移動式制備高壓高純氮氣技術(shù)

張 猛 石文星

(凱邁(洛陽)氣源有限公司，河南 洛陽 471009)

移動式制備高壓高純氮氣技術(shù)

張 猛 石文星

(凱邁(洛陽)氣源有限公司，河南 洛陽 471009)

提出了“車載移動式、一鍵啟?！备呒兏邏旱獨庵苽浼夹g(shù)。制氮加注車集空氣壓縮、制氮、儲氣、放氣、減壓及干燥等諸多功能于一個方艙內(nèi)，采用變壓吸附制氮工藝、各功能模塊化集成，集中控制實現(xiàn)了自動運行和狀態(tài)在線監(jiān)控。根據(jù)環(huán)境條件需要，制氮車可使用網(wǎng)電，也可使用柴油發(fā)電自給。具有制氮純度高、操作維護簡單、安全可靠及使用維護方便等特點。

移動制氮 變壓吸附 加注 一鍵啟停

隨著航空技術(shù)和武器裝備的發(fā)展，航空武器裝備對氮氣的需求量越來越大，質(zhì)量要求也越來越高。由于作戰(zhàn)環(huán)境惡劣，氮氣保障模式必須靈活，現(xiàn)有的制氮設(shè)備、制氮模式已經(jīng)很難滿足現(xiàn)狀。固定制氮站目標明顯，戰(zhàn)時易受敵方攻擊而導(dǎo)致保障癱瘓。制氮加注車的設(shè)計滿足了紅外武器系統(tǒng)在各種環(huán)境條件下對氮氣保障的需求，在設(shè)計時需要考慮系統(tǒng)的機動性能、操作的簡易性及使用維護方便性等。筆者根據(jù)航空武器野外作業(yè)需求，查詢相關(guān)技戰(zhàn)指標，開展了以下技術(shù)研究。

1 制氮模式選擇①

制氮加注車采用變壓吸附制氮模式，該模式較其他制氮模式有著不可比擬的優(yōu)勢。常見的制氮模式及其特點如下：

a. 深冷制氮。系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備多、占地面積大、能耗大、故障率大、啟動時間長，不宜經(jīng)常停機，反復(fù)啟動，無法實現(xiàn)移動運輸和野外保障需求。

b. 膜滲透制氮。膜滲透制氮需加裝二次提純裝置，設(shè)備體積大，低于0℃時，氮氧分離膜內(nèi)部極易結(jié)冰損壞，且無法修復(fù)，不適合野外儲存和使用。

c. 變壓吸附制氮。利用高性能的碳分子篩在壓力的作用下，利用氮、氧在分子篩中不同的吸附速率，將氧吸附，輸出高純氮氣。變壓吸附流程簡單，一次提純即可獲得高純度的氮氣，可在-30～60℃儲存。變壓吸附制氮工藝可實現(xiàn)移動保障，完全滿足現(xiàn)代野外作戰(zhàn)需求。

1.1基本流程

空氣經(jīng)壓縮機壓縮后，先由凈化系統(tǒng)凈化。經(jīng)處理后的潔凈壓縮空氣進入空氣儲罐壓縮，后進入變壓吸附氮氧分離塔進行氮氧分離，獲得99.999 5%的高純氮氣，高純氮氣進入氮氣工藝儲罐。氮氣工藝儲罐中的高純氮氣經(jīng)過隔膜式壓縮機增壓至35MPa，最后到達高壓氣瓶進行儲存和使用。采用PLC控制，實現(xiàn)單體設(shè)備有序運行，提高了操作性，滿足部隊使用。

1.2主要技術(shù)性能參數(shù)

制氮加注車主要技術(shù)性能參數(shù)如下：

純度 不小于99.999 5%

產(chǎn)氣量 不小于10m3/h

露點 不大于-65℃

輸出壓力 不小于35±1MPa

氧含量 不大于0.003‰

發(fā)電機 柴油，41kW

二氧化碳含量 不大于0.001‰

固體顆粒度 不大于5μm

油含量 不大于0.000 2‰

外形尺寸 8840mm×2450mm×3430mm

總重 16.4t

供電電源 380V、50Hz

2 工作原理

移動式制備高壓高純氮氣的工藝流程如圖1所示，空氣經(jīng)壓縮機壓縮并預(yù)處理后，進入空氣凈化處理裝置，進一步脫除壓縮空氣中的固體顆粒、水蒸氣和油蒸氣(以滿足制氮加注車主要技術(shù)性能參數(shù))。經(jīng)處理后的壓縮潔凈空氣進入空氣儲罐。

圖1 工藝流程

壓縮空氣經(jīng)空氣儲罐進入氮氧分離裝置，氮氧分離裝置的吸附塔中裝有專用碳分子篩。當(dāng)壓縮空氣通過碳分子篩時，由于空氣中氧氣在碳分子篩的多孔構(gòu)造中擴散，并在一定壓力下以遠高于氮氣的速度優(yōu)先吸附至碳分子篩的表面。因此，空氣中的氧氣被滯留在碳分子篩中，而氮氣則流經(jīng)碳分子篩，進入氮氣工藝儲罐。氮氧分離裝置由A、B兩個吸附塔、一些互通的管道和可切換的閥門組成。當(dāng)A吸附塔完成上述功能，一定時間后分子篩吸附氧氣飽和后，切換壓縮空氣流到B吸附塔重新進行上述分離過程。釋放A吸附塔壓力，并使用少量的已制備好的高純氮氣以低于壓縮空氣的壓力吹掃分子篩再生，再生完成后，重新切換壓縮空氣流到A吸附塔進行新一輪分離，如此反復(fù)，氮氣連續(xù)均勻輸出。

