模擬400 m氫氧潛水動物實驗加壓艙環控系統的改造

陳海庭，陳銳勇，周宗萍，袁俊舫，吳東華，馮 磊，方以群

在海洋工程作業、深海打撈等大深度潛水過程中，常采用一定氧濃度的氦氧混和氣作為潛水員的呼吸氣。眾所周知，氦氣資源在地殼中的含量極其稀少，而全球儲存量80%的氦氣在美國。隨著電子集成技術的飛速發展，大量氦氣應用到集成電路等電子產品生產中，導致氦氣的消耗日益增大，氦氣枯竭的趨勢更加緊迫。上世紀中葉，世界各國都在大力發展氫氧潛水，法國在氫氧潛水領域走在世界的前列，1988年，法國Comex公司在海上做過534 m氫氧飽和潛水試驗［1］。我國在上世紀末開始開展氫氧潛水研究，取得了一定的經驗。但是，氫元素的化學性質非?；顫?，氫氣具有較強的還原性且易燃。氫氣中氧的含量超過4%就會發生爆燃［2］，氫氧混和氣潛水實驗的安全性要求也比氦氧混合氣潛水要求更高。海軍某醫學研究所模擬400 m氫氧飽和動物實驗艙在氫氧潛水實驗研究中發揮過積極作用，但在實驗過程中發現，受當時工業水平限制，設計上存在一些問題，容易產生事故隱患，因此必須對原有氫氧飽和潛水動物實驗艙溫度控制系統進行改造。

1 原氫氧飽和潛水動物實驗艙環控系統的基本情況

該加壓實驗艙由艙體、環境參數控制系統、環境數據采集和監視等部分組成(圖1)。環境參數控制包括艙內溫、濕度及二氧化碳濃度的控制，有關環境參數采集包括溫度、濕度、二氧化碳、氧濃度的采集、顯示和記錄。監視系統用來顯示加壓和減壓時內外艙之間的壓差狀態，以便內艙加減壓控制，并顯示整個實驗過程動物活動情況。見圖2。

環境控制系統由溫度控制儀、空調器、電加熱器元件、熱水箱、冷水箱、水泵、熱交換器和控制電路等部分組成(圖3)。運行原理:將水箱注滿水，分別設定冷水箱、熱水箱和艙內溫控儀的控制溫度，啟動系統，使冷水箱的溫度基本保持在20℃左右，熱水箱溫度基本控制在60℃左右，當艙內溫度低于設定值時，溫控儀發出信號，打開電磁閥A，關閉電磁閥B;當艙內溫度高于預設定溫度時，溫控儀發出信號，使兩電磁閥開關狀態進行轉換，實現艙內溫度控制。溫度控制精度:室溫在20～33℃之間時，艙內預設溫度為31℃ ，內艙內的二氧化碳由二氧化碳吸收器吸除。

圖1 氫氧飽和潛水動物實驗艙系統示意圖

圖2 氫氧飽和潛水動物實驗艙艙體結構示意圖

環境參數采集、記錄和顯示:主要實現顯示和記錄艙內壓力、溫度、氧濃度、二氧化碳濃度等關鍵參數，供實驗人員監視、決策。以及為實驗結果的分析提供依據。監視系統由艙內攝像頭、監視器、視頻采集卡、計算機和視頻線等組成，主要用于監視內艙和外艙在加減壓時壓差狀態并觀察動物在艙內的活動情況［3］。

2 原氫氧飽和潛水動物實驗艙環控系統存在的問題

該套設備建成后，利用套艙做過低濃度氧的氫氧混和氣和氦氧混和氣的動物實驗，發現一些安全隱患，若操作不當，可能導致嚴重的安全事故。

2.1 環境溫度控制部分

2.1.1 媒介水偏集，導致多余部分媒介水泄漏，而另一側缺水 由于熱水箱和冷水箱的回水開關設在水箱的上端，且是手動控制，曾發生過由于回水的偏集冷水箱一側，導致熱水箱中缺水，熱水電加熱沒有缺水警示和保護，熱水箱中缺水繼續加熱，最后造成熱水箱缺水而燒壞，所幸相關值班員細心，及時發現并阻止了事故的發生。事后分析:若初始狀態艙溫偏低，啟動系統后，電加熱器工作，回水閥處于全開狀態，由于回水管布置在水箱頂部，回水流經冷水箱的回水閥，直接回到冷水箱，周而復始，導致冷水箱水量外溢，熱水箱逐漸缺水，由于熱水箱無缺水警示和缺水保護，熱水箱中電加熱元件繼續加熱，造成熱水箱燒壞，可能釀成事故。

