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(zāi)探測和消防系統(tǒng)、潛水員熱水系統(tǒng)各子系統(tǒng)的設(shè)備配置和工作原理進(jìn)行分析，為飽和潛水系統(tǒng)國產(chǎn)化應(yīng)用及飽和潛水系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)備配置;集成

中圖分類號：U674.38 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(fù)雜，設(shè)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(shè)備等。其中，生命支持系統(tǒng)是最重要的系統(tǒng)，其設(shè)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(gè)子系統(tǒng)組成：環(huán)境控制系統(tǒng);衛(wèi)生水系統(tǒng);火災(zāi)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(shè)備/系統(tǒng)工作原理和設(shè)備配置進(jìn)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(dú)立運(yùn)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(shè)計(jì)要求，為潛水員提供居住必需的生活條件。

2.1? ?設(shè)備配置

根據(jù)設(shè)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(shè)備組成，主要是指布置在DDC和TUP艙室外部的設(shè)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(shè)備組成，是指布置在居住壓力艙和過渡艙內(nèi)部的設(shè)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(gè)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(shè)計(jì)滿足出現(xiàn)單點(diǎn)故障時(shí)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(yīng)急內(nèi)部風(fēng)機(jī)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(gè)加熱器，為加熱環(huán)境控制系統(tǒng)和應(yīng)急內(nèi)部風(fēng)機(jī)盤管提供足夠的熱量。系統(tǒng)交叉連接，確保完全冗余，當(dāng)出現(xiàn)制冷裝置或加熱裝置故障、泵故障、供電故障時(shí)，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(yīng)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(shí)現(xiàn)受控參數(shù)滿足設(shè)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(diǎn)，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(jī)械設(shè)備的人機(jī)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(yuǎn)程控制板進(jìn)行設(shè)置，因此內(nèi)部區(qū)域的溫、濕度參數(shù)是根據(jù)設(shè)定值實(shí)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?dú)怏w的溫度和濕度，形成饋路循環(huán)，使其維持在設(shè)定范圍內(nèi)，從而實(shí)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(jī)界面手動設(shè)置冷水或熱水的溫度;在應(yīng)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(shè)置風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來設(shè)置環(huán)境控制單元的性能參數(shù)實(shí)現(xiàn)對DDC/TUP的濕度和溫度控制; 當(dāng)發(fā)生同一個(gè)DDC/TUP的兩個(gè)ECU單元都失效的情況時(shí)，DDC/TUP內(nèi)裝有應(yīng)急冷卻和加熱盤管，可作為臨時(shí)備用來實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)溫度和濕度的控制。

實(shí)踐證明，典型的溫度控制精度范圍普遍為設(shè)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(shè)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(gè)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(dāng)iSAT通過CO2分析儀檢測到艙室氣體中的CO2濃度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，在氣體流經(jīng)ECU的CO2去除裝置時(shí)，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(xué)反應(yīng)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(gè)ECU單元的CO2去除裝置持續(xù)有效時(shí)間為最惡劣條件和最大使用量時(shí)超過18小時(shí)，根據(jù)失效指示，ECU單元的CO2去除裝置可及時(shí)更換;應(yīng)急情況下， DDC/TUP內(nèi)裝有內(nèi)部氣體清潔劑，可作為臨時(shí)備用。

（3）控制氧分壓

DDC/TUP內(nèi)需要維持適當(dāng)?shù)难鯕鉂舛葋頋M足潛水員的生活需求，當(dāng)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(shí)，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(bǔ)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(shè)備配置

根據(jù)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)根據(jù)飽和潛水系統(tǒng)的最大工作水深計(jì)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(shè)計(jì)出水壓力為50 bar;作為排水用的壓力污水柜，其設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)壓力。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)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(gè)壓力廢水柜和一個(gè)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(yùn)行時(shí)左右舷各用一套，為DDC/TUP內(nèi)部區(qū)域提供冷熱水服務(wù);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(wù)。

壓力廢水柜內(nèi)的污水，通?？梢约皶r(shí)排至中央廢水柜，所以設(shè)計(jì)容積較小。中央廢水柜設(shè)計(jì)容量為1m3，當(dāng)水位到達(dá)水柜上限時(shí)，排至船舶污水系統(tǒng)進(jìn)行處理。

