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原文传递一种模拟海底冷泉物化环境参数的实验装置与控制策略

专利名称：	一种模拟海底冷泉物化环境参数的实验装置与控制策略
摘要：	一种模拟海底冷泉物化环境参数的实验装置与控制策略，包括冷泉舱系统、基础背景浓度控制模块、水气循环净化模块、甲烷介质浓度调节模块、物化环境参数监控模块、均质化搅拌设备以及温控系统，可以模拟海底冷泉生态系统的最基本条件是人工重塑逼真的冷泉区物理化学环境条件，利用冷泉舱系统完成模拟空间的建立，利用基础背景浓度控制模块完成舱内氧气、二氧化碳等浓度的控制，利用水气循环净化模块模拟海水自净化能力，实现舱内各种废料的净化功能，利用甲烷介质浓度调节模块可实现舱内甲烷介质的可控注入，从而实现慢速冷泉、中速冷泉和快速冷泉的模拟。并在全过程监控物理化学参数，达到可控的工艺控制。
专利类型：	发明专利
申请人：	中国船舶科学研究中心;深海技术科学太湖实验室
发明人：	张浩;王永军;陈伟;宫鹏;胡文韬;潘广善;许锋炜;从曙光
专利状态：	有效
申请日期：	2023-06-26T00:00:00+0800
发布日期：	2023-11-07T00:00:00+0800
申请号：	CN202310762877.3
公开号：	CN117007745A
代理机构：	无锡华源专利商标事务所(普通合伙)
代理人：	孙建
分类号：	G01N33/00;G01D21/02;G09B25/00;G;G01;G09;G01N;G01D;G09B;G01N33;G01D21;G09B25;G01N33/00;G01D21/02;G09B25/00
申请人地址：	214082 江苏省无锡市滨湖区山水东路222号;
主权项：	1.一种模拟海底冷泉物化环境参数的实验装置，其特征在于：包括冷泉舱系统(1)，所述冷泉舱系统(1)上依次并联设置有基础背景浓度控制模块(2)、水气循环净化模块(3)、甲烷介质浓度调节模块(4)和物化环境参数监控模块(5)，所述冷泉舱系统(1)上还连接有均质化搅拌设备(6)和温控系统(7)；冷泉舱系统(1)的结构为：包括冷泉舱体结构(101)，冷泉舱体结构(101)内设置有模拟水体(102)，冷泉舱体结构(101)的下方为沉积物(103)，在沉积物(103)的下部设置分流盘(105)，在沉积物(103)的中心位置布置一个裂缝通道(106)，裂隙通道(106)的顶部布置一个曝气头(107)；基础背景浓度控制模块(2)的结构为：在冷泉舱体结构(101)的上侧壁上设置有氧气水溶液注入口(206)和二氧化碳水溶液注入口(210)，氧气水溶液注入口(206)通过管路依次串联有一号注水泵(205)、过滤器(204)、氧气曝气水箱(202)和氧气气源(201)，氧气曝气水箱(202)内安装有氧气曝气膜(203)，二氧化碳水溶液注入口(210)通过管路依次串联有一号注水泵(205)、过滤器(204)、二氧化碳曝气水箱(208)和二氧化碳气源(207)，二氧化碳曝气水箱(208)内安装有二氧化碳曝气膜(209)；水气循环净化模块(3)的结构为：在冷泉舱体结构(101)的上侧壁和下侧壁分别设置有循环水出口(313)和PH盐度水溶液注入口(305)，循环水出口(313)通过管路依次串联有减压罐(310)、袋式过滤器罐(309)、保安过滤器罐(308)和脱气膜组件(307)，脱气膜组件(307)底部连接真空泵(313)，真空泵(313)通过高压泵(304)与PH盐度水溶液注入口(305)连通，脱气膜组件(307)上部通过取样阀(306)连接中间水箱(301)，所述中间水箱(301)与真空泵(313)和高压泵(304)同时连通，中间水箱(301)还连接有PH值盐度调节组件(302)，减压罐(310)还通过减压罐排气管道(311)连接氮气稀释排放端(303)；甲烷介质浓度调节模块(4)的结构为：在冷泉舱体结构(101)底部设置有甲烷水溶液注入口(412)，甲烷水溶液注入口(412)与分流盘(105)连通，甲烷水溶液注入口(412)通过管路依次串联有二号注水泵(411)、水箱(409)和气源(401)，水箱(409)内设置有曝气装置(410)；甲烷水溶液注入口(412)分支有甲烷气注入口(408)，甲烷气注入口(408)通过管路依次串联有流量计(407)和气体增压器(406)，气体增压器(406)输出有两条并联管理，一条为依次连接的进气调压阀(404)、进气过滤器(403)和气源(401)，另一条为依次连接的驱动气体流量调节阀(405)和压缩空气(402)；物化环境参数监控模块(5)的结构为：位于冷泉舱体结构(101)内部设置有拉曼探针(504)、H2S及PH传感器(505)、CH4传感器(506)和CTD及DO传感器(507)，冷泉舱体结构(101)外部设置有DIC检测仪(503)和拉曼光谱仪(502)，DIC检测仪(503)、拉曼光谱仪(502)、拉曼探针(504)和各个传感器同时连接冷泉环境监测系统(501)。 2.如权利要求1所述的一种模拟海底冷泉物化环境参数的实验装置，其特征在于：所述冷泉舱体结构(101)是一个大尺度高压容器，内部的水体高度为15m。 3.