圖3 氫氧飽和潛水動物實驗艙溫度控制系統結構示意圖

2.1.2 艙內環境溫度控制精度較差，溫度起伏較大 假設環境溫度較低，初始設定完成后啟動系統，熱水管電磁閥A開啟，熱水經熱交換器、水泵、回水管及熱水回水閥回流至熱水箱，當艙內溫度達到或超過設定溫度時，熱水箱電磁閥A關閉，同時冷水電磁閥B打開，冷水經熱交換器、水泵、回水管流水箱，艙內熱量被很快帶走，艙內溫度迅速降低，艙內溫度低于設定溫度時，冷水箱電磁閥B關閉，熱水箱電磁閥A打開。由于冷水、熱水的控制閥均全關或全開，無法精確控制，致使艙內環境溫度控制精度較差，溫度變化較大，很難維持在設定溫度值，且控制電磁閥的繼電器啟動頻繁，故障率高。

2.1.3 水箱無水位顯示，且無欠水位報警控制 在某次實驗期間，曾發生回水偏集冷水箱，導致熱水箱缺水，電加熱系統無防干燒功能，在缺水狀態下繼續工作，所幸工作人員及時發現并處置得當，避免了事故的發生。

2.2 環控參數中氧濃度的采集和控制滯后

環控參數中氧濃度的采集，是將內艙的氣體通過穿艙件連接采集管道，經艙外減壓器、控制閥門、流量計、管路，然后輸入給測氧儀，這樣采集到的氧濃度相對滯后，無法精確反映艙內氧濃度的實際情況。

3 對原氫氧飽和動物實驗艙環控系統的改造

3.1 氫氧飽和潛水動物實驗艙溫度控制系統改進

3.1.1 組成 改造后，環境溫度控制系統主要由冷水箱、熱水箱、冷熱水調節混合閥、2只循環水泵、管路、加熱裝置、制冷系統和其他控制設備等組成。如圖4。

圖4 改造后的氫氧動物實驗艙溫度控制系統示意圖

3.1.2 工作原理 實驗時，首先將冷水箱、熱水箱按要求注滿純凈水或乙二醇的混合液，打開總電源，設定飽和動物艙的溫度［飽和潛水實驗一般設定為(31±1)℃)］［4］。然后根據環境溫度設置冷熱水箱的溫度，一般情況下，將冷熱水箱溫度設置成與需要的艙溫相差10℃左右，即艙溫艙溫需控制在(31±1)℃時，冷水箱溫度設置成21℃左右，熱水箱設置成41℃左右即可。開啟艙內循環風機，啟動艙室溫度控制系統。若環境溫度低于艙內設定溫度，系統自動關閉冷水箱回水閥，同時打開熱水箱回水閥，混水調節閥將向熱水管側全部打開，熱水箱中的水在熱水增壓泵的作用下，通過管道過濾器、混水調節閥、艙內熱交換器、回水管、熱水回水閥回到熱水箱，第1次熱水循環結束，周而復始，熱水箱的熱量被帶至艙內，通過熱交器，艙內溫度逐步上升，直至艙內溫度達到設定值。

若環境溫度高于艙室設定溫度，系統自動關閉熱水回水閥，同時自動打開冷水回水閥，混水調節閥向冷水管側全部打開，冷水箱中的冷水通過冷水泵、過濾器、混水調節閥、管路、艙內熱交換器、回水管、回水閥，艙內熱量被帶回到冷水箱。周而復始，艙內的溫度逐漸降低，直至艙室設定溫度。

冷水泵和熱水泵出口各安裝1個溢流閥，溢流閥的壓力可調，一般控制在0.01～0.03 MPa。若混水調節閥冷水側全部打開，熱水側水壓將升高，壓力超過設定值時溢流閥將打開，熱水經溢流閥、回水管回到熱水箱，反之亦然。防止水泵負荷過載而損壞。

