饱和潜水减压舱环境控制系统模拟测试方案研究钱步娄

王公利

摘  要：饱和潜水系统技术是人类对于潜水技术的一个新的突破，其被广泛应用于失事船舶及潜艇救援、海底施工作业、水下资源勘探等军事和民用领域。而在饱和潜水系统中，对潜水员居住的各型舱室环境进行精确控制，是保证饱和潜水员安全的关键。所以在潜水系统建造过程中，需要通过科学的测试方案对环境控制系统进行严格测试，并对获取的各项技术参数和结果进行对比、分析、改善，最终使系统安全可靠运行。

关键词：饱和潜水;环境控制;测试方案

中图分类号：U661.43 文献标志码：A 文章编号：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

飽和潜水概念最早由美国海军专家Bond提出，其基本原理是人体在高压条件下提留一定的时间，其血液组织中渗入的气体就会达到饱和状态，因此，只要压力不变，即使增加停留的时间，血液和组织里的气体含量也不会改变。因此潜水员可以在海洋的某个深度工作一段时间后，返回同样压力的减压舱内进行休整，而不需要进行减压，休整结束后可以继续返回同样深度进行工作，直至工作结束，最终返回减压舱内进行一次减压即可。饱和潜水作业方式使得作业时间大大增加，工作效率也得到了很大的提高。

在饱和潜水作业过程中，由于潜水员需要长期生活在减压舱内，为保证潜水员维持生命体征需要，需要对减压舱室环境进行严格控制，主要包括舱室环境内氧气、CO2成分控制和温湿度控制两个方面。

1 实验设备

本模拟测试方案所使用的是300m饱和潜水系统潜水员居住单元，主要由减压居住舱DDC、进入舱（ENTRY LOCKER）、过渡舱（TUP）、潜水钟组成（BELL）。其中减压居住舱28.7m3、进入舱11.5m3、过渡舱25.2m3、潜水钟6.5m3。居住舱、进入舱和过渡舱均由独立的环境控制系统进行控制，同时各环境控制系统之间设立隔离阀，当其中一套环境控制系统失效时，打开隔离阀其他舱的环境控制系统可以同时对两个舱室进行环境控制。在试验过程中，在舱室温湿度、CO2浓度超过设定值的情况下，可以通过启动减压舱和进入舱各自的环境控制系统，将温湿度和CO2浓度控制在允许范围内。

环境控制系统由冷水机组、热水机组、CO2吸收装置、温湿度传感器、CO2分析单元、O2分析单元、监测控制单元等部件组成。实验期间，监测控制单元通过对温湿度传感器采集到的温湿度信号进行处理，由控制系统控制冷热水机组运行，实现对舱室气体温湿度的调节。

在饱和潜水系统运行过程中，潜水员在舱内生活会不断消耗空间内的氧气。当O2分析单元检测到内部氧气含量不足时，系统会自动对居住舱室进行补氧操作。由于高压环境下，潜水员所需求氧气的含量需要进行精确控制，因此在补氧过程前，需使用标定气体对O2分析单元进行精确标定校准。

CO2吸收装置是由两个相对独立的洗涤器组成，其中一个洗涤器内部盛满某特定品牌的碱石灰作为吸收媒介，另一个洗涤器内空置。当系统检测到的CO2含量在允许范围内时，循环气体通过空置的洗涤器进行循环使用。当系统检测到的CO2含量超标时，电磁阀将自动打开，使得循环气体自动通过盛满碱石灰的洗涤器，从而吸收循环气体中的CO2气体后，再进行循环使用。为了测试碱石灰的吸收效率，每次吸收完毕后，需要用新的碱石灰更换掉洗涤器内使用过的碱石灰，以确保吸收装置具有最高的吸收率。

2 模拟测试方案

由于系统还处于测试阶段，出于安全考虑，在完成验证系统是否正常工作前，禁止任何人员进入减压舱内进行实效测试。为了验证系统的功能，我们需要模拟出减压舱内最真实的环境状态，所以我们通过精确的理论计算和科学技术方案模拟出在高压环境下潜水员所需的热量、人体生理代谢产生的CO2和消耗的氧气以及潜水员日常生活对内部湿度所产生的影响的真实状态。

2.1 减压舱加压

根据300m饱和潜水系统试验的要求，300m饱和潜水状态下，减压舱内部气体由2%氧气和98%的氦气组成，内部压力为31.4bar。在进行实际操作时，首先使用纯氦进行加压，在加压过程中需控制加压速度，同时观察减压舱内部温度的变化，其内部温度需要控制在30℃以下。当内部压力稳定在30.77bar时，则停止氦气的注入，转而由氧气注入管，注入氧气直至31.4bar，并保持减压舱内气体压力不变。