如权利要求1所述的一种模拟海底冷泉物化环境参数的实验装置，其特征在于：所述冷泉舱体结构(101)的顶部安装有安全阀(108)和压力传感器(109)。 4.如权利要求1所述的一种模拟海底冷泉物化环境参数的实验装置，其特征在于：所述冷泉舱体结构(101)设置呈防腐结构，从外向内依次为冷泉舱基体(10101)、耐蚀合金堆焊层(10102)和氧化铝陶瓷涂层(10103)。 5.如权利要求1所述的一种模拟海底冷泉物化环境参数的实验装置，其特征在于：分流盘(105)设置成十字形的分流通道(10501)，在分流通道(10501)上开有渗流孔(10502)。 6.如权利要求1所述的一种模拟海底冷泉物化环境参数的实验装置，其特征在于：所述温控系统(7)对冷泉舱内的水体进行调温控制，并让温度稳定在2～4℃范围内。 7.一种如权利要求1所述的模拟海底冷泉物化环境参数的实验装置的控制策略，其特征在于：包括如下操作步骤： S1、准备阶段：在空舱状态下将分流盘(105)、裂隙通道(106)、曝气头(107)提前布置在冷泉舱体结构(101)内，将沉积物(103)布置在冷泉舱体结构(101)内，并预留出注气空腔(104)； S2、注水增压与温度控制：利用高压泵(304)抽取中间水箱(301)中的海水向冷泉舱体结构(101)注入增压，使舱内压力升高至20MPa，同时启动温控系统(7)对冷泉舱系统(1)进行调温控温，是冷泉舱体结构(101)与模拟水体(102)降低至2～4℃，并稳定在这一温度范围； S3、冷泉舱内介质背景浓度初始化：通过引入氧气气源(201)，注入至氧气曝气膜(203)，利用曝气膜(203)破碎氧气气泡实现快速溶解，在氧气曝气水箱(202)内配置规定浓度的氧气水溶液，经过滤器(204)过滤后，由一号注水泵(205)，由冷泉舱系统(1)顶部的氧气水溶液注入口(206)注入到舱内；同样的引入二氧化碳气源(207)，用同样的流程完成二氧化碳的注入；为模拟氧气与二氧化碳介质的实际扩散状态，注入口确定在冷泉舱系统(1)的顶部，可真实模拟实际海洋中氧气与溶解碳的扩散方向； S4、水气循环净化模拟：在冷泉舱系统(1)顶部设置循环水出口(313)，通过控制循环流量，将含有高浓度废料的海水输送至减压罐(310)内，通过减压罐(310)降压至1MPa以内，在降压过程中可能存在溶解气析出问题，因此析出气体可通过减压罐排气管道(311)排放至氮气稀释排放端(303)内，完成气体后处理；减压罐(310)内的海水继续经过袋式过滤器罐(309)和保安过滤器罐(308)充分过滤后，进入脱气膜组件(307)，进行多级脱气处理，在脱气膜(307)中，利用真空泵(313)形成抽吸负压，实现海水内溶解的各种废料的脱离排出，脱气处理后的海水各种气体介质浓度可控制10ppb以内；净化后海水流入中间水箱(301)待循环使用； S5、冷泉羽状流模拟：通过甲烷气源，向曝气装置(410)注入甲烷气体，在水箱(409)内形成一定浓度的甲烷溶液，利用注水泵(411)将甲烷水溶液经甲烷水溶注入口(412)注入到冷泉舱系统(1)内的分流盘(105)，经分流后，均匀扩散至注气空腔(104)内，利用浓度差驱动甲烷水溶液渗透过沉积物(103)，在沉积物(103)上表面形成一层较高浓度的甲烷溶液层，从而为冷泉生态系统提供能量供给； S6、模拟冷泉物理化学环境监测：在模拟海底冷泉区物理化学环境全过程，启动拉曼光谱仪(502)，利用拉曼探针(501)测量舱内各类介质浓度，同时启动H2S及PH传感器(505)，CH4传感器(506)，CTD及DO传感器(507)对舱内介质浓度、温度、压力场进行实时监测，同时对舱内介质进行定期取样，利用DIC检测仪(503)检测舱内溶解碳浓度；通过上述监测结果，实时指导上述五个步骤中各项工艺参数的控制，以达到舱内物理化学参数稳定在合理范围。 8.如权利要求7所述的模拟海底冷泉物化环境参数的实验装置的控制策略，其特征在于： S3中，在背景浓度初始化过程中，如果需要加速初始化过程，可通过启动均质化搅拌设备6实现舱内介质浓度加速均匀。 9.如权利要求7所述的模拟海底冷泉物化环境参数的实验装置的控制策略，其特征在于： S4中，考虑到净化过程中会对海水实际PH值和盐度造成影响，因此利用PH值和盐度调节组件(302)完成对中间水箱(301)内海水的重新调节，以达到回注要求；在利用高压泵304实现净化后海水的回注，保证冷泉舱系统1压力稳定，压力波动不大于2.5％。至此，即建立了一套人工模拟海水强大自净化能力的开放式循环系统。 10.如权利要求7所述的模拟海底冷泉物化环境参数的实验装置的控制策略，其特征在于： S5中，针对中速冷泉模拟方式，通过甲烷气源，经气体增压器(406)增压，利用流量计(407)监控气体流量，经甲烷气注入口(408)，注入到分流盘(105)内，并进一步扩散至注气空腔(104)内，持续性渗透过沉积物(103)，在沉积物表面形成小规模羽状流； S5中，针对快速冷泉模拟方式，主要是模拟地层失稳后甲烷大规模溢出所造成的甲烷剧烈喷发的状态，通过甲烷气源，经气体增压器(406)增压，利用流量计(407)监控气体流量，经甲烷气注入口(408)，注入到裂隙通道(106)，由曝气头(107)实现甲烷气体破碎，形成大规模甲烷喷发，建立快速冷泉状态。
所属类别：	发明专利