深海超臨界高溫高壓極端環(huán)境模擬與監(jiān)控技術(shù)研究.pdf

1、深海極端環(huán)境微生物的發(fā)現(xiàn)是二十世紀(jì)末最重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，它在全球碳循環(huán)和其它生命元素的地球化學(xué)循環(huán)以及海底成礦過(guò)程中起著重要的作用，它的發(fā)現(xiàn)對(duì)地球生命起源提出了新的研究課題。在分子水平上研究深海微生物及其與環(huán)境關(guān)系的分子生物地球化學(xué)研究正逐漸成為國(guó)際上一個(gè)富有活力的新興交叉學(xué)科。開(kāi)展深海微生物分子地球化學(xué)研究工作，除需要在保真狀態(tài)下將深海底微生物采集到船上來(lái)之外，還要做到在現(xiàn)場(chǎng)防污染和可檢測(cè)條件下對(duì)此類(lèi)微生物進(jìn)行培養(yǎng)和研究，但目前國(guó)內(nèi)

2、微生物培養(yǎng)設(shè)備和技術(shù)阻礙了該項(xiàng)科學(xué)研究的開(kāi)展。為此，本文圍繞深海極端環(huán)境多級(jí)模擬培養(yǎng)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)、研制過(guò)程，對(duì)旨在模擬深海微生物生長(zhǎng)的各種不同環(huán)境的深海超臨界高溫高壓極端環(huán)境模擬與監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行了深入的系統(tǒng)研究。 本文主要對(duì)深海極端環(huán)境多級(jí)模擬平臺(tái)的循環(huán)培養(yǎng)系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)、控制方案、整機(jī)調(diào)試等方面展開(kāi)了一系列具有針對(duì)性的研究；對(duì)一些關(guān)鍵元件的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析和闡述；研究了高溫高壓條件下采用超高壓微流量海

3、水比例溢流閥實(shí)現(xiàn)微流量系統(tǒng)的高壓穩(wěn)壓控制技術(shù)、大時(shí)滯加熱控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與控制算法、多級(jí)模擬系統(tǒng)集成的控制分析；成功研制了一套深海極端環(huán)境多級(jí)模擬培養(yǎng)平臺(tái)，為研究深海微生物的生長(zhǎng)過(guò)程及其諸環(huán)境因素間的相互關(guān)系和特殊生物基因資源的開(kāi)發(fā)利用及分子生物地球化學(xué)的研究提供了保障基礎(chǔ)。 全文共分六章。 第一章分析了同類(lèi)設(shè)備和技術(shù)的國(guó)內(nèi)、外的發(fā)展?fàn)顩r，指出了存在的問(wèn)題，提出了幾個(gè)符合研究目標(biāo)的總體方案；最后闡述了課題的主要研究

4、內(nèi)容、研究難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的技術(shù)路線。 第二章針對(duì)高溫高壓超臨界極端環(huán)境條件下的精細(xì)流量水壓控制要求，提出了微流量循環(huán)流動(dòng)開(kāi)放式模擬系統(tǒng)；基于電液比例控制技術(shù)，分析了超臨界下水壓控制技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)組成系統(tǒng)的各關(guān)鍵元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和特性進(jìn)行了分析和研究，重點(diǎn)解決了密封與壓力增益大的難點(diǎn)；建立了單釜系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)研究。 第三章分析了加熱控制系統(tǒng)的組成環(huán)節(jié)與大時(shí)滯特點(diǎn)，開(kāi)展了相應(yīng)的理論研究，設(shè)計(jì)了該平臺(tái)溫

5、度控制系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)，詳細(xì)研究了基于Smith預(yù)估的PID的控制算法以及它們的改進(jìn)形式，進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)研究。 第四章基于液路網(wǎng)絡(luò)原理，提出了兩種典型的多級(jí)模擬結(jié)構(gòu)，討論了多級(jí)模擬系統(tǒng)的特點(diǎn)，研究了并聯(lián)結(jié)構(gòu)和串聯(lián)結(jié)構(gòu)的控制特性，找出了級(jí)間耦合關(guān)系，以及一些干擾因素的影響；設(shè)計(jì)了多級(jí)模擬平臺(tái)的液壓控制系統(tǒng)軟件。 第五章利用前面幾章關(guān)鍵技術(shù)的研究結(jié)果，進(jìn)一步研究不同功能的實(shí)際系統(tǒng)的集成技術(shù)，闡述了對(duì)多級(jí)串、并聯(lián)模擬平

6、臺(tái)的應(yīng)用，并分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)海上試驗(yàn)進(jìn)一步考核和驗(yàn)證了系統(tǒng)的控制性能和實(shí)用性。 第六章對(duì)本課題研究成果進(jìn)行了全面總結(jié)，并提出了進(jìn)一步的研究方向。 的設(shè)想與要素；分析了同類(lèi)設(shè)備在國(guó)內(nèi)、外的發(fā)展?fàn)顩r，指出了存在的問(wèn)題，提出了幾個(gè)符合研究目標(biāo)的總體方案；最后闡述了課題研究的目的、主要研究?jī)?nèi)容、研究難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的技術(shù)路線。 1.1 研究背景與意義 生命起源于海洋。從遠(yuǎn)古至現(xiàn)代，從近海

