某船飽和潛水生命支持系統(tǒng)的集成優(yōu)化設計

朱傳美　樊斌　楊澤濱

摘? ? 要：通過對某船飽和潛水生命支持系統(tǒng)：主要包括環(huán)境控制系統(tǒng)、衛(wèi)生水系統(tǒng)、火災探測和消防系統(tǒng)、潛水員熱水系統(tǒng)各子系統(tǒng)的設備配置和工作原理進行分析，為飽和潛水系統(tǒng)國產(chǎn)化應用及飽和潛水系統(tǒng)設計優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：飽和潛水支持船;飽和潛水;生命支持系統(tǒng);設備配置;集成

中圖分類號：U674.38 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Integrated Optimization Design of Ship's Saturation

Diving Life Support System

ZHU Chuanmei， FAN Bin， YANG Zebin

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.， Guangzhou 510715 ）

Abstract： This paper analyzes the equipment configuration and working principle of the saturated diving life support system of a ship， which mainly includes environmental control system， sanitary system， fire detection and firefighting system， diver hot water system. This paper provides a reference for the localized application or design optimization of the saturation diving system.

Key words： Saturation diving support vessel; Saturation diving; Life support system; Equipment configuration; Integration

1? ? ?概述

飽和潛水是現(xiàn)代海洋工程中重要的水下作業(yè)方式。 飽和潛水系統(tǒng)復雜，設備繁多，主要包括：減壓艙系統(tǒng);潛水鐘;潛水鐘收放系統(tǒng);生命支持系統(tǒng);氣體再生和回收系統(tǒng);供氣系統(tǒng);控制系統(tǒng);自動化系統(tǒng);高壓逃生系統(tǒng)以及一些輔助設備等。其中，生命支持系統(tǒng)是最重要的系統(tǒng)，其設備配置關(guān)系到潛水員的生命安全。

生命支持系統(tǒng)主要由下面幾個子系統(tǒng)組成：環(huán)境控制系統(tǒng);衛(wèi)生水系統(tǒng);火災探測和消防系統(tǒng);潛水員熱水系統(tǒng)，如圖1所示。

下面以某飽和潛水支持船為例，對其生命支持系統(tǒng)的設備/系統(tǒng)工作原理和設備配置進行探討。該船入級DNVGL/CCS雙船級，配置300 m水深雙鐘24人飽和潛水系統(tǒng)、兩套可獨立運行的潛水鐘系統(tǒng)、4套6人居住生活壓力艙（簡稱DDC）、兩套過渡艙（簡稱TUP）。

2? ? ?環(huán)境控制系統(tǒng)

環(huán)境控制系統(tǒng)主要是控制DDC、TUP內(nèi)的壓力、溫度、相對濕度、氧分壓、二氧化碳濃度等參數(shù)滿足設計要求，為潛水員提供居住必需的生活條件。

2.1? ?設備配置

根據(jù)設備的布置位置及系統(tǒng)構(gòu)成，環(huán)境控制系統(tǒng)又可分為外部再生系統(tǒng)和內(nèi)部再生系統(tǒng)：外部再生系統(tǒng)的設備組成，主要是指布置在DDC和TUP艙室外部的設備（傳感器除外，布置在艙內(nèi)），包括環(huán)境控制單元（簡稱ECU）、加熱單元、制冷單元、加熱重力柜、制冷重力柜及監(jiān)控系統(tǒng)等;內(nèi)部再生系統(tǒng)的設備組成，是指布置在居住壓力艙和過渡艙內(nèi)部的設備，包括CO2有害氣體消除裝置、輔助加熱器/制冷器、熱交換器等。

每個DDC和TUP均配置有專用的環(huán)境控制單元。環(huán)境控制系統(tǒng)的配置需考慮具備故障冗余，因此每一舷潛水鐘系統(tǒng)還要增加一臺ECU作為備用，整套潛水系統(tǒng)總共配有8臺ECU。每套潛水鐘系統(tǒng)的第四臺ECU可以連接至該系統(tǒng)的雙氣閘DDC和TUP，替換故障的單元，此設計滿足出現(xiàn)單點故障時具有完全備份的要求。

