飽和潛水減壓艙環(huán)境控制系統(tǒng)模擬測試方案研究錢步婁

王公利

摘? 要：飽和潛水系統(tǒng)技術(shù)是人類對(duì)于潛水技術(shù)的一個(gè)新的突破，其被廣泛應(yīng)用于失事船舶及潛艇救援、海底施工作業(yè)、水下資源勘探等軍事和民用領(lǐng)域。而在飽和潛水系統(tǒng)中，對(duì)潛水員居住的各型艙室環(huán)境進(jìn)行精確控制，是保證飽和潛水員安全的關(guān)鍵。所以在潛水系統(tǒng)建造過程中，需要通過科學(xué)的測試方案對(duì)環(huán)境控制系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格測試，并對(duì)獲取的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)和結(jié)果進(jìn)行對(duì)比、分析、改善，最終使系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：飽和潛水;環(huán)境控制;測試方案

中圖分類號(hào)：U661.43 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）04-0011-03

Abstract： Saturation diving system technology is a new breakthrough in the history of diving， which is widely used in shipwreck and submarine rescue， submarine construction， underwater resources exploration and other military and civilian fields. In the saturation diving system， accurate control of the environment of various chambers where divers live is the key to ensure the safety of saturation divers. Therefore， during the construction of the diving system， the environmental control system should be tested strictly through the scientific test program， and the technical parameters and results obtained should be compared， analyzed and improved to ensure the safe and reliable operation of the system.

Keywords： saturation diving; environmental control; test scheme

引言

飽和潛水概念最早由美國海軍專家Bond提出，其基本原理是人體在高壓條件下提留一定的時(shí)間，其血液組織中滲入的氣體就會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)，因此，只要壓力不變，即使增加停留的時(shí)間，血液和組織里的氣體含量也不會(huì)改變。因此潛水員可以在海洋的某個(gè)深度工作一段時(shí)間后，返回同樣壓力的減壓艙內(nèi)進(jìn)行休整，而不需要進(jìn)行減壓，休整結(jié)束后可以繼續(xù)返回同樣深度進(jìn)行工作，直至工作結(jié)束，最終返回減壓艙內(nèi)進(jìn)行一次減壓即可。飽和潛水作業(yè)方式使得作業(yè)時(shí)間大大增加，工作效率也得到了很大的提高。

在飽和潛水作業(yè)過程中，由于潛水員需要長期生活在減壓艙內(nèi)，為保證潛水員維持生命體征需要，需要對(duì)減壓艙室環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)格控制，主要包括艙室環(huán)境內(nèi)氧氣、CO2成分控制和溫濕度控制兩個(gè)方面。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本模擬測試方案所使用的是300m飽和潛水系統(tǒng)潛水員居住單元，主要由減壓居住艙DDC、進(jìn)入艙（ENTRY LOCKER）、過渡艙（TUP）、潛水鐘組成（BELL）。其中減壓居住艙28.7m3、進(jìn)入艙11.5m3、過渡艙25.2m3、潛水鐘6.5m3。居住艙、進(jìn)入艙和過渡艙均由獨(dú)立的環(huán)境控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，同時(shí)各環(huán)境控制系統(tǒng)之間設(shè)立隔離閥，當(dāng)其中一套環(huán)境控制系統(tǒng)失效時(shí)，打開隔離閥其他艙的環(huán)境控制系統(tǒng)可以同時(shí)對(duì)兩個(gè)艙室進(jìn)行環(huán)境控制。在試驗(yàn)過程中，在艙室溫濕度、CO2濃度超過設(shè)定值的情況下，可以通過啟動(dòng)減壓艙和進(jìn)入艙各自的環(huán)境控制系統(tǒng)，將溫濕度和CO2濃度控制在允許范圍內(nèi)。

環(huán)境控制系統(tǒng)由冷水機(jī)組、熱水機(jī)組、CO2吸收裝置、溫濕度傳感器、CO2分析單元、O2分析單元、監(jiān)測控制單元等部件組成。實(shí)驗(yàn)期間，監(jiān)測控制單元通過對(duì)溫濕度傳感器采集到的溫濕度信號(hào)進(jìn)行處理，由控制系統(tǒng)控制冷熱水機(jī)組運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)艙室氣體溫濕度的調(diào)節(jié)。

在飽和潛水系統(tǒng)運(yùn)行過程中，潛水員在艙內(nèi)生活會(huì)不斷消耗空間內(nèi)的氧氣。當(dāng)O2分析單元檢測到內(nèi)部氧氣含量不足時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)居住艙室進(jìn)行補(bǔ)氧操作。由于高壓環(huán)境下，潛水員所需求氧氣的含量需要進(jìn)行精確控制，因此在補(bǔ)氧過程前，需使用標(biāo)定氣體對(duì)O2分析單元進(jìn)行精確標(biāo)定校準(zhǔn)。

