模擬400 m氫氧潛水動物實驗加壓艙環(huán)控系統(tǒng)的改造

陳海庭，陳銳勇，周宗萍，袁俊舫，吳東華，馮 磊，方以群

在海洋工程作業(yè)、深海打撈等大深度潛水過程中，常采用一定氧濃度的氦氧混和氣作為潛水員的呼吸氣。眾所周知，氦氣資源在地殼中的含量極其稀少，而全球儲存量80%的氦氣在美國。隨著電子集成技術(shù)的飛速發(fā)展，大量氦氣應(yīng)用到集成電路等電子產(chǎn)品生產(chǎn)中，導(dǎo)致氦氣的消耗日益增大，氦氣枯竭的趨勢更加緊迫。上世紀(jì)中葉，世界各國都在大力發(fā)展氫氧潛水，法國在氫氧潛水領(lǐng)域走在世界的前列，1988年，法國Comex公司在海上做過534 m氫氧飽和潛水試驗［1］。我國在上世紀(jì)末開始開展氫氧潛水研究，取得了一定的經(jīng)驗。但是，氫元素的化學(xué)性質(zhì)非常活潑，氫氣具有較強(qiáng)的還原性且易燃。氫氣中氧的含量超過4%就會發(fā)生爆燃［2］，氫氧混和氣潛水實驗的安全性要求也比氦氧混合氣潛水要求更高。海軍某醫(yī)學(xué)研究所模擬400 m氫氧飽和動物實驗艙在氫氧潛水實驗研究中發(fā)揮過積極作用，但在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，受當(dāng)時工業(yè)水平限制，設(shè)計上存在一些問題，容易產(chǎn)生事故隱患，因此必須對原有氫氧飽和潛水動物實驗艙溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。

1 原氫氧飽和潛水動物實驗艙環(huán)控系統(tǒng)的基本情況

該加壓實驗艙由艙體、環(huán)境參數(shù)控制系統(tǒng)、環(huán)境數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視等部分組成(圖1)。環(huán)境參數(shù)控制包括艙內(nèi)溫、濕度及二氧化碳濃度的控制，有關(guān)環(huán)境參數(shù)采集包括溫度、濕度、二氧化碳、氧濃度的采集、顯示和記錄。監(jiān)視系統(tǒng)用來顯示加壓和減壓時內(nèi)外艙之間的壓差狀態(tài)，以便內(nèi)艙加減壓控制，并顯示整個實驗過程動物活動情況。見圖2。

環(huán)境控制系統(tǒng)由溫度控制儀、空調(diào)器、電加熱器元件、熱水箱、冷水箱、水泵、熱交換器和控制電路等部分組成(圖3)。運(yùn)行原理:將水箱注滿水，分別設(shè)定冷水箱、熱水箱和艙內(nèi)溫控儀的控制溫度，啟動系統(tǒng)，使冷水箱的溫度基本保持在20℃左右，熱水箱溫度基本控制在60℃左右，當(dāng)艙內(nèi)溫度低于設(shè)定值時，溫控儀發(fā)出信號，打開電磁閥A，關(guān)閉電磁閥B;當(dāng)艙內(nèi)溫度高于預(yù)設(shè)定溫度時，溫控儀發(fā)出信號，使兩電磁閥開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)艙內(nèi)溫度控制。溫度控制精度:室溫在20～33℃之間時，艙內(nèi)預(yù)設(shè)溫度為31℃ ，內(nèi)艙內(nèi)的二氧化碳由二氧化碳吸收器吸除。

圖1 氫氧飽和潛水動物實驗艙系統(tǒng)示意圖

圖2 氫氧飽和潛水動物實驗艙艙體結(jié)構(gòu)示意圖

環(huán)境參數(shù)采集、記錄和顯示:主要實現(xiàn)顯示和記錄艙內(nèi)壓力、溫度、氧濃度、二氧化碳濃度等關(guān)鍵參數(shù)，供實驗人員監(jiān)視、決策。以及為實驗結(jié)果的分析提供依據(jù)。監(jiān)視系統(tǒng)由艙內(nèi)攝像頭、監(jiān)視器、視頻采集卡、計算機(jī)和視頻線等組成，主要用于監(jiān)視內(nèi)艙和外艙在加減壓時壓差狀態(tài)并觀察動物在艙內(nèi)的活動情況［3］。

