飽和潛水減壓艙環境控制系統模擬測試方案研究錢步婁

王公利

摘? 要：飽和潛水系統技術是人類對于潛水技術的一個新的突破，其被廣泛應用于失事船舶及潛艇救援、海底施工作業、水下資源勘探等軍事和民用領域。而在飽和潛水系統中，對潛水員居住的各型艙室環境進行精確控制，是保證飽和潛水員安全的關鍵。所以在潛水系統建造過程中，需要通過科學的測試方案對環境控制系統進行嚴格測試，并對獲取的各項技術參數和結果進行對比、分析、改善，最終使系統安全可靠運行。

關鍵詞：飽和潛水;環境控制;測試方案

中圖分類號：U661.43 文獻標志碼：A 文章編號：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間，其血液組織中滲入的氣體就會達到飽和狀態，因此，只要壓力不變，即使增加停留的時間，血液和組織里的氣體含量也不會改變。因此潛水員可以在海洋的某個深度工作一段時間后，返回同樣壓力的減壓艙內進行休整，而不需要進行減壓，休整結束后可以繼續返回同樣深度進行工作，直至工作結束，最終返回減壓艙內進行一次減壓即可。飽和潛水作業方式使得作業時間大大增加，工作效率也得到了很大的提高。

在飽和潛水作業過程中，由于潛水員需要長期生活在減壓艙內，為保證潛水員維持生命體征需要，需要對減壓艙室環境進行嚴格控制，主要包括艙室環境內氧氣、CO2成分控制和溫濕度控制兩個方面。

1 實驗設備

本模擬測試方案所使用的是300m飽和潛水系統潛水員居住單元，主要由減壓居住艙DDC、進入艙（ENTRY LOCKER）、過渡艙（TUP）、潛水鐘組成（BELL）。其中減壓居住艙28.7m3、進入艙11.5m3、過渡艙25.2m3、潛水鐘6.5m3。居住艙、進入艙和過渡艙均由獨立的環境控制系統進行控制，同時各環境控制系統之間設立隔離閥，當其中一套環境控制系統失效時，打開隔離閥其他艙的環境控制系統可以同時對兩個艙室進行環境控制。在試驗過程中，在艙室溫濕度、CO2濃度超過設定值的情況下，可以通過啟動減壓艙和進入艙各自的環境控制系統，將溫濕度和CO2濃度控制在允許范圍內。

環境控制系統由冷水機組、熱水機組、CO2吸收裝置、溫濕度傳感器、CO2分析單元、O2分析單元、監測控制單元等部件組成。實驗期間，監測控制單元通過對溫濕度傳感器采集到的溫濕度信號進行處理，由控制系統控制冷熱水機組運行，實現對艙室氣體溫濕度的調節。

在飽和潛水系統運行過程中，潛水員在艙內生活會不斷消耗空間內的氧氣。當O2分析單元檢測到內部氧氣含量不足時，系統會自動對居住艙室進行補氧操作。由于高壓環境下，潛水員所需求氧氣的含量需要進行精確控制，因此在補氧過程前，需使用標定氣體對O2分析單元進行精確標定校準。

CO2吸收裝置是由兩個相對獨立的洗滌器組成，其中一個洗滌器內部盛滿某特定品牌的堿石灰作為吸收媒介，另一個洗滌器內空置。當系統檢測到的CO2含量在允許范圍內時，循環氣體通過空置的洗滌器進行循環使用。當系統檢測到的CO2含量超標時，電磁閥將自動打開，使得循環氣體自動通過盛滿堿石灰的洗滌器，從而吸收循環氣體中的CO2氣體后，再進行循環使用。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

由于系統還處于測試階段，出于安全考慮，在完成驗證系統是否正常工作前，禁止任何人員進入減壓艙內進行實效測試。為了驗證系統的功能，我們需要模擬出減壓艙內最真實的環境狀態，所以我們通過精確的理論計算和科學技術方案模擬出在高壓環境下潛水員所需的熱量、人體生理代謝產生的CO2和消耗的氧氣以及潛水員日常生活對內部濕度所產生的影響的真實狀態。

