CN110219652A - 分布式深海采矿系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种分布式深海采矿系统，包括：漂浮于水面上的中央支持平台、工作于水面以下的卫星采矿提升系统、和海底集矿机，其中，中央支持平台与多个卫星采矿提升系统之间柔性连接，每个卫星采矿提升系统连接有多个海底集矿机，中央支持平台协调多个卫星采矿提升系统在水下组合协同工作，每个卫星采矿提升系统分别管理与其连接的多个海底集矿机组合协同工作，每个海底集矿机通过与其对应连接的卫星采矿提升系统将采集到的矿砂输送至中央支持平台。本发明通过分布式集群作业模式，实现一套中央支持平台支持多套卫星采矿提升系统和多台集矿机同时作业，作业效率高；卫星采矿提升系统可工作于水下，适应恶劣海况。
Description
技术领域
本发明涉及水下采矿设备技术领域，具体涉及一种分布式多矿种深海采矿系统和方法。
背景技术
海洋蕴藏着丰富的矿物资源。随着陆地资源不断被开发，越来越多的国家将资源的开发转向了深海。深海矿藏资源开采系统的核心问题是如何最高效率地将海底的矿石采集、提升到海面、经脱水后运输到港口。
目前已有的深海采矿方案基本形式是海面有采矿支持母船，采矿支持母船布放一台履带式或滑靴自行式采矿机到海底，在采矿机和海面支持母船之间通过泵还管道组成的扬矿系统连接，采集的矿物通过扬矿系统输送到海面的母船。
现有方案存在以下缺点有：(1)1个采矿船支持1套采矿系统以致效率低；(2)海上风暴来临时无法快速撤离。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种分布式深海采矿系统，以解决至少一个上述技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种分布式深海采矿系统，包括：漂浮于水面上的中央支持平台、工作于水面以下的卫星采矿提升系统、和海底集矿机，其中，所述中央支持平台与多个所述卫星采矿提升系统之间柔性连接，每个所述卫星采矿提升系统连接有多个所述海底集矿机，中央支持平台协调所述多个卫星采矿提升系统在水下组合协同工作，每个所述卫星采矿提升系统分别管理与其连接的多个所述海底集矿机组合协同工作，每个所述海底集矿机通过与其对应连接的卫星采矿提升系统将采集到的矿砂输送至所述中央支持平台。
优选地，所述中央支持平台包括：采矿母船；矿砂存储舱，设置于所述采矿母船内，用于存放来自所述卫星采矿提升系统的矿砂；主能源供给系统，安装于所述采矿母船上，用于向所述卫星采矿提升系统和海底集矿机提供动力。
优选地，所述中央支持平台通过矿砂转运输送管系及脐带缆与所述卫星采矿提升系统连接。
优选地，所述矿砂转运输送管系及脐带缆包括多个子段，相邻两个所述子段通过用于中转传输能量和矿砂的中央支持平台中继连接装置连接。
优选地，所述中央支持平台还包括第一无线和卫星通信装置，用于与岸基或船舶之间通讯，实现对所述中央支持平台的远程控制。
优选地，所述卫星采矿提升系统包括浮力平台、提升管系、垂直缆系和海底中继站，所述浮力平台通过所述提升管系、垂直缆系与所述海底中继站连接，所述海底中继站与相应的海底集矿机连接。
优选地，所述卫星采矿提升系统还包括浮力调节装置、和/或垂直推进系统、和/或水平推进系统、和/或应急能源供给系统、和/或水下基础、和/或第二无线和卫星通信装置、和/或USBL超短基线定位信标，其中：所述浮力调节装置安装在所述浮力平台上，用于控制所述浮力平台水下工作深度；所述垂直推进系统安装在所述浮力平台上，用于调节所述浮力平台水下工作深度；所述水平推进系统安装在所述浮力平台上，用于驱动浮力平台按照预定轨迹航行或按照人员操纵指令航行；所述应急能源供给系统安装在所述浮力平台上，用于在无法从所述中央支持平台获取能源时向卫星采矿提升系统提供能源；所述水下基础与所述浮力平台通过张力缆形成张力腿结构；所述第二无线和卫星通信装置安装在水面浮块上，用于与岸基或船舶之间通讯，实现对卫星采矿提升系统的远程控制；所述USBL超短基线定位信标安装在所述浮力平台上，用于供中央支持平台上的USBL超短基线定位基阵根据所述USBL超短基线定位信标的信标信号计算卫星采矿提升系统的空间位置。
优选地，所述海底中继站上设置有水平推进系统，用于控制海底中继站的首向和轨迹与浮力平台同步；和/或所述水下基础上设置有水平推进系统，用于控制水下基础的首向和轨迹与浮力平台同步。
