饱和潜水系统冗余设计分析

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　　摘  要：随着人类社会的不断发展，对资源的需求日益凸显，尤其是对石油资源的需求，资源已成为进一步发展的重要制约因素。众所周知，海洋中蕴藏着大量的石油资源。当前，越来越多的国家都在进行海上石油勘探及开采活动，全球海上石油的年生产总量已突破40亿吨。我国作为一个海洋大国，近年来也不断加大海洋开发投入，在我国近海和南海布置了很多海上工程装备，加大海洋石油资源的开发力度，以降低能源的外部依赖程度。海洋石油的开采离不开水下作业，饱和潜水作业在海洋工程中有举足轻重的作用。饱和潜水支持船可以通过安装在母船上的生命支持系统和收放系统，将潜水作业人员下放至深达500米的海面下，进行水下作业。文章旨在通过对饱和潜水系统的冗余设计分析，为将来饱和潜水支持船的设计提供借鉴和参考意见，以最大程度地保证潜水员生命安全和提升水下作业效率。
　　关键词：饱和潜水系统;冗余设计;研究分析
　　中图分类号：U674 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）15-0081-03
　　Abstract： With the continuous development of human society， the demand for resources is becoming increasingly prominent， especially for petroleum resources， which have become an important constraint to further development. As is known to all， the ocean contains a large number of oil resources. Nowadays， more and more countries are carrying out offshore oil exploration and exploitation activities， and the global offshore oil production has exceeded 4 billion tons per year. As a large maritime power， China has been increasing its investment in marine development in recent years， laying out a lot of offshore engineering equipment in china's offshore and South China Seas， and increasing the development of offshore oil resources in order to reduce the degree of external dependence on energy. The exploitation of offshore oil can not be separated from underwater operation， saturated diving operation plays an important role in marine engineering. Saturated dive support vessels can carry out underwater operations by placing dive operators under the sea at depths of up to 500 meters through life support and LARS systems. The purpose of this paper is to provide reference for the design of future diving support vessels by analyzing the redundancy design of saturated diving systems， so as to maximize the safety of divers and improve the efficiency of underwater operations.
　　Keywords： saturated diving system; redundancy design; research and analysis
　　飽和潜水技术是目前世界上公认的可以进行安全的深海承压潜水技术，我国从上世纪80年代就引进了饱和潜水设备，用于海上石油开采。但是，由于技术和机会的缺乏，未能发展成熟，世界上大部分的饱和潜水作业仍由海外潜水公司垄断。目前国际市场上有90多艘饱和潜水支持船，其中约70%的船舶船龄超过20年，也就是说现有的饱和潜水支持船大多设备陈旧，设计落后，面临更新换代。近年来，国内船厂也开始有饱和潜水支持船的建造业绩。结合全球饱和潜水支持船的市场现状，我国在饱和潜水支持船的设计建造方面迎来重大契机，我国可充分利用本次契机和已经积累的经验，在饱和潜水支持船的设计领域完成弯道超车。
　　1 饱和潜水系统概述
　　所谓“饱和潜水”，是指潜水员在高气压环境下长时间暴露，使其体内各组织中的气体达到完全饱和，潜水员的机体将完全适应该高压环境，只要潜水员所处的环境压力不变，不论暴露时间多长，其减压时间是相等的。例如：如果需要潜水员下潜到某一特定深度的海底进行作业，潜水员需要在设定为同一压力等级的减压舱内生活一段时间，以完全适合预定水深的压力环境。待潜水员完全适应该环境后，潜水员可以长时间停留在该水深进行作业，也可以在在海洋环境恶劣或者长时间工作后返回减压舱进行休整，多次往返于工作水深和母船，而不需要反复进行增压和减压的过程，只需要在完成所有预定工作后一次性安全的减压出水。因此，潜水员每次水下作业不受时间和环境的限制，可以完成大量的水下作业任务，提高潜水作业效率。 　　饱和潜水系统一般由减压舱（潜水员居住舱）、过渡舱、潜水钟、潜水钟释放和回收系统、脐带缆和脐带缆绞车、气体储存和分配系统、气体回收系统、生命支持系统、控制系统、通讯系统、监控系统、逃生系统等组成。同时，作为潜水作业母船，也需要具备一定的支持能力，如足够且合理的空间布置、DP动力定位能力等。
