紅外產(chǎn)品用高潔高純凈高壓氮氣氣源站設(shè)計

史源源

(上海航天控制技術(shù)研究所,上海 201109)

1 引 言

氣源站是航空、航天、軍工、電子、機械等眾多行業(yè)的重要供氣手段。氣源站提供的氣源品質(zhì)好壞對產(chǎn)品性能、試驗成敗、設(shè)備壽命等有極其重要的作用。

當(dāng)前,壓縮氮氣一般使用壓力在40 MPa以下,主要用于充氮保護、產(chǎn)品檢測等,對氮氣的顆粒度、露點、純度均有較高的要求[1-2]。本文以某所氣源站為例介紹高純高潔凈紅外用高壓氮氣氣源站系統(tǒng),其設(shè)計的壓縮氮氣源站氮氣設(shè)計壓力為40 MPa,顆粒度小于1 μm,含油量小于1 ppm,露點低于-70 ℃(常壓),氮氣純度為99.9995 %(非氧含量)。

2 氮氣氣源站設(shè)計

2.1 低壓氮氣制備

低壓氮氣制備的方法一般有膜分離制氮、深冷制氮和變壓吸附制氮(PSA制氮)三種方式[3]。本文闡述的變壓吸附制氮(PSA制氮機)以碳分子篩為吸附劑,利用加壓吸附,降壓解吸的原理從空氣中吸附和釋放氧氣,從而分離出氮氣的自動化設(shè)備。碳分子篩是一種以煤為主要原料,經(jīng)過研磨、氧化、成型、碳化并經(jīng)過特殊的孔型處理工藝加工而成的,表面和內(nèi)部布滿微孔的柱形顆粒狀吸附劑,呈黑色,其孔型分布如圖1所示。(?為孔徑單位,1 ?=10-10m)

圖1 碳分子篩的孔徑分布圖

碳分子篩的孔徑分布特性使其能夠?qū)崿F(xiàn)O2、N2的動力學(xué)分離。這樣的孔徑分布可使不同的氣體以不同的速率擴散至分子篩的微孔之中,而不會排斥空氣中的任何一種氣體。變壓吸附制氮正是利用碳分子篩的選擇吸附特性,采用加壓吸附,減壓解吸的循環(huán)周期,使壓縮空氣交替進入吸附塔來實現(xiàn)空氣分離,從而連續(xù)產(chǎn)出高純度的產(chǎn)品氮氣。

圖2為低壓高純氮氣站的設(shè)計工藝簡圖。首先利用空壓機制備8～9 bar壓縮空氣,經(jīng)過冷干機、微熱再生吸附式干燥機干燥處理后,生成低露點的壓縮空氣,作為制氮機的原料。壓縮空氣經(jīng)過制氮機的氮氧分離后,制取出純度99.9995 %、露點-70 ℃的氮氣,并再經(jīng)過二氧化碳(CO2)脫除機對但其中的CO2進行分離,確保氮氣的高品質(zhì)。

圖2 低壓高純氮氣站工藝簡圖

通過吸附、均壓、解析三個環(huán)節(jié),三種過程循壞往復(fù),兩個吸附塔交替工作,一個吸附的同時,另一個吸附塔再生,實現(xiàn)氮氣的持續(xù)生產(chǎn)。

吸附:壓縮空氣進入吸附塔,壓力上升到一定值,空氣通過吸附塔分離出氮氣；

均壓:經(jīng)過吸附周期后,兩塔直接連通,單塔壓力下降,另一塔上升,使兩塔壓力平衡；

解析:將使用一部分合格氮氣對再生吸附塔塔中的氧氣等氣體直接吹除,排放到大氣中。

2.2 高壓氮氣制備

高壓氮氣制備一般是在低壓氮氣的基礎(chǔ)上,采用單級或多級活塞壓縮機或者隔膜壓縮機進行進一步增壓,達到使用壓力的[4]。這兩種高壓壓縮機成本較高,輸出壓力比較固定,不適宜頻繁啟停,這里推薦一種高壓氣驅(qū)氣體增壓器,它采用1 MPa低壓壓縮空氣作為驅(qū)動力,可將低壓氣體進行增壓,進氣壓力和增壓壓力相對比較寬泛,且氣體增壓器無需潤滑油,對增壓的氣體無污染。氣體增壓器比較適用于頻繁啟停的工況,性能穩(wěn)定可靠。圖3為氣體增壓器的工作原理圖。

圖3 氣體增壓器的工作原理圖

氣體增壓器的輸出壓力可按照以下公式進行計算:

