集體防護區超壓建立過程分析

劉秀峰，喻俊峰，張益誠,于立慶

(1.海軍駐武漢701所軍事代表室，武漢 430064;2.中國艦船研究設計中心，武漢 430064; 3.大連船舶重工集團有限公司，遼寧 大連 116005)

?

集體防護區超壓建立過程分析

劉秀峰1，喻俊峰2，張益誠2,于立慶3

(1.海軍駐武漢701所軍事代表室，武漢 430064;2.中國艦船研究設計中心，武漢 430064; 3.大連船舶重工集團有限公司，遼寧 大連 116005)

將集體防護區按照壓力不同劃分為3個區域，推導超壓建立過程中壓力場不均勻分布的數學模型，結合該模型對超壓建立過程中壓力變化試驗數據進行分析。結果表明，集體防護區建成后，可根據調試試驗結果對高壓區、中壓區、低壓區之間流通面積進行調節，從而改善超壓建立過程的效率。此外，防護區超壓建立后，有必要對壓力穩定的控制策略進行優化，縮短達到超壓穩定的時間。

集體防護區；超壓建立；數學模型

集體防護區是水面艦艇核生化防御體系的重要組成部分。美國海軍從上世紀80年代開始在水面艦艇上配置集體防護系統[1]。全防護集體防護系統[2]通過建立密閉周界、向集體防護區提供過濾處理后的潔凈空氣來建立超壓，并及時補充潔凈空氣以維持防護內正壓狀態。此時，集體防護區內的人員不再需要采取個人防護措施，進而有效提高了艦船及人員應對外界空氣污染狀況的能力。安全性和舒適性是設計集體防護區需要考慮的重要問題。集體防護區通過建立超壓，使空氣只能從船體內部集體防護區周界上向外排出或泄漏空氣，從而避免了外界污染物進入防護區內。超壓值需要合理設置，過高或過低均會造成不利影響[3]。在多艙室集體防護區內建立超壓的過程中，不同位置的壓力和壓力變化速率會存在差異，有必要在多個特征位置設置艙室壓力計對壓力進行監測，以確保整個集體防護區的壓力達到超壓設定值。

1 超壓建立過程數學模型

集體防護區通常由多個艙室組成，其內部壓力沿著空氣流動的方向壓力呈現出逐漸降低的趨勢，艙室與艙室之間的壓力有時候會出現比較明顯的差異。一般情況下，有空調送風的艙室壓力較高，而集體防護區周界上將空氣排出集體防護區外的艙室內壓力較低。為對整個超壓建立過程進行分析，將集體防護區劃分為高壓區、中壓區和低壓區等3個區域，見圖1。

考慮到集防區內的壓力變化是一個非均勻的動態過程，需要在集防區內選擇特征位置作為壓力監測點，對不同區域的壓力進行監測。

在超壓建立的過程中，通風機向集體防護區中高壓區輸送空氣的流量為q1，集體防護區在低壓區的排風量和空氣泄漏量總和為q4，q2、q3分別為由高壓區向中壓區流動的風量和由中壓區向低壓區流動的風量。p1、p2、p3分別為高壓區、中壓區、低壓區的壓力。

假設集體防護區模型滿足下列條件：

1)高壓區、中壓區、低壓區內壓力差分布均勻；

2)集體防護區與外界的溫度一致；

3)空氣按照理想氣體處理。

根據理想氣體狀態方程

pV=mRT

(1)

式中：p,V,T,m分別為氣體的壓力、體積、溫度、質量；R為空氣氣體常數。

集體防護區內，高壓區、中壓區和低壓區的壓力變化率分別為

(2)

(3)

(4)

假設超壓建立時間為Δt，超壓建立后集體防護區內的空氣質量增加了Δm，則

假設集體防護區的空氣來源為始終工作在額定轉速的通風機，在超壓建立過程中，集體防護區內壓力上升，空氣流量逐漸下降。假設通風機的壓力與流量的關系曲線為

p1=Aq21+Bq1+C

(5)

式中：A，B，C為風機流量與全壓關系曲線的二次多項式擬合系數。

假設由高壓區到中壓區的流通通道的綜合流動阻力系數為ξ1，該通道內風速為u1，則

(6)

同理可得

(7)

式中：ξ2為由中壓區到低壓區的流通通道的綜合流動阻力系數；u2為該通道內風速。

2 超壓建立過程試驗

選擇一個由多個艙室串聯組成的區域開展超壓建立過程試驗，使用風機進行機械送風代替空調送風，在防護區周界配置有泄壓閥，風機與泄壓閥均由控制箱進行集中監控，多個艙室中均配置有壓力計，多艙室之間設置節流閥。防護區模擬試驗中，特征艙室從建立超壓到恢復常壓的過程中，超壓值變化情況如圖2所示。其中，設計壓力值為P0。

在t=0 s時開始超壓建立過程，模擬防護區開啟通風機向防護區內送風，并同時關閉泄壓閥。經過幾秒鐘的風機啟動時間后，艙室內壓力開始迅速升高。該階段時間與艙室容積和風機通風能力有直接關系。根據通風機壓力與流量特性曲線，隨著通風機背壓升高，進風流量逐漸下降，進而導致當超壓值接近設定值后，壓力升高速率放緩。根據式(6)和式(7)，利用采集到的P1、P2、P3數據，可以得到高壓區與中壓區、中壓區和低壓區之間空氣的流通速率。若流速差較大，則有必要調節相鄰區域之間的流通面積。