一套冷卻系統(tǒng)配有4臺制冷單元，左右舷各2臺，為冷卻環(huán)境控制系統(tǒng)和應急內(nèi)部風機盤管提供足夠的冷源;同樣，一套加熱系統(tǒng)配有4臺加熱單元，左右舷各1臺，每臺加熱單元有2個加熱器，為加熱環(huán)境控制系統(tǒng)和應急內(nèi)部風機盤管提供足夠的熱量。系統(tǒng)交叉連接，確保完全冗余，當出現(xiàn)制冷裝置或加熱裝置故障、泵故障、供電故障時，系統(tǒng)能正常工作。

2.2? 工作原理

環(huán)境控制系統(tǒng)的主要功能是控制DDC/TUP的溫度和濕度、去除循環(huán)氣體中的CO2等有害氣體。其控制系統(tǒng)通過相應位置的溫度和濕度傳感器，監(jiān)測DDC/TUP內(nèi)的溫度、濕度參數(shù)，并實現(xiàn)受控參數(shù)滿足設定要求。其工作原理框圖，如圖2所示。

（1）溫度、濕度控制

作為飽和潛水生命支持系統(tǒng)智能控制系統(tǒng)（簡稱iLife）內(nèi)部區(qū)域的主要控制點，ECU單元具有專用的iLife接口。在自動模式下，DDC/TUP艙內(nèi)的溫度值和濕度值是由操作者通過機械設備的人機界面系統(tǒng)（簡稱HMI），或飽和潛水系統(tǒng)智能飽和控制（簡稱iSAT）的遠程控制板進行設置，因此內(nèi)部區(qū)域的溫、濕度參數(shù)是根據(jù)設定值實現(xiàn)自動控制;iLife通過持續(xù)分析安裝在DDC/TUP艙室內(nèi)的濕度傳感器和安裝在DDC/TUP艙室內(nèi)及ECU單元上的多路溫度傳感器的反饋信息，獲得DDC/TUP艙內(nèi)氣體的溫度和濕度信息，再將這些信息輸出到控制系統(tǒng)中，然后控制系統(tǒng)通過改變制冷單元和加熱單元的流量來控制流經(jīng)ECU單元氣體的溫度和濕度，形成饋路循環(huán)，使其維持在設定范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)對DDC/TUP艙內(nèi)的溫度和濕度自動控制。

在半手動模式下，為了調(diào)整DDC/TUP的濕度值和溫度值，操作者可在同一人機界面手動設置冷水或熱水的溫度;在應急情況下，可通過本地控制，手動開啟/關(guān)閉熱/冷水閥或從本地逆變器面板設置風機轉(zhuǎn)速來設置環(huán)境控制單元的性能參數(shù)實現(xiàn)對DDC/TUP的濕度和溫度控制; 當發(fā)生同一個DDC/TUP的兩個ECU單元都失效的情況時，DDC/TUP內(nèi)裝有應急冷卻和加熱盤管，可作為臨時備用來實現(xiàn)艙內(nèi)溫度和濕度的控制。

實踐證明，典型的溫度控制精度范圍普遍為設定值的±1℃是合理的。同樣，對于濕度控制，其控制精度范圍為設定值的±10%，這些控制精度在DNVGL要求的限值內(nèi)。

（2）去除循環(huán)氣體中的CO2

每個ECU單元都裝備了CO2去除裝置及有害氣體吸附劑，用于維持DDC/TUP艙室內(nèi)的氣體清潔。當iSAT通過CO2分析儀檢測到艙室氣體中的CO2濃度達到設定值時，在氣體流經(jīng)ECU的CO2去除裝置時，該裝置自動噴水至循環(huán)氣體，然后含水的氣體流經(jīng)CO2去除裝置，通過化學反應去除循環(huán)氣體中的CO2。

