CN110242304A - 深海水下无人采矿系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种深海水下无人采矿系统，包括：工作于水下的水下无人矿石提升系统和海底集矿机，一个所述水下无人矿石提升系统与多个所述海底集矿机连接形成分布式拓扑结构，所述水下无人矿石提升系统按照预定规划分别管理所述海底集矿机组合协同工作。本发明具有以下优点：深海水下无人采矿系统可工作于水下，适应恶劣海况；海上风暴来临时，深海水下无人采矿系统可下潜避风，解决了躲避恶劣天气的问题；通过模块化设计，实现外部支持平台与水下无人采矿系统的任意和动态组合，适应海上生产需求，一套水下水下无人矿石提升系统支持多台集矿机同时作业，作业效率高。
Description
技术领域
本发明涉及水下采矿设备技术领域，具体涉及一种深海水下无人采矿系统。
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，提出一种深海水下无人采矿系统，以解决至少一个上述技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种深海水下无人采矿系统，包括：工作于水下的水下无人矿石提升系统和海底集矿机，一个所述水下无人矿石提升系统与多个所述海底集矿机连接形成分布式拓扑结构，所述水下无人矿石提升系统按照预定规划分别管理所述海底集矿机组合协同工作。
优选地，所述深海水下无人采矿系统还包括：矿砂输送软管，一端与所述水下无人矿石提升系统连接，另一端与外部支持平台连接，用于将采集的矿砂输送给所述外部支持平台；脐带缆，一端与所述水下无人矿石提升系统连接，另一端与外部支持平台连接，用于从所述外部支持平台获取能源。
优选地，所述水下无人矿石提升系统包括浮力平台、提升管系、和垂直缆系，所述浮力平台通过所述提升管系、垂直缆系与一个或多个所述海底集矿机连接。
优选地，所述水下无人矿石提升系统还包括浮力调节装置，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。
优选地，所述水下无人矿石提升系统还包括：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；和/或水平推进系统，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；和/或水下基础，与所述浮力平台通过张力缆形成张力腿结构，优选地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，所述水下无人矿石提升系统还包括应急能源供给系统，安装在所述浮力平台上，用于在无法从外部支持平台获取能源时向水下无人矿石提升系统提供能源。
优选地，所述水下无人矿石提升系统还包括用于延伸所述提升管系及垂直缆系的海底中继站，优选地所述海底中继站配置有海底中继站水平推进系统以控制所述海底中继站的首向和轨迹与浮力平台同步。
优选地，所述水下无人矿石提升系统还包括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，实现对水下无人矿石提升系统的远程控制。
优选地，所述水下无人矿石提升系统还包括USBL超短基线定位信标，安装在所述浮力平台上，用于供外部支持平台上的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水下无人矿石提升系统的空间位置。
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)深海水下无人采矿系统可工作于水下，适应恶劣海况；(2)海上风暴来临时，深海水下无人采矿系统可下潜避风，解决了躲避恶劣天气的问题；(3)通过模块化设计，实现外部支持平台与水下无人采矿系统的任意和动态组合，适应海上生产需求，一套水下水下无人矿石提升系统支持多台集矿机同时作业，作业效率高。
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是本发明与外部支持平台配合时的使用状态图；
图2是本发明中的深海水下无人采矿系统的结构示意图。
图中附图标记：1、水下无人矿石提升系统；2、海底集矿机；3、矿砂输送软管；4、外部支持平台；5、脐带缆；6、浮力平台；7、提升管系；8、垂直缆系；9、浮力调节装置；10、垂直推进系统；11、水平推进系统；12、水下基础；13、张力缆；14、应急能源供给系统；15、海底中继站；16、无线和卫星通信装置；17、水面浮块；18、USBL超短基线定位信标；19、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。