优选地，所述水面浮块和/或所述浮力平台上设置有用于控制相应张力缆长度的绞车。
优选地，所述提升管系由多组管道和水泵串联而成的管系并联组成、或由多组提升链斗组成，用于矿砂的提升；和/或所述垂直缆系的中部与所述提升管系上的水泵连接。
由于采用了上述技术方案，本发明具有以下优点：(1)通过分布式集群作业模式，实现1套中央支持平台支持多套卫星采矿提升系统和多台集矿机同时作业，作业效率高；(2)卫星采矿提升系统可工作于水下，适应恶劣海况；(3)海上风暴来临时，中央支持平台可快速撤离，卫星采矿提升系统可下潜避风，解决了躲避恶劣天气的问题。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是中央支持平台与卫星采矿提升系统的连接示意图；
图3是卫星采矿提升系统的结构示意图。
图中附图标记：1、中央支持平台；2、卫星采矿提升系统；3、海底集矿机；4、采矿母船；5、矿砂存储舱；6、主能源供给系统；7、矿砂转运输送管系；8、脐带缆；9、中央支持平台中继连接装置；10、第一无线和卫星通信装置；11、浮力平台；12、提升管系；13、垂直缆系；14、海底中继站；15、浮力调节装置；16、垂直推进系统；17、水平推进系统；18、应急能源供给系统；19、水下基础；20、第二无线和卫星通信装置；21、USBL超短基线定位信标；22、张力缆；23、水面浮块；24、USBL超短基线定位基阵。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明由一套中央支持平台负责能源供应、矿石处理和转运，每套卫星采矿提升系统再扩展出多套海底集矿机。卫星采矿提升系统和海底集矿机分别负责矿砂提升和海底集矿，由一套中央支持平台负责它们的能源供应，以及采集到的矿石的处理和转运。中央支持平台工作于水面，卫星采矿提升系统工作于水面或0-500米水下。
本发明提供了一种分布式深海采矿系统，包括：漂浮于水面上的中央支持平台1、工作于水面以下的卫星采矿提升系统2、和海底集矿机3，其中：
所述中央支持平台1与多个所述卫星采矿提升系统2之间柔性连接，每个所述卫星采矿提升系统2连接有多个所述海底集矿机3，中央支持平台1协调所述多个卫星采矿提升系统2在水下组合协同工作，每个所述卫星采矿提升系统2分别管理与其连接的多个所述海底集矿机3组合协同工作。
在上述技术方案中，本发明包括一套中央支持平台1、若干套卫星采矿提升系统2、和多套海底集矿机3。其中，中央支持平台1连接若干套卫星采矿提升系统2，各卫星采矿提升系统2再连接若干套海底集矿机3，从而形成分布式拓扑结构。中央支持平台1和卫星采矿提升系统2均为高度自治的系统，可工作在无人自动模式，也可以由人员操纵控制。中央支持平台1工作于水面，其与卫星采矿提升系统2之间只有柔性连接，因此其升沉不会影响卫星采矿提升系统2，对海况适应性强。
按照预定规划，中央支持平台1协调若干卫星采矿提升系统2在水下以合理的组合协同工作，每个卫星采矿提升系统2又分别管理若干海底集矿机3以合理的组合协同工作。因此，本发明所述的这种分布式深海采矿系统可实现高效率对一片矿区较高覆盖率的规模化采集。每个所述海底集矿机3通过与其对应连接的卫星采矿提升系统2将采集到的矿砂输送至所述中央支持平台1。
可见，由于采用了上述技术方案，本发明具有以下优点：(1)通过分布式集群作业模式，实现1套中央支持平台支持多套卫星采矿提升系统和多台集矿机同时作业，作业效率高；(2)卫星采矿提升系统可工作于水下，适应恶劣海况；(3)海上风暴来临时，中央支持平台可快速撤离，卫星采矿提升系统可下潜避风，解决了躲避恶劣天气的问题。
如图2所示，优选地，所述中央支持平台1包括：采矿母船4、矿砂存储舱5和主能源供给系统6。其中，采矿母船4是中央支持平台1的基础，是其他设备安装的载体；矿砂存储舱5设置于所述采矿母船4内，用于存放来自所述卫星采矿提升系统2的矿砂，当矿砂量达到一定量时，可安排其他水面运输船舶与中央支持平台1对接转移矿砂；主能源供给系统6安装于所述采矿母船4上，用于向所述卫星采矿提升系统2和海底集矿机3提供动力。
主能源供给系统6采用核动力发电装置，也可以采用其他常规动力装置，其作用是产生中央支持平台1自身工作所需能源，同时为卫星采矿提升系统2工作提供能源。中央支持平台的采矿母船4可用于平台自身的水平面内位置控制，可按照预定轨迹航行或按照人员操纵指令航行。
