集体防护区超压建立过程分析

刘秀峰，喻俊峰，张益诚,于立庆

(1.海军驻武汉701所军事代表室，武汉 430064;2.中国舰船研究设计中心，武汉 430064; 3.大连船舶重工集团有限公司，辽宁 大连 116005)



集体防护区超压建立过程分析

刘秀峰1，喻俊峰2，张益诚2,于立庆3

(1.海军驻武汉701所军事代表室，武汉 430064;2.中国舰船研究设计中心，武汉 430064; 3.大连船舶重工集团有限公司，辽宁 大连 116005)

将集体防护区按照压力不同划分为3个区域，推导超压建立过程中压力场不均匀分布的数学模型，结合该模型对超压建立过程中压力变化试验数据进行分析。结果表明，集体防护区建成后，可根据调试试验结果对高压区、中压区、低压区之间流通面积进行调节，从而改善超压建立过程的效率。此外，防护区超压建立后，有必要对压力稳定的控制策略进行优化，缩短达到超压稳定的时间。

集体防护区；超压建立；数学模型

集体防护区是水面舰艇核生化防御体系的重要组成部分。美国海军从上世纪80年代开始在水面舰艇上配置集体防护系统[1]。全防护集体防护系统[2]通过建立密闭周界、向集体防护区提供过滤处理后的洁净空气来建立超压，并及时补充洁净空气以维持防护内正压状态。此时，集体防护区内的人员不再需要采取个人防护措施，进而有效提高了舰船及人员应对外界空气污染状况的能力。安全性和舒适性是设计集体防护区需要考虑的重要问题。集体防护区通过建立超压，使空气只能从船体内部集体防护区周界上向外排出或泄漏空气，从而避免了外界污染物进入防护区内。超压值需要合理设置，过高或过低均会造成不利影响[3]。在多舱室集体防护区内建立超压的过程中，不同位置的压力和压力变化速率会存在差异，有必要在多个特征位置设置舱室压力计对压力进行监测，以确保整个集体防护区的压力达到超压设定值。

1 超压建立过程数学模型

集体防护区通常由多个舱室组成，其内部压力沿着空气流动的方向压力呈现出逐渐降低的趋势，舱室与舱室之间的压力有时候会出现比较明显的差异。一般情况下，有空调送风的舱室压力较高，而集体防护区周界上将空气排出集体防护区外的舱室内压力较低。为对整个超压建立过程进行分析，将集体防护区划分为高压区、中压区和低压区等3个区域，见图1。

考虑到集防区内的压力变化是一个非均匀的动态过程，需要在集防区内选择特征位置作为压力监测点，对不同区域的压力进行监测。

在超压建立的过程中，通风机向集体防护区中高压区输送空气的流量为q1，集体防护区在低压区的排风量和空气泄漏量总和为q4，q2、q3分别为由高压区向中压区流动的风量和由中压区向低压区流动的风量。p1、p2、p3分别为高压区、中压区、低压区的压力。

假设集体防护区模型满足下列条件：

1)高压区、中压区、低压区内压力差分布均匀；

2)集体防护区与外界的温度一致；

3)空气按照理想气体处理。

根据理想气体状态方程

pV=mRT

(1)

式中：p,V,T,m分别为气体的压力、体积、温度、质量；R为空气气体常数。

集体防护区内，高压区、中压区和低压区的压力变化率分别为

(2)

(3)

(4)

假设超压建立时间为Δt，超压建立后集体防护区内的空气质量增加了Δm，则

假设集体防护区的空气来源为始终工作在额定转速的通风机，在超压建立过程中，集体防护区内压力上升，空气流量逐渐下降。假设通风机的压力与流量的关系曲线为

p1=Aq21+Bq1+C

(5)

式中：A，B，C为风机流量与全压关系曲线的二次多项式拟合系数。

假设由高压区到中压区的流通通道的综合流动阻力系数为ξ1，该通道内风速为u1，则

(6)

同理可得

(7)

式中：ξ2为由中压区到低压区的流通通道的综合流动阻力系数；u2为该通道内风速。

2 超压建立过程试验

选择一个由多个舱室串联组成的区域开展超压建立过程试验，使用风机进行机械送风代替空调送风，在防护区周界配置有泄压阀，风机与泄压阀均由控制箱进行集中监控，多个舱室中均配置有压力计，多舱室之间设置节流阀。防护区模拟试验中，特征舱室从建立超压到恢复常压的过程中，超压值变化情况如图2所示。其中，设计压力值为P0。

在t=0 s时开始超压建立过程，模拟防护区开启通风机向防护区内送风，并同时关闭泄压阀。经过几秒钟的风机启动时间后，舱室内压力开始迅速升高。该阶段时间与舱室容积和风机通风能力有直接关系。根据通风机压力与流量特性曲线，随着通风机背压升高，进风流量逐渐下降，进而导致当超压值接近设定值后，压力升高速率放缓。根据式(6)和式(7)，利用采集到的P1、P2、P3数据，可以得到高压区与中压区、中压区和低压区之间空气的流通速率。若流速差较大，则有必要调节相邻区域之间的流通面积。