式中,FA為驅(qū)動端面積；FB為輸出端面積；Pa為驅(qū)動氣體壓力。

活塞桿兩端的活塞面積不同,將驅(qū)動氣體通入與大活塞相連的腔,通過交替使用吸入和排出氣體的兩個控制閥,活塞可以往復(fù)運動。在活塞往復(fù)運動過程中,根據(jù)受力平衡,小活塞端產(chǎn)生高壓流體。

在采用這種氣體增壓的過程中,為了實現(xiàn)設(shè)備的自動化工作,可采用氣動開關(guān)來控制氣體增壓器的自動啟停。圖4為氣體增壓器的高壓輸出控制,氣動開關(guān)設(shè)定一個目標(biāo)最高輸出壓力,當(dāng)輸出氣體的壓力高至氣動開關(guān)設(shè)定的壓力值,氣動開關(guān)自動切斷驅(qū)動氣,從而實現(xiàn)氣體增壓器的高壓輸出自動停機,當(dāng)壓力低于氣動開關(guān)設(shè)定值時,氣體增壓器恢復(fù)增壓工作。圖5為氣體增壓器的低壓輸入控制,氣動開關(guān)設(shè)定一個目標(biāo)最低進氣壓力,當(dāng)輸入氣體的壓力低至氣動開關(guān)的設(shè)定值時,氣動開關(guān)自動切斷驅(qū)動氣,從而實現(xiàn)氣體增壓器的低壓輸入自動停機,當(dāng)輸入氣體的壓力高于氣動開關(guān)設(shè)定值時,氣體增壓器恢復(fù)增壓工作。這兩種控制方式組合起來,就可以實現(xiàn)氣體增壓器的輸入壓力過低時自動停機和輸出壓力達到使用壓力時自動關(guān)機,純機械控制,性能穩(wěn)定可靠,成本低廉。

圖4 氣體增壓器的高壓輸出控制

圖5 氣體增壓器的低壓輸入控制

在實際使用中,為了增大高壓氣體的排量,可以采用多臺氣體增壓器串聯(lián)或并聯(lián)的方式進行組合,每級配置相應(yīng)功能的氣動開關(guān),集成一套高壓氣體增壓裝置。在設(shè)計高壓氣體增壓裝置時,需考慮在增壓級間配置冷卻器和級間緩沖,使各級氣體增壓器能夠平穩(wěn)運行。并且,在高壓氣體增壓裝置后,一般需配置一定容積的氣瓶(組)或者儲氣罐,保證高壓氣源的供氣能力。這種氣體增壓器可以在任意一級氣體增壓器加入滿足壓力的進氣,靈活性好。在氣源壓力提高或者流量增大的時候,這種氣體增壓器的靈活性比較高,改造方便,且使用壽命長,維護簡單。

40 MPa氮氣氣源站是利用五級氣體增壓器增壓,將7～8 bar低壓氮氣增壓至40 MPa,流量每臺可達1.5 N·m3/min。圖6為40 MPa氮氣增壓機照片,由北京海德利森設(shè)計制造,型號分別為HY-MGB-6K-N2。

圖6 氮氣增壓機照片

3 純化干燥處理

為了提高氣體的品質(zhì),可以選配一些氣體凈化裝置,比如CO2脫除裝置、高壓純化器等裝置。CO2脫除裝置一般加在制氮機之后,用于脫除氮氣中的CO2的含量。純化器可以去除高壓氣體(氧、氮、氦、氬等)中的水汽、油蒸汽及碳氧化合物等[5]。高壓純化器可安裝在終端用氣前,保證最終供氣的品質(zhì)。在實際使用中,也可以選用多只純化器串聯(lián)的方式,每只純化器配備不同功能的濾芯,使氣體達到使用要求,圖7所示為多只高壓純化器串聯(lián)使用的參考照片。

4 氣源站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

4.1 遠程控制與視頻監(jiān)控

遠程控制可以對氣源站中的各臺設(shè)備進行遠程控制和數(shù)據(jù)監(jiān)控,可實現(xiàn)空壓機(組)、制氮機(組)、冷干機(組)、吸干機(組)、氣體輸送閥門等設(shè)備的遠程啟停控制,并且實時監(jiān)測各臺設(shè)備的工作狀態(tài),出現(xiàn)故障時,可以在監(jiān)控系統(tǒng)報警,并提示報警原因。緊急情況下,控制系統(tǒng)可實現(xiàn)對設(shè)備的緊急停車,遠程控制與視頻監(jiān)控臺參考照片如圖8所示。

