高原鐵路制氧設(shè)備選型及工藝性能優(yōu)化

摘要：高原環(huán)境下會(huì)對制氧設(shè)備的性能造成較多影響，例如會(huì)影響空壓機(jī)、透平膨脹機(jī)的性能，進(jìn)而影響氧氣產(chǎn)量，影響人員供氧。因此，為了更好地滿足高原鐵路的用氧需求，本文就對高原鐵路制氧設(shè)備的選型、研發(fā)措施以及工藝優(yōu)化進(jìn)行了以下研究。

關(guān)鍵詞：高原環(huán)境；制氧設(shè)備；氧；性能

高原地區(qū)的大氣壓較低，空氣較為稀薄，而且溫度差異大，會(huì)對制氧設(shè)備造成極大的影響，影響具體的制氧效果。而高原地區(qū)的用氧需求較大，相關(guān)人員需進(jìn)一步優(yōu)化當(dāng)前的制氧設(shè)備，才能更好地滿足人員的用氧需求。

高原環(huán)境對制氧設(shè)備的影響

目前高原人員室內(nèi)用氧一般采用變壓吸附法，因其具有產(chǎn)氧量適中、氧氣濃度較高、產(chǎn)品形式靈活、產(chǎn)氧時(shí)間短、裝置簡單、故障率低等特點(diǎn)。變壓吸附法是將空氣加壓通過分子篩吸附來產(chǎn)出氧氣，設(shè)備工作原理圖如圖1所示。工作人員可以根據(jù)原理圖深入分析對制氧設(shè)備帶來的具體影響，從而對高原制氧設(shè)備進(jìn)行針對性地設(shè)計(jì)、調(diào)整及研發(fā)。

對空壓機(jī)造成的影響

空壓機(jī)用于將空氣加壓通過分子篩，高原環(huán)境下，由于大氣壓力較低，會(huì)對空壓機(jī)的排氣壓力帶來影響。因?yàn)榭諌簷C(jī)的排氣壓力是壓縮比和進(jìn)口壓力的乘積，而大氣壓力變低，會(huì)導(dǎo)致空壓機(jī)的進(jìn)口壓力降低。為了確保排氣壓力不變，需要提高壓縮比的數(shù)值。但是由于當(dāng)前技術(shù)水平的限制，提升壓縮比的空間不多，因此空壓機(jī)的排氣壓力最終會(huì)有所下降。

對透平膨脹機(jī)造成的影響

透平膨脹機(jī)是用于減少廢氣排放的制冷設(shè)備。該設(shè)備采用風(fēng)機(jī)制動(dòng)的形式，在高原環(huán)境下，由于大氣壓力降低，進(jìn)口壓力降低，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣量隨之降低，透平膨脹機(jī)需要通過提高轉(zhuǎn)速以確保制動(dòng)效果，過高的轉(zhuǎn)速會(huì)引起溫度升高，進(jìn)而損壞透平膨脹機(jī)。

對氧氣產(chǎn)量造成的影響

高原環(huán)境對氧氣產(chǎn)量的影響有兩點(diǎn)因素，一是因高原環(huán)境溫度變化較大，預(yù)冷機(jī)的出口溫度變化隨之變大，導(dǎo)致進(jìn)塔的空氣溫度產(chǎn)生較大幅波動(dòng)，增加設(shè)備的氣液平衡難度，進(jìn)而影響氧氣的產(chǎn)量；二是隨著海拔高度的增加，高原空氣密度下降，螺桿壓縮機(jī)的排氣量降低，如果在流量不增加的情況，透平膨脹機(jī)也很難提供足夠的冷量來制作氧氣，因此會(huì)降低氧氣的產(chǎn)量。

對散熱能力造成的影響

隨著海拔高度的增加，設(shè)備風(fēng)扇的散熱能力會(huì)隨之下降，雖然外界溫度也會(huì)降低，但是依然會(huì)影響設(shè)備整體的降溫效果。