為了保障潛水員居住生活區(qū)域的氣體清潔，每個ECU單元的CO2去除裝置持續(xù)有效時間為最惡劣條件和最大使用量時超過18小時，根據(jù)失效指示，ECU單元的CO2去除裝置可及時更換;應急情況下， DDC/TUP內(nèi)裝有內(nèi)部氣體清潔劑，可作為臨時備用。

（3）控制氧分壓

DDC/TUP內(nèi)需要維持適當?shù)难鯕鉂舛葋頋M足潛水員的生活需求，當iSAT通過O2分析儀檢測到艙室內(nèi)氣體氧分壓低于所需值時，通過DDC/TUP的就地控制板將儲存在上甲板的氧氣瓶中的氧氣補充到DDC/TUP，以維持潛水員的日常生活所需。

3? ? ?衛(wèi)生水系統(tǒng)

衛(wèi)生水系統(tǒng)主要為潛水員在居住生活艙內(nèi)生活提供冷熱用水、廁所排水等，該系統(tǒng)安裝布置在減壓艙的周圍。

3.1? ?設備配置

根據(jù)設計需求，船舶系統(tǒng)需提供每套衛(wèi)生水單元及其加熱裝置100 L/min的清潔淡水，淡水壓力要求為2～7 bar;衛(wèi)生水裝置壓力設計根據(jù)飽和潛水系統(tǒng)的最大工作水深計算，一般300 m水深的飽和潛水系統(tǒng)，其衛(wèi)生水裝置的最大設計出水壓力為50 bar;作為排水用的壓力污水柜，其設計壓力也與飽和潛水系統(tǒng)的最大工作水深有關(guān)，通常將飽和潛水系統(tǒng)的最大工作水深作為壓力污水柜的設計壓力。

根據(jù)系統(tǒng)設置，衛(wèi)生水系統(tǒng)包含兩套衛(wèi)生水單元及衛(wèi)生水加熱裝置、 6個壓力廢水柜和一個中央廢水柜：兩套衛(wèi)生水單元及衛(wèi)生水加熱裝置互為備用，正常運行時左右舷各用一套，為DDC/TUP內(nèi)部區(qū)域提供冷熱水服務;單邊故障情況下，可打開中間的常閉隔離閥，為整套系統(tǒng)服務。

壓力廢水柜內(nèi)的污水，通?？梢约皶r排至中央廢水柜，所以設計容積較小。中央廢水柜設計容量為1m3，當水位到達水柜上限時，排至船舶污水系統(tǒng)進行處理。

3.2? 工作原理

淋浴器、洗手池及廁所設置在生活區(qū)域（即進出氣閘區(qū)域）。兩路冷熱水在艙內(nèi)混合，單個裝置可供約40 L/min的冷水和40 L/min的熱水，允許同時使用若干淋浴器;在過渡艙內(nèi)配有冷熱水接頭，用于受傷潛水員的急救操作。

每個DDC和TUP均配有一個單獨的壓力廢水柜來存儲廢水。艙內(nèi)的沐浴及洗手等廢水排水借助于艙室內(nèi)部的彈簧復位，將排水輸送至各壓力艙的壓力廢水柜;廁所馬桶排水管路，根據(jù)馬桶蓋子位置進行連鎖，當馬桶蓋打開時廁所不能排空，以防高壓排空下將人員吸入產(chǎn)生危險，當馬桶蓋閉合時，連接彈簧復位閥的連鎖解除，實現(xiàn)廁所排空。

由外部操作人員操作控制將6個壓力廢水柜的廢水排至中央廢水柜，此廢水排放也是通過使用彈簧復位閥來實現(xiàn)。中央廢水柜與船舶污水系統(tǒng)連接，實現(xiàn)最終的污水排放及處理。

4? ? 火災探測和消防系統(tǒng)

