CN111443746B - 大尺度高压模拟舱压力转换控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大尺度高压模拟舱压力转换控制系统，包括：高压模拟腔；设置在高压模拟腔上的压力平衡舱和高压环境保障单元；压力平衡舱用于对系统进行样本布放、取样和提供压力转换环境；高压环境保障单元用于保障高压模拟腔内部压力稳定；还包括处理控制终端和若干个压力传感器；所述压力传感器输出端与所述处理控制终端输入端电性连接；所述处理控制终端输出端与所述压力平衡舱、高压环境保障单元控制端电性连接。本发明还提供的该系统的控制方法，实现了大尺度高压模拟舱的高压环境模拟，并且通过高压环境保障单元实时调整高压模拟舱内的压力值；同时，通过压力平衡舱实现高压模拟环境和实验条件环境的增压降压操作，有效地进行压力平衡转换。

Description

大尺度高压模拟舱压力转换控制系统及方法

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域，更具体的，涉及一种大尺度高压模拟舱压力转换控制系统及方法。

背景技术

大尺度深海高压环境模拟技术是研究深海前沿科学的重要抓手。高压环境模拟技术需要反演深海的高压环境，大尺度的高压环境模拟技术要求对大尺度的模拟舱在需要时间内进行安全的进行增压、减压操作，研究深海生态系统等深海前沿科学问题时需要到大尺度高压模拟环境进行布放样品、取样、或者在高压工作状态环境进行检修操作等需要压力转换技术，但现有的压力控制技术仅能保证大尺度高压模拟环境的稳定，无法满足其实际操作中的压力平衡调整的需求，一定程度上限制了大尺度高压环境模拟技术的发展。

发明内容

本发明为克服现有的压力控制技术无法满足大尺度高压模拟环境实际操作中的压力平衡调整的需求的技术缺陷，提供一种大尺度高压模拟舱压力转换控制系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

大尺度高压模拟舱压力转换控制系统，包括：

高压模拟腔，包括腔体和设置在腔体内部的多个深海底沉积物环境的模拟舱底层；

设置在所述高压模拟腔上的压力平衡舱和高压环境保障单元；所述压力平衡舱用于对系统进行样本布放、取样提供压力转换环境；所述高压环境保障单元用于保障所述高压模拟腔内部的压力稳定；

还包括处理控制终端和设置在所述模拟舱底层上若干个压力传感器；所述压力传感器输出端与所述处理控制终端输入端电性连接；

所述处理控制终端输出端与所述压力平衡舱、高压环境保障单元控制端电性连接。

其中，所述模拟舱底层包括次氧氧化带和厌氧氧化带；所述次氧氧化带和厌氧氧化带用于大尺度高压模拟舱内部的海底沉积物环境模拟。

其中，所述压力平衡舱包括内侧舱门、外侧舱门，和设置在舱内的压力检测器和压力平衡单元；其中：

通过所述内侧舱门控制所述高压模拟腔与所述压力平衡舱的通闭状态；

通过所述外侧舱门控制所述压力平衡舱与外部实验环境的通闭状态；

所述压力检测器用于检测舱内的压力情况；

所述压力平衡单元用于调整所述压力平衡舱内的压力；

所述内侧舱门、外侧舱门、压力平衡单元控制端均与所述处理控制终端电性连接；

所述压力检测器输出端与所述处理控制终端输入端电性连接。

其中，所述压力平衡单元包括设置在所述压力平衡舱内的排水系统和排气系统；所述排水系统和排气系统控制端均与所述处理控制终端电性连接；通过所述排水系统、排气系统排出压力平衡舱内的水和气体，从而控制压力平衡舱内的压力变化。