2.1 減壓艙加壓

根據300m飽和潛水系統試驗的要求，300m飽和潛水狀態下，減壓艙內部氣體由2%氧氣和98%的氦氣組成，內部壓力為31.4bar。在進行實際操作時，首先使用純氦進行加壓，在加壓過程中需控制加壓速度，同時觀察減壓艙內部溫度的變化，其內部溫度需要控制在30℃以下。當內部壓力穩定在30.77bar時，則停止氦氣的注入，轉而由氧氣注入管，注入氧氣直至31.4bar，并保持減壓艙內氣體壓力不變。

2.2 減壓艙內部溫度模擬測試

首先模擬測算在外部環境溫度不變的情況下，內外部溫差所造成的能量交換（Kex）。通過外部空調系統控制減壓艙區域環境溫度穩定在30±1℃。在減壓艙內部均勻布置5塊加熱瓦片（詳見圖1）對減壓艙內部進行加熱，使得減壓艙內部溫度升高并穩定在40℃。根據加熱瓦片的加熱功率測算出此時的熱量交換：

即內外部存在1℃溫差的熱交換量為64.69W。

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

設定冷水機組溫度為30℃，并轉為自動控制模式，隨著加熱瓦片能量的不斷輸入以及冷水機組的不斷運行，減壓艙內部溫度不斷變化，在經過若干小時之后，當溫度變化幅度在±1℃范圍內時，可以認為溫度已經穩定，此時艙內溫度為31℃，濕度低于50%。滿足NORSOK U-100最大穩定不超過33℃的要求。

2.3 減壓艙內部濕度模擬測試

為了模擬潛水員在艙內正常生活所產生的濕度，實驗過程中，通過手搖泵加水的方式對減壓艙內不斷注入淡水，同時通過內置的加熱爐，對水分不斷加熱從而不斷的產生濕氣（詳見圖1）。

在濕度模擬過程中需注意如下問題：

（1）由于高壓環境下，水的沸點會升高，在31.4bar的高壓環境下，水的沸點達到約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。

（2）為了反映最真實的內部濕度情況，每6分鐘按壓一次手搖泵，經過計算每小時的供水量約為0.5kg/h。

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

2.4 減壓艙內部CO2吸收率測試

首先運行CO2吸收裝置，并使循環氣體經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部含量的變化，每次注入后要等約1分鐘左右，以便內部氣體能夠得到充分的混合。

由于為了準確的計算CO2的吸收率，因此對于CO2的注入量，需要進行嚴格的控制，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

此時通過手動操作電磁閥，使循環氣體通過盛滿堿石灰的洗滌器進行吸收，并每隔30秒鐘讀取CO2分析單元上CO2氣體的讀數，并將數據記錄至表2中，直至減壓艙內部CO2分壓降低為1mbar，記錄下最終數據。

根據DNV船級社規范（DNV-OS-E402 F602）的要求，每名潛水員產生CO2的速率為0.05Nm3/h，也就是說6名潛水員每小時產生的CO2為0.3Nm3，根據表2的記錄數據可以很容易的判定出，此時CO2的吸收率>0.3Nm3/h，滿足系統及船級社要求。

3 測試結果分析

通過對300m飽和潛水系統減壓艙進行加壓控制測試、溫濕度控制測試、CO2吸收率測試，我們可以發現，該環境控制系統可以有效調節該300m飽和潛水系統減壓艙內環境指標，即使在極端溫度55℃的情況下，使用冷水機組也可以對減壓艙內溫度進行合理有效的控制。而在濕度控制方面，通過熱水機組對循環氣體進行加熱，從而使得氣體內水份析出，從而達到了降低濕度的目的。對于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，結果完全符合船級社規范要求和維持潛水員生命體征需求。但由于減壓艙內沒有消耗氧氣的物體存在，因此在O2系統控制方面，本測試方案僅驗證了O2分析單元的有效性以及O2注入管路的暢通性。后續還需要針對此做進一步的模擬研究，以期達到更好的測試效果。

參考文獻：

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