張 猛 石文星

(凱邁(洛陽)氣源有限公司，河南 洛陽 471009)

移動(dòng)式制備高壓高純氮?dú)饧夹g(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(dòng)式、一鍵啟停”高純高壓氮?dú)庵苽浼夹g(shù)。制氮加注車集空氣壓縮、制氮、儲(chǔ)氣、放氣、減壓及干燥等諸多功能于一個(gè)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(shí)現(xiàn)了自動(dòng)運(yùn)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(hù)簡(jiǎn)單、安全可靠及使用維護(hù)方便等特點(diǎn)。

移動(dòng)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(duì)氮?dú)獾男枨罅吭絹碓酱?，質(zhì)量要求也越來越高。由于作戰(zhàn)環(huán)境惡劣，氮?dú)獗Ｕ夏Ｊ奖仨氺`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(biāo)明顯，戰(zhàn)時(shí)易受敵方攻擊而導(dǎo)致保障癱瘓。制氮加注車的設(shè)計(jì)滿足了紅外武器系統(tǒng)在各種環(huán)境條件下對(duì)氮?dú)獗Ｕ系男枨?，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性能、操作的簡(jiǎn)易性及使用維護(hù)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(biāo)，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(shì)。常見的制氮模式及其特點(diǎn)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(dòng)時(shí)間長，不宜經(jīng)常停機(jī)，反復(fù)啟動(dòng)，無法實(shí)現(xiàn)移動(dòng)運(yùn)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(shí)，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(chǔ)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?dú)?。變壓吸附流程?jiǎn)單，一次提純即可獲得高純度的氮?dú)?，可?30～60℃儲(chǔ)存。變壓吸附制氮工藝可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)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(jī)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(jìn)入空氣儲(chǔ)罐壓縮，后進(jìn)入變壓吸附氮氧分離塔進(jìn)行氮氧分離，獲得99.999 5%的高純氮?dú)?，高純氮?dú)膺M(jìn)入氮?dú)夤に噧?chǔ)罐。氮?dú)夤に噧?chǔ)罐中的高純氮?dú)饨?jīng)過隔膜式壓縮機(jī)增壓至35MPa，最后到達(dá)高壓氣瓶進(jìn)行儲(chǔ)存和使用。采用PLC控制，實(shí)現(xiàn)單體設(shè)備有序運(yùn)行，提高了操作性，滿足部隊(duì)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(diǎn) 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(jī) 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(dòng)式制備高壓高純氮?dú)獾墓に嚵鞒倘鐖D1所示，空氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮并預(yù)處理后，進(jìn)入空氣凈化處理裝置，進(jìn)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(jìn)入空氣儲(chǔ)罐。

圖1 工藝流程

壓縮空氣經(jīng)空氣儲(chǔ)罐進(jìn)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(shí)，由于空氣中氧氣在碳分子篩的多孔構(gòu)造中擴(kuò)散，并在一定壓力下以遠(yuǎn)高于氮?dú)獾乃俣葍?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?dú)鈩t流經(jīng)碳分子篩，進(jìn)入氮?dú)夤に噧?chǔ)罐。氮氧分離裝置由A、B兩個(gè)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(shí)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(jìn)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?dú)庖缘陀趬嚎s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(jìn)行新一輪分離，如此反復(fù)，氮?dú)膺B續(xù)均勻輸出。

氮?dú)夤に噧?chǔ)罐為制氮主機(jī)輸出的氮?dú)馓峁┚彌_，以獲得具有穩(wěn)定流量(不小于10m3/h)壓力的氮?dú)狻?/p>

氮?dú)夤に噧?chǔ)罐中的低壓氮?dú)饨?jīng)過吸附式干燥過濾器的進(jìn)一步凈化后到達(dá)隔膜壓縮機(jī)，它將氮?dú)鈴?.4～0.8MPa增壓至35MPa，最后到達(dá)高壓氣瓶組儲(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)旋鎖機(jī)構(gòu)連接，通過拆裝旋鎖可實(shí)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(shí)，發(fā)電機(jī)提供制氮加注車運(yùn)行所必須的動(dòng)力電源。

3.2重心

為保證制氮加注車吊裝、運(yùn)輸?shù)陌踩?，進(jìn)行了重心設(shè)計(jì)。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(jī)、隔膜式壓縮機(jī)和發(fā)電機(jī)的位置。制氮機(jī)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(jī)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(jī)位置空間有限，設(shè)計(jì)維修通道后，安裝位置相對(duì)固定。它們相對(duì)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(jì)算儲(chǔ)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(chǔ)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(yàn)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(jì)了空氣壓縮機(jī)和隔膜式壓縮機(jī)的散熱通道，可將產(chǎn)生的熱量排散到方艙外?？諝鈮嚎s機(jī)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(jī)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(qiáng)和工作可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，采用各種檢測(cè)儀器對(duì)制氧過程的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)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?！钡墓ぷ鞣绞剑磫?dòng)工作后，控制系統(tǒng)按時(shí)序啟動(dòng)冷凍式干燥機(jī)、空氣壓縮機(jī)和氮氧分離裝置(按時(shí)序動(dòng)作閥門)。當(dāng)制出的氮?dú)饧兌冗_(dá)到設(shè)定的要求時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)啟動(dòng)隔膜式壓縮機(jī)進(jìn)行增壓儲(chǔ)存，直至氣體儲(chǔ)存到設(shè)定壓力后，自動(dòng)停止隔膜式壓縮機(jī)工作；當(dāng)制出的氮?dú)赓|(zhì)量不符合設(shè)定的要求時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)停止裝置工作，并將不合格的氣體排放到大氣中?？刂葡到y(tǒng)在運(yùn)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(bào)警，并停機(jī)，報(bào)警原因在報(bào)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(hào)地面保障設(shè)備的一個(gè)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(jì)借鑒了國內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)，選用的主要單體設(shè)備均是國內(nèi)外的先進(jìn)產(chǎn)品，并執(zhí)行了現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；操作方式、工藝模式、壓緊裝置和動(dòng)力設(shè)備啟動(dòng)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(yùn)行，技術(shù)性能完全達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。移動(dòng)式制備高壓高純氮?dú)饧夹g(shù)研制成功后，移動(dòng)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(duì)特種裝備的需求，提高國防裝備水平，推進(jìn)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(jì)、軍事和社會(huì)效應(yīng)。

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1000-3932(2016)10-1104-04

2016-09-05(修改稿)