AIP 装置废气处理技术综述

摘要：AIP 装置应用于常规潜艇上时，废气的隐蔽排放是关键性技术。国外AIP 潜艇的设计都充分考虑了排气系统，以满足潜艇作战的要求。废气处理的研究过程表明，废气的海水吸收和废气的吓缩储存是A 护废气处理的发展方向。
  关键词：废气处理AIP 装置常规潜艇吸收
  1 引言
  自潜艇问世以来，人们就梦想拥有无限制的水下续航力。早在1901 年就发明了不需要空气的柴油机，二战期间德国在实验室内成功地运行了氧气加上循环二氧化碳气体的柴油机系统。二战后，英、美、苏三国加大了对闭式循环柴油机的研制工作’，但都由于各种原因而中止，特别是核潜艇的出现将人们对这种AIP 装置的研制目光转移了。但是，由于潜艇作战方式的多样性及各国实际情况的不同，常规潜艇一直没有退出历史舞台，反而越来越得到重视，20 世纪80 年代以后，由于增加常规潜艇水下一次续航力和减小通气管暴露率的需求，AIP 混合推进潜艇的方案显得非常引人注意2 。90 年代，瑞典sE 一AIP 潜艇服役，说明AIP 潜艇有远大的应用前景，而各国从不同的方向加速发展各种AIP 装置。
  2 AIP 装置现状及关键技术
  目前，常规潜艇AIP 种类较多，典型的有四种：闭式循环柴油机（仪D ）、斯特林机（SE ）、燃料电池（FC ）及汽轮机（MEsMA ）。仪D 系统工作时，柴油机产生的废气经过喷淋冷却后进入吸收器。在吸收器内废气与海水充分混合，二氧化碳溶于海水后，通过水管理系统排出舷外。清洁后的气体作为循环气体加入新鲜的氧气后作为人造空气用于柴油机的燃烧，实现了闭式循环3 。sE 系统是一种外燃式系统，工质一般是氦气，值得一提的是提高燃烧室的燃烧压力使得二氧化碳能够直接排出艇外4 · ’。MEsMA 系统是从核潜艇技术发展而来的，一回路中（产生燃气）使用乙醇和氧气燃烧，它的燃烧压力高达60bar ，所以像SE 系统一样能够直接将二氧化碳排出艇外，二回路中的蒸汽用于推动蒸汽透平“。而Fc 系统中燃料电池的特点使得它被认为是最有前途的AIP 收稿日期：2001 一11 一25
  ，「⑥ 1 夕夕、一：00 。肋in “且ca 巍mi 。为urnal 川ectroni 。尸uolis 人i 叹价use ．且11 ：妙ts : eserve 汉人即彻、、．。n 瓜刀et
  第5 期赵建华等：AIP 装置废气处理技术综述· 巧装置，澳大利亚海军从原来的斯特林项目转而研究燃料电池就充分说明了这一点。但是由于受到反应物（玩）携带困难等等因素的限制，甲醇重整技术是比较可行的方案7 · “，而由此产生的废气也要经过相应的处理。因为各种AIP 装置拥有不同的特点，选择的种类都因各国实际情况不同而不同。瑞典的阳C 夙JMS 公司侧重于研究斯特林AIP ，提供了单机65kw 的斯特林机，安装在“哥得兰”( cOTLAND ）级潜艇上，瑞典海军成为最先使用AIP 潜艇的海军。德国的任M 公司（由HDw 、TNSW 和Ferlostaal 三家公司组成）主要研究燃料电池AIP , 用于装备212 级潜艇，但是在用户的要求下还可以生产仪刀AIP 潜艇。加拿大的Ballard 公司也侧重研究燃料电池。荷兰的RDM 公司提供两种仪DAIP 潜艇，但是都没有真正服役。俄罗斯Rllbin 设计局也打算发展使用燃料电池的“阿穆尔’夕级潜艇，他们对仪D 的研究也积累了丰富的经验”。而法国的DcN 公司已经研制成功了MEsMA 一AIP 潜艇，并打算售给巴基斯坦海军，法国成为第一个出口AIP 潜艇的国家c
  AIP 系统主要由主机也Ox 储氧系统、排气系统及控制系统组成’”。在这四大关键技术中，排气系统决定了AIP 装置是否成熟，也是AIP 装置发展过程中的主要障碍、计算表明，如果排到海中的废气气泡初始直径为2 . 5 ? ，其中含5 ％的。：和95 ％的co : ，气泡将会在5 。〔 海水中生存905 ，在此过程中气泡将会上升sm ，如果潜艇以7 . skn 航行，将会在海水中留下至少340m 长的气泡带，这些气泡很容易被主动声呐在很远的距离上探测到”· ”，而纯氧气泡的存在时间将会大于1805 。也有人担心排气系统的噪声会影响潜艇的隐蔽性“。所以，AIP 装置的废气处理问题是不容忽视的。经过很长时间的探索和多种方法的尝试，CO ：气体处理的问题至今还没有很好地解决，这是发展AIP 装置的“瓶颈”。