2 原氫氧飽和潛水動物實驗艙環(huán)控系統(tǒng)存在的問題

該套設(shè)備建成后，利用套艙做過低濃度氧的氫氧混和氣和氦氧混和氣的動物實驗，發(fā)現(xiàn)一些安全隱患，若操作不當(dāng)，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。

2.1 環(huán)境溫度控制部分

2.1.1 媒介水偏集，導(dǎo)致多余部分媒介水泄漏，而另一側(cè)缺水 由于熱水箱和冷水箱的回水開關(guān)設(shè)在水箱的上端，且是手動控制，曾發(fā)生過由于回水的偏集冷水箱一側(cè)，導(dǎo)致熱水箱中缺水，熱水電加熱沒有缺水警示和保護(hù)，熱水箱中缺水繼續(xù)加熱，最后造成熱水箱缺水而燒壞，所幸相關(guān)值班員細(xì)心，及時發(fā)現(xiàn)并阻止了事故的發(fā)生。事后分析:若初始狀態(tài)艙溫偏低，啟動系統(tǒng)后，電加熱器工作，回水閥處于全開狀態(tài)，由于回水管布置在水箱頂部，回水流經(jīng)冷水箱的回水閥，直接回到冷水箱，周而復(fù)始，導(dǎo)致冷水箱水量外溢，熱水箱逐漸缺水，由于熱水箱無缺水警示和缺水保護(hù)，熱水箱中電加熱元件繼續(xù)加熱，造成熱水箱燒壞，可能釀成事故。

圖3 氫氧飽和潛水動物實驗艙溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 艙內(nèi)環(huán)境溫度控制精度較差，溫度起伏較大 假設(shè)環(huán)境溫度較低，初始設(shè)定完成后啟動系統(tǒng)，熱水管電磁閥A開啟，熱水經(jīng)熱交換器、水泵、回水管及熱水回水閥回流至熱水箱，當(dāng)艙內(nèi)溫度達(dá)到或超過設(shè)定溫度時，熱水箱電磁閥A關(guān)閉，同時冷水電磁閥B打開，冷水經(jīng)熱交換器、水泵、回水管流水箱，艙內(nèi)熱量被很快帶走，艙內(nèi)溫度迅速降低，艙內(nèi)溫度低于設(shè)定溫度時，冷水箱電磁閥B關(guān)閉，熱水箱電磁閥A打開。由于冷水、熱水的控制閥均全關(guān)或全開，無法精確控制，致使艙內(nèi)環(huán)境溫度控制精度較差，溫度變化較大，很難維持在設(shè)定溫度值，且控制電磁閥的繼電器啟動頻繁，故障率高。

2.1.3 水箱無水位顯示，且無欠水位報警控制 在某次實驗期間，曾發(fā)生回水偏集冷水箱，導(dǎo)致熱水箱缺水，電加熱系統(tǒng)無防干燒功能，在缺水狀態(tài)下繼續(xù)工作，所幸工作人員及時發(fā)現(xiàn)并處置得當(dāng)，避免了事故的發(fā)生。

2.2 環(huán)控參數(shù)中氧濃度的采集和控制滯后

環(huán)控參數(shù)中氧濃度的采集，是將內(nèi)艙的氣體通過穿艙件連接采集管道，經(jīng)艙外減壓器、控制閥門、流量計、管路，然后輸入給測氧儀，這樣采集到的氧濃度相對滯后，無法精確反映艙內(nèi)氧濃度的實際情況。

3 對原氫氧飽和動物實驗艙環(huán)控系統(tǒng)的改造

3.1 氫氧飽和潛水動物實驗艙溫度控制系統(tǒng)改進(jìn)

