寬溫型高壓氣源車的設計與應用

陳青山 牛 濤 張 猛

(凱邁(洛陽)氣源有限公司，河南 洛陽 471003)

高壓壓縮空氣廣泛應用于化工、石油、電子、機械及軍工等領域，常用的空氣站多為常溫環(huán)境下廠房安裝模式，供氣壓力均在1MPa以下，使用時有很大的局限性。

為了實現(xiàn)寬溫型(-40～50℃)高壓壓縮空氣的制備，依據(jù)GJB 2413-1995《飛機地面制冷充冷(氮)設備通用規(guī)范》，設計寬溫型高壓氣源車，要求設計壓力達到35MPa，適用于場站試驗、充氣及氣體置換等，也可為其他行業(yè)提供高質量壓縮空氣。為此，需要設計能在-40～50℃時產出高壓壓縮空氣的全自動氣源車。

1.1 電路部分

氣源車電路部分的工作原理如圖1所示，采用市電和發(fā)電機兩種供電方式，通過操作面板上的電源切換開關進行轉換，轉換過程相互自鎖，確保用電安全。整車控制系統(tǒng)集成了發(fā)電機、空氣壓縮機和干燥器控制電路并給其配電?？諝鈮嚎s機是氣源車的主要供氣源，單獨設置了控制系統(tǒng)[1]，并將干燥器控制信號接入，實現(xiàn)與空壓機同啟停。然后將發(fā)電機和空壓機的啟動信號接入總控制系統(tǒng)，實現(xiàn)在控制面板上的“一鍵啟?！辈僮鳌?/p>

圖1 寬溫型高壓氣源車電路部分工作原理

1.2 氣路部分

氣源車氣路部分的工作原理如圖2所示，J1～J8為截止閥，ZH為止回閥，JY1為減壓閥。高壓空氣壓縮機AC從大氣中吸取空氣，增壓至35MPa，在空壓機出口處設置壓力傳感器和安全閥A1～A3，保證氣瓶組達到指定壓力35MPa時自動停機；高壓空氣經冷卻器LQ冷卻后由過濾器(GG1除塵、GG2除油)雙極過濾，然后到達高壓無熱再生吸附式干燥器GZQ凈化除水，從干燥器輸出的高壓氣體經過三級過濾(GG3除塵)后輸送到氣瓶組Q1～Q15。氣瓶組分為3組，每組設置單獨的控制閥和壓力表Y1和Y2。在空氣壓縮機和氣瓶組間設有單向閥，阻止瓶內氣體回流。使用時，氣瓶組中的高壓空氣經精密過濾器G1過濾后，由減壓器減壓到所需壓力(可調節(jié))對外輸出。

輸出分為3路，可同時使用也可分開使用。在氣瓶組旁路中增加外部氣源接入口，在設備故障時可通過外部氣源充入，保證氣源車的正常供氣。同時高壓管路均設置了安全閥A1～A3來保證用氣安全。整個氣路設計在保證安全的前提下，實現(xiàn)操作的準確快捷，減少了人員的工作量。

2 總體結構

寬溫型(-40～50℃)高壓壓縮空氣全自動氣源車由底盤、艙體、發(fā)電機、高壓空壓機、高壓干燥器、高壓氣瓶、供氣系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等組成，采用模塊化設計。寬溫型高壓氣源車的工作壓力可達35MPa，輸出壓力可根據(jù)要求通過減壓器調節(jié)?？諝鈨艋舐饵c低于-50℃，含油量小于1mg，固體顆粒小于5μm[2]。

圖2 寬溫型高壓氣源車氣路部分工作原理

氣源車的結構布局如圖3所示，所有部件集成安裝于5m艙體內，發(fā)電機和空壓機放置在艙體的前部和中部，艙體前部左右兩側各開一扇門，保證發(fā)電機和空氣壓縮機的用氣通暢[3]。氣瓶組置于艙體中部，平衡整個艙體重心。冷卻器和干燥器放在空壓機右側，控制系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)在艙體后端，艙后設置有卷簾門，便于操作和使用。

