液態(tài)工業(yè)氣體的應(yīng)用方案與效果分析

秦士忠

(無錫宏源機(jī)電科技有限公司，江蘇無錫 214106)

0 前言

宏源公司激光切割機(jī)等設(shè)備需配套使用大量的工業(yè)輔助氣體。如激光切割機(jī)需配套使用切割輔助氣體——氧氣和氮?dú)?，等離子切割機(jī)需配套使用切割輔助氣體——氧氣，氬弧焊接時(shí)需配套使用焊接輔助氣體——?dú)鍤?。在?shí)施使用杜瓦瓶裝超低溫液化氣體(液氮、液氬)前均使用普通瓶裝壓縮氣體為供氣氣源，且采用單臺(tái)設(shè)備設(shè)置一個(gè)氣源點(diǎn)的供氣模式，為解決該供氣模式存在的車間內(nèi)到處需設(shè)置氣源氣瓶現(xiàn)象，經(jīng)多方調(diào)研后決定采用使用杜瓦瓶裝超低溫液化氣體為供氣氣源，并在車間內(nèi)設(shè)置統(tǒng)一的氣源點(diǎn)，利用管道將各種氣體分別輸送到相關(guān)設(shè)備使用方案；而激光切割機(jī)雖使用了液氧作為輔助切割氣體,但其供氣模式為由杜瓦瓶直接汽化后用氣，存在汽化時(shí)結(jié)霜、結(jié)冰及汽化量不足現(xiàn)象等問題，故需在使用杜瓦瓶裝超低溫液化氣體為供氣氣源及管道化輸送應(yīng)用方案中一并進(jìn)行解決。

1 普通瓶裝氧氣、氮?dú)狻鍤馀c杜瓦瓶裝超低溫液氧、液氮、液氬的區(qū)別

(1)壓縮氣體，是指在-50℃下加壓時(shí)完全是氣態(tài)的氣體，包括臨界溫度低于或者等于-50℃的氣體；

(2)高(低)壓液化氣體，是指在溫度高于-50℃下加壓時(shí)部分是液態(tài)的氣體，包括臨界溫度在-50℃和65℃之間的高壓液化氣體和臨界溫度高于65℃的低壓液化氣體(以下通稱為液化氣體)；

(3) 超低溫液化氣體，是指在運(yùn)輸過程中由于溫度低而部分呈液態(tài)的氣體(臨界溫度一般低于或者等于-50℃)。

根據(jù)以上氣體定義“瓶裝氧氣、氮?dú)?、氬氣”是指常溫下?duì)氧氣、氮?dú)?、氬氣進(jìn)行加壓壓縮后的高壓氣體，屬壓縮氣體；而“杜瓦瓶裝超低溫液氧、液氮、液氬”是指對(duì)氧氣、氮?dú)狻鍤膺M(jìn)行冷凍處理至臨界溫度以下而獲得液態(tài)氧、液態(tài)氮、液態(tài)氬，屬冷凍液化氣體；因此二者存放氧氣、氮?dú)?、氬氣時(shí)的相態(tài)不同，及運(yùn)輸和儲(chǔ)存時(shí)的方式不同，前者為主要利用氣體可壓縮性較大的特性采用加壓壓縮氣體的方式來實(shí)現(xiàn)氣體的運(yùn)輸和儲(chǔ)存；而后者為主要利用氣體在達(dá)到臨界溫度以下時(shí)會(huì)發(fā)生相態(tài)變化的特性采用超低溫制冷技術(shù)來實(shí)現(xiàn)氣體的運(yùn)輸和儲(chǔ)存。

氧、氮、氬主要特性參數(shù)表

注：沸點(diǎn)：① 液體的飽和蒸氣壓與外界壓強(qiáng)相等時(shí)的溫度；②臨界溫度：液體能維持液相的最高溫度；③FTSC編碼：《GB16163-1996瓶裝壓縮氣體分類》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)氣體的燃燒性、毒性、狀態(tài)、腐蝕性四個(gè)基本特性進(jìn)行的編碼。

