模拟400 m氢氧潜水动物实验加压舱环控系统的改造

陈海庭，陈锐勇，周宗萍，袁俊舫，吴东华，冯 磊，方以群

在海洋工程作业、深海打捞等大深度潜水过程中，常采用一定氧浓度的氦氧混和气作为潜水员的呼吸气。众所周知，氦气资源在地壳中的含量极其稀少，而全球储存量80%的氦气在美国。随着电子集成技术的飞速发展，大量氦气应用到集成电路等电子产品生产中，导致氦气的消耗日益增大，氦气枯竭的趋势更加紧迫。上世纪中叶，世界各国都在大力发展氢氧潜水，法国在氢氧潜水领域走在世界的前列，1988年，法国Comex公司在海上做过534 m氢氧饱和潜水试验［1］。我国在上世纪末开始开展氢氧潜水研究，取得了一定的经验。但是，氢元素的化学性质非常活泼，氢气具有较强的还原性且易燃。氢气中氧的含量超过4%就会发生爆燃［2］，氢氧混和气潜水实验的安全性要求也比氦氧混合气潜水要求更高。海军某医学研究所模拟400 m氢氧饱和动物实验舱在氢氧潜水实验研究中发挥过积极作用，但在实验过程中发现，受当时工业水平限制，设计上存在一些问题，容易产生事故隐患，因此必须对原有氢氧饱和潜水动物实验舱温度控制系统进行改造。

1 原氢氧饱和潜水动物实验舱环控系统的基本情况

该加压实验舱由舱体、环境参数控制系统、环境数据采集和监视等部分组成(图1)。环境参数控制包括舱内温、湿度及二氧化碳浓度的控制，有关环境参数采集包括温度、湿度、二氧化碳、氧浓度的采集、显示和记录。监视系统用来显示加压和减压时内外舱之间的压差状态，以便内舱加减压控制，并显示整个实验过程动物活动情况。见图2。

环境控制系统由温度控制仪、空调器、电加热器元件、热水箱、冷水箱、水泵、热交换器和控制电路等部分组成(图3)。运行原理:将水箱注满水，分别设定冷水箱、热水箱和舱内温控仪的控制温度，启动系统，使冷水箱的温度基本保持在20℃左右，热水箱温度基本控制在60℃左右，当舱内温度低于设定值时，温控仪发出信号，打开电磁阀A，关闭电磁阀B;当舱内温度高于预设定温度时，温控仪发出信号，使两电磁阀开关状态进行转换，实现舱内温度控制。温度控制精度:室温在20～33℃之间时，舱内预设温度为31℃ ，内舱内的二氧化碳由二氧化碳吸收器吸除。

图1 氢氧饱和潜水动物实验舱系统示意图

图2 氢氧饱和潜水动物实验舱舱体结构示意图

环境参数采集、记录和显示:主要实现显示和记录舱内压力、温度、氧浓度、二氧化碳浓度等关键参数，供实验人员监视、决策。以及为实验结果的分析提供依据。监视系统由舱内摄像头、监视器、视频采集卡、计算机和视频线等组成，主要用于监视内舱和外舱在加减压时压差状态并观察动物在舱内的活动情况［3］。

2 原氢氧饱和潜水动物实验舱环控系统存在的问题

该套设备建成后，利用套舱做过低浓度氧的氢氧混和气和氦氧混和气的动物实验，发现一些安全隐患，若操作不当，可能导致严重的安全事故。

2.1 环境温度控制部分

2.1.1 媒介水偏集，导致多余部分媒介水泄漏，而另一侧缺水 由于热水箱和冷水箱的回水开关设在水箱的上端，且是手动控制，曾发生过由于回水的偏集冷水箱一侧，导致热水箱中缺水，热水电加热没有缺水警示和保护，热水箱中缺水继续加热，最后造成热水箱缺水而烧坏，所幸相关值班员细心，及时发现并阻止了事故的发生。事后分析:若初始状态舱温偏低，启动系统后，电加热器工作，回水阀处于全开状态，由于回水管布置在水箱顶部，回水流经冷水箱的回水阀，直接回到冷水箱，周而复始，导致冷水箱水量外溢，热水箱逐渐缺水，由于热水箱无缺水警示和缺水保护，热水箱中电加热元件继续加热，造成热水箱烧坏，可能酿成事故。

