某船制氮儀供氣系統(tǒng)故障分析及排除

陳佐添，陽(yáng)躍圖，胡 存，王永全

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰 214431)

某船長(zhǎng)期在遠(yuǎn)洋執(zhí)行科學(xué)考察任務(wù)，出航時(shí)會(huì)補(bǔ)給大量的蔬菜和水果。船上配備了2套制氮儀。制氮儀能夠分離出高純度的氮?dú)猓ㄟ^(guò)對(duì)果蔬進(jìn)行充氮貯存，抑制了果蔬的新陳代謝作用，從而達(dá)到長(zhǎng)期保鮮的目的。

制氮儀供氣系統(tǒng)的制氮原理是膜分離制氮。膜分離制氮是以空氣為原料，在一定的壓力下，利用氧和氮在中空纖維膜中的不同滲透速率來(lái)使氧、氮分離制取氮?dú)鈁1]。膜組中裝有一組由聚合物做成的圓柱形中空纖維膜。一組包含了幾百萬(wàn)個(gè)纖維，每根纖維直徑跟人類的頭發(fā)絲直徑差不多。一定壓力的空氣從纖維的一頭進(jìn)入，然后通過(guò)纖維內(nèi)徑達(dá)到膜組的另一頭。當(dāng)壓縮空氣接觸到膜時(shí)氣體就發(fā)生分離。氧氣、二氧化碳等氣體迅速滲透纖維壁以大氣壓力穿過(guò)膜組一側(cè)的排氣口。氮?dú)庠诹鲃?dòng)狀態(tài)下不會(huì)迅速滲透過(guò)纖維，而是流向纖維的另一端進(jìn)入膜組端頭的產(chǎn)品集氣管內(nèi)。在膜組內(nèi)的富氧氣流壓力為0.03～0.07 MPa，低于膜組的空氣入口壓力，通過(guò)廢管道排空。

1 制氮儀原理及工作流程

制氮儀主要由空壓機(jī)、SMC膜組和氮?dú)饩彌_罐等組成，詳見(jiàn)圖1。SMC膜系統(tǒng)可分成3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分系統(tǒng)。這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分系統(tǒng)包括空氣預(yù)處理系統(tǒng)、氮?dú)饽し蛛x系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)。制氮儀工作過(guò)程中，空壓機(jī)將空氣壓縮產(chǎn)生高溫高壓空氣，高溫高壓空氣經(jīng)過(guò)過(guò)濾器和干燥器除去其中的粉塵和水分后，再經(jīng)過(guò)冷凍裝置進(jìn)行降溫，而后經(jīng)過(guò)一系列的過(guò)濾處理后進(jìn)入SMC膜組，根據(jù)氣體在膜組中溶解速率和擴(kuò)散系數(shù)的差異，把滲透速率小的氮?dú)飧諝庵衅渌麣怏w分離出來(lái)。

1.1 空氣預(yù)處理系統(tǒng)

由空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣經(jīng)過(guò)冷凍干燥后進(jìn)入空氣緩沖罐，除去大部分液態(tài)水；經(jīng)初步除塵過(guò)濾器，除去大部分粉塵；而后進(jìn)入精細(xì)過(guò)濾器，把空氣中的氣態(tài)水和油基本去除，空氣再進(jìn)入電加熱器，把空氣加熱至約45 ℃；加熱后的壓縮空氣由活性炭過(guò)濾器進(jìn)一步將氣態(tài)油完全吸附，并由精細(xì)灰塵過(guò)濾器將余塵除去。

圖1 制氮儀系統(tǒng)組成示意圖

1.2 氮?dú)饽し蛛x系統(tǒng)

氮?dú)夥蛛x系統(tǒng)主要由以下部件組成。

1)膜組。膜組裝在標(biāo)準(zhǔn)圓柱型壓力容器內(nèi)，該容器的兩端為可移動(dòng)的半橢圓形，每一個(gè)膜組內(nèi)裝有一堆由聚合材料做成的圓柱形空心纖維膜。

2)模組前后進(jìn)氣控制閥組。進(jìn)氣控制閥組由進(jìn)氣控制閥控制。設(shè)備啟動(dòng)后，壓縮空氣加熱到40℃左右，該閥自動(dòng)打開(kāi)，向膜組供氣；如果進(jìn)氣壓力或溫度超出許可，該閥門(mén)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，保護(hù)膜組。

3)模組手動(dòng)調(diào)節(jié)閥。即手動(dòng)球閥(2個(gè))，它們分別裝在膜組入口及出口管上。

4)富氧廢氣管道。從膜件中流出的滲透氣體由廢氣管排走，在廢氣管道上沒(méi)有任何閥門(mén)或阻隔，任何由廢氣管道引起的膜組中反壓都會(huì)導(dǎo)致氮?dú)猱a(chǎn)量的減少。