本发明包括一套水下水下无人矿石提升系统和多套海底集矿机，整套系统可以工作于水下，风暴来临时可以在水下避风。水下无人采矿系统由外部支持平台负责能源供应、矿石处理和转运，一套水下无人采矿系统可以连接多套外部支持平台，也可以多套水下无人采矿系统连接一套外部支持平台。
本发明提供了一种深海水下无人采矿系统，包括：工作于水下的水下无人矿石提升系统1和海底集矿机2，一个所述水下无人矿石提升系统1与多个所述海底集矿机2连接形成分布式拓扑结构，所述水下无人矿石提升系统1按照预定规划分别管理所述海底集矿机2组合协同工作。
安装时，水下无人矿石提升系统1连接各海底集矿机2，从而形成分布式拓扑结构。工作时，按照预定规划，水下无人矿石提升系统1分别管理若干海底集矿机2以合理的组合协同工作，水下无人矿石提升系统1通过脐带缆从外部支持平台获取能源，把采集到的矿砂通过软管向外部支持平台输送。整个系统可工作在无人自动模式，也可以由远程人员操纵控制。
由于采用了上述技术方案，本发明具有以下优点：(1)深海水下无人采矿系统可工作于水下，适应恶劣海况；(2)海上风暴来临时，深海水下无人采矿系统可下潜避风，解决了躲避恶劣天气的问题；(3)通过模块化设计，实现外部支持平台与水下无人采矿系统的任意和动态组合，适应海上生产需求，一套水下水下无人矿石提升系统支持多台集矿机同时作业，作业效率高。
优选地，所述深海水下无人采矿系统还包括：矿砂输送软管3，一端与所述水下无人矿石提升系统1连接，另一端与外部支持平台4连接，用于将采集的矿砂输送给所述外部支持平台4；脐带缆5，一端与所述水下无人矿石提升系统1连接，另一端与外部支持平台4连接，用于从所述外部支持平台4获取能源。这样，所述水下无人矿石提升系统1的浮力平台6可通过脐带缆5和矿砂输送软管3连接若干外部支持平台4，通过脐带缆5从外部支持4平台获得主能源，通过矿砂输送软管3向外部支持平台4输送由海底采集的矿石。
优选地，所述水下无人矿石提升系统1包括浮力平台6、提升管系7、和垂直缆系8，所述浮力平台6通过所述提升管系7、垂直缆系8与一个或多个所述海底集矿机2连接。
优选地，所述水下无人矿石提升系统1还包括浮力调节装置9，安装在所述浮力平台6上，用于浮力平台6的浮力调整、控制所述浮力平台6水下工作深度(例如可通过排水方法实现浮力调整)。通过浮力调节装置9可控制浮力平台6浮出水面或悬浮于海面下500米以内的深度。
优选地，所述水下无人矿石提升系统1还包括：垂直推进系统10、和/或水平推进系统11、和/或水下基础12。
其中，垂直推进系统10提供了另外一种实现浮力平台6水下工作深度调整的手段，安装在所述浮力平台6上，用于调节所述浮力平台6水下工作深度，可在浮力平台工作于水下时，提供浮力微调能力。
水平推进系统11安装在所述浮力平台6上，用于平台自身的水平面内位置控制，可驱动浮力平台6按照预定轨迹航行或按照人员操纵指令航行。
水下基础12，所述浮力平台6通过张力缆13形成张力腿结构，优选地水下基础12上设置有水平推进系统，用于控制水下基础12的首向和轨迹与浮力平台6同步。例如，水下基础12通过张力缆13连接于浮力平台6，水下基础12距浮力平台6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水下水下无人矿石提升系统的重力大于浮力时，水下水下无人矿石提升系统坐于海底，位置保持稳定。水下基础12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12可以稳定整个水下无人矿石提升系统1。
优选地，所述水下无人矿石提升系统1还包括应急能源供给系统14，布置在浮力平台6内部，用于在无法从外部支持平台4获取能源时向水下无人矿石提升系统1提供能源。这样，在外部支持平台4故障或其他原因导致水下无人矿石提升系统1无法从外部支持平台4获取能源时，可由应急能源14提供水下无人矿石提升系统1工作所需能源。
优选地，所述水下无人矿石提升系统1还包括用于延伸所述提升管系7及垂直缆系8的海底中继站15，优选地所述海底中继站15配置有海底中继站水平推进系统11以控制所述海底中继站15的首向和轨迹与浮力平台6同步。海底中继站15位于距海底500米以内的高度，海底中继站通过矿砂输送用的软管和脐带缆连接各海底集矿机。