图3 氢氧饱和潜水动物实验舱温度控制系统结构示意图

2.1.2 舱内环境温度控制精度较差，温度起伏较大 假设环境温度较低，初始设定完成后启动系统，热水管电磁阀A开启，热水经热交换器、水泵、回水管及热水回水阀回流至热水箱，当舱内温度达到或超过设定温度时，热水箱电磁阀A关闭，同时冷水电磁阀B打开，冷水经热交换器、水泵、回水管流水箱，舱内热量被很快带走，舱内温度迅速降低，舱内温度低于设定温度时，冷水箱电磁阀B关闭，热水箱电磁阀A打开。由于冷水、热水的控制阀均全关或全开，无法精确控制，致使舱内环境温度控制精度较差，温度变化较大，很难维持在设定温度值，且控制电磁阀的继电器启动频繁，故障率高。

2.1.3 水箱无水位显示，且无欠水位报警控制 在某次实验期间，曾发生回水偏集冷水箱，导致热水箱缺水，电加热系统无防干烧功能，在缺水状态下继续工作，所幸工作人员及时发现并处置得当，避免了事故的发生。

2.2 环控参数中氧浓度的采集和控制滞后

环控参数中氧浓度的采集，是将内舱的气体通过穿舱件连接采集管道，经舱外减压器、控制阀门、流量计、管路，然后输入给测氧仪，这样采集到的氧浓度相对滞后，无法精确反映舱内氧浓度的实际情况。

3 对原氢氧饱和动物实验舱环控系统的改造

3.1 氢氧饱和潜水动物实验舱温度控制系统改进

3.1.1 组成 改造后，环境温度控制系统主要由冷水箱、热水箱、冷热水调节混合阀、2只循环水泵、管路、加热装置、制冷系统和其他控制设备等组成。如图4。

图4 改造后的氢氧动物实验舱温度控制系统示意图

3.1.2 工作原理 实验时，首先将冷水箱、热水箱按要求注满纯净水或乙二醇的混合液，打开总电源，设定饱和动物舱的温度［饱和潜水实验一般设定为(31±1)℃)］［4］。然后根据环境温度设置冷热水箱的温度，一般情况下，将冷热水箱温度设置成与需要的舱温相差10℃左右，即舱温舱温需控制在(31±1)℃时，冷水箱温度设置成21℃左右，热水箱设置成41℃左右即可。开启舱内循环风机，启动舱室温度控制系统。若环境温度低于舱内设定温度，系统自动关闭冷水箱回水阀，同时打开热水箱回水阀，混水调节阀将向热水管侧全部打开，热水箱中的水在热水增压泵的作用下，通过管道过滤器、混水调节阀、舱内热交换器、回水管、热水回水阀回到热水箱，第1次热水循环结束，周而复始，热水箱的热量被带至舱内，通过热交器，舱内温度逐步上升，直至舱内温度达到设定值。

若环境温度高于舱室设定温度，系统自动关闭热水回水阀，同时自动打开冷水回水阀，混水调节阀向冷水管侧全部打开，冷水箱中的冷水通过冷水泵、过滤器、混水调节阀、管路、舱内热交换器、回水管、回水阀，舱内热量被带回到冷水箱。周而复始，舱内的温度逐渐降低，直至舱室设定温度。

冷水泵和热水泵出口各安装1个溢流阀，溢流阀的压力可调，一般控制在0.01～0.03 MPa。若混水调节阀冷水侧全部打开，热水侧水压将升高，压力超过设定值时溢流阀将打开，热水经溢流阀、回水管回到热水箱，反之亦然。防止水泵负荷过载而损坏。