氮氣工藝儲罐為制氮主機輸出的氮氣提供緩沖，以獲得具有穩(wěn)定流量(不小于10m3/h)壓力的氮氣。

氮氣工藝儲罐中的低壓氮氣經(jīng)過吸附式干燥過濾器的進一步凈化后到達隔膜壓縮機，它將氮氣從0.4～0.8MPa增壓至35MPa，最后到達高壓氣瓶組儲存。

3 結(jié)構(gòu)組成

3.1布局

制氮加注車單體設(shè)備集成在方艙內(nèi)，由載車承載。整車外形如圖2所示，內(nèi)部布局如圖3所示。

制氮加注車方艙與載車通過標準旋鎖機構(gòu)連接，通過拆裝旋鎖可實現(xiàn)分離和組裝。圖3中方艙起到承載所有單體設(shè)備的作用；在野外工作時，發(fā)電機提供制氮加注車運行所必須的動力電源。

3.2重心

為保證制氮加注車吊裝、運輸?shù)陌踩裕M行了重心設(shè)計。首先確定位置很難調(diào)整的大質(zhì)量單體設(shè)備的位置，如制氮機、隔膜式壓縮機和發(fā)電機的位置。制氮機采用撬裝結(jié)構(gòu)，外形尺寸和出口位置決定它只能安裝在方艙前部；排煙口位置決定發(fā)電機安裝在方艙后部，排煙口緊貼艙壁，避免油煙污染艙內(nèi)環(huán)境；隔膜式壓縮機位置空間有限，設(shè)計維修通道后，安裝位置相對固定。它們相對于方艙幾何中心的距離(軸向、徑向)和質(zhì)量即可確定。

圖2 整車外形

根據(jù)初步數(shù)據(jù)，可計算儲氣瓶組重心位置應(yīng)距離軸向中線位置約100mm，考慮到維修通道，結(jié)合載車承載中心和備件工具存放位置、埋鐵位置，調(diào)整儲氣瓶組距離軸向中線位置300mm。

圖4 重心圖

制氮加注車方艙具有良好的重心性能，經(jīng)過驗證，重心與載車承載中心重合，車艙分離吊裝過程中表現(xiàn)出很高的安全性。

3.3散熱

制氮加注車方艙設(shè)計了空氣壓縮機和隔膜式壓縮機的散熱通道，可將產(chǎn)生的熱量排散到方艙外?？諝鈮嚎s機使用散熱通道，通過艙壁上的散熱門將熱量排散到艙外；隔膜式壓縮機則利用風(fēng)扇通過方艙門將熱量吹掃到方艙外(圖3)。

3.4控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用PLC控制，具有抗干擾性能強和工作可靠性高的優(yōu)點，采用各種檢測儀器對制氧過程的運行狀態(tài)進行監(jiān)控?？刂圃砜驁D如圖5所示。

圖5 控制原理框圖

制氮加注車通過設(shè)置可滿足“一鍵啟停”的工作方式，即啟動工作后，控制系統(tǒng)按時序啟動冷凍式干燥機、空氣壓縮機和氮氧分離裝置(按時序動作閥門)。當(dāng)制出的氮氣純度達到設(shè)定的要求時，系統(tǒng)可以自動啟動隔膜式壓縮機進行增壓儲存，直至氣體儲存到設(shè)定壓力后，自動停止隔膜式壓縮機工作；當(dāng)制出的氮氣質(zhì)量不符合設(shè)定的要求時，系統(tǒng)將自動停止裝置工作，并將不合格的氣體排放到大氣中。控制系統(tǒng)在運行過程中能夠在線數(shù)字化顯示壓力、純度、流量及溫度等狀態(tài)，能夠在異常狀態(tài)下發(fā)出聲光報警，并停機，報警原因在報警記錄中可查詢，便于故障定位。

4 結(jié)束語

制氮加注車作為某型號地面保障設(shè)備的一個重要組成部分，成功解決了該設(shè)備在野外惡劣環(huán)境中的氣源保障難題。其設(shè)計借鑒了國內(nèi)外的先進技術(shù)，選用的主要單體設(shè)備均是國內(nèi)外的先進產(chǎn)品，并執(zhí)行了現(xiàn)行的國家標準和企業(yè)標準；操作方式、工藝模式、壓緊裝置和動力設(shè)備啟動技術(shù)采用了新技術(shù)，為解決野外氣源保障難題提供了有力保障。經(jīng)過兩年的運行，技術(shù)性能完全達到設(shè)計指標要求。移動式制備高壓高純氮氣技術(shù)研制成功后，移動靈活，保障方便，因而該技術(shù)具有極為廣闊的應(yīng)用前景，能滿足軍工行業(yè)對特種裝備的需求，提高國防裝備水平，推進國防裝備的更新?lián)Q代；可以滿足煤礦、石油等行業(yè)的野外工作需求，具有良好的經(jīng)濟、軍事和社會效應(yīng)。

TH48

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1000-3932(2016)10-1104-04

2016-09-05(修改稿)