2.2 减压舱内部温度模拟测试

首先模拟测算在外部环境温度不变的情况下，内外部温差所造成的能量交换（Kex）。通过外部空调系统控制减压舱区域环境温度稳定在30±1℃。在减压舱内部均匀布置5块加热瓦片（详见图1）对减压舱内部进行加热，使得减压舱内部温度升高并稳定在40℃。根据加热瓦片的加热功率测算出此时的热量交换：

即内外部存在1℃温差的热交换量为64.69W。

其次模拟外界温度达到55℃时（极端情况下），减压舱内部的热量，由于外界环境温度模拟55℃非常的困难，因此我们测试通过维持外界环境温度30±1℃保持不变，使用计算方式将温差造成的能量传递直接加入到减压舱内部的方式进行，同时根据以往的经验公式计算得出，6名潜水员身体所散发的能量为1200W，故此时通过加热瓦片模拟给予减压舱内的能量为：

设定冷水机组温度为30℃，并转为自动控制模式，随着加热瓦片能量的不断输入以及冷水机组的不断运行，减压舱内部温度不断变化，在经过若干小时之后，当温度变化幅度在±1℃范围内时，可以认为温度已经稳定，此时舱内温度为31℃，湿度低于50%。满足NORSOK U-100最大稳定不超过33℃的要求。

2.3 减压舱内部湿度模拟测试

为了模拟潜水员在舱内正常生活所产生的湿度，实验过程中，通过手摇泵加水的方式对减压舱内不断注入淡水，同時通过内置的加热炉，对水分不断加热从而不断的产生湿气（详见图1）。

在湿度模拟过程中需注意如下问题：

（1）由于高压环境下，水的沸点会升高，在31.4bar的高压环境下，水的沸点达到约270℃，因此在加热炉选型的过程中，需要选择足够功率的加热炉，以便提供足够的能量，使加入的水可以瞬间蒸发。

（2）为了反映最真实的内部湿度情况，每6分钟按压一次手摇泵，经过计算每小时的供水量约为0.5kg/h。

保持热水机组正常工作的情况下，持续加水1小时（共计10次），观察舱内温度为29.7℃，变化幅度为±1℃。内部湿度始终维持在35%，低于50%。满足系统要求。

2.4 减压舱内部CO2吸收率测试

首先运行CO2吸收装置，并使循环气体经过未盛装碱石灰的洗涤器。通过图1方式注入一定量的CO2，在注入过程中要通过CO2分析单元不断观察内部含量的变化，每次注入后要等约1分钟左右，以便内部气体能够得到充分的混合。

由于为了准确的计算CO2的吸收率，因此对于CO2的注入量，需要进行严格的控制，故在本测试中我们采用分批次注入定量CO2的方式，进行测试。详见表1：

表1 CO2分批注入步骤及注入量操作表

此时通过手动操作电磁阀，使循环气体通过盛满碱石灰的洗涤器进行吸收，并每隔30秒钟读取CO2分析单元上CO2气体的读数，并将数据记录至表2中，直至减压舱内部CO2分压降低为1mbar，记录下最终数据。

根据DNV船级社规范（DNV-OS-E402 F602）的要求，每名潜水员产生CO2的速率为0.05Nm3/h，也就是说6名潜水员每小时产生的CO2为0.3Nm3，根据表2的记录数据可以很容易的判定出，此时CO2的吸收率>0.3Nm3/h，满足系统及船级社要求。

3 测试结果分析

通过对300m饱和潜水系统减压舱进行加压控制测试、温湿度控制测试、CO2吸收率测试，我们可以发现，该环境控制系统可以有效调节该300m饱和潜水系统减压舱内环境指标，即使在极端温度55℃的情况下，使用冷水机组也可以对减压舱内温度进行合理有效的控制。而在湿度控制方面，通过热水机组对循环气体进行加热，从而使得气体内水份析出，从而达到了降低湿度的目的。对于CO2吸收率，通过人工分步注入CO2的方式，测定出了CO2的吸收率，结果完全符合船级社规范要求和维持潜水员生命体征需求。但由于减压舱内没有消耗氧气的物体存在，因此在O2系统控制方面，本测试方案仅验证了O2分析单元的有效性以及O2注入管路的畅通性。后续还需要针对此做进一步的模拟研究，以期达到更好的测试效果。

参考文献：

[1]DNV-OS-E402 F602.DNV-GL船级社规范[S].

[2]陈海庭，等.模拟480m氦氧饱和潜水实验的舱室环境控制[J].海军医学杂志，2011，32（06）：408-410.

[3]陈海庭，等.模拟65m氦氧饱和潜水人体实验CO2分压和湿度超标原因分析[J].海军医学杂志，2011，32（05）：318-320.