CO2吸收裝置是由兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的洗滌器組成，其中一個(gè)洗滌器內(nèi)部盛滿某特定品牌的堿石灰作為吸收媒介，另一個(gè)洗滌器內(nèi)空置。當(dāng)系統(tǒng)檢測到的CO2含量在允許范圍內(nèi)時(shí)，循環(huán)氣體通過空置的洗滌器進(jìn)行循環(huán)使用。當(dāng)系統(tǒng)檢測到的CO2含量超標(biāo)時(shí)，電磁閥將自動(dòng)打開，使得循環(huán)氣體自動(dòng)通過盛滿堿石灰的洗滌器，從而吸收循環(huán)氣體中的CO2氣體后，再進(jìn)行循環(huán)使用。為了測試堿石灰的吸收效率，每次吸收完畢后，需要用新的堿石灰更換掉洗滌器內(nèi)使用過的堿石灰，以確保吸收裝置具有最高的吸收率。

2 模擬測試方案

由于系統(tǒng)還處于測試階段，出于安全考慮，在完成驗(yàn)證系統(tǒng)是否正常工作前，禁止任何人員進(jìn)入減壓艙內(nèi)進(jìn)行實(shí)效測試。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的功能，我們需要模擬出減壓艙內(nèi)最真實(shí)的環(huán)境狀態(tài)，所以我們通過精確的理論計(jì)算和科學(xué)技術(shù)方案模擬出在高壓環(huán)境下潛水員所需的熱量、人體生理代謝產(chǎn)生的CO2和消耗的氧氣以及潛水員日常生活對(duì)內(nèi)部濕度所產(chǎn)生的影響的真實(shí)狀態(tài)。

2.1 減壓艙加壓

根據(jù)300m飽和潛水系統(tǒng)試驗(yàn)的要求，300m飽和潛水狀態(tài)下，減壓艙內(nèi)部氣體由2%氧氣和98%的氦氣組成，內(nèi)部壓力為31.4bar。在進(jìn)行實(shí)際操作時(shí)，首先使用純氦進(jìn)行加壓，在加壓過程中需控制加壓速度，同時(shí)觀察減壓艙內(nèi)部溫度的變化，其內(nèi)部溫度需要控制在30℃以下。當(dāng)內(nèi)部壓力穩(wěn)定在30.77bar時(shí)，則停止氦氣的注入，轉(zhuǎn)而由氧氣注入管，注入氧氣直至31.4bar，并保持減壓艙內(nèi)氣體壓力不變。

2.2 減壓艙內(nèi)部溫度模擬測試

首先模擬測算在外部環(huán)境溫度不變的情況下，內(nèi)外部溫差所造成的能量交換（Kex）。通過外部空調(diào)系統(tǒng)控制減壓艙區(qū)域環(huán)境溫度穩(wěn)定在30±1℃。在減壓艙內(nèi)部均勻布置5塊加熱瓦片（詳見圖1）對(duì)減壓艙內(nèi)部進(jìn)行加熱，使得減壓艙內(nèi)部溫度升高并穩(wěn)定在40℃。根據(jù)加熱瓦片的加熱功率測算出此時(shí)的熱量交換：

即內(nèi)外部存在1℃溫差的熱交換量為64.69W。

其次模擬外界溫度達(dá)到55℃時(shí)（極端情況下），減壓艙內(nèi)部的熱量，由于外界環(huán)境溫度模擬55℃非常的困難，因此我們測試通過維持外界環(huán)境溫度30±1℃保持不變，使用計(jì)算方式將溫差造成的能量傳遞直接加入到減壓艙內(nèi)部的方式進(jìn)行，同時(shí)根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出，6名潛水員身體所散發(fā)的能量為1200W，故此時(shí)通過加熱瓦片模擬給予減壓艙內(nèi)的能量為：

設(shè)定冷水機(jī)組溫度為30℃，并轉(zhuǎn)為自動(dòng)控制模式，隨著加熱瓦片能量的不斷輸入以及冷水機(jī)組的不斷運(yùn)行，減壓艙內(nèi)部溫度不斷變化，在經(jīng)過若干小時(shí)之后，當(dāng)溫度變化幅度在±1℃范圍內(nèi)時(shí)，可以認(rèn)為溫度已經(jīng)穩(wěn)定，此時(shí)艙內(nèi)溫度為31℃，濕度低于50%。滿足NORSOK U-100最大穩(wěn)定不超過33℃的要求。