卫星采矿提升系统2是能高度自治的能独立开展集矿、提升作业的采矿提升单元。优选地，所述中央支持平台1通过矿砂转运输送管系7及脐带缆8与所述卫星采矿提升系统2连接。优选地，所述矿砂转运输送管系7及脐带缆8包括多个子段，相邻两个所述子段通过用于中转传输能量和矿砂的中央支持平台中继连接装置9连接。卫星采矿提升系统2通过脐带缆从中央支持平台1获取能源，通过软管向中央支持平台1输送矿砂。中央支持平台中继连接装置9工作于水下0-500米范围内，中央支持平台中继连接装置9通过管道连接采矿母船，通过软管连接卫星采矿提升系统的浮力平台。
矿砂转运输送管系7由平台连接端口和管道组成。输送管系的平台连接端口与中央支持平台1连接并与采矿母船4的矿砂存储舱5联通。
中央支持平台中继连接装置9用于和卫星采矿提升系统2的矿砂及能源交互连接。卫星采矿提升系统2通过软管与中央支持平台中继连接装置9连接，实现卫星采矿提升系统2向中央支持平台1输送矿砂；卫星采矿提升系统2通过脐带缆与中央支持平台1中继连接装置连接，实现卫星采矿提升系统2从中央支持平台1获取能源。
优选地，所述中央支持平台1还包括第一无线和卫星通信装置10，用于与岸基或船舶之间通讯，实现对所述中央支持平台1的远程控制。
优选地，所述卫星采矿提升系统包括浮力平台11、提升管系12、垂直缆系13和海底中继站14，所述浮力平台11通过所述提升管系12、垂直缆系13与所述海底中继站14连接，所述海底中继站14与相应的海底集矿机3连接。优选地，海底中继站位于距海底0-500米以内的高度。
优选地，所述卫星采矿提升系统还包括浮力调节装置15、和/或垂直推进系统16、和/或水平推进系统17、和/或应急能源供给系统18、和/或水下基础19、和/或第二无线和卫星通信装置20、和/或USBL超短基线定位信标21，其中：
所述浮力调节装置15安装在所述浮力平台11上，用于控制所述浮力平台11水下工作深度。浮力调节装置15用于浮力平台11的浮力调整，可通过排水方法实现浮力调整。通过浮力调节装置可控制浮力平台浮出水面或悬浮于海面下500米以内的深度。
所述垂直推进系统16安装在所述浮力平台11上，用于调节所述浮力平台11水下工作深度，是另外一种实现浮力平台11水下工作深度调整的手段。当浮力平台工作于水下时，提供浮力微调能力。
所述水平推进系统17安装在所述浮力平台11上，用于平台自身的水平面内位置控制，可以驱动浮力平台11按照预定轨迹航行或按照人员操纵指令航行。
所述应急能源供给系统18安装在所述浮力平台11上，用于在无法从所述中央支持平台1获取能源时向卫星采矿提升系统2提供能源；例如，应急能源供给系统18布置在浮力平台11内部，在中央支持平台1主能源供给系统6故障或其他原因导致卫星采矿提升系统2无法从中央支持平台1获取能源时，可由应急能源18提供卫星采矿提升系统2工作所需能源。
所述水下基础19与所述浮力平台11通过张力缆22形成张力腿结构；水下基础19座底后，整个系统在海水中不再是完全的悬浮状态，水下基础19可以稳定整个卫星采矿提升系统2。水下基础通过张力缆连接于浮力平台，水下基础距浮力平台的距离大于海底中继站距浮力平台的距离，当通过浮力调节装置调节卫星采矿提升系统的重力大于浮力时，卫星采矿提升系统坐于海底，位置保持稳定。
所述第二无线和卫星通信装置20安装在水面浮块23上，用于与岸基或船舶之间通讯，实现对卫星采矿提升系统2的远程控制。当浮力平台悬浮于水下时，水面浮块提供浮力微调能力。岸基系统通过第二无线和卫星通信装置20可实现对卫星采矿提升系统的远程控制。
所述USBL超短基线定位信标21安装在所述浮力平台11上，用于供中央支持平台1上的USBL超短基线定位基阵24根据所述USBL超短基线定位信标21的信标信号计算卫星采矿提升系统2的空间位置。
优选地，所述海底中继站14上设置有水平推进系统，用于控制海底中继站14的首向和轨迹与浮力平台11同步。同样地，所述水下基础19上设置有水平推进系统，用于控制水下基础19的首向和轨迹与浮力平台11同步。
优选地，所述水面浮块23和/或所述浮力平台11上设置有用于控制相应张力缆22长度的绞车。通过绞车可的控制张力缆长度，实现对浮力平台的下潜深度控制。