高原鐵路制供氧設(shè)備選型分析

高原鐵路不同場景的供氧方式分析

目前高原鐵路的生活、辦公場景下，通常采用鼻吸式供氧的方式，以解決人員的用氧需求。通常會(huì)在人員集中區(qū)域設(shè)置大型的制氧設(shè)備，通過管道集中供氧。近年來為了提高人員的用氧舒適度，也在推行彌散式供氧方式。彌散式供氧方式主要用于相對密閉的空間內(nèi)，人員可在空間內(nèi)自由活動(dòng)，不受氧氣面罩的影響。高原鐵路生活、辦公場景主要分為三類，分別是室內(nèi)生活、室內(nèi)辦公及戶外辦公。針對室內(nèi)辦公場景，由于人員活動(dòng)頻繁，進(jìn)出房屋頻率較高，房屋門窗開啟次數(shù)較多，時(shí)間較長，難以達(dá)到彌散供氧所需的空間密閉需求，因此采用鼻吸式供氧是較為經(jīng)濟(jì)合理的選擇。針對室內(nèi)生活場景，由于人員的活動(dòng)量較小，生活場所范圍較為固定，具有良好的密閉性，適合使用彌散性供氧方式。關(guān)于戶外辦公場景，通常會(huì)采用方便攜帶或移動(dòng)的制、供氧設(shè)備，在駕駛車輛的過程中可以采用移動(dòng)式制氧機(jī)進(jìn)行鼻吸式供氧，在戶外進(jìn)行體力勞動(dòng)的情況下可以采用氧氣瓶及便攜式制氧機(jī)等方式進(jìn)行供氧。

高原鐵路制氧設(shè)備選型

目前隨著技術(shù)進(jìn)步，可得出以下三點(diǎn)結(jié)論。第一，針對高原鐵路人員室內(nèi)辦公、生活等集中區(qū)域，需設(shè)置中大型變壓吸附制氧設(shè)備進(jìn)行集中供氧。第二，針對人員較少的辦公、生活區(qū)域和乘車過程的用氧需求，采用移動(dòng)式制氧設(shè)備更為經(jīng)濟(jì)合理，通過配備氧氣面罩以及鼻吸導(dǎo)管以滿足該類人員用氧需求。第三，針對戶外活動(dòng)場景，便攜式隨身制、供氧設(shè)備需求量更大。便攜式制、供氧設(shè)備放置在背包當(dāng)中，可隨身攜帶通過面罩及鼻吸導(dǎo)管供氧。

高原環(huán)境下制氧設(shè)備的研發(fā)舉措

沖洗方式和均壓方式的優(yōu)化

制氧設(shè)備的制氧量會(huì)受到?jīng)_洗方式和均壓方式的影響，常見的沖洗方式為間斷沖洗和常沖洗，均壓方式為上均壓、下均壓以及上下均壓的方式，優(yōu)化措施如下：

第一，在進(jìn)行設(shè)備研發(fā)時(shí)，需要結(jié)合高原地區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)來選擇合適的沖洗方式。采用間斷沖洗的方式，制氧設(shè)備能夠制造的氧氣濃度會(huì)存在偏低的現(xiàn)象，雖然氧氣產(chǎn)量較高，但是也存在較大的波動(dòng)。而使用常沖洗的方式進(jìn)行氧氣的制作，則可以獲得較高濃度的氧氣，但是氧氣量不高。因?yàn)槭褂贸_洗的方式，對于空氣的沖洗時(shí)間較長，能夠起到良好的吸附效果，使得氧氣的濃度更高。因?yàn)楦咴貐^(qū)對于氧氣濃度的需求較高，所以在進(jìn)行制氧設(shè)備研發(fā)時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用常沖洗的方式。

第二，在運(yùn)行高原地區(qū)制氧設(shè)備研發(fā)時(shí)，需要選擇合適的均壓方式。使用上均壓和上下均壓方式，所制造出來的氧氣濃度較高，基本都可以在90%以上，但是上均壓能夠制造的氧氣量要明顯多于上下均壓的方式。因?yàn)槭褂蒙舷戮鶋旱姆绞?，?huì)將空氣中的氮?dú)怏w吸附到塔中，使得塔中的氣體處理量下降，進(jìn)而降低了氧氣的產(chǎn)量。因此，高原地區(qū)的制氧設(shè)備，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用上均壓的方式。