在t=200～400 s之間，防護區處于壓力穩定階段。該項試驗時，壓力泄放閥的啟閉策略為將超壓值限制在設定值較窄范圍內。該控制策略導致閥門啟閉的次數較多，不利于形成較為穩定的超壓值。通過改善該階段的控制策略，構建系統增量方程線性化傳遞函數，通過傳遞函數確定PID參數以實現系統穩定及優化控制，實現集體防護系統精確的定量控制[4]。集體防護系統在建壓超壓及運行過程中產生的壓力波動，應超過人體耐受閾限。除了超壓控制策略導致的集體防護區內壓力波動外，集體防護區內的壓力還受外界大氣壓力變化、人員進出、壓力探測及控制設備的工作方式等因素的影響，在設計時應一并考慮。

壓力趨于穩定后，關閉通風機，開啟泄壓閥，壓力開始逐漸降低，直至超壓值降低為0。在試驗過程中可以觀察到，在t=475 s左右時，艙室內壓力出現略微升高的情況。造成該情況的原因為風機沒有在關閉后立刻完全停止，而是由于慣性繼續向防護區內送風。該情況對防護區壓力恢復造成的不利影響可以忽略。

對于特定的艙室超壓Δp和艙室容積V，超壓艙室需要增加的總空氣質量Δm是確定的，超壓建立時間取決于超壓艙室空氣質量增長速度。

對于變流量系統，風機啟動后以額定轉速運行，在超壓建立過程中，流量下降，全壓上升。待壓力穩定在超壓設定值后，流量與全壓同樣保持穩定。超壓建立過程中，Qx和Qy都是變化值，有

(8)

為盡量縮短超壓建立的時間，應盡量減小空氣泄露量Qy。通過將節流閥做成可調式，使節流面積S1可變化，在建壓過程中，使節流面積S1由0調至穩態面積。節流閥為開環控制時，節流面積S1的變化規律需由實際情況根據試驗確定；節流閥為閉環控制時，還要注意將系統最大超調量和振蕩幅度控制在合理范圍內。

集體防護區壓力波動除了受壓力控制設備的控制策略的影響外，還會因壓力測量設備布置位置的不同導致波動頻率和幅度發生變化。一方面，集體防護區內壓力探頭需要布置在壓力更為穩定的區域，盡量避免測量結果受人員活動或門蓋開閉的影響。另一方面，考慮到船舶航速和外界風速的影響，集體防護區對外界氣壓的測量探頭的安裝位置要盡可能避免受航速、航向、風速等因素的動態干擾。

3 結論

集體防護區建成后，可根據調試試驗結果，對高壓區、中壓區、低壓區之間流通面積進行調節，從而改善超壓建立過程的效率。此外，防護區超壓建立后，可以通過對壓力穩定的控制策略進行優化，縮短集體防護區的超壓值達到穩定的時間。

[1] 劉書子.美國海軍艦艇集體防護系統(CPS)的發展研究[J].艦船防化，2001，27(3)：1-10.

[2] 梅建庭，羅一丁.大型水面艦船集體防護體系的構建與作用[J].艦船科學技術，2009(5)：98-101.

[3] 方勇.艦船集體防護系統超壓及其波動分析[J].艦船防化，2013(3)：48-51.

[4] 林芃，王吉，包劍，等.水面艦艇集體防護系統PID控制分析[J].中國艦船研究，2015，10(4)：118-124.

[5] 喻俊峰，楊海燕.艙室超壓建立的物理模型分析[J].船海工程,2016,45(2):109-111.

[6] 方勇.艦船集體防護系統增壓建立分析[J].船海工程,2013,42(4):112-113.

[7] 李光.艦船密閉區域氣密特性研究[J].中國艦船研究，2015，10(4)：125-131.

Study on Overpressure Establishing Process of Collective Protection District

LIU Xiu-feng1, YU Jun-feng2, ZHANG Yi-cheng2, YU Li-qing3

(1.Military Representative Office at No.701 Research Institute, Wuhan 430064, China; 2.China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China; 3.Dalian Shipbuilding Industry Co. Ltd., Dalian Liaoning 116005, China)

To accurately analyze overpressure establishing process of the collective protection district (CPD), CPD was divided into three parts with gradient pressure distribution. Mathematics model of overpressure establishing process was deduced based on the pressure gradient. Experiment data of overpressure establishing process was analyzed with the model. The analyze results showed that it is necessary to adjust flow area between different cabin to improve overpressure establishing efficiency. Besides, control strategy of pressure stability needs to be optimized to shorten the establishing process time.

collective protection district; overpressure establishing process; mathematical model

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.035

2017-03-07

國家部委基金資助項目

劉秀峰(1970—)，男，碩士，高級工程師

研究方向：艦船機電工程

U664.8

A

1671-7953(2017)03-0147-03

修回日期：2017-03-27