优选地，所述提升管系12由多组管道和水泵串联而成的管系并联组成、或由多组提升链斗组成，用于矿砂的提升。所述垂直缆系13的中部与所述提升管系12上的水泵连接，从而向相应水泵供电。垂直缆系13上端连接浮力平台11，下端连接海底中继器，中间连接提升管系12上的水泵，浮力平台11从中央支持平台1获取能源后通过垂直缆系13向海底中继器和中间提升管系12上的水泵提供能源。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种分布式深海采矿系统，其特征在于，包括：漂浮于水面上的中央支持平台(1)、工作于水面以下的卫星采矿提升系统(2)、和海底集矿机(3)，其中，所述中央支持平台(1)与多个所述卫星采矿提升系统(2)之间柔性连接，每个所述卫星采矿提升系统(2)连接有多个所述海底集矿机(3)，中央支持平台(1)协调所述多个卫星采矿提升系统(2)在水下组合协同工作，每个所述卫星采矿提升系统(2)分别管理与其连接的多个所述海底集矿机(3)组合协同工作，每个所述海底集矿机(3)通过与其对应连接的卫星采矿提升系统(2)将采集到的矿砂输送至所述中央支持平台(1)。
2.根据权利要求1所述的分布式深海采矿系统，其特征在于，所述中央支持平台(1)包括：
采矿母船(4)；
矿砂存储舱(5)，设置于所述采矿母船(4)内，用于存放来自所述卫星采矿提升系统(2)的矿砂；
主能源供给系统(6)，安装于所述采矿母船(4)上，用于向所述卫星采矿提升系统(2)和海底集矿机(3)提供动力。
3.根据权利要求1所述的分布式深海采矿系统，其特征在于，所述中央支持平台(1)通过矿砂转运输送管系(7)及脐带缆(8)与所述卫星采矿提升系统(2)连接。
4.根据权利要求3所述的分布式深海采矿系统，其特征在于，所述矿砂转运输送管系(7)及脐带缆(8)包括多个子段，相邻两个所述子段通过用于中转传输能量和矿砂的中央支持平台中继连接装置(9)连接。
5.根据权利要求1所述的分布式深海采矿系统，其特征在于，所述中央支持平台(1)还包括第一无线和卫星通信装置(10)，用于与岸基或船舶之间通讯，实现对所述中央支持平台(1)的远程控制。
6.根据权利要求1所述的分布式深海采矿系统，其特征在于，所述卫星采矿提升系统包括浮力平台(11)、提升管系(12)、垂直缆系(13)和海底中继站(14)，所述浮力平台(11)通过所述提升管系(12)、垂直缆系(13)与所述海底中继站(14)连接，所述海底中继站(14)与相应的海底集矿机(3)连接。
7.根据权利要求6所述的分布式深海采矿系统，其特征在于，所述卫星采矿提升系统还包括浮力调节装置(15)、和/或垂直推进系统(16)、和/或水平推进系统(17)、和/或应急能源供给系统(18)、和/或水下基础(19)、和/或第二无线和卫星通信装置(20)、和/或USBL超短基线定位信标(21)，其中：
所述浮力调节装置(15)安装在所述浮力平台(11)上，用于控制所述浮力平台(11)水下工作深度；
所述垂直推进系统(16)安装在所述浮力平台(11)上，用于调节所述浮力平台(11)水下工作深度；
所述水平推进系统(17)安装在所述浮力平台(11)上，用于驱动浮力平台(11)按照预定轨迹航行或按照人员操纵指令航行；
所述应急能源供给系统(18)安装在所述浮力平台(11)上，用于在无法从所述中央支持平台(1)获取能源时向卫星采矿提升系统(2)提供能源；
所述水下基础(19)与所述浮力平台(11)通过张力缆(22)形成张力腿结构；
所述第二无线和卫星通信装置(20)安装在水面浮块(23)上，用于与岸基或船舶之间通讯，实现对卫星采矿提升系统(2)的远程控制；
所述USBL超短基线定位信标(21)安装在所述浮力平台(11)上，用于供中央支持平台(1)上的USBL超短基线定位基阵(24)根据所述USBL超短基线定位信标(21)的信标信号计算卫星采矿提升系统(2)的空间位置。
8.根据权利要求6所述的分布式深海采矿系统，其特征在于，
所述海底中继站(14)上设置有水平推进系统，用于控制海底中继站(14)的首向和轨迹与浮力平台(11)同步；和/或
所述水下基础(19)上设置有水平推进系统，用于控制水下基础(19)的首向和轨迹与浮力平台(11)同步。
9.根据权利要求7所述的分布式深海采矿系统，其特征在于，所述水面浮块(23)和/或所述浮力平台(11)上设置有用于控制相应张力缆(22)长度的绞车。
10.根据权利要求6所述的分布式深海采矿系统，其特征在于，
所述提升管系(12)由多组管道和水泵串联而成的管系并联组成、或由多组提升链斗组成，用于矿砂的提升；和/或
所述垂直缆系(13)的中部与所述提升管系(12)上的水泵连接。
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