　　2 冗余设计概述
　　饱和潜水支持船最重要的作用就是将潜水员安全的下放至海底预定深度进行作业，并安全的将潜水员回收至作业母船上。潜水员的生命安全是第一位的，只有能确保潜水员的安全，才能保证海底作业的顺利进行。
　　潜水系统由众多子系统组成，构成非常复杂，同时又与母船间存在着非常紧密的联系。任一部件出现故障或者任意一个隐藏的风险点都可能导致潜水系统的失效，对潜水员的生命安全造成威胁。冗余设计，就是通过对某些关键设备或部件进行重复配置，当系统出现故障时，冗余的设备或部件自动切换介入工作，承担已损坏设备或部件的功能，保证整个系统不间断运行。
　　3 冗余设计在饱和潜水系统设计中的应用
　　本文以一套24人双钟饱和潜水系统的设计为例，对潜水系统的一些重要子系统的冗余配置进行分析。
　　3.1 潜水系统设备配置
　　将整套潜水系统设备分成两组，定义为冗余组A和冗余组B，两组互为冗余备份。冗余组A和冗余组B之间通过两个中转舱之间的常闭接口连接，可在必要时打开中转舱之间的接口，实现冗余组A和冗余组B的连接，进行减压舱内潜水员的转移。
　　详细布置如图1所示，深色是冗余组A，浅色是冗余组B。每个冗余组由潜水钟、减压舱、过渡舱、中转舱、潜水员逃生通道和潜水高压救生艇组成。两个冗余组内的设备分开布置，在物理上处于隔离状态。一个冗余组内的潜水员只生活在单侧的减压舱内，并只通过该冗余组的潜水钟进行水下作业。每个冗余组有各自独立的潜水钟释放和回收系统以及控制系统，两个冗余组可以做到互不干涉，又能紧密协作，在进行水下作业时，两个冗余组可以交替释放潜水员，进行不间断作业，提高工作效率。
　　3.2 电力供应和分配系统
　　潜水作业支持母船的发电机系统向两套中压配电板供电，两套中压配电板间通过母联断路器连接。1号中压配电板和2号中压配电板分别布置在不同的房间内，并由不同的发电机组供电。
　　潜水系统设2个主配电板，分开布置在左右两个配电板间，2个潜水主配电板之间通过母联断路器连接。1号潜水主配电板通过1号中压配电板和变压器供电，2号潜水主配电板通过2号中压配电板和变压器供电。2个潜水配电板间分别单独配置变压器。两套配电板至潜水系统的电缆路径物理分隔开，并在关键区域设置防火分隔，以实现一侧事故不会导致两套供电系统同时失效。
　　在潜水应急发电机间，另设一组应急潜水配电板。应急潜水配电板分为两屏，1屏为440V AC，另一屏为230V AC。440V应急潜水配电板可以从1号潜水主配电板、2号潜水主配电板或潜水应急发电机供电。230V应急潜水配电板从440V应急潜水配电板供电。
　　配电系统布置如图2所示。
　　 3.3 潜水钟释放和回收系统
　　共配置两套潜水钟释放和回收系统，每套系统由潜水钟主绞车、导向钢丝绳绞车、脐带缆绞车、潜水钟小车、控制系统和波浪补偿系统等组成。两套系统分别用于释放和回收左右舷的潜水钟。通过合适的排班，两侧潜水钟可进行24小时不间断水下作业。可以充分利用海上稍纵即逝的作业窗口期，提高工作效率，实现经济利益最大化。
　　正常操作情况下，潜水钟通过主绞车进行释放和回收。导向钢丝绳绞车仅用于导向配重块的释放和回收。当主绞车出现故障，或主钢丝绳出现故障，可以使用导向钢丝绳绞车同时回收导向配重块和潜水钟。也可以通过释放另一舷的潜水钟到工作区域，水下潜水员通过进入另一舷的潜水钟实现回收。
　　此外，越来越多的潜水作业支持母船上会装备大型深水海工吊，在主甲板预留潜水钟与中转舱的接口，还可以通过吊机将潜水钟应急回收至作业母船，并通过预留接口，将潜水员转移至具有同等高压环境的中转舱，以实现潜水员的应急救援。
　　综上，各冗余组的潜水钟可以通过该冗余组的主绞车、导向绞车和母船上的海工吊机进行救援回收。潜水员可以随各冗余组潜水钟一起回收，或必要时在水下进入另一冗余组的潜水钟，通过另一冗余组的回收系统进行救援回收。
　　3.4 减压舱环境控制系统
　　减压舱环境控制系统由环境控制单元、冷却单元、加热单元、控制系统以及各自的管路系统组成，每个减压舱、过渡舱和中转舱都配备独立的环境控制单元。每个环境控制单元由一个风机、两个涤气机、一个冷却器和一个加热器组成。每个环境控制单元的设计容量可以同时供两个减压舱使用，在某一减压舱的专属环境控制单元出现故障或进行定期检修保养时，可以使用相邻减压舱的环境控制单元，也就是说，每一个环境控制单元都可以与其他环境控制单元互为冗余，在任一或多个环境控制单元出现故障时，也不会导致减压舱需要停止工作。
　　整个减压舱环境控制系统也按照电源供应进行分组，在任一环境控制系统失电时，都可以通过控制系统直接将失电侧的减压舱环境控制切换到另一舷侧的环境控制系统。
　　3.5 减压舱饱和控制系统
　　在潜水气体储存区域和减压舱区域中间设置一独立的饱和潜水自动化控制室，该房间内布置一套饱和潜水自动化控制台，可通过PLC对減压舱内的压力、气体配比等进行遥控，监控减压舱内的环境情况，同时可与减压舱内的潜水员进行视频和语音通话。潜水自动化控制台由230V潜水配电板（从440V潜水主配电板经变压器转换）和230V潜水应急配电板供电。潜水控制台内部设有独立的UPS不间断电源，可以在潜水主配电板和潜水应急配电板都失电时，继续为潜水控制台提供足够的电源。
　　另外，在每个减压舱旁布置就地控制箱，可以在自动控制系统出现故障时进行应急操作。
　　4 结束语
　　综上所述，通过从潜水系统布置、电力供应、下放和回收系统、控制系统等方面对饱和潜水系统进行冗余设计和分析，不仅可以提高潜水员的生命安全保障，而且延长了水下潜水作业时间，提高潜水作业效率。对于提高饱和潜水技术在深海水下作业的安全性和经济性将有重要的意义，为向更深的海洋进行科学研究和海洋资源开发提供保障。以上是笔者根据所参与的两艘饱和潜水支持船的设计经验上做的归纳总结，希望能对类似船形的设计提供一些借鉴和参考，不足之处，欢迎指正交流。
　　参考文献：
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　　[3]张浩立，邓智勇，罗友高.潜水器布放回放系统发展现状[J].舰船科学技术，2012，34（04）：3-6+46.
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