其中，所述高压环境保障单元包括气液增压系统和气、水循环系统；其中：

所述气液增压系统和气、水循环系统控制端均与所述处理控制终端电性连接；

所述气液增压系统根据压力的设定值向所述高压模拟腔内注入液体和气体，使得高压模拟腔的压力达到设定值；

所述气、水循环系统将所述高压模拟腔内的气液抽出并且再注入循环，达到实时改变高压模拟腔内压力值的功能。

其中，所述气液增压系统包括液体储库、液体注入泵、液体流量计、调节阀组、高压气源、气体增压泵、空气压缩机、缓冲容器；其中：

所述液体储库通过所述液体注入泵及液体注入管路系统与所述高压模拟腔连接；

所述液体流量计、调节阀组设置在所述液体注入泵的出口处；

所述高压气源通过所述气体增压泵及气体注入管路与所述缓冲容器入口连接；

所述气体增压泵与所述空气压缩机连接；

所述缓冲容器出口与所述高压模拟腔连接；

所述液体注入泵、调节阀组、气体增压泵、空气压缩机的控制端均与所述处理控制终端电性连接；

所述处理控制终端输入端与所述液体流量计的输出端电性连接。

其中，所述气、水循环系统包括循环管路、轴流泵组、排气管路和储液装置；其中：

所述循环管路输入端与输出端分别设置在所述高压模拟腔底部和顶部，与高压模拟腔连通；

所述轴流泵组、排气管路和储液装置均与所述循环管路连接；

所述轴流泵组控制端与所述处理控制终端电性连接。

其中，所述处理控制终端包括数据采集器、中央处理器、存储器和显示器；其中：

所述数据采集器输入端与所述压力传感器输出端电性连接；

所述数据采集器输出端与所述中央处理器输入端电性连接；

所述中央处理器输出端与所述压力平衡舱、高压环境保障单元、显示器控制端电性连接；

所述中央处理器与所述存储器电性连接，实现信息的交互。

大尺度高压模拟舱压力转换控制方法，包括以下步骤：

S1：根据高压模拟腔实际有效容积和需要达到的压力值和增压时间要求计算需要注入的气体量、液体量、注气速率和注液速率；

S2：根据计算结果打开气液增压系统，向高压模拟腔内注入液体和气体，当高压模拟腔内压力值在预计时间达到设定值后，标志高压环境模拟到位；

S3：通过控制气、水循环系统实时控制高压模拟腔内的压力变化；当需要在高压模拟腔内进行工况操作时，通过压力平衡舱对高压模拟腔进行压力平衡操作，实现高压模拟舱压力的转换控制。

其中，所述压力平衡操作包括增压操作和降压操作，具体为：

增压操作：首先保证压力平衡舱内侧舱门、外侧舱门均处于紧闭状态，随后打开内侧舱门，高压模拟腔内的气液流体会进入压力平衡舱；当压力平衡舱和高压模拟腔内的压力监测值一致时，标志达到压力平衡状态；此时可以控制压力平衡舱内的器械工具进入高压模拟腔中进行工况操作；

降压操作：首先关闭压力平衡舱内侧舱门，随后打开排水系统、排气系统对压力平衡舱进行减压操作，当压力平衡舱内压力检测值与外部实验环境压力一致时，标志达到压力平衡状态；此时打开外侧舱门，可以将由高压模拟腔获取的样品送至实验室环境。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明提供的一种大尺度高压模拟舱压力转换控制系统及方法，在现有的压力控制技术的基础上，实现了大尺度高压模拟舱的高压环境模拟，并且通过高压环境保障单元实时调整高压模拟舱内的压力值；同时，通过压力平衡舱实现高压模拟环境和实验条件环境的增压降压操作，有效地进行压力平衡转换。

附图说明

图1为大尺度高压模拟舱压力转换控制系统的结构示意图；

图2为大尺度高压模拟舱压力转换控制系统电路模块连接示意图；

图3为大尺度高压模拟舱压力转换控制方法流程示意图；

其中：1、高压模拟腔；11、腔体；12、模拟舱底层；121、次氧氧化带；122、厌氧氧化带；2、压力平衡舱；21、内侧舱门；22、外侧舱门；23、压力检测器；24、压力平衡单元；241、排水系统；242、排气系统；3、高压环境保障单元；31、气液增压系统；311、液体储库；312、液体注入泵；313、液体流量计；314、调节阀组；315、高压气源；316、气体增压泵；317、空气压缩机；318、缓冲容器；32、气、水循环系统；4、处理控制终端；41、数据采集器；42、中央处理器；43、存储器；44、显示器；5、压力传感器。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1、图2所示，大尺度高压模拟舱压力转换控制系统，包括：

