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)是二十世紀末最重大的科學發(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循環(huán)以及海底成礦過程中起著重要的作用，它的發(fā)現(xiàn)對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研究正逐漸成為國際上一個富有活力的新興交叉學科。開展深海微生物分子地球化學研究工作，除需要在保真狀態(tài)下將深海底微生物采集到船上來之外，還要做到在現(xiàn)場防污染和可檢測條件下對此類微生物進行培養(yǎng)和研究，但目前國內(nèi)

2、微生物培養(yǎng)設(shè)備和技術(shù)阻礙了該項科學研究的開展。為此，本文圍繞深海極端環(huán)境多級模擬培養(yǎng)平臺的開發(fā)、研制過程，對旨在模擬深海微生物生長的各種不同環(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)進行了深入的系統(tǒng)研究。 本文主要對深海極端環(huán)境多級模擬平臺的循環(huán)培養(yǎng)系統(tǒng)和監(jiān)測與控制系統(tǒng)的原理設(shè)計、控制方案、整機調(diào)試等方面展開了一系列具有針對性的研究；對一些關(guān)鍵元件的相關(guān)技術(shù)進行了較為詳細的分析和闡述；研究了高溫高壓條件下采用超高壓微流量海

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

4、內(nèi)容、研究難點，設(shè)計了相應的技術(shù)路線。 第二章針對高溫高壓超臨界極端環(huán)境條件下的精細流量水壓控制要求，提出了微流量循環(huán)流動開放式模擬系統(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，對組成系統(tǒng)的各關(guān)鍵元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和特性進行了分析和研究，重點解決了密封與壓力增益大的難點；建立了單釜系統(tǒng)的數(shù)學模型，并進行了仿真與實驗研究。 第三章分析了加熱控制系統(tǒng)的組成環(huán)節(jié)與大時滯特點，開展了相應的理論研究，設(shè)計了該平臺溫

5、度控制系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)，詳細研究了基于Smith預估的PID的控制算法以及它們的改進形式，進行了仿真與實驗研究。 第四章基于液路網(wǎng)絡原理，提出了兩種典型的多級模擬結(jié)構(gòu)，討論了多級模擬系統(tǒng)的特點，研究了并聯(lián)結(jié)構(gòu)和串聯(lián)結(jié)構(gòu)的控制特性，找出了級間耦合關(guān)系，以及一些干擾因素的影響；設(shè)計了多級模擬平臺的液壓控制系統(tǒng)軟件。 第五章利用前面幾章關(guān)鍵技術(shù)的研究結(jié)果，進一步研究不同功能的實際系統(tǒng)的集成技術(shù)，闡述了對多級串、并聯(lián)模擬平

6、臺的應用，并分別進行了實驗研究。通過海上試驗進一步考核和驗證了系統(tǒng)的控制性能和實用性。 第六章對本課題研究成果進行了全面總結(jié)，并提出了進一步的研究方向。 的設(shè)想與要素；分析了同類設(shè)備在國內(nèi)、外的發(fā)展狀況，指出了存在的問題，提出了幾個符合研究目標的總體方案；最后闡述了課題研究的目的、主要研究內(nèi)容、研究難點，設(shè)計了相應的技術(shù)路線。 1.1 研究背景與意義 生命起源于海洋。從遠古至現(xiàn)代，從近海

