朱传美　樊斌　杨泽滨

摘    要：通过对某船饱和潜水生命支持系统：主要包括环境控制系统、卫生水系统、火灾探测和消防系统、潜水员热水系统各子系统的设备配置和工作原理进行分析，为饱和潜水系统国产化应用及饱和潜水系统设计优化提供参考。

关键词：饱和潜水支持船;饱和潜水;生命支持系统;设备配置;集成

中图分类号：U674.38                              文献标识码：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

飽和潜水是现代海洋工程中重要的水下作业方式。 饱和潜水系统复杂，设备繁多，主要包括：减压舱系统;潜水钟;潜水钟收放系统;生命支持系统;气体再生和回收系统;供气系统;控制系统;自动化系统;高压逃生系统以及一些辅助设备等。其中，生命支持系统是最重要的系统，其设备配置关系到潜水员的生命安全。

生命支持系统主要由下面几个子系统组成：环境控制系统;卫生水系统;火灾探测和消防系统;潜水员热水系统，如图1所示。

下面以某饱和潜水支持船为例，对其生命支持系统的设备/系统工作原理和设备配置进行探讨。该船入级DNVGL/CCS双船级，配置300 m水深双钟24人饱和潜水系统、两套可独立运行的潜水钟系统、4套6人居住生活压力舱（简称DDC）、两套过渡舱（简称TUP）。

2     环境控制系统

环境控制系统主要是控制DDC、TUP内的压力、温度、相对湿度、氧分压、二氧化碳浓度等参数满足设计要求，为潜水员提供居住必需的生活条件。

2.1   设备配置

根据设备的布置位置及系统构成，环境控制系统又可分为外部再生系统和内部再生系统：外部再生系统的设备组成，主要是指布置在DDC和TUP舱室外部的设备（传感器除外，布置在舱内），包括环境控制单元（简称ECU）、加热单元、制冷单元、加热重力柜、制冷重力柜及监控系统等;内部再生系统的设备组成，是指布置在居住压力舱和过渡舱内部的设备，包括CO2有害气体消除装置、辅助加热器/制冷器、热交换器等。

每个DDC和TUP均配置有专用的环境控制单元。环境控制系统的配置需考虑具备故障冗余，因此每一舷潜水钟系统还要增加一台ECU作为备用，整套潜水系统总共配有8台ECU。每套潜水钟系统的第四台ECU可以连接至该系统的双气闸DDC和TUP，替换故障的单元，此设计满足出现单点故障时具有完全备份的要求。

一套冷却系统配有4台制冷单元，左右舷各2台，为冷却环境控制系统和应急内部风机盘管提供足够的冷源;同样，一套加热系统配有4台加热单元，左右舷各1台，每台加热单元有2个加热器，为加热环境控制系统和应急内部风机盘管提供足够的热量。系统交叉连接，确保完全冗余，当出现制冷装置或加热装置故障、泵故障、供电故障时，系统能正常工作。

2.2  工作原理

环境控制系统的主要功能是控制DDC/TUP的温度和湿度、去除循环气体中的CO2等有害气体。其控制系统通过相应位置的温度和湿度传感器，监测DDC/TUP内的温度、湿度参数，并实现受控参数满足设定要求。其工作原理框图，如图2所示。

（1）温度、湿度控制

作为饱和潜水生命支持系统智能控制系统（简称iLife）内部区域的主要控制点，ECU单元具有专用的iLife接口。在自动模式下，DDC/TUP舱内的温度值和湿度值是由操作者通过机械设备的人机界面系统（简称HMI），或饱和潜水系统智能饱和控制（简称iSAT）的远程控制板进行设置，因此内部区域的温、湿度参数是根据设定值实现自动控制;iLife通过持续分析安装在DDC/TUP舱室内的湿度传感器和安装在DDC/TUP舱室内及ECU单元上的多路温度传感器的反馈信息，获得DDC/TUP舱内气体的温度和湿度信息，再将这些信息输出到控制系统中，然后控制系统通过改变制冷单元和加热单元的流量来控制流经ECU单元气体的温度和湿度，形成馈路循环，使其维持在设定范围内，从而实现对DDC/TUP舱内的温度和湿度自动控制。

在半手动模式下，为了调整DDC/TUP的湿度值和温度值，操作者可在同一人机界面手动设置冷水或热水的温度;在应急情况下，可通过本地控制，手动开启/关闭热/冷水阀或从本地逆变器面板设置风机转速来设置环境控制单元的性能参数实现对DDC/TUP的湿度和温度控制; 当发生同一个DDC/TUP的两个ECU单元都失效的情况时，DDC/TUP内装有应急冷却和加热盘管，可作为临时备用来实现舱内温度和湿度的控制。