高压模拟腔1，包括腔体11和设置在腔体11内部的多个模拟舱底层12；

设置在所述高压模拟腔1上的压力平衡舱2和高压环境保障单元3；所述压力平衡舱2用于对系统进行样本布放、取样提供压力转换环境；所述高压环境保障单元3用于保障所述高压模拟腔1内部压力稳定；

还包括处理控制终端4和设置在所述模拟舱底层12上若干个压力传感器5；所述压力传感器5输出端与所述处理控制终端4输入端电性连接；

所述处理控制终端4输出端与所述压力平衡舱2、高压环境保障单元3控制端电性连接。

在具体实施过程中，本发明中高压模拟腔1直径为3米的球体，为模拟海底系统提供空间环境，材质为耐压锻件，内部堆焊防腐涂层，可模拟3000米水深压力环境。

更具体的，所述模拟舱底层12包括次氧氧化带121和厌氧氧化带122；所述次氧氧化带121和厌氧氧化带122用于大尺度高压模拟舱内部的环境模拟。

在具体实施过程中，根据地质分层构建，高压模拟腔1划分为海底界面系统、海底下伏沉积层系统和海底上覆水环境系统，所述模拟舱底层12设置在海底下伏沉积层系统中，按照天然化学分带分为次氧氧化带121和厌氧氧化带122。

更具体的，所述压力平衡舱2包括内侧舱门21、外侧舱门22，和设置在舱内的压力检测器23和压力平衡单元24；其中：

通过所述内侧舱门21控制所述高压模拟腔1与所述压力平衡舱2的通闭状态；

通过所述外侧舱门22控制所述压力平衡舱2与外部实验环境的通闭状态；

所述压力检测器23用于检测舱内的压力情况；

所述压力平衡单元24用于调整所述压力平衡舱2内的压力；

所述内侧舱门21、外侧舱门22、压力平衡单元24控制端均与所述处理控制终端4电性连接；

所述压力检测器23输出端与所述处理控制终端4输入端电性连接。

在具体实施过程中，压力平衡舱2主要为进入高压模拟腔1进行样品布放、取样、工况检修提供压力平衡转化环境空间；压力平衡舱2具有两个开启通道，通道上设置有内侧舱门21、外侧舱门22，通过所述内侧舱门21控制所述高压模拟腔1与所述压力平衡舱2的通闭状态；通过所述外侧舱门22控制所述压力平衡舱2与外部实验环境的通闭状态。

更具体的，所述压力平衡单元24包括设置在所述压力平衡舱2内的排水系统241和排气系统242；所述排水系统241和排气系统242控制端均与所述处理控制终端4电性连接；通过所述排水系统241、排气系统242排出压力平衡舱2内的水和气体，从而控制压力平衡舱2内的压力变化。

其中，所述高压环境保障单元3包括气液增压系统31和气、水循环系统32；其中：

所述气液增压系统31和气、水循环系统32控制端均与所述处理控制终端4电性连接；

所述气液增压系统31根据压力的设定值向所述高压模拟腔1内注入液体和气体，使得高压模拟腔1达到设定值；

所述气、水循环系统32将所述高压模拟腔1内的气液抽出并且再注入循环，达到实时改变高压模拟腔1内压力值的功能。

更具体的，所述气液增压系统31包括液体储库311、液体注入泵312、液体流量计313、调节阀组314、高压气源315、气体增压泵316、空气压缩机317、缓冲容器318；其中：