2 杜瓦瓶裝液氧（液氮、液氬）及管道輸送的使用方案

普通瓶裝氧氣（氮?dú)?、氬氣）的使用主要通過減壓控制來獲得相應(yīng)壓力的使用氣體，因此選用合適的減壓閥是正確使用普通瓶裝氧氣（氮?dú)?、氬氣）的關(guān)鍵；而杜瓦瓶(絕熱氣瓶)裝超低溫液氧（液氮、液氬）的使用需通過對(duì)液相氣體的汽化和減壓控制來獲得相應(yīng)壓力的使用氣體，因此配套選用合適的汽化器和減壓閥是正確使用杜瓦瓶裝超低溫液氧（液氮、液氬）的關(guān)鍵。

2.1 杜瓦瓶裝超低溫液氧及管道輸送使用方案

公司內(nèi)需用氧氣作生產(chǎn)輔助氣體的設(shè)備計(jì)有3臺(tái)，分別為規(guī)格為3000*1500的瑞士百超激光切割機(jī)2臺(tái)，規(guī)格為2500*6200的日本小松等離子切割機(jī)1臺(tái)。

設(shè)備用氧氣的參數(shù)要求表

根據(jù)杜瓦瓶裝液氧輸出情況需配置2瓶一組同時(shí)供氣 (液) 方可滿足供氣要求, 同時(shí)在匯流排上設(shè)置1備用截止閥，并配置一液氧杜瓦瓶備用；根據(jù)要求液氧只能在專門的設(shè)備中進(jìn)行汽化（如汽化器等），禁止液氧在管道內(nèi)汽化，為避免液氧在管道內(nèi)汽化情況發(fā)生，同時(shí)考慮到冬季氣溫低會(huì)影響汽化效果等因素故采用放大配置汽化器（50Nm3/h）規(guī)格方案以確保冬季能正常供氣；設(shè)置汽化器壓力為15bar，管道壓力按滿足設(shè)備使用壓力設(shè)置為12bar，支氣管終端壓力設(shè)備1（激光切割機(jī)）5 bar，設(shè)備2（激光切割機(jī)）5 bar，設(shè)備3（等離子切割機(jī)）10 bar。

液態(tài)氧及管道輸送供氣方案示意圖

2.2 杜瓦瓶裝超低溫液氮及管道輸送使用方案

公司內(nèi)需用氮?dú)庾魃a(chǎn)輔助氣體的設(shè)備計(jì)有2臺(tái)，為規(guī)格為3000*1500的瑞士百超激光切割機(jī)2臺(tái)，主要用于不銹鋼板材的切割，但公司需要切割的不銹鋼板材零件并不很多，故只需考慮滿足1臺(tái)設(shè)備使用的供氣量即可，但需滿足2臺(tái)設(shè)備均可使用的要求，即2臺(tái)機(jī)不同時(shí)使用氮?dú)狻＜す馇懈顧C(jī)在切割不銹鋼等材料時(shí)使用氮?dú)獾膲毫σ笤?4 bar，流量2.8 m3/h，折合標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)氣體體積39.2 Nm3/h。根據(jù)杜瓦瓶裝液氮輸出情況需配置2瓶一組同時(shí)供氣 (液)方可滿足供氣要求,同時(shí)在匯流排上設(shè)置1備用截止閥，并配置一液氮杜瓦瓶備用；根據(jù)要求液氮只能在專門的設(shè)備中進(jìn)行汽化（如汽化器等），禁止液氮在管道內(nèi)汽化，為避免液氮在管道內(nèi)汽化情況發(fā)生，同時(shí)考慮到冬季氣溫低會(huì)影響汽化效果等因素故采用放大配置汽化器（70Nm3/h）規(guī)格方案以確保冬季能正常供氣；設(shè)置汽化器壓力為18bar，按滿足設(shè)備使用管道壓力設(shè)置為16bar，二支氣管終端壓力均設(shè)置為15 bar。