实践证明，典型的温度控制精度范围普遍为设定值的±1℃是合理的。同样，对于湿度控制，其控制精度范围为设定值的±10%，这些控制精度在DNVGL要求的限值内。

（2）去除循环气体中的CO2

每个ECU单元都装备了CO2去除装置及有害气体吸附剂，用于维持DDC/TUP舱室内的气体清洁。当iSAT通过CO2分析仪检测到舱室气体中的CO2浓度达到设定值时，在气体流经ECU的CO2去除装置时，该装置自动喷水至循环气体，然后含水的气体流经CO2去除装置，通过化学反应去除循环气体中的CO2。

为了保障潜水员居住生活区域的气体清洁，每个ECU单元的CO2去除装置持续有效时间为最恶劣条件和最大使用量时超过18小时，根据失效指示，ECU单元的CO2去除装置可及时更换;应急情况下， DDC/TUP内装有内部气体清洁剂，可作为临时备用。

（3）控制氧分压

DDC/TUP内需要维持适当的氧气浓度来满足潜水员的生活需求，当iSAT通过O2分析仪检测到舱室内气体氧分压低于所需值时，通过DDC/TUP的就地控制板将储存在上甲板的氧气瓶中的氧气补充到DDC/TUP，以维持潜水员的日常生活所需。

3     卫生水系统

卫生水系统主要为潜水员在居住生活舱内生活提供冷热用水、厕所排水等，该系统安装布置在减压舱的周围。

3.1   设备配置

根据设计需求，船舶系统需提供每套卫生水单元及其加热装置100 L/min的清洁淡水，淡水压力要求为2～7 bar;卫生水装置压力设计根据饱和潜水系统的最大工作水深计算，一般300 m水深的饱和潜水系统，其卫生水装置的最大设计出水压力为50 bar;作为排水用的压力污水柜，其设计压力也与饱和潜水系统的最大工作水深有关，通常将饱和潜水系统的最大工作水深作为压力污水柜的设计压力。

根据系统设置，卫生水系统包含两套卫生水单元及卫生水加热装置、 6个压力废水柜和一个中央废水柜：两套卫生水单元及卫生水加热装置互为备用，正常运行时左右舷各用一套，为DDC/TUP内部区域提供冷热水服务;单边故障情况下，可打开中间的常闭隔离阀，为整套系统服务。

压力废水柜内的污水，通常可以及时排至中央废水柜，所以设计容积较小。中央废水柜设计容量为1m3，当水位到达水柜上限时，排至船舶污水系统进行处理。

3.2  工作原理

淋浴器、洗手池及厕所设置在生活区域（即进出气闸区域）。两路冷热水在舱内混合，单个装置可供约40 L/min的冷水和40 L/min的热水，允许同时使用若干淋浴器;在过渡舱内配有冷热水接头，用于受伤潜水员的急救操作。

每个DDC和TUP均配有一个单独的压力废水柜来存储废水。舱内的沐浴及洗手等废水排水借助于舱室内部的弹簧复位，将排水输送至各压力舱的压力废水柜;厕所马桶排水管路，根据马桶盖子位置进行连锁，当马桶盖打开时厕所不能排空，以防高压排空下将人员吸入产生危险，当马桶盖闭合时，连接弹簧复位阀的连锁解除，实现厕所排空。

由外部操作人员操作控制将6个压力废水柜的废水排至中央废水柜，此废水排放也是通过使用弹簧复位阀来实现。中央废水柜与船舶污水系统连接，实现最终的污水排放及处理。

4    火災探测和消防系统

火灾探测和消防系统的主要作用是动态监视DDC/TUP的火警状态，在检测到异常状态下进行报警，执行舱室内的灭火，以保障舱内潜水员的生命安全。

4.1   设备配置

火灾探测系统由一套DNVGL型式认可的高压火焰和烟雾探测器组成。每个DDC/TUP都配有足够数量的传感器，这些传感器连接在DNVGL型式认可的中央火灾探测系统上;用于DDC/TUP舱内的火灾探测系统主要部件为高压紫外线传感器，当暴露在白炽灯、LED灯、太阳光的辐射下，传感器不会触发。根据饱和潜水系统的工作水深，火灾探测系统的传感器本体设计压力可达40 bar。

DDC/TUP内部的消防系统，由一套DNVGL认可的水雾系统组成，根据美国消防协会标准NFPA750的要求进行设计，并在试验时进行验证。主要由布置在DDC/TUP舱内的水雾喷头及布置在DDC/TUP舱外的6个压力消防水柜和一个压力控制板构成：每个DDC/TUP都配有一个专用压力消防水柜，根据DDC/TUP的容积和设计要求，6人压力舱的压力消防水柜容积为1300 L/个，其设计压力大小取决于饱和潜水的最大工作水深。