當艙室溫度達到設定溫度后，混水調節閥將根據實時檢測到艙內溫度微弱變化，調制成一模擬量，實時控制混水閥向冷水側和向熱水側的開度大小，恒定艙室溫度，控制精度在±0.5℃。在控制溫度與艙室溫度接近平衡時，回水閥的開關是根據環境溫度與控制溫度比較來確定的，回水將流向一側水箱，若環境溫度低于艙室設定溫度，熱水回水閥常開，待艙內溫度達到控制溫度時，所有回水流回熱水箱，熱水箱的水位會逐漸升高，達到連通管水位時，熱水箱中的水通過連通管流入冷水箱，不至于溢出熱水箱，防止了由于回水的偏集而導致另一水箱缺水。

冷水箱和熱水箱都安裝了水位顯示及缺水報警裝置，在熱水箱設置了防干燒功能模塊，當水位低于安全水位時，熱水箱的電加熱系統停止工作。

3.2 對原氫氧飽和動物實驗艙環境參數監測與采集系統的改進

氫氧飽和動物實驗艙環境參數主要是監測采集艙內壓力、溫度、內艙氧濃度，內艙CO2濃度，外艙氫濃度等關鍵參數，供實驗人員監視、決策以及實驗數據分析提供相關依據［5］。改造后的環境參數監測系統增加了以下設施。

3.2.1 外艙氫濃度實時監測 氫氧混合氣體若大量泄漏到外艙，外艙的氫濃度將不斷上升，各種不可控因素過多，可能會導致嚴重后果及火災事故。若通過氫濃度監測裝置監測到外艙氫濃度持續增加，實驗人員可中止實驗，檢查外艙氫濃度升高原因，查明內艙泄漏點，采取相應的補救措施。

3.2.2 將耐壓測氧探頭置于內艙，實時監測內艙氧濃度改造前，內艙氧濃度的監測是通過將內艙內的氫氧混合氣經管路、艙外的減壓器減壓后再經控制閥門、流量計、氧氣傳感器檢測、記錄相關數據，這樣所得的數據由于管路較長的原因存在滯后，改選完成后，測氧儀探頭置于內艙內，可實時監測內艙內的氧濃度變化。

通過對模擬400 m氫氧飽和動物實驗艙的環控系統的改造，能夠更精準地控制艙室溫度，精度達到±0.5℃，采取多項安全措施，避免由于人因素而導致事故的發生;環境參數監測與采集系統的改進，能夠實現內艙氧濃度、外艙氫濃度的準確監控，保障氫氧飽和潛水實驗的安全、順利進行。

4 小結

大深度氫氧飽和實驗除法國走在前面外，其他各國開展得不多，由于技術保密原因，沒有更多的參照資料，有關設備建造沒有更多的借鑒之處，氫氧實驗的安全只能通過現有的安全技術加以規范，結合現有的控制技術保障試驗條件。改進后的氫氧飽和動物實驗艙環境控制系統，還需要在以后的實驗過程中不斷總結經驗，結合以后的成熟控制手段和各種先進成熟的檢測技術，不斷完善氫氧飽和實驗艙環境控制系統，為我國氫氧飽和潛水實潛奠定基礎。

［1］ 張振煒.氫氧潛水應用研究及進展［J］.海軍醫學雜志，2001，22(2):161-163.

［2］ 于峰濤，顧秀良，翁永斌，等.模擬400 m氫氧潛水動物實驗艙系統研制［J］.海軍醫學雜志，2013，34(1):36-37.

［3］ 肖衛兵，楊濤.氫氧潛水的生理學問題［J］.中華航海醫學與高氣壓醫學雜志，2001，8(2):116-118.

［4］ 肖衛兵，李峻，馬征，等.氫氧高壓環境下小鼠腦電圖功率譜和睡眠周期的變化［J］.中華航海醫學與高氣壓醫學雜志，2006，13(3):159-161.

［5］ 馬征，方以群，張和翔，等.模擬氫氧潛水實驗過程中的安全措施研究［J］.海軍醫學雜志，2004，25(4):292-294.