2.3 減壓艙內(nèi)部濕度模擬測試

為了模擬潛水員在艙內(nèi)正常生活所產(chǎn)生的濕度，實(shí)驗(yàn)過程中，通過手搖泵加水的方式對(duì)減壓艙內(nèi)不斷注入淡水，同時(shí)通過內(nèi)置的加熱爐，對(duì)水分不斷加熱從而不斷的產(chǎn)生濕氣（詳見圖1）。

在濕度模擬過程中需注意如下問題：

（1）由于高壓環(huán)境下，水的沸點(diǎn)會(huì)升高，在31.4bar的高壓環(huán)境下，水的沸點(diǎn)達(dá)到約270℃，因此在加熱爐選型的過程中，需要選擇足夠功率的加熱爐，以便提供足夠的能量，使加入的水可以瞬間蒸發(fā)。

（2）為了反映最真實(shí)的內(nèi)部濕度情況，每6分鐘按壓一次手搖泵，經(jīng)過計(jì)算每小時(shí)的供水量約為0.5kg/h。

保持熱水機(jī)組正常工作的情況下，持續(xù)加水1小時(shí)（共計(jì)10次），觀察艙內(nèi)溫度為29.7℃，變化幅度為±1℃。內(nèi)部濕度始終維持在35%，低于50%。滿足系統(tǒng)要求。

2.4 減壓艙內(nèi)部CO2吸收率測試

首先運(yùn)行CO2吸收裝置，并使循環(huán)氣體經(jīng)過未盛裝堿石灰的洗滌器。通過圖1方式注入一定量的CO2，在注入過程中要通過CO2分析單元不斷觀察內(nèi)部含量的變化，每次注入后要等約1分鐘左右，以便內(nèi)部氣體能夠得到充分的混合。

由于為了準(zhǔn)確的計(jì)算CO2的吸收率，因此對(duì)于CO2的注入量，需要進(jìn)行嚴(yán)格的控制，故在本測試中我們采用分批次注入定量CO2的方式，進(jìn)行測試。詳見表1：

表1 CO2分批注入步驟及注入量操作表

此時(shí)通過手動(dòng)操作電磁閥，使循環(huán)氣體通過盛滿堿石灰的洗滌器進(jìn)行吸收，并每隔30秒鐘讀取CO2分析單元上CO2氣體的讀數(shù)，并將數(shù)據(jù)記錄至表2中，直至減壓艙內(nèi)部CO2分壓降低為1mbar，記錄下最終數(shù)據(jù)。

根據(jù)DNV船級(jí)社規(guī)范（DNV-OS-E402 F602）的要求，每名潛水員產(chǎn)生CO2的速率為0.05Nm3/h，也就是說6名潛水員每小時(shí)產(chǎn)生的CO2為0.3Nm3，根據(jù)表2的記錄數(shù)據(jù)可以很容易的判定出，此時(shí)CO2的吸收率>0.3Nm3/h，滿足系統(tǒng)及船級(jí)社要求。

3 測試結(jié)果分析

通過對(duì)300m飽和潛水系統(tǒng)減壓艙進(jìn)行加壓控制測試、溫濕度控制測試、CO2吸收率測試，我們可以發(fā)現(xiàn)，該環(huán)境控制系統(tǒng)可以有效調(diào)節(jié)該300m飽和潛水系統(tǒng)減壓艙內(nèi)環(huán)境指標(biāo)，即使在極端溫度55℃的情況下，使用冷水機(jī)組也可以對(duì)減壓艙內(nèi)溫度進(jìn)行合理有效的控制。而在濕度控制方面，通過熱水機(jī)組對(duì)循環(huán)氣體進(jìn)行加熱，從而使得氣體內(nèi)水份析出，從而達(dá)到了降低濕度的目的。對(duì)于CO2吸收率，通過人工分步注入CO2的方式，測定出了CO2的吸收率，結(jié)果完全符合船級(jí)社規(guī)范要求和維持潛水員生命體征需求。但由于減壓艙內(nèi)沒有消耗氧氣的物體存在，因此在O2系統(tǒng)控制方面，本測試方案僅驗(yàn)證了O2分析單元的有效性以及O2注入管路的暢通性。后續(xù)還需要針對(duì)此做進(jìn)一步的模擬研究，以期達(dá)到更好的測試效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]DNV-OS-E402 F602.DNV-GL船級(jí)社規(guī)范[S].

[2]陳海庭，等.模擬480m氦氧飽和潛水實(shí)驗(yàn)的艙室環(huán)境控制[J].海軍醫(yī)學(xué)雜志，2011，32（06）：408-410.

[3]陳海庭，等.模擬65m氦氧飽和潛水人體實(shí)驗(yàn)CO2分壓和濕度超標(biāo)原因分析[J].海軍醫(yī)學(xué)雜志，2011，32（05）：318-320.