液態(tài)氮及管道輸送供氣方案示意圖

2.3 杜瓦瓶裝超低溫液氬及管道輸送使用方案

公司內(nèi)需使用氬氣作為輔助氣體的地方主要是氬弧焊接設(shè)備，公司現(xiàn)常用的氬弧焊設(shè)備為9臺(tái)，如每臺(tái)平均按12升/分用氣量計(jì)算，每小時(shí)用氣量合計(jì)為6.5 Nm3/h,考慮到公司板金焊接設(shè)備升級(jí)改造的需求在不斷增加，自動(dòng)焊接設(shè)備單位時(shí)間內(nèi)用氣量較大的情況，故暫按10 Nm3/h的供氣量進(jìn)行配置。根據(jù)杜瓦瓶裝液氬輸出情況只需配置單瓶供氣 (液)即可滿足供氣要求,同時(shí)在匯流排上設(shè)置1備用截止閥，并配置一液氬杜瓦瓶備用；根據(jù)要求液氮只能在專門的設(shè)備中進(jìn)行汽化（如汽化器等），禁止液氮在管道內(nèi)汽化，為避免液氮在管道內(nèi)汽化情況發(fā)生，同時(shí)考慮到冬季氣溫低會(huì)影響汽化效果等因素故采用放大配置汽化器（20Nm3/h）規(guī)格方案以確保冬季能正常供氣；設(shè)置汽化器壓力為12bar，管道壓力設(shè)置為9bar。

液態(tài)氬及管道輸送供氣方案示意圖

3 使用液態(tài)工業(yè)特種氣體并采用管道化輸送后的效果情況

通過使用杜瓦瓶裝超低溫液態(tài)工業(yè)特種氣體作為公司生產(chǎn)設(shè)備主要使用輔助氣體的氣源，及按規(guī)范要求分別設(shè)置氧氣、氮?dú)?、氬氣的統(tǒng)一供氣氣源點(diǎn)，并利用專用管道將各種氣體分別輸送到相關(guān)設(shè)備上使用后有以下明顯效果。

3.1 達(dá)到了各類氣體能統(tǒng)一使用和管理的目標(biāo)，使車間內(nèi)到處設(shè)置氣瓶現(xiàn)象得到了改善，由于使用氣瓶數(shù)量的大幅減少，使車間場(chǎng)地的有效利用率得到提高。

3.2 由于杜瓦瓶裝超低溫液態(tài)工業(yè)特種氣體的氣體貯存量大是40L普通氣瓶的20倍左右，因此減少了原來需頻繁調(diào)換氣瓶的麻煩和工作量，提高了設(shè)備工作效率，同時(shí)還降低運(yùn)輸工作量和成本。

3.3 由于杜瓦瓶裝超低溫液態(tài)工業(yè)特種氣體的氣體純度高、氣體流量大、氣流穩(wěn)定、壓力調(diào)整方便可靠，使用后設(shè)備的加工產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性得到提高。

3.4 由于杜瓦瓶裝超低溫液態(tài)工業(yè)特種氣體裝瓶時(shí)壓力低，因此在使用和運(yùn)輸中的安全性得到提高，在建立統(tǒng)一氣源點(diǎn)后各類氣體的安全使用情況得到了規(guī)范。

3.5 經(jīng)綜合測(cè)算使用液氮、液氬替代原40L普通氣瓶裝氮?dú)?、氬氣后用氣成本分別下降了12.6%和25.3%，經(jīng)濟(jì)效益得到提高，并且由于使用了統(tǒng)一氣源點(diǎn)供氣，使各類氣體的有效利用率得到了提高。

4 總結(jié)

杜瓦瓶裝超低溫工業(yè)氣體（液氧、液氮、液氬等）通過管道輸送來實(shí)現(xiàn)集中供氣方案，適用于使用工業(yè)氣體（氧氣、氮?dú)狻鍤獾龋┯昧窟m中的現(xiàn)代化工廠車間，是國(guó)際上廣泛使用的現(xiàn)代化供氣方式。它是運(yùn)用了先進(jìn)的深冷技術(shù)和超低溫保溫技術(shù)及合理的汽化及管道輸送方案，滿足了現(xiàn)代化工廠車間對(duì)生產(chǎn)用工業(yè)氣體的氣體純度要求高、使用量較大、供氣的壓力波動(dòng)和流量穩(wěn)定性指標(biāo)較高的使用要求，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化工廠車間對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的管理要求，結(jié)合科學(xué)的管理方法將有效的降低生產(chǎn)成本和實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)成本進(jìn)行有效控制。