当舱室温度达到设定温度后，混水调节阀将根据实时检测到舱内温度微弱变化，调制成一模拟量，实时控制混水阀向冷水侧和向热水侧的开度大小，恒定舱室温度，控制精度在±0.5℃。在控制温度与舱室温度接近平衡时，回水阀的开关是根据环境温度与控制温度比较来确定的，回水将流向一侧水箱，若环境温度低于舱室设定温度，热水回水阀常开，待舱内温度达到控制温度时，所有回水流回热水箱，热水箱的水位会逐渐升高，达到连通管水位时，热水箱中的水通过连通管流入冷水箱，不至于溢出热水箱，防止了由于回水的偏集而导致另一水箱缺水。

冷水箱和热水箱都安装了水位显示及缺水报警装置，在热水箱设置了防干烧功能模块，当水位低于安全水位时，热水箱的电加热系统停止工作。

3.2 对原氢氧饱和动物实验舱环境参数监测与采集系统的改进

氢氧饱和动物实验舱环境参数主要是监测采集舱内压力、温度、内舱氧浓度，内舱CO2浓度，外舱氢浓度等关键参数，供实验人员监视、决策以及实验数据分析提供相关依据［5］。改造后的环境参数监测系统增加了以下设施。

3.2.1 外舱氢浓度实时监测 氢氧混合气体若大量泄漏到外舱，外舱的氢浓度将不断上升，各种不可控因素过多，可能会导致严重后果及火灾事故。若通过氢浓度监测装置监测到外舱氢浓度持续增加，实验人员可中止实验，检查外舱氢浓度升高原因，查明内舱泄漏点，采取相应的补救措施。

3.2.2 将耐压测氧探头置于内舱，实时监测内舱氧浓度改造前，内舱氧浓度的监测是通过将内舱内的氢氧混合气经管路、舱外的减压器减压后再经控制阀门、流量计、氧气传感器检测、记录相关数据，这样所得的数据由于管路较长的原因存在滞后，改选完成后，测氧仪探头置于内舱内，可实时监测内舱内的氧浓度变化。

通过对模拟400 m氢氧饱和动物实验舱的环控系统的改造，能够更精准地控制舱室温度，精度达到±0.5℃，采取多项安全措施，避免由于人因素而导致事故的发生;环境参数监测与采集系统的改进，能够实现内舱氧浓度、外舱氢浓度的准确监控，保障氢氧饱和潜水实验的安全、顺利进行。

4 小结

大深度氢氧饱和实验除法国走在前面外，其他各国开展得不多，由于技术保密原因，没有更多的参照资料，有关设备建造没有更多的借鉴之处，氢氧实验的安全只能通过现有的安全技术加以规范，结合现有的控制技术保障试验条件。改进后的氢氧饱和动物实验舱环境控制系统，还需要在以后的实验过程中不断总结经验，结合以后的成熟控制手段和各种先进成熟的检测技术，不断完善氢氧饱和实验舱环境控制系统，为我国氢氧饱和潜水实潜奠定基础。

［1］ 张振炜.氢氧潜水应用研究及进展［J］.海军医学杂志，2001，22(2):161-163.

［2］ 于峰涛，顾秀良，翁永斌，等.模拟400 m氢氧潜水动物实验舱系统研制［J］.海军医学杂志，2013，34(1):36-37.

［3］ 肖卫兵，杨涛.氢氧潜水的生理学问题［J］.中华航海医学与高气压医学杂志，2001，8(2):116-118.

［4］ 肖卫兵，李峻，马征，等.氢氧高压环境下小鼠脑电图功率谱和睡眠周期的变化［J］.中华航海医学与高气压医学杂志，2006，13(3):159-161.

［5］ 马征，方以群，张和翔，等.模拟氢氧潜水实验过程中的安全措施研究［J］.海军医学杂志，2004，25(4):292-294.