圖7 多只高壓純化器的串聯(lián)使用

圖8 遠程控制與視頻監(jiān)控臺

4.2 氣體濃度及品質(zhì)監(jiān)測

當(dāng)氣源站有氮氣、氬氣或其他會導(dǎo)致人員窒息或者易燃易爆的氣體時,需要配置相應(yīng)的氣體濃度檢測儀,對環(huán)境中的氣體濃度進行檢測,當(dāng)?shù)獨狻鍤獾劝l(fā)生泄漏時,濃度超標(biāo)時,檢測儀自動報警,并把報警信號發(fā)送至監(jiān)控室。

除了氣體濃度檢測外,也可以對氣源的品質(zhì)進行監(jiān)測,可以監(jiān)測氣源的露點、氣體純度、氣體流量等,保證氣源的品質(zhì),確?？煽康墓?其中圖9為氧濃度報警系統(tǒng)參考照片,圖10為氧濃度監(jiān)控儀參考照片。

5 廠房建設(shè)

氣源站在廠房建設(shè)時,我們應(yīng)該注意一些事項:

1)同類設(shè)備能相互連通,相互備份,這樣在發(fā)生設(shè)備故障時,可以用其他設(shè)備替代,解決臨時供氣問題,也從一定程度上節(jié)約設(shè)備成本。例如出口壓力一致的空壓機,出口可以相互連通,共同供氣。

2)氣源站中涉及到壓力容器和壓力管道,必須嚴(yán)格按照國家規(guī)定和規(guī)范,進行相關(guān)的設(shè)備報監(jiān)登記,取得施工和使用許可后,方可開始使用。

3)氣源站設(shè)備需要合理布局,同時考慮氣源站的通風(fēng)和散熱。

圖9 氧濃度報警系統(tǒng)照片

圖10 氧濃度監(jiān)控儀照片

4)眾多高功率設(shè)備放置在一起時,需要考慮降噪或者噪音隔離處理、減振和隔振處理。

5)氣源管路長距離輸送,需考慮挖設(shè)管道地溝,地溝內(nèi)要求排水順暢,地溝上封裝蓋板,并設(shè)立安全警示標(biāo)志,保障過往人員的人身安全。

6 節(jié)能與環(huán)保

在選用設(shè)備時,應(yīng)盡可能考慮設(shè)備是否節(jié)能減排,比如選用電機時,可以考慮高能效電機,或者變頻電機。在設(shè)備使用過程中,定期檢查設(shè)備狀態(tài),發(fā)現(xiàn)問題及時處理,這樣也可以適當(dāng)降低能耗,例如定期更換或清理過濾器濾芯,可降低流阻,保證氣體流通順暢。

另外,氣源站建設(shè)需考慮環(huán)保。氣源設(shè)備工作過程中,會產(chǎn)生大量廢棄的冷凝液,這是氣體在壓縮過程中冷凝出來的水分、油分組合而成的混合液,這種混合液會對環(huán)境造成污染,在排放之前應(yīng)該進行處理,達到環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)后,方可排到環(huán)境中。在這里,推薦一種廢油收集器。它無需供電,結(jié)構(gòu)簡單,處理效果好。

工作原理為:油水混合液在壓力的作用下經(jīng)過連接管道進入氣液分離倉進行離心分離,氣體經(jīng)除油(吸附)凈化后排入環(huán)境空氣,系統(tǒng)壓力同時在此得到釋放。隨著冷凝液帶入的顆粒雜質(zhì)被液固分離器進行分離,不斷增加的冷凝液在重力分離桶內(nèi)的親油疏水材料的表面,微小油滴被大量吸引,得以粗?；?再靠重力進行分離,在重力的作用下油在液體表面不斷聚合成為厚的油層,浮在頂層的油通過溢流裝置落入集油桶內(nèi)。經(jīng)過這個初步處理,大片浮油和大油滴已經(jīng)去除。然后冷凝液流入前級分離筒,將懸浮在液體中的微小油滴進一部凝聚成大油滴,使之浮到液體上面。經(jīng)預(yù)分離的冷凝液進入吸附分離筒,吸附少量的殘和微化液,經(jīng)過處理的廢水含油量少于10 ppm,可直接排放。

7 結(jié) 論

目前,國內(nèi)高壓氣源站比較少,關(guān)于高純高壓氣源站的國家規(guī)范也比較缺乏,人們一般采用標(biāo)準(zhǔn)瓶裝氣體用于生產(chǎn)和試驗,這種瓶裝氣體壓力一般在15 MPa左右,壓力較低,運輸麻煩,對于用氣量多、氣體品質(zhì)要求高、使用壓力高的單位部門來講,遠達不到使用需求。本文敘述的高純高潔凈綜合高壓氮氣氣源站會是一種更佳的優(yōu)化設(shè)計,它的適用性強,使用簡單,靈活多變,對今后高純、高潔凈、高壓氣源站的設(shè)計建造有一定的指導(dǎo)借鑒意義。