所述液体储库311通过所述液体注入泵312与所述高压模拟腔1连接；

所述液体流量计313、调节阀组314设置在所述液体注入泵312出口处；

所述高压气源315通过所述气体增压泵316与所述缓冲容器318入口连接；

所述气体增压泵316与所述空气压缩机317连接；

所述缓冲容器318出口与所述高压模拟腔1连接；

所述液体注入泵312、调节阀组314、气体增压泵316、空气压缩机317控制端均与所述处理控制终端4电性连接；

所述处理控制终端4输入端与所述液体流量计313输出端电性连接。

更具体的，所述气、水循环系统32包括循环管路、轴流泵组、排气管路和储液装置；其中：

所述循环管路输入端与输出端分别设置在所述高压模拟腔1底部和顶部，与高压模拟腔1连通；

所述轴流泵组、排气管路和储液装置均与所述循环管路连接；

所述轴流泵组控制端与所述处理控制终端4电性连接。

更具体的，所述处理控制终端4包括数据采集器41、中央处理器42、存储器43和显示器44；其中：

所述数据采集器41输入端与所述压力传感器5输出端电性连接；

所述数据采集器41输出端与所述中央处理器42输入端电性连接；

所述中央处理器42输出端与所述压力平衡舱2、高压环境保障单元3、显示器44控制端电性连接；

所述中央处理器42与所述存储器43电性连接，实现信息的交互。

在具体实施过程中，气液增压系统31主要是根据压力设定值逐步向高压增内注入液体和气体保证高压模拟腔1内的压力达到预定值；气、水循环系统32主要是根据将大尺度高压模拟系统内的气液抽出并且再注入循环，可根据需要改变高压模拟系统内压力值的功能；压力传感器5可以保证系统的压力值在安全限值以内；压力平衡单元24主要功能是根据需要排除压力平衡舱2内的水和气体，保证压力平衡舱2和实验条件环境之间的压力平衡。处理控制终端4对系统运行中的数据进行实时采集、处理、图像实时显示和存储；本实施例保证高压模拟腔1内的压力在3小时内增至20MPa，压力平衡舱2的压力在5分钟内增至20MPa。

实施例2

更具体的，在实施例1的基础上，如图3所示，大尺度高压模拟舱压力转换控制方法，包括以下步骤：

S1：根据高压模拟腔1实际有效容积和需要达到的压力值和增压时间要求计算需要注入的气体量、液体量、注气速率和注液速率；

S2：根据计算结果打开气液增压系统31，向高压模拟腔1内注入液体和气体，当高压模拟腔1内压力值在预计时间达到设定值后，标志高压环境模拟到位；

S3：通过控制气、水循环系统32实时控制高压模拟腔1内的压力变化；当需要在高压模拟腔1内进行工况操作时，通过压力平衡舱2对高压模拟腔1进行压力平衡操作，实现高压模拟舱压力的转换控制。

更具体的，所述压力平衡操作包括增压操作和降压操作，具体为：

增压操作：首先保证压力平衡舱2内侧舱门21、外侧舱门22均处于紧闭状态，随后打开内侧舱门21，高压模拟腔1内的气液流体会进入压力平衡舱2；当压力平衡舱2和高压模拟腔1内的压力监测值一致时，标志达到压力平衡状态；此时可以控制压力平衡舱2内的器械工具进入高压模拟腔1中进行工况操作；

降压操作：首先关闭压力平衡舱2内侧舱门21，随后打开排水系统241、排气系统242对压力平衡舱2进行减压操作，当压力平衡舱2内压力检测值与外部实验环境压力一致时，标志达到压力平衡状态；此时打开外侧舱门22，可以将由高压模拟腔1获取的样品送至实验室环境。