7、到大洋，人類(lèi)從未停止過(guò)對(duì)海洋的研究。對(duì)海洋資源的開(kāi)發(fā)和利用一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，在當(dāng)代被稱(chēng)為“藍(lán)色革命”。近年來(lái)歐美各國(guó)和日本等國(guó)的海洋研究機(jī)構(gòu)都投入了大量的人力和數(shù)以?xún)|計(jì)的物力，有計(jì)劃地開(kāi)展多種研究、合作和發(fā)展，紛紛搶占各個(gè)領(lǐng)域<'［1］［2］>。其中對(duì)大洋的研究越來(lái)越受到重視，尤其是對(duì)極端環(huán)境下的生命的研究是一大新的熱點(diǎn)。 隨著人類(lèi)向大洋深處的進(jìn)軍，科學(xué)家在1979年在數(shù)千米深的海底首次發(fā)現(xiàn)了“黑煙囪”，隨后又發(fā)現(xiàn)在“黑煙

8、囪”附近生活著大量熱水生物。這已成為20世紀(jì)海洋科學(xué)領(lǐng)域最重大發(fā)現(xiàn)之一。 1979年，繼前一年采集到硫化物后，美國(guó)的“阿爾文”號(hào)載人深潛器在2610米至1650米的東太平洋海底熔巖上，發(fā)現(xiàn)數(shù)十個(gè)冒著黑色和白色煙霧的“煙囪”，附近出現(xiàn)大規(guī)模的硫化物堆積丘體。從直徑約15厘米的“煙囪”中，約350攝氏度的含礦熱液以每秒幾米的速度噴出。礦液剛噴出時(shí)為澄清溶液，與周?chē)Ｋ旌虾?，很快產(chǎn)生沉淀變?yōu)椤昂跓煛保恋砦镏饕纱劈S鐵礦、黃鐵礦、

9、閃鋅礦及其他銅鐵硫化物組成。這些海底硫化物堆積形成直立的柱體及圓丘，被形象地稱(chēng)為“黑煙囪”。 科學(xué)家隨后在各大洋先后發(fā)現(xiàn)了許多“黑煙囪”，它們主要集中于新生大洋地殼上，如洋中脊和弧后盆地?cái)U(kuò)張中心的位置上。這些“黑煙囪”直徑從數(shù)厘米到兩米，高度從數(shù)厘米到50米不等，大的“黑煙囪”群及其堆積物有點(diǎn)像教堂或廟宇建筑的復(fù)雜尖頂，大規(guī)模的堆積物可達(dá)到體育館體積大小的百萬(wàn)噸以上。 “黑煙囪”是如何形成的呢？專(zhuān)家指出，由于新生大洋

10、地殼或海底裂谷地殼的溫度較高，海水沿裂隙向下滲透可達(dá)幾公里，在地殼深部加熱升溫后，淋濾并溶解巖石中多種金屬元素后，又沿著裂隙對(duì)流上升并噴發(fā)在海底。由于礦液與海 本章針對(duì)高溫高壓條件下的精細(xì)流量水壓控制要求，分析了超臨界下水壓技術(shù)的特點(diǎn)，從材料選用和加工工藝入手，對(duì)組成系統(tǒng)的各關(guān)鍵元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和特性進(jìn)行了討論和研究，最后推導(dǎo)了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了仿真研究。 普通的液壓系統(tǒng)以礦物油作為介質(zhì)進(jìn)行傳動(dòng)，具有潤(rùn)滑性

11、好、泄漏小、防腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，但它最大的缺點(diǎn)是油液泄漏后污染環(huán)境。水壓技術(shù)較之油壓技術(shù)更早得到研究和開(kāi)發(fā)，近年來(lái)隨著綠色環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，水（包括純水和海水等）液壓傳動(dòng)成為流體傳動(dòng)及控制領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)之一，尤其是近年來(lái)隨著海洋資源開(kāi)發(fā)利用研究的發(fā)展，水壓技術(shù)在海洋開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用和需求日益突出。從理論上講，油壓傳動(dòng)技術(shù)所涉及的應(yīng)用領(lǐng)域完全可以由水壓替代，但由于海（淡）水與礦物油相比，具有潤(rùn)滑性差、腐蝕性大、黏度低、汽化壓力高等缺點(diǎn)，又使得現(xiàn)有的