  3 废气处理的技术要求
  排气系统（欣恤ust 即stem ）是用来隐蔽地处理主机产生的废气的，以实现安装AIP 装置后提高潜艇隐蔽性的目的。加装AIP 装置与常规潜艇的隐蔽性的关系是比较复杂的，需要综合考虑通气管暴露率、水下一次续航力和物理场等因素之间的关系’2 。有效地处理废气，消除由于废气排放而产生的热、声、以及航迹等物理场是排气系统的主要任务。
  常规潜艇的特殊性决定了排气系统必须精心设计，以满足常规潜艇的要求。排气系统中对废气处理的技术要求如下：
  ( l ）废气处理后并排出潜艇时要满足隐身性的要求，没有气泡形成的航迹，分散废气的热量达到与周围海水相当的水平，由于排放而产生的噪声对总体的水平不应有影响。
  ( 2 ）废气处理所用的功率占AIP 系统的总有效输出功率的比例不应该很大，不至于影响AIP 装置的先进性。
  ( 3 ）排气系统占用空间越小越好，因为空间的节省在常规潜艇中是非常关键的。减小排气系统的体积也是目前减小AIP 系统总重量和总体积的有效手段’3 。
  ( 4 ）排气不受潜艇潜深的影响。
  ( 5 ）系统不应过于复杂。
  ( 6 ）整个系统的安全性要高，不应有废气漏泄、海水倒灌等安全性隐患。
  ( 7 ）系统的可靠性、可维修性要高。
  化工上的旋转床吸收器，通过实际的试验研究表明其吸收效果比传统的填料塔高10 倍，甚至还多”，但是，该方法消耗功率太大要25 ％一30 ％的输出功’“。应用仪D 最有希望的国家是韩国’" ，在其209 型潜艇上加装了仪D 舱段。文献17 反映了韩国在研究水下动力源废气处理方面的动态，利用液化的方法将CO ：压缩储存在艇上。而且，由于利用了液氧气化的能量，使得消耗于压缩的能量很少（只占6 . 3 ％的净输出功），解决了以前仅靠压缩而消耗大量输出功的缺点，因此，该方案有很大的竞争力。瑞典MKZ 斯特林机产生的废气95 ％是CO : ，经过冷却器废气温度将从800 OC 降到25 OC ，然后经过一个吸收器将废气无气泡地溶解于周围的海水中’“。其中，吸收器的功用是将水与废气混合，文献18 也指出为确保完全燃烧而加入的少量剩余氧气在排出过程中已被混合和扩散。文献9 却指出直接排气将导致气泡的产生，为了保证燃烧充分需要过量的氧气，而没有反应的氧气将不能从废气中分离出来，增加了废气处理的难度。MKZ 还存在功率输出以及依赖潜深等缺点，所以，目前瑞典正在发展M 峪型斯特林机用于下一代AIP 潜艇，通过改善设计提高燃烧和排放系统的性能，增加下潜的深度并减小信号特征。正在研制的一种闭式废气处理系统似乎表明，“哥得兰’夕级潜艇使用的吸收器效果不好，因此，阳C 夙JM 公司寻求更好的解决办法，其办法是将废气压缩储存在艇上。因为斯特林燃烧室可设计成高压，更有利于应用这种方案来处理废气。
  燃料电池发展的主要影响因素是凡的储存问题，目前认为最有前途的一种方法就是甲醇重整技术，
  也存在废气排出潜艇导致隐身性变差的问题”· ’" ，其废气处理没有见到相关的报道。
  MESMA 系统中把排气系统作为三大子系统之一来讨论“，废气排放是一个暴露源，牵涉到操作的压力、气泡的直径和排气装置的特性。法国DCN 公司借鉴了核潜艇中COZ 吸收装置的经验，在MESMA 的废气排放子系统的试验
  第5 期赵建华等：AIP 装置废气处理技术综述· 17 · 中找到了使CO ：最快溶解的装置，而且保证其辐射噪声小的性能。具体的装置和使用的吸收剂却没有见到相关的报道。
  5 结语
  各种类型的AIP 装置废气排放的特点不外乎两种，一是内燃型排放（仪刀AIP ) ，其特点是废气的压力和COZ 含量相对较低；另一种是外燃型的排放（SE 、FC 的甲醇重整沮ESMA ) ，其特点是废气的COZ 含量较高，废气的压力可以控制。
  目前的废气处理办法也有两类，都基本上能满足上文提出的排放系统的要求。从废气处理的发展历史来看，吸收废气中的COZ 气体的溶剂最理想的是采用取之不尽的海水，而吸收装置的研制就成了整个系统的最关键。气体吸收有很多方法’" ，常见的有填料床、喷淋塔以及近二十年研究的热点― 旋转床，还有撞击流吸收器2 ”等等，但由于潜艇这个特殊的环境，可以具体应用的还需要特殊考虑。另一种选择就是采用冷却压缩CO ：的办法，该方案对各种AIP 都适用。
  
  
  
  

先挣点金币，再下载学习。