圖3 寬溫型高壓氣源車結構布局

后端的控制系統(tǒng)集成了電源模塊、指示燈、報警裝置及電源轉換開關等器件，供氣系統(tǒng)設有高壓過濾器、減壓閥、安全閥、壓力傳感器、截止閥、面板支架及管路系統(tǒng)等。在寬溫型高壓氣源車的實物中，通過模塊化設計，安裝時各設備均采取了減震及防松脫等措施，確保氣源車的移動性能[4,5]。

3 氣源車的高低溫設計

為保證氣源車在-40～50℃環(huán)境下工作，對內部動力設備(發(fā)電機、空壓機和干燥器)和總體布局提出了很高的要求。

艙體內的發(fā)電機采用軍用定型的寬溫型發(fā)電機，經環(huán)境試驗考核，完全滿足-40℃～50℃環(huán)境下的可靠工作。

目前國內外活塞式高壓空壓機使用環(huán)境溫度大多在-10～50℃。而空壓機只要滿足啟動要求，正常工作時受環(huán)境溫度影響不大。為此，針對-40℃的環(huán)境，空壓機內部特別增加了潤滑油低溫加熱棒，環(huán)境溫度低于0℃時自動補償預熱，滿足啟動條件后給出啟動信號再啟動空壓機。

為保證氣源車在高溫下的正常工作，氣源車利用艙體內的空間和布局特點，形成了如圖4所示的散熱空氣流通道，便于高溫時空氣的流通，降低艙內的工作溫度。艙體前部的發(fā)電機上方還設計了軸流風機，有效解決了發(fā)電機局部溫度聚集時的散熱問題。并且高壓空壓機采用變頻啟動模式，節(jié)約能耗，減少了啟動電流和整個電路的負荷發(fā)熱量。

圖4 寬溫型高壓氣源車散熱氣流示意圖

為了確保設備穩(wěn)定的工作環(huán)境，在發(fā)電機的散熱通道上設置有三通式轉換風道，高溫時關閉內部通風口，直接對外散熱。低溫時切換風道口對內供熱，如圖4箭頭所示。

排污管結冰也是低溫環(huán)境下常見的設備故障原因，采用外部加熱帶并加大管路通徑的方式進行處理。

4 測試

樣機設計完成并制造了實物氣源車后，進行了一系列實驗來驗證其適用性和實用性。 首先在低溫下啟動發(fā)電機后，關閉氣源車兩側的卷簾門，經過20min的增溫，艙內的溫度平均增加了約15～20℃，使空壓機和干燥器在低溫下的自加熱啟動時間減少約20min，整車運行平穩(wěn)。

高溫下打開兩側的卷簾門，開啟冷卻器，整車運行并將15只氣瓶組打滿后，設備內保持與外界不大于10℃的溫差，說明散熱效果良好。

在氣源車移動性能測試中，經距離約2 000km的運輸后，開機運行氣源車，各設備整車工作。說明寬溫型高壓氣源車的設計滿足使用要求，也為高壓空氣站的設計和應用提供了良好的實例。

5 結束語

寬溫型高壓氣源車解決了廠房高壓空氣站使用的局限性，并且實現(xiàn)了在苛刻環(huán)境下的工作要求，可根據(jù)要求配備壓力調節(jié)、流量控制及露點測試等功能，達到一機多用的目的，而且使用方便的寬溫型高壓氣源車占地小、移動性能好且工作壓力高。

目前，還沒有高壓壓縮空氣站的設計規(guī)范，寬溫型高壓氣源車的設計和使用經驗對高壓壓縮空氣站的設計規(guī)范出臺有借鑒意義，對提高我國的高壓氣動設備的廣泛應用有積極作用。

[1] 于祥春,關敬民,孔凡旭,等.船用壓載空氣壓縮機控制系統(tǒng)的設計[J].化工自動化及儀表,2015,42(4):370～373.

[2] 黎海蛟.氣源凈化系統(tǒng)設計中若干問題的討論[J].化工自動化及儀表,1995,22(6):40～45.

[3] 張志恒,程宏杰,張和平,等.船用壓縮空氣站的設計[J].流體機械,2005,33(12):23～26.

[4] 壓縮空氣站設計手冊編寫組.壓縮空氣站設計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1993.

[5] 路甬祥.液壓氣動技術手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.