火災探測和消防系統(tǒng)的主要作用是動態(tài)監(jiān)視DDC/TUP的火警狀態(tài)，在檢測到異常狀態(tài)下進行報警，執(zhí)行艙室內(nèi)的滅火，以保障艙內(nèi)潛水員的生命安全。

4.1? ?設備配置

火災探測系統(tǒng)由一套DNVGL型式認可的高壓火焰和煙霧探測器組成。每個DDC/TUP都配有足夠數(shù)量的傳感器，這些傳感器連接在DNVGL型式認可的中央火災探測系統(tǒng)上;用于DDC/TUP艙內(nèi)的火災探測系統(tǒng)主要部件為高壓紫外線傳感器，當暴露在白熾燈、LED燈、太陽光的輻射下，傳感器不會觸發(fā)。根據(jù)飽和潛水系統(tǒng)的工作水深，火災探測系統(tǒng)的傳感器本體設計壓力可達40 bar。

DDC/TUP內(nèi)部的消防系統(tǒng)，由一套DNVGL認可的水霧系統(tǒng)組成，根據(jù)美國消防協(xié)會標準NFPA750的要求進行設計，并在試驗時進行驗證。主要由布置在DDC/TUP艙內(nèi)的水霧噴頭及布置在DDC/TUP艙外的6個壓力消防水柜和一個壓力控制板構(gòu)成：每個DDC/TUP都配有一個專用壓力消防水柜，根據(jù)DDC/TUP的容積和設計要求，6人壓力艙的壓力消防水柜容積為1300 L/個，其設計壓力大小取決于飽和潛水的最大工作水深。

4.2? ?工作原理

DDC/TUP內(nèi)的高壓火焰和煙氣探測器為串行回路連接，對艙室內(nèi)部火警狀態(tài)進行連續(xù)動態(tài)監(jiān)視。艙室內(nèi)部的濕式區(qū)域即生活區(qū)域由火焰探測器監(jiān)視，干燥區(qū)域即居住區(qū)域同時安裝火焰和煙氣探測設備。當火災探測檢測到異常情況時將觸發(fā)報警，并通過飽和控制臺進行遙控操作或通過艙室內(nèi)部/外部手動閥進行本地操作，來激活滅火命令進行滅火。

每一側(cè)消防水系統(tǒng)有3個壓力消防水柜，交叉連接，互為備用，用于儲藏單側(cè)潛水系統(tǒng)的消防水;連接至壓力消防水柜的補水管線和消防出水管線采用底部混合的布置方式，來提供消防機械能量;氣瓶高壓混合氣體通過氣體管理分配板連接至消防系統(tǒng)的壓力控制板，壓力板連接各獨立氣體管路至各壓力水柜以提供消防出水壓力，壓力消防水柜內(nèi)的氣體通過連接至氣體回收袋的管路進行氣體回收;消防水的供應壓力和消防水柜的水位及室內(nèi)消防自動閥的狀態(tài)，可在飽和控制區(qū)域顯示及監(jiān)控。

5? ? ?熱水加熱系統(tǒng)

當潛水員在水下作業(yè)時，由于水下海水溫度不斷降低，300 m水深的海水溫度接近0 ℃。為了保持潛水員的舒適和安全，設有一套專門的潛水員加熱系統(tǒng)，以保證潛水員的呼吸氣體和潛水員的身體進行加熱和保溫需求。

5.1? ?設備配置

熱水裝置的設計要充分考慮系統(tǒng)的冗余度和機動性，確保一個加熱器或一個泵出現(xiàn)故障時可以維持系統(tǒng)的安全性。因此，單邊熱水加熱系統(tǒng)由一套主熱水單元和一套應急用的熱水加熱鍋爐組成;整套潛水員加熱系統(tǒng)，由兩套常用的主熱水單元加上兩套應急用的熱水鍋爐組成，加熱方式都為電加熱，每一套裝置都配有一臺獨立的泵。飽和潛水加熱系統(tǒng)原理圖，如圖3所示。