1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)

SMC膜系統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)包括：壓力高/低報(bào)警、溫度控制、氧含量控制等。人機(jī)界面把這些參數(shù)都顯示在屏幕上，部分參數(shù)用戶可以更改。

1)壓力高/低報(bào)警。其主要作用是當(dāng)壓縮空氣壓力高于/低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警/停機(jī)，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。

2)溫度控制。壓縮空氣用電加熱器加熱，用熱電阻監(jiān)測(cè)空氣溫度，并通過(guò)控制加熱器的通斷，控制空氣溫度，其設(shè)定值為 40℃；監(jiān)測(cè)加熱器內(nèi)部溫度,當(dāng)溫度超過(guò)50 ℃時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)聯(lián)鎖停車。

3)氧含量控制。SMC膜系統(tǒng)設(shè)有1臺(tái)氧分儀，用于監(jiān)控、顯示產(chǎn)品氣體的氧含量及報(bào)警信號(hào)輸出。當(dāng)產(chǎn)品氧含量超過(guò)設(shè)定值(如3%)時(shí)，給出報(bào)警信號(hào)，并放空不合格氣體。

2 故障現(xiàn)象

制氮儀位于船舶尾部冰庫(kù)附近區(qū)域，其報(bào)警信號(hào)沒(méi)有聯(lián)入集控室綜合報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)。因此，在機(jī)組運(yùn)行中，需要值班人員定期對(duì)其巡視檢查。在某次巡視檢查過(guò)程中，值班人員發(fā)現(xiàn)1#制氮機(jī)報(bào)警停機(jī)，系統(tǒng)已經(jīng)停止工作，同時(shí)氧分儀面板上顯示氧含量高并報(bào)警。

3 原因分析

在正常操作過(guò)程中，當(dāng)氧含量超過(guò)設(shè)定指標(biāo)后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)把不合格氣體放空，并不會(huì)由此造成系統(tǒng)停機(jī)。因此，氧含量高報(bào)警并不是造成制氮儀自動(dòng)停機(jī)的根本性原因。基本的非操作停機(jī)有2種，壓縮空氣壓力低報(bào)警停機(jī)和膜組進(jìn)氣溫度高報(bào)警停機(jī)。

1)壓縮空氣壓力低報(bào)警停機(jī)。在一定程度上，氮?dú)馍a(chǎn)量和純度受到壓力的影響，氮?dú)馍a(chǎn)量、純度和壓力是正相關(guān)的。正常工作情況下，膜制氮裝置中空氣緩沖罐的壓力保持在1.2 MPa左右。膜進(jìn)口壓縮空氣壓力小于0.6 MPa時(shí)，系統(tǒng)會(huì)報(bào)警停機(jī)。在現(xiàn)場(chǎng)可以看到，報(bào)警停機(jī)后空氣緩沖罐的壓力保持在1.2 MPa，膜前空氣壓力也保持這個(gè)壓力值。因此壓縮空氣壓力是滿足設(shè)備運(yùn)行的，從而排除壓縮空氣壓力低這個(gè)因素。

2)膜組進(jìn)氣溫度高報(bào)警停機(jī)。壓縮空氣進(jìn)入膜前的溫度不能過(guò)高也不能太低，溫度過(guò)高會(huì)影響氮?dú)獾募兌?，并?duì)膜組造成損壞；溫度過(guò)低會(huì)降低制氮的效率，使得氮?dú)猱a(chǎn)量下降。因此，壓縮空氣進(jìn)入膜組前最佳溫度是40 ℃左右。當(dāng)供氣系統(tǒng)某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致膜前空氣溫度超過(guò)50 ℃時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)聯(lián)鎖停車。

在現(xiàn)場(chǎng)仔細(xì)排查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，冷凍裝置出口處的氣體溫度高于正常溫度。正常情況下，空氣經(jīng)過(guò)壓縮后溫度可達(dá)80 ℃左右，之后經(jīng)過(guò)冷凍裝置降低至30 ℃。在現(xiàn)場(chǎng)用點(diǎn)溫計(jì)測(cè)量冷凍裝置出口處的空氣溫度達(dá)75 ℃，溫度升高異常。因此，初步斷定是冷凍裝置故障，導(dǎo)致膜組進(jìn)氣溫度偏高，從而導(dǎo)致系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警停機(jī)。