3.1.1 組成 改造后，環(huán)境溫度控制系統(tǒng)主要由冷水箱、熱水箱、冷熱水調(diào)節(jié)混合閥、2只循環(huán)水泵、管路、加熱裝置、制冷系統(tǒng)和其他控制設(shè)備等組成。如圖4。

圖4 改造后的氫氧動物實驗艙溫度控制系統(tǒng)示意圖

3.1.2 工作原理 實驗時，首先將冷水箱、熱水箱按要求注滿純凈水或乙二醇的混合液，打開總電源，設(shè)定飽和動物艙的溫度［飽和潛水實驗一般設(shè)定為(31±1)℃)］［4］。然后根據(jù)環(huán)境溫度設(shè)置冷熱水箱的溫度，一般情況下，將冷熱水箱溫度設(shè)置成與需要的艙溫相差10℃左右，即艙溫艙溫需控制在(31±1)℃時，冷水箱溫度設(shè)置成21℃左右，熱水箱設(shè)置成41℃左右即可。開啟艙內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)，啟動艙室溫度控制系統(tǒng)。若環(huán)境溫度低于艙內(nèi)設(shè)定溫度，系統(tǒng)自動關(guān)閉冷水箱回水閥，同時打開熱水箱回水閥，混水調(diào)節(jié)閥將向熱水管側(cè)全部打開，熱水箱中的水在熱水增壓泵的作用下，通過管道過濾器、混水調(diào)節(jié)閥、艙內(nèi)熱交換器、回水管、熱水回水閥回到熱水箱，第1次熱水循環(huán)結(jié)束，周而復(fù)始，熱水箱的熱量被帶至艙內(nèi)，通過熱交器，艙內(nèi)溫度逐步上升，直至艙內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值。

若環(huán)境溫度高于艙室設(shè)定溫度，系統(tǒng)自動關(guān)閉熱水回水閥，同時自動打開冷水回水閥，混水調(diào)節(jié)閥向冷水管側(cè)全部打開，冷水箱中的冷水通過冷水泵、過濾器、混水調(diào)節(jié)閥、管路、艙內(nèi)熱交換器、回水管、回水閥，艙內(nèi)熱量被帶回到冷水箱。周而復(fù)始，艙內(nèi)的溫度逐漸降低，直至艙室設(shè)定溫度。

冷水泵和熱水泵出口各安裝1個溢流閥，溢流閥的壓力可調(diào)，一般控制在0.01～0.03 MPa。若混水調(diào)節(jié)閥冷水側(cè)全部打開，熱水側(cè)水壓將升高，壓力超過設(shè)定值時溢流閥將打開，熱水經(jīng)溢流閥、回水管回到熱水箱，反之亦然。防止水泵負(fù)荷過載而損壞。

當(dāng)艙室溫度達(dá)到設(shè)定溫度后，混水調(diào)節(jié)閥將根據(jù)實時檢測到艙內(nèi)溫度微弱變化，調(diào)制成一模擬量，實時控制混水閥向冷水側(cè)和向熱水側(cè)的開度大小，恒定艙室溫度，控制精度在±0.5℃。在控制溫度與艙室溫度接近平衡時，回水閥的開關(guān)是根據(jù)環(huán)境溫度與控制溫度比較來確定的，回水將流向一側(cè)水箱，若環(huán)境溫度低于艙室設(shè)定溫度，熱水回水閥常開，待艙內(nèi)溫度達(dá)到控制溫度時，所有回水流回?zé)崴洌瑹崴涞乃粫饾u升高，達(dá)到連通管水位時，熱水箱中的水通過連通管流入冷水箱，不至于溢出熱水箱，防止了由于回水的偏集而導(dǎo)致另一水箱缺水。

冷水箱和熱水箱都安裝了水位顯示及缺水報警裝置，在熱水箱設(shè)置了防干燒功能模塊，當(dāng)水位低于安全水位時，熱水箱的電加熱系統(tǒng)停止工作。

3.2 對原氫氧飽和動物實驗艙環(huán)境參數(shù)監(jiān)測與采集系統(tǒng)的改進(jìn)