优选地，所述水下无人矿石提升系统1还包括无线和卫星通信装置16，安装在水面浮块17上，用于与岸基或船舶之间通讯，实现对水下无人矿石提升系统1的远程控制。这样，通过无线和卫星通讯装置，岸基系统可实现对水下无人矿石提升系统的远程控制。
此外，水面浮块17通过张力缆13连接于浮力平台6，当浮力平台6悬浮于水下时，水面浮块17提供浮力微调能力。优选地，连接水面浮块17和浮力平台6的张力缆13配置有绞车装置，通过绞车装置控制张力缆长度，实现对浮力平台的下潜深度控制。
优选地，所述水下无人矿石提升系统1还包括USBL超短基线定位信标18，安装在所述浮力平台6上，用于供外部支持平台4上的USBL超短基线定位基阵19根据所述USBL超短基线定位信标18的信标信号计算水下无人矿石提升系统1的空间位置。
优选地，所述提升管系7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8的中部与所述提升管系7上的水泵连接。这样，浮力平台6从外部支持平台4获取能源后通过垂直缆系8向海底中继站15和中间提升管系7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)
1.一种深海水下无人采矿系统，其特征在于，包括：工作于水下的水下无人矿石提升系统(1)和海底集矿机(2)，一个所述水下无人矿石提升系统(1)与多个所述海底集矿机(2)连接形成分布式拓扑结构，所述水下无人矿石提升系统(1)按照预定规划分别管理所述海底集矿机(2)组合协同工作。
2.根据权利要求1所述的深海水下无人采矿系统，其特征在于，所述深海水下无人采矿系统还包括：
矿砂输送软管(3)，一端与所述水下无人矿石提升系统(1)连接，另一端与外部支持平台(4)连接，用于将采集的矿砂输送给所述外部支持平台(4)；
脐带缆(5)，一端与所述水下无人矿石提升系统(1)连接，另一端与外部支持平台(4)连接，用于从所述外部支持平台(4)获取能源。
3.根据权利要求1所述的深海水下无人采矿系统，其特征在于，所述水下无人矿石提升系统(1)包括浮力平台(6)、提升管系(7)、和垂直缆系(8)，所述浮力平台(6)通过所述提升管系(7)、垂直缆系(8)与一个或多个所述海底集矿机(2)连接。
4.根据权利要求3所述的深海水下无人采矿系统，其特征在于，所述水下无人矿石提升系统(1)还包括浮力调节装置(9)，安装在所述浮力平台(6)上，用于控制所述浮力平台(6)水下工作深度。
5.根据权利要求3所述的深海水下无人采矿系统，其特征在于，所述水下无人矿石提升系统(1)还包括：
垂直推进系统(10)，安装在所述浮力平台(6)上，用于调节所述浮力平台(6)水下工作深度；和/或
水平推进系统(11)，安装在所述浮力平台(6)上，用于驱动浮力平台(6)按照预定轨迹航行或按照人员操纵指令航行；和/或
水下基础(12)，与所述浮力平台(6)通过张力缆(13)形成张力腿结构，优选地水下基础(12)上设置有水平推进系统，用于控制水下基础(12)的首向和轨迹与浮力平台(6)同步。
6.根据权利要求3所述的深海水下无人采矿系统，其特征在于，所述水下无人矿石提升系统(1)还包括应急能源供给系统(14)，安装在所述浮力平台(6)上，用于在无法从外部支持平台(4)获取能源时向水下无人矿石提升系统(1)提供能源。
7.根据权利要求3所述的深海水下无人采矿系统，其特征在于，所述水下无人矿石提升系统(1)还包括用于延伸所述提升管系(7)及垂直缆系(8)的海底中继站(15)，优选地所述海底中继站(15)配置有海底中继站水平推进系统(11)以控制所述海底中继站(15)的首向和轨迹与浮力平台(6)同步。
8.根据权利要求3所述的深海水下无人采矿系统，其特征在于，所述水下无人矿石提升系统(1)还包括无线和卫星通信装置(16)，安装在水面浮块(17)上，用于与岸基或船舶之间通讯，实现对水下无人矿石提升系统(1)的远程控制。
9.根据权利要求3所述的深海水下无人采矿系统，其特征在于，所述水下无人矿石提升系统(1)还包括USBL超短基线定位信标(18)，安装在所述浮力平台(6)上，用于供外部支持平台(4)上的USBL超短基线定位基阵(19)根据所述USBL超短基线定位信标(18)的信标信号计算水下无人矿石提升系统(1)的空间位置。
10.根据权利要求3所述的深海水下无人采矿系统，其特征在于，所述提升管系(7)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(8)的中部与所述提升管系(7)上的水泵连接。
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