3.2? 工作原理

淋浴器、洗手池及廁所設(shè)置在生活區(qū)域（即進(jìn)出氣閘區(qū)域）。兩路冷熱水在艙內(nèi)混合，單個(gè)裝置可供約40 L/min的冷水和40 L/min的熱水，允許同時(shí)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(gè)DDC和TUP均配有一個(gè)單獨(dú)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(fù)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(jìn)行連鎖，當(dāng)馬桶蓋打開時(shí)廁所不能排空，以防高壓排空下將人員吸入產(chǎn)生危險(xiǎn)，當(dāng)馬桶蓋閉合時(shí)，連接彈簧復(fù)位閥的連鎖解除，實(shí)現(xiàn)廁所排空。

由外部操作人員操作控制將6個(gè)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(fù)位閥來實(shí)現(xiàn)。中央廢水柜與船舶污水系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)最終的污水排放及處理。

4? ? 火災(zāi)探測和消防系統(tǒng)

火災(zāi)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(jìn)行報(bào)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(shè)備配置

火災(zāi)探測系統(tǒng)由一套DNVGL型式認(rèn)可的高壓火焰和煙霧探測器組成。每個(gè)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(rèn)可的中央火災(zāi)探測系統(tǒng)上;用于DDC/TUP艙內(nèi)的火災(zāi)探測系統(tǒng)主要部件為高壓紫外線傳感器，當(dāng)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(zāi)探測系統(tǒng)的傳感器本體設(shè)計(jì)壓力可達(dá)40 bar。

DDC/TUP內(nèi)部的消防系統(tǒng)，由一套DNVGL認(rèn)可的水霧系統(tǒng)組成，根據(jù)美國消防協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)NFPA750的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行驗(yàn)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(gè)壓力消防水柜和一個(gè)壓力控制板構(gòu)成：每個(gè)DDC/TUP都配有一個(gè)專用壓力消防水柜，根據(jù)DDC/TUP的容積和設(shè)計(jì)要求，6人壓力艙的壓力消防水柜容積為1300 L/個(gè)，其設(shè)計(jì)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(jìn)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(shí)安裝火焰和煙氣探測設(shè)備。當(dāng)火災(zāi)探測檢測到異常情況時(shí)將觸發(fā)報(bào)警，并通過飽和控制臺進(jìn)行遙控操作或通過艙室內(nèi)部/外部手動閥進(jìn)行本地操作，來激活滅火命令進(jìn)行滅火。

每一側(cè)消防水系統(tǒng)有3個(gè)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(bǔ)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(jī)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(dú)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(jìn)行氣體回收;消防水的供應(yīng)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(dāng)潛水員在水下作業(yè)時(shí)，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(shè)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(jìn)行加熱和保溫需求。

5.1? ?設(shè)備配置

熱水裝置的設(shè)計(jì)要充分考慮系統(tǒng)的冗余度和機(jī)動性，確保一個(gè)加熱器或一個(gè)泵出現(xiàn)故障時(shí)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(yīng)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(yīng)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(dú)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(shí)現(xiàn)，主加熱系統(tǒng)加熱水來源為海水，應(yīng)急備用狀況下采用淡水。

一般潛水鐘內(nèi)有3個(gè)潛水員同批次進(jìn)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(dāng)潛水員在水下作業(yè)時(shí)，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(gè)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(diǎn)或熱水控制板上直接進(jìn)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(yīng)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(shí)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(shè)有熱水遙控板，可以進(jìn)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(shè)備的運(yùn)行、輸出等。

熱水系統(tǒng)管路的布置設(shè)計(jì)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(yīng)。鍋爐裝置中的泵由重要和應(yīng)急電源雙路供電，船舶主電源故障時(shí)切換至應(yīng)急發(fā)電機(jī)供電。另外，當(dāng)一個(gè)主配電板電氣故障時(shí)，還可以用緩沖罐內(nèi)的水供熱水。鍋爐可以設(shè)置成當(dāng)主單元流量丟失時(shí)，自動啟動應(yīng)急供應(yīng)。這種設(shè)計(jì)可以滿足至少20分鐘熱水供應(yīng)的要求，在一個(gè)潛水鐘發(fā)生單點(diǎn)故障后，確保潛水員在應(yīng)急時(shí)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(shí)的水溫、深度、水流、潛水員的勞動強(qiáng)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(shí)，為防止過多的呼吸散熱導(dǎo)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(yīng)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(shí)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(dá)到額定指標(biāo)，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(xì)的闡述了生命支持系統(tǒng)各子系統(tǒng)的工作原理與設(shè)備配置，可為今后的潛水設(shè)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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