在具体实施过程中，本发明提出的大尺度高压模拟舱压力转换控制方法主要包括首先通过系统调度运行，提供大尺度高压环境条件。首先根据高压模拟腔1的实际内部有效容积和需要达到的压力值和增压时间要求计算需要注入的气体量、液体量、注气速率和注液速率，随后准备气液增压系统31到位，向高压模拟腔1内分步骤注入液体和气体，当高压模拟腔1内的压力值在预计时间达到设定值20MPa后，标志着高压环境模拟到位。当需要进入高压模拟腔1内进行工况操作时，需要进行压力平衡增压步骤，首先确保压力平衡舱2的内外舱门均处于紧闭状态，随后打开压力平衡舱2的内侧舱门21，高压模拟腔1内的气液流体会进入压力平衡舱2，当压力平衡舱2和高压模拟腔1内的压力监测值一致时，标志着达到了压力平衡状态，压力平衡增压步骤结束，器械工具此时可以进入高压模拟腔1内进行工况操作。当需要从高压模拟腔1内取样带出进入实验条件环境时，需要进行压力平衡减压步骤，首先当获取样品从高压模拟腔1进入压力平衡舱2后，关闭压力平衡舱2的内侧舱门21，随后打开压力平衡舱2的排水系统241和排气系统242对压力平衡舱2进行减压操作，当压力平衡舱2的压力监测值和实验条件环境的压力监测值出现一致时，标志着压力平衡减压步骤结束，可将压力平衡舱2的外侧舱门22打开，将获取样品取出运送至实验条件环境。

在具体实施过程中，本发明提供的一种大尺度高压模拟舱压力转换控制系统及方法，在现有的压力控制技术的基础上，实现了大尺度高压模拟舱的高压环境模拟，并且通过高压环境保障单元3实时调整高压模拟舱2内的压力值；同时，通过压力平衡舱2实现高压模拟环境和实验条件环境的增压降压操作，有效地进行压力平衡转换。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.大尺度高压模拟舱压力转换控制系统，其特征在于，包括：

高压模拟腔(1)，包括腔体(11)和设置在腔体(11)内部的多个模拟舱底层(12)；

设置在所述高压模拟腔(1)上的压力平衡舱(2)和高压环境保障单元(3)；所述压力平衡舱(2)用于对系统进行样本布放、取样提供压力转换环境；所述高压环境保障单元(3)用于保障所述高压模拟腔(1)内部压力稳定；

还包括处理控制终端(4)和设置在所述模拟舱底层(12)上若干个压力传感器(5)；所述压力传感器(5)输出端与所述处理控制终端(4)输入端电性连接；

所述处理控制终端(4)输出端与所述压力平衡舱(2)、高压环境保障单元(3)控制端电性连接；

所述压力平衡舱(2)包括内侧舱门(21)、外侧舱门(22)，和设置在舱内的压力检测器(23)和压力平衡单元(24)；其中：

通过所述内侧舱门(21)控制所述高压模拟腔(1)与所述压力平衡舱(2)的通闭状态；

通过所述外侧舱门(22)控制所述压力平衡舱(2)与外部实验环境的通闭状态；

所述压力检测器(23)用于检测舱内的压力情况；

所述压力平衡单元(24)用于调整所述压力平衡舱(2)内的压力；

所述内侧舱门(21)、外侧舱门(22)、压力平衡单元(24)控制端均与所述处理控制终端(4)电性连接；

所述压力检测器(23)输出端与所述处理控制终端(4)输入端电性连接；

所述压力平衡单元(24)包括设置在所述压力平衡舱(2)内的排水系统(241)和排气系统(242)；所述排水系统(241)和排气系统(242)控制端均与所述处理控制终端(4)电性连接；通过所述排水系统(241)、排气系统(242)排出压力平衡舱(2)内的水和气体，从而控制压力平衡舱(2)内的压力变化；

控制压力平衡舱(2)内的压力变化的操作包括增压操作和降压操作，具体为：

增压操作：首先保证压力平衡舱(2)内侧舱门(21)、外侧舱门(22)均处于紧闭状态，随后打开内侧舱门(21)，高压模拟腔(1)内的气液流体会进入压力平衡舱(2)；当压力平衡舱(2)和高压模拟腔(1)内的压力监测值一致时，标志达到压力平衡状态；此时可以控制压力平衡舱(2)内的器械工具进入高压模拟腔(1)中进行工况操作；