7、到大洋，人類從未停止過對海洋的研究。對海洋資源的開發(fā)和利用一直是人們關(guān)注的焦點，在當代被稱為“藍色革命”。近年來歐美各國和日本等國的海洋研究機構(gòu)都投入了大量的人力和數(shù)以億計的物力，有計劃地開展多種研究、合作和發(fā)展，紛紛搶占各個領(lǐng)域<'［1］［2］>。其中對大洋的研究越來越受到重視，尤其是對極端環(huán)境下的生命的研究是一大新的熱點。 隨著人類向大洋深處的進軍，科學家在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世紀海洋科學領(lǐng)域最重大發(fā)現(xiàn)之一。 1979年，繼前一年采集到硫化物后，美國的“阿爾文”號載人深潛器在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。礦液剛噴出時為澄清溶液，與周圍海水混合后，很快產(chǎn)生沉淀變?yōu)椤昂跓煛?，沉淀物主要由磁黃鐵礦、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，被形象地稱為“黑煙囪”。 科學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擴張中心的位置上。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”群及其堆積物有點像教堂或廟宇建筑的復雜尖頂，大規(guī)模的堆積物可達到體育館體積大小的百萬噸以上。 “黑煙囪”是如何形成的呢？專家指出，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，又沿著裂隙對流上升并噴發(fā)在海底。由于礦液與海 本章針對高溫高壓條件下的精細流量水壓控制要求，分析了超臨界下水壓技術(shù)的特點，從材料選用和加工工藝入手，對組成系統(tǒng)的各關(guān)鍵元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和特性進行了討論和研究，最后推導了系統(tǒng)的數(shù)學模型并進行了仿真研究。 普通的液壓系統(tǒng)以礦物油作為介質(zhì)進行傳動，具有潤滑性

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

12、油壓元件在工程實際中不能直接或者稍作改進后就用于水介質(zhì)。 在超臨界條件下精細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、微流量和強腐蝕性，而且流量特別小，要求耐腐蝕性特別強，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)重新研制開發(fā)與高溫工作環(huán)境下水介質(zhì)傳動相適應的新型水壓元件。因此，必須充分認識水作為液壓介質(zhì)的特點，詳細研究其影響機理，分析高溫的作用，尋求合理的解決措施，有效克服

13、水壓傳動的缺點，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，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 礦物型液壓油已廣泛應用于液壓傳動中且占據(jù)了主導地位。但由于它浪費能源及污染環(huán)境而阻礙了它的進一步發(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： ①環(huán)境友好　礦物油型液壓油對環(huán)境的污染是液壓行業(yè)眾所周知的嚴重問題。1升礦物油可使1百萬升水受到污染

14、，泄漏的油液可使周圍的植物和動物死亡，使工作場所的地面打滑，空氣中充滿異味，工作環(huán)境變得惡劣。而水對環(huán)境沒有 本章設(shè)計了大時滯加熱系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)，推導了它的數(shù)學模型，并進行了仿真與實驗研究。在此基礎(chǔ)上較詳細地研究了基于PID的控制算法、基于Smith預估的控制算法以及它們的改進形式，消除了系統(tǒng)大時滯的影響。 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，影響到整個實驗的成敗。如果溫度控制失誤，將會對科學研究產(chǎn)生偏差，甚至產(chǎn)生誤導，為將來相應技術(shù)的開發(fā)和利用帶來嚴重的不良后果。 多級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，各個培養(yǎng)反應子系統(tǒng)處于并聯(lián)連接狀態(tài)，恒流量泵出來的溶液按照回路的液阻分配到各子系統(tǒng)中，而壓力則是單獨控制的。由于總的流量大小不變，因此一個支路的流量變化會影響到另

16、一個支路的流量大小，即相互之間存 第五章 系統(tǒng)集成與工程應用研究 本章針對前面幾章的研究分析，在多級串并聯(lián)培養(yǎng)反應裝置上，進行了實驗研究。主要在完成了多級串并聯(lián)系統(tǒng)的實驗室空白實驗的基礎(chǔ)上，進行了兩個方面的實驗室實驗研究實例──微生物實驗和水巖反應實驗方面的研究，以及生物培養(yǎng)的海上試驗，進一步考核了系統(tǒng)的控制性能和實用性。 基于前面設(shè)計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、先介紹單釜試驗平臺的工程應用──高溫高壓化學傳感器試驗校正平臺的實驗情況，并在此基礎(chǔ)上進一步完成深海極端環(huán)境模擬平臺串并聯(lián)系統(tǒng)的集成和實驗研究。 系統(tǒng)的集成主要是根據(jù)國家863項目──高溫高壓傳感器校正平臺、國務院大洋專項──“模擬深海極端環(huán)境的船載微生物培養(yǎng)裝置”、中國科學院科研裝備研制和改造項目──“極端海底環(huán)境分子生物地球化學多級模擬反應和監(jiān)測系統(tǒng)”的指標要求和使用要求進行的。深海極端環(huán)境模擬平臺研制的主導思想就是建立一