4 故障定位及排除

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，冷凍裝置的壓縮機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)，并且壓縮機(jī)機(jī)體過(guò)熱。對(duì)壓縮機(jī)保護(hù)蓋板進(jìn)行拆卸，檢查壓縮機(jī)表面部件。在嘗試重新啟動(dòng)壓縮機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)工作。將壓縮機(jī)斷電后，值班人員檢查冷卻風(fēng)機(jī)風(fēng)扇，發(fā)現(xiàn)其卡滯嚴(yán)重，無(wú)法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，決定對(duì)冷凍風(fēng)機(jī)進(jìn)行拆檢，將其各部件拆卸，最終故障定位為軸承卡滯使風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)受阻。

冷凍裝置是通過(guò)制冷循環(huán)中的制冷劑對(duì)壓縮空氣進(jìn)行冷卻降溫的。由于壓縮機(jī)的冷卻風(fēng)機(jī)卡滯無(wú)法正常工作，導(dǎo)致壓縮機(jī)工作過(guò)程中溫度過(guò)高而停機(jī)，使冷凍裝置無(wú)法正常對(duì)壓縮空氣進(jìn)行降溫。因此，壓縮機(jī)故障停機(jī)造成供氣系統(tǒng)故障，導(dǎo)致進(jìn)入SMC膜組的壓縮空氣溫度過(guò)高，超過(guò)報(bào)警停機(jī)設(shè)定溫度50 ℃，因此造成制氮儀停機(jī)。膜前壓縮空氣過(guò)高影響了膜組對(duì)氮?dú)獾姆蛛x效果，致使氧氣含量超標(biāo)，從而會(huì)在控制面板上出現(xiàn)氮?dú)庵醒鹾窟^(guò)高提示性報(bào)警。

值班人員將冷卻風(fēng)機(jī)拆卸后發(fā)現(xiàn)，冷卻風(fēng)機(jī)軸承表面輕微銹蝕。由于沒(méi)有相應(yīng)的備件，無(wú)法將其更換。值班人員對(duì)軸承表面進(jìn)行清潔除銹，用細(xì)砂紙進(jìn)行手工打磨作業(yè)，最后將潤(rùn)滑油脂涂抹在軸承上。值班人員經(jīng)簡(jiǎn)單手動(dòng)測(cè)試軸承旋轉(zhuǎn)順滑性能后，將其裝復(fù)到冷凍風(fēng)機(jī)上。最后啟動(dòng)制氮儀，系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

制氮儀在船舶機(jī)械上屬于冷門(mén)設(shè)備，平時(shí)使用頻率比較少，由于沒(méi)有遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，因此在運(yùn)行過(guò)程中要加強(qiáng)對(duì)其檢查巡視，及早將問(wèn)題隱患排除。氮?dú)怆m然是非毒性氣體，但是在有限空間內(nèi)大量釋放氮?dú)舛〈諝庵兴璧难鯕?，使得?biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下的氧氣含量少于18%，就有可能發(fā)生氮?dú)庵舷⑹鹿?。因此，在日常操作管理中要注意以?點(diǎn)。

1)在拆開(kāi)管道或拆開(kāi)SMC膜裝置之前，所有管道、容器以及相關(guān)設(shè)備必須全部泄壓。切斷相關(guān)的空氣和氮?dú)夤艿?，?duì)所有管件進(jìn)行泄漏檢查以確保無(wú)壓力空氣和產(chǎn)品氮?dú)庑孤?。SMC膜裝置是運(yùn)行在有壓力的條件下的，因此，在本設(shè)備附近工作或服務(wù)的人員應(yīng)嚴(yán)格遵守安全規(guī)程。膜裝置不能承受超過(guò)設(shè)計(jì)要求的壓力，作用在壓力管道、容器內(nèi)過(guò)大的外界壓力都可能造成管道或容器的破裂，從而導(dǎo)致壓縮氣體的突然釋放而傷害到工作人員。

2)在日常管理過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)使用手冊(cè)，定期對(duì)各分系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。SMC膜件對(duì)空氣潔凈程度要求很高?？諝饨?jīng)過(guò)除塵過(guò)濾器和活性炭過(guò)濾器等過(guò)濾器，空氣進(jìn)入模件時(shí)殘油含量應(yīng)低于0.003 mg/m3，殘余粉塵含量低于0.01 mg/m3，殘余水含量低于5.57 g/m3。因此，根據(jù)濾器的使用時(shí)長(zhǎng)，每隔2 000～4 000 h更換濾芯。正確地操作及維護(hù)壓縮、過(guò)濾、加熱、冷凝油水分離等系統(tǒng)，能有效的控制壓縮空氣中的雜質(zhì)含量，特別是油含量，保證膜纖維的正常運(yùn)行。