5.2? ?工作原理

潛水員身體的加熱和保溫主要通過開式循環(huán)在潛水服中的熱水系統(tǒng)來實現(xiàn)，主加熱系統(tǒng)加熱水來源為海水，應急備用狀況下采用淡水。

一般潛水鐘內(nèi)有3個潛水員同批次進行水下作業(yè)，其中一人為管鐘員，另外兩人為作業(yè)潛水員。當潛水員在水下作業(yè)時，船上的潛水員熱水系統(tǒng)通過主臍帶纜上的熱水輸送管路將熱水供到潛水鐘上的熱水管匯上，熱水管匯上有3路熱水出口，分別連接至#1潛水員管匯、#2潛水員管匯、管鐘員管匯，水下作業(yè)潛水員再通過連接到潛水鐘上的個人專用臍帶纜將熱水連接至潛水員的潛水服上的開式循環(huán)管路中，來保證潛水員的身體溫度。

雖然管匯上裝有熱水溫度指示器，但熱水溫度不在潛水鐘內(nèi)調(diào)節(jié)。熱水溫度和流量的控制由潛水監(jiān)管員在潛水遙控點或熱水控制板上直接進行監(jiān)視和維持。

船上熱水單元提供的熱水最高溫度是60 ℃，而潛水深度處的熱水溫度取決于海水溫度、臍帶纜水下長度和其他參數(shù)。臍帶纜內(nèi)的熱量損失取決于臍帶纜長度、周圍的水溫和供應速度;潛水鐘上可以讀到本地溫度。

主熱水單元由電氣控制板實現(xiàn)本地控制。除本地控制外，潛水控制室的潛水控制臺上設有熱水遙控板，可以進行熱水單元的溫度控制和流量監(jiān)視，以便潛水監(jiān)督員監(jiān)視設備的運行、輸出等。

熱水系統(tǒng)管路的布置設計要保證熱水單元和鍋爐的熱水輸出可以通過管匯向所有用戶供應。鍋爐裝置中的泵由重要和應急電源雙路供電，船舶主電源故障時切換至應急發(fā)電機供電。另外，當一個主配電板電氣故障時，還可以用緩沖罐內(nèi)的水供熱水。鍋爐可以設置成當主單元流量丟失時，自動啟動應急供應。這種設計可以滿足至少20分鐘熱水供應的要求，在一個潛水鐘發(fā)生單點故障后，確保潛水員在應急時安全返回潛水鐘。

潛水員呼吸氣體的加熱要求，取決于作業(yè)時的水溫、深度、水流、潛水員的勞動強度、呼吸氣體類型和潛水服的隔熱性等。因此，在冷水中潛水時，為防止過多的呼吸散熱導致潛水員體溫降低，也需要對潛水員的吸入氣加熱。氣體加熱熱水來自潛水員臍帶纜。不同工作深度下，潛水員吸入氣的對應最低溫度見表1所示（數(shù)據(jù)來源于《美國海軍潛水手冊》），潛水員可通過調(diào)整其頭盔中二級呼吸調(diào)整器，實現(xiàn)吸入氣的最低溫度滿足表1要求。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （下轉(zhuǎn)第頁）（上接第頁）

6? ? 結(jié)語

生命支持系統(tǒng)是飽和潛水作業(yè)的基礎(chǔ)平臺系統(tǒng)，主要用于保證密閉環(huán)境中的溫度、濕度、氣體成分、所需壓力等達到額定指標，保證高壓下潛水員維持正常生活及有效工作能力，維持生存環(huán)境，保證潛水員生命安全。本文通過對生命支持系統(tǒng)的集成分析，較為詳細的闡述了生命支持系統(tǒng)各子系統(tǒng)的工作原理與設備配置，可為今后的潛水設備國產(chǎn)化研究或系統(tǒng)優(yōu)化研究提供理論依據(jù)與參考。

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