在t=200～400 s之间，防护区处于压力稳定阶段。该项试验时，压力泄放阀的启闭策略为将超压值限制在设定值较窄范围内。该控制策略导致阀门启闭的次数较多，不利于形成较为稳定的超压值。通过改善该阶段的控制策略，构建系统增量方程线性化传递函数，通过传递函数确定PID参数以实现系统稳定及优化控制，实现集体防护系统精确的定量控制[4]。集体防护系统在建压超压及运行过程中产生的压力波动，应超过人体耐受阈限。除了超压控制策略导致的集体防护区内压力波动外，集体防护区内的压力还受外界大气压力变化、人员进出、压力探测及控制设备的工作方式等因素的影响，在设计时应一并考虑。

压力趋于稳定后，关闭通风机，开启泄压阀，压力开始逐渐降低，直至超压值降低为0。在试验过程中可以观察到，在t=475 s左右时，舱室内压力出现略微升高的情况。造成该情况的原因为风机没有在关闭后立刻完全停止，而是由于惯性继续向防护区内送风。该情况对防护区压力恢复造成的不利影响可以忽略。

对于特定的舱室超压Δp和舱室容积V，超压舱室需要增加的总空气质量Δm是确定的，超压建立时间取决于超压舱室空气质量增长速度。

对于变流量系统，风机启动后以额定转速运行，在超压建立过程中，流量下降，全压上升。待压力稳定在超压设定值后，流量与全压同样保持稳定。超压建立过程中，Qx和Qy都是变化值，有

(8)

为尽量缩短超压建立的时间，应尽量减小空气泄露量Qy。通过将节流阀做成可调式，使节流面积S1可变化，在建压过程中，使节流面积S1由0调至稳态面积。节流阀为开环控制时，节流面积S1的变化规律需由实际情况根据试验确定；节流阀为闭环控制时，还要注意将系统最大超调量和振荡幅度控制在合理范围内。

集体防护区压力波动除了受压力控制设备的控制策略的影响外，还会因压力测量设备布置位置的不同导致波动频率和幅度发生变化。一方面，集体防护区内压力探头需要布置在压力更为稳定的区域，尽量避免测量结果受人员活动或门盖开闭的影响。另一方面，考虑到船舶航速和外界风速的影响，集体防护区对外界气压的测量探头的安装位置要尽可能避免受航速、航向、风速等因素的动态干扰。

3 结论

集体防护区建成后，可根据调试试验结果，对高压区、中压区、低压区之间流通面积进行调节，从而改善超压建立过程的效率。此外，防护区超压建立后，可以通过对压力稳定的控制策略进行优化，缩短集体防护区的超压值达到稳定的时间。

[1] 刘书子.美国海军舰艇集体防护系统(CPS)的发展研究[J].舰船防化，2001，27(3)：1-10.

[2] 梅建庭，罗一丁.大型水面舰船集体防护体系的构建与作用[J].舰船科学技术，2009(5)：98-101.

[3] 方勇.舰船集体防护系统超压及其波动分析[J].舰船防化，2013(3)：48-51.

[4] 林芃，王吉，包剑，等.水面舰艇集体防护系统PID控制分析[J].中国舰船研究，2015，10(4)：118-124.

[5] 喻俊峰，杨海燕.舱室超压建立的物理模型分析[J].船海工程,2016,45(2):109-111.

[6] 方勇.舰船集体防护系统增压建立分析[J].船海工程,2013,42(4):112-113.

[7] 李光.舰船密闭区域气密特性研究[J].中国舰船研究，2015，10(4)：125-131.

Study on Overpressure Establishing Process of Collective Protection District

LIU Xiu-feng1, YU Jun-feng2, ZHANG Yi-cheng2, YU Li-qing3

(1.Military Representative Office at No.701 Research Institute, Wuhan 430064, China; 2.China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China; 3.Dalian Shipbuilding Industry Co. Ltd., Dalian Liaoning 116005, China)

To accurately analyze overpressure establishing process of the collective protection district (CPD), CPD was divided into three parts with gradient pressure distribution. Mathematics model of overpressure establishing process was deduced based on the pressure gradient. Experiment data of overpressure establishing process was analyzed with the model. The analyze results showed that it is necessary to adjust flow area between different cabin to improve overpressure establishing efficiency. Besides, control strategy of pressure stability needs to be optimized to shorten the establishing process time.

collective protection district; overpressure establishing process; mathematical model

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.035

2017-03-07

国家部委基金资助项目

刘秀峰(1970—)，男，硕士，高级工程师

研究方向：舰船机电工程

U664.8

A

1671-7953(2017)03-0147-03

修回日期：2017-03-27