流速快，养殖鱼类容易进入泵内受到损伤，造成不必要的损失。气举泵适用于低扬程系统，结构简单、能耗低、维护少，输送水体时不会对养殖生物造成伤害，还具有驱动能源来源广的特点，可以利用深远海丰富的能源，如风能、波浪能、太阳能等作为驱动力，保障系统正常运行。其应用于深远海工船养殖，可以解决传统泵使用带来的诸多问题，对推进深远海工船养殖装备发展具有重要意义。

四、气举泵技术应用于深远海工船养殖的发展建议

（一）加快试验与数值模拟条件建设

由于深远海工船养殖环境比较复杂，不确定因素多，使得气举泵技术在深远海工船养殖的研究目前还处于探索阶段，相关试验条件并未完善，与实际应用还存在很大差距，阻碍了该技术的拓展应用。相关部门需进一步加强条件建设，模拟真实现场实验条件，并进行数值模拟软件的开发，更加精确地模拟出现场实际应用工况。

（二）增加气举泵多功能性应用设计与动力来源

在深远海工船养殖中，可采用多功能作用方式设计应用气举泵，即将其输送水体、增氧、去除水体养殖污物等作用统筹设计应用，使系统更加紧凑，减少安装空间和维护管理成本，最大限度减少用户使用成本，有效提升养殖经济效益。如，在气举泵压缩空气出气口端增加曝气装置，保证氧气充分溶解，从而实现有效增氧，提高养殖水体水质；在气举泵提升管底部设置养殖固体污物收集装置，在提升管顶部设置固液分离装置，实现养殖污物提升收集，改善养殖水体环境。气举泵利用压缩空气提升液体及液固混合物，其压缩空气的动力可以直接来源于深远海丰富的自然能源，可在深远海养殖工船设置波浪能动力摄取装置，也可增加太阳能、风能等能源摄取装置，达到充分利用海上清洁能源、节能降耗的目的。

（三）提高气举泵工作效率

工作效率相对较低是气举泵一直以来的弱点，极大限制了气举泵的市场推广应用。在合理选择气举泵应用场景下，尤其是在气举泵最适宜的低扬程、大流量应用环境下，进一步合理设计其运行参数、浸入率、进气结构类型、进气排布方式、提升管结构参数等，并选择合适的控制阀件，选择耐压、耐磨与密闭性能良好的管系，可有效提高气举泵的系统性能与效率。另一方面，由于提升管内流型处于弹状流或弹—搅拌状流型时，气举泵效率最高，因此需要控制气流速度与压力，保证提升管内始终处于弹状流或弹—搅拌状流型状态，从而保持较高工作效率。也可以基于气举泵结构创新设计，将气举泵单元级联组合，实现水位逐级提升，进而提升扬程与工作效率。

（四）提高气举泵应用智能化水平

随着各行业智能装备的不断发展，节约养殖劳动成本、提高智能化管理水平也成为水产养殖领域发展的必然趋势。针对气举泵系统的开关、开度与计量等控制元器件，结合气举泵多方位传感器自动监测系统，开发气举泵多参数运行集中控制平台，根据输出量状态自动完成气举泵供气压力、流量、液位等的实时监控与调控，并针对深远海工船气举泵特定应用及操作方法，开发电脑、手机等多平台操作系统，使整个操作方便快捷，进一步使气举泵应用做到设计参数化、控制智能化、操作简单化，从而更好地促进深远海养殖业机械化、智能化发展。