4.2   工作原理

DDC/TUP内的高压火焰和烟气探测器为串行回路连接，对舱室内部火警状态进行连续动态监视。舱室内部的湿式区域即生活区域由火焰探测器监视，干燥区域即居住区域同时安装火焰和烟气探测设备。当火灾探测检测到异常情况时将触发报警，并通过饱和控制台进行遥控操作或通过舱室内部/外部手动阀进行本地操作，来激活灭火命令进行灭火。

每一侧消防水系统有3个压力消防水柜，交叉连接，互为备用，用于储藏单侧潜水系统的消防水;连接至压力消防水柜的补水管线和消防出水管线采用底部混合的布置方式，来提供消防机械能量;气瓶高压混合气体通过气体管理分配板连接至消防系统的压力控制板，压力板连接各独立气体管路至各压力水柜以提供消防出水压力，压力消防水柜内的气体通过连接至气体回收袋的管路进行气体回收;消防水的供应压力和消防水柜的水位及室内消防自动阀的状态，可在饱和控制区域显示及监控。

5     热水加热系统

当潜水员在水下作业时，由于水下海水温度不断降低，300 m水深的海水温度接近0 ℃。为了保持潜水员的舒适和安全，设有一套专门的潜水员加热系统，以保证潜水员的呼吸气体和潜水员的身体进行加热和保温需求。

5.1   设备配置

热水装置的设计要充分考虑系统的冗余度和机动性，确保一个加热器或一个泵出现故障时可以维持系统的安全性。因此，单边热水加热系统由一套主热水单元和一套应急用的热水加热锅炉组成;整套潜水员加热系统，由两套常用的主热水单元加上两套应急用的热水锅炉组成，加热方式都为电加热，每一套装置都配有一台独立的泵。饱和潜水加热系统原理图，如图3所示。

5.2   工作原理

潜水员身体的加热和保温主要通过开式循环在潜水服中的热水系统来实现，主加热系统加热水来源为海水，应急备用状况下采用淡水。

一般潜水钟内有3个潜水员同批次进行水下作业，其中一人为管钟员，另外两人为作业潜水员。当潜水员在水下作业时，船上的潜水员热水系统通过主脐带缆上的热水输送管路将热水供到潜水钟上的热水管汇上，热水管汇上有3路热水出口，分别连接至#1潜水员管汇、#2潜水员管汇、管钟员管汇，水下作业潜水员再通过连接到潜水钟上的个人专用脐带缆将热水连接至潜水员的潜水服上的开式循环管路中，来保证潜水员的身体温度。

虽然管汇上装有热水温度指示器，但热水温度不在潜水钟内调节。热水温度和流量的控制由潜水监管员在潜水遥控点或热水控制板上直接进行监视和维持。

船上热水单元提供的热水最高温度是60 ℃，而潜水深度处的热水温度取决于海水温度、脐带缆水下长度和其他参数。脐带缆内的热量损失取决于脐带缆长度、周围的水温和供应速度;潜水钟上可以读到本地温度。

主热水单元由电气控制板实现本地控制。除本地控制外，潜水控制室的潜水控制台上设有热水遥控板，可以进行热水单元的温度控制和流量监视，以便潜水监督员监视设备的运行、输出等。

热水系统管路的布置设计要保证热水单元和锅炉的热水输出可以通过管汇向所有用户供应。锅炉装置中的泵由重要和应急电源双路供电，船舶主电源故障时切换至应急发电机供电。另外，当一个主配电板电气故障时，还可以用缓冲罐内的水供热水。锅炉可以设置成当主单元流量丢失时，自动启动应急供应。这种设计可以满足至少20分钟热水供应的要求，在一个潜水钟发生单点故障后，确保潜水员在应急时安全返回潜水钟。

潜水员呼吸气体的加热要求，取决于作业时的水温、深度、水流、潜水员的劳动强度、呼吸气体类型和潜水服的隔热性等。因此，在冷水中潜水时，为防止过多的呼吸散热导致潜水员体温降低，也需要对潜水员的吸入气加热。气体加热热水来自潜水员脐带缆。不同工作深度下，潜水员吸入气的对应最低温度见表1所示（数据来源于《美国海军潜水手册》），潜水员可通过调整其头盔中二级呼吸调整器，实现吸入气的最低温度满足表1要求。                    （下轉第页）（上接第页）

6    结语

生命支持系统是饱和潜水作业的基础平台系统，主要用于保证密闭环境中的温度、湿度、气体成分、所需压力等达到额定指标，保证高压下潜水员维持正常生活及有效工作能力，维持生存环境，保证潜水员生命安全。本文通过对生命支持系统的集成分析，较为详细的阐述了生命支持系统各子系统的工作原理与设备配置，可为今后的潜水设备国产化研究或系统优化研究提供理论依据与参考。

参考文献

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