降压操作：首先关闭压力平衡舱(2)内侧舱门(21)，随后打开排水系统(241)、排气系统(242)对压力平衡舱(2)进行减压操作，当压力平衡舱(2)内压力检测值与外部实验环境压力一致时，标志达到压力平衡状态；此时打开外侧舱门(22)，可以将由高压模拟腔(1)获取的样品送至实验室环境。

2.根据权利要求1所述的大尺度高压模拟舱压力转换控制系统，其特征在于，所述模拟舱底层(12)包括次氧氧化带(121)和厌氧氧化带(122)；所述次氧氧化带(121)和厌氧氧化带(122)用于大尺度高压模拟舱内部的环境模拟。

3.根据权利要求1所述的大尺度高压模拟舱压力转换控制系统，其特征在于，所述高压环境保障单元(3)包括气液增压系统(31)和气、水循环系统(32)；

其中：

所述气液增压系统(31)和气、水循环系统(32)控制端均与所述处理控制终端(4)电性连接；

所述气液增压系统(31)根据压力的设定值向所述高压模拟腔(1)内注入液体和气体，使得高压模拟腔(1)达到设定值；

所述气、水循环系统(32)将所述高压模拟腔(1)内的气液抽出并且再注入循环，达到实时改变高压模拟腔(1)内压力值的功能。

4.根据权利要求3所述的大尺度高压模拟舱压力转换控制系统，其特征在于，所述气液增压系统(31)包括液体储库(311)、液体注入泵(312)、液体流量计(313)、调节阀组(314)、高压气源(315)、气体增压泵(316)、空气压缩机(317)、缓冲容器(318)；其中：

所述液体储库(311)通过所述液体注入泵(312)与所述高压模拟腔(1)连接；

所述液体流量计(313)、调节阀组(314)设置在所述液体注入泵(312)出口处；

所述高压气源(315)通过所述气体增压泵(316)与所述缓冲容器(318)入口连接；

所述气体增压泵(316)与所述空气压缩机(317)连接；

所述缓冲容器(318)出口与所述高压模拟腔(1)连接；

所述液体注入泵(312)、调节阀组(314)、气体增压泵(316)、空气压缩机(317)控制端均与所述处理控制终端(4)电性连接；

所述处理控制终端(4)输入端与所述液体流量计(313)输出端电性连接。

5.根据权利要求3所述的大尺度高压模拟舱压力转换控制系统，其特征在于，所述气、水循环系统(32)包括循环管路、轴流泵组、排气管路和储液装置；其中：

所述循环管路输入端与输出端分别设置在所述高压模拟腔(1)底部和顶部，与高压模拟腔(1)连通；

所述轴流泵组、排气管路和储液装置均与所述循环管路连接；

所述轴流泵组控制端与所述处理控制终端(4)电性连接。

6.根据权利要求1～5任一项所述的大尺度高压模拟舱压力转换控制系统，其特征在于，所述处理控制终端(4)包括数据采集器(41)、中央处理器(42)、存储器(43)和显示器(44)；其中：

所述数据采集器(41)输入端与所述压力传感器(5)输出端电性连接；

所述数据采集器(41)输出端与所述中央处理器(42)输入端电性连接；

所述中央处理器(42)输出端与所述压力平衡舱(2)、高压环境保障单元(3)、显示器(44)控制端电性连接；

所述中央处理器(42)与所述存储器(43)电性连接，实现信息的交互。

7.大尺度高压模拟舱压力转换控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据高压模拟腔(1)实际有效容积和需要达到的压力值和增压时间要求计算需要注入的气体量、液体量、注气速率和注液速率；

S2：根据计算结果打开气液增压系统(31)，向高压模拟腔(1)内注入液体和气体，当高压模拟腔(1)内压力值在预计时间达到设定值后，标志高压环境模拟到位；

S3：通过控制气、水循环系统(32)实时控制高压模拟腔(1)内的压力变化；当需要在高压模拟腔(1)内进行工况操作时，通过压力平衡舱(2)对高压模拟腔(1)进行压力平衡操作，实现高压模拟舱压力的转换控制。