12、油壓元件在工程實(shí)際中不能直接或者稍作改進(jìn)后就用于水介質(zhì)。 在超臨界條件下精細(xì)流量回路的超高壓控制技術(shù)，更是涉及了超臨界、超高壓、高溫特性、微流量和強(qiáng)腐蝕性，而且流量特別小，要求耐腐蝕性特別強(qiáng)，高溫下材料穩(wěn)定性要求高，壓力、溫度控制精度也要求高，這就更需要從原理到結(jié)構(gòu)重新研制開(kāi)發(fā)與高溫工作環(huán)境下水介質(zhì)傳動(dòng)相適應(yīng)的新型水壓元件。因此，必須充分認(rèn)識(shí)水作為液壓介質(zhì)的特點(diǎn)，詳細(xì)研究其影響機(jī)理，分析高溫的作用，尋求合理的解決措施，有效克服

13、水壓傳動(dòng)的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，才能研制出高性能的水壓元件和系統(tǒng)。 2.1超臨界水壓技術(shù)特點(diǎn)與高溫高壓元件材料的選擇 2.1.1超臨界水壓技術(shù)特點(diǎn) 礦物型液壓油已廣泛應(yīng)用于液壓傳動(dòng)中且占據(jù)了主導(dǎo)地位。但由于它浪費(fèi)能源及污染環(huán)境而阻礙了它的進(jìn)一步發(fā)展。用水作為液壓介質(zhì)具備礦物型液壓油所不具備的優(yōu)點(diǎn)： ①環(huán)境友好　礦物油型液壓油對(duì)環(huán)境的污染是液壓行業(yè)眾所周知的嚴(yán)重問(wèn)題。1升礦物油可使1百萬(wàn)升水受到污染

14、，泄漏的油液可使周?chē)闹参锖蛣?dòng)物死亡，使工作場(chǎng)所的地面打滑，空氣中充滿(mǎn)異味，工作環(huán)境變得惡劣。而水對(duì)環(huán)境沒(méi)有 本章設(shè)計(jì)了大時(shí)滯加熱系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)了它的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)研究。在此基礎(chǔ)上較詳細(xì)地研究了基于PID的控制算法、基于Smith預(yù)估的控制算法以及它們的改進(jìn)形式，消除了系統(tǒng)大時(shí)滯的影響。 溫度控制是高溫高壓系統(tǒng)的第二大關(guān)鍵參數(shù)。在深海極端環(huán)境模擬平臺(tái)的監(jiān)控系統(tǒng)中，溫度控制的成功與否直接關(guān)

15、系到模擬環(huán)境的精確性，影響到整個(gè)實(shí)驗(yàn)的成敗。如果溫度控制失誤，將會(huì)對(duì)科學(xué)研究產(chǎn)生偏差，甚至產(chǎn)生誤導(dǎo)，為將來(lái)相應(yīng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和利用帶來(lái)嚴(yán)重的不良后果。 多級(jí)模擬的基本單元有并聯(lián)結(jié)構(gòu)和串聯(lián)結(jié)構(gòu)兩種，加液加氣裝置與培養(yǎng)系統(tǒng)是并聯(lián)關(guān)系，可以歸入并聯(lián)結(jié)構(gòu)。 并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，各個(gè)培養(yǎng)反應(yīng)子系統(tǒng)處于并聯(lián)連接狀態(tài)，恒流量泵出來(lái)的溶液按照回路的液阻分配到各子系統(tǒng)中，而壓力則是單獨(dú)控制的。由于總的流量大小不變，因此一個(gè)支路的流量變化會(huì)影響到另

16、一個(gè)支路的流量大小，即相互之間存 第五章 系統(tǒng)集成與工程應(yīng)用研究 本章針對(duì)前面幾章的研究分析，在多級(jí)串并聯(lián)培養(yǎng)反應(yīng)裝置上，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。主要在完成了多級(jí)串并聯(lián)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室空白實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了兩個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)研究實(shí)例──微生物實(shí)驗(yàn)和水巖反應(yīng)實(shí)驗(yàn)方面的研究，以及生物培養(yǎng)的海上試驗(yàn)，進(jìn)一步考核了系統(tǒng)的控制性能和實(shí)用性。 基于前面設(shè)計(jì)的超高壓微流量海水比例溢流閥及其電液比例壓力控制系統(tǒng)的分析，在本章將首

17、先介紹單釜試驗(yàn)平臺(tái)的工程應(yīng)用──高溫高壓化學(xué)傳感器試驗(yàn)校正平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)情況，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步完成深海極端環(huán)境模擬平臺(tái)串并聯(lián)系統(tǒng)的集成和實(shí)驗(yàn)研究。 系統(tǒng)的集成主要是根據(jù)國(guó)家863項(xiàng)目──高溫高壓傳感器校正平臺(tái)、國(guó)務(wù)院大洋專(zhuān)項(xiàng)──“模擬深海極端環(huán)境的船載微生物培養(yǎng)裝置”、中國(guó)科學(xué)院科研裝備研制和改造項(xiàng)目──“極端海底環(huán)境分子生物地球化學(xué)多級(jí)模擬反應(yīng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”的指標(biāo)要求和使用要求進(jìn)行的。深海極端環(huán)境模擬平臺(tái)研制的主導(dǎo)思想就是建立一