沖洗管徑的優(yōu)化

沖洗管徑的大小會(huì)對制氧效果造成較大的影響，會(huì)影響氧氣的濃度和產(chǎn)量。通常高原地區(qū)制氧設(shè)備常見的沖洗管徑主要有六種尺寸，包含4毫米、6毫米、8毫米、10毫米、12毫米以及14毫米。根據(jù)相關(guān)研究，隨著沖洗管徑尺寸增大，氧氣濃度也隨之增大，但氧氣產(chǎn)量會(huì)隨之減少，所以選擇尺寸較小的沖洗管徑，能增多氧氣產(chǎn)量，選擇尺寸較大的沖洗管徑，則可以提高氧氣濃度。在選擇沖洗管徑大小時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體氧氣濃度及產(chǎn)量需求來選擇合適的管徑大小。當(dāng)沖洗管徑大于10毫米時(shí)，其氧氣濃度可以高達(dá)90%以上，氧氣量也可以達(dá)到32.5立方/每小時(shí)，因此高原地區(qū)的制氧設(shè)備應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇10毫米的沖洗管徑。

吸附時(shí)間的優(yōu)化

吸附時(shí)間也影響制氧效果，在進(jìn)行高原地區(qū)制氧設(shè)備研發(fā)時(shí)，應(yīng)做好吸附時(shí)間的優(yōu)化工作，控制好氮?dú)夂脱鯕獾奈剿俾什睢Ｎ綍r(shí)間越長，氧氣和氮?dú)獾奈剿俾什罹蜁?huì)縮小，會(huì)降低氧氣的濃度；當(dāng)吸附時(shí)間較短時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)吸附不干凈，氧氣濃度不高，且氧氣產(chǎn)量偏低的情況。因此，在研發(fā)制氧設(shè)備時(shí)，需做好吸附時(shí)間的研究，結(jié)合吸附時(shí)間的長短變化對氧氣濃度及氧氣產(chǎn)量帶來的影響，從而選擇合適的吸附時(shí)間。根據(jù)相關(guān)研究，當(dāng)吸附時(shí)間維持在36秒時(shí)，氧氣濃度可高達(dá)90%，而且氧氣產(chǎn)量也可達(dá)到32.5立方/每小時(shí)，因此研發(fā)人員應(yīng)當(dāng)選擇36秒來作為高原地區(qū)制氧設(shè)備的吸附時(shí)間。

做好穩(wěn)定性測試

為了確保制氧設(shè)備的制氧效果，在完成設(shè)備研發(fā)后，還應(yīng)當(dāng)做好設(shè)備的穩(wěn)定性測試。研發(fā)人員需要根據(jù)相關(guān)的測試結(jié)果來進(jìn)一步優(yōu)化相關(guān)的性能，才能有效地提高制氧效果。

高原環(huán)境制氧工藝優(yōu)化措施

高原環(huán)境會(huì)對制氧設(shè)備的制氧效果造成各種影響，為提高制氧量，研發(fā)人員不僅要做好設(shè)備的優(yōu)化工作，還當(dāng)做好制氧工藝的優(yōu)化工作。當(dāng)前制氧過程中，分子篩是最為核心的工藝環(huán)節(jié)，直接決定氧氣的分離效果及氧氣的質(zhì)量。當(dāng)前最為常見的制氧分子篩是沸石，由于受到陽離子之間作用力的影響，分子篩會(huì)優(yōu)先吸附空氣中的氮?dú)?，借此來?shí)現(xiàn)氧氣分離。在分離過程中，作為離子交換的金屬陽離子為鋰離子，但是由于鋰鹽價(jià)格較高，會(huì)增加制氧成本，通常是使用多粒子混合交換改性的方式進(jìn)行氧氣分離。所以，為了提高制氧效果，研發(fā)人員應(yīng)加強(qiáng)對多個(gè)金屬陽離子的研究，切實(shí)提高分離效果，提高制氧效率和質(zhì)量。

由于高原環(huán)境的特殊性，會(huì)對制氧設(shè)備的工作造成一定的影響，進(jìn)而影響了氧氣的濃度和產(chǎn)量。為了更好地滿足高原地區(qū)的用氧需求，加強(qiáng)研發(fā)功能穩(wěn)定的制氧設(shè)備十分重要，研發(fā)人員也需要加強(qiáng)優(yōu)化相關(guān)的制氧工藝，切實(shí)提高整體的制氧效果。