氫氧飽和動物實驗艙環(huán)境參數(shù)主要是監(jiān)測采集艙內(nèi)壓力、溫度、內(nèi)艙氧濃度，內(nèi)艙CO2濃度，外艙氫濃度等關(guān)鍵參數(shù)，供實驗人員監(jiān)視、決策以及實驗數(shù)據(jù)分析提供相關(guān)依據(jù)［5］。改造后的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)增加了以下設(shè)施。

3.2.1 外艙氫濃度實時監(jiān)測 氫氧混合氣體若大量泄漏到外艙，外艙的氫濃度將不斷上升，各種不可控因素過多，可能會導(dǎo)致嚴(yán)重后果及火災(zāi)事故。若通過氫濃度監(jiān)測裝置監(jiān)測到外艙氫濃度持續(xù)增加，實驗人員可中止實驗，檢查外艙氫濃度升高原因，查明內(nèi)艙泄漏點(diǎn)，采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施。

3.2.2 將耐壓測氧探頭置于內(nèi)艙，實時監(jiān)測內(nèi)艙氧濃度改造前，內(nèi)艙氧濃度的監(jiān)測是通過將內(nèi)艙內(nèi)的氫氧混合氣經(jīng)管路、艙外的減壓器減壓后再經(jīng)控制閥門、流量計、氧氣傳感器檢測、記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，這樣所得的數(shù)據(jù)由于管路較長的原因存在滯后，改選完成后，測氧儀探頭置于內(nèi)艙內(nèi)，可實時監(jiān)測內(nèi)艙內(nèi)的氧濃度變化。

通過對模擬400 m氫氧飽和動物實驗艙的環(huán)控系統(tǒng)的改造，能夠更精準(zhǔn)地控制艙室溫度，精度達(dá)到±0.5℃，采取多項安全措施，避免由于人因素而導(dǎo)致事故的發(fā)生;環(huán)境參數(shù)監(jiān)測與采集系統(tǒng)的改進(jìn)，能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)艙氧濃度、外艙氫濃度的準(zhǔn)確監(jiān)控，保障氫氧飽和潛水實驗的安全、順利進(jìn)行。

4 小結(jié)

大深度氫氧飽和實驗除法國走在前面外，其他各國開展得不多，由于技術(shù)保密原因，沒有更多的參照資料，有關(guān)設(shè)備建造沒有更多的借鑒之處，氫氧實驗的安全只能通過現(xiàn)有的安全技術(shù)加以規(guī)范，結(jié)合現(xiàn)有的控制技術(shù)保障試驗條件。改進(jìn)后的氫氧飽和動物實驗艙環(huán)境控制系統(tǒng)，還需要在以后的實驗過程中不斷總結(jié)經(jīng)驗，結(jié)合以后的成熟控制手段和各種先進(jìn)成熟的檢測技術(shù)，不斷完善氫氧飽和實驗艙環(huán)境控制系統(tǒng)，為我國氫氧飽和潛水實潛奠定基礎(chǔ)。

［1］ 張振煒.氫氧潛水應(yīng)用研究及進(jìn)展［J］.海軍醫(yī)學(xué)雜志，2001，22(2):161-163.

［2］ 于峰濤，顧秀良，翁永斌，等.模擬400 m氫氧潛水動物實驗艙系統(tǒng)研制［J］.海軍醫(yī)學(xué)雜志，2013，34(1):36-37.

［3］ 肖衛(wèi)兵，楊濤.氫氧潛水的生理學(xué)問題［J］.中華航海醫(yī)學(xué)與高氣壓醫(yī)學(xué)雜志，2001，8(2):116-118.

［4］ 肖衛(wèi)兵，李峻，馬征，等.氫氧高壓環(huán)境下小鼠腦電圖功率譜和睡眠周期的變化［J］.中華航海醫(yī)學(xué)與高氣壓醫(yī)學(xué)雜志，2006，13(3):159-161.

［5］ 馬征，方以群，張和翔，等.模擬氫氧潛水實驗過程中的安全措施研究［J］.海軍醫(yī)學(xué)雜志，2004，25(4):292-294.