趙丹娜，李艷福，牛濤

（1.凱邁（洛陽）氣源有限公司，河南 洛陽 471003；

2.中國人民解放軍 空軍裝備部 駐洛陽地區(qū)第一軍事代表室，河南 洛陽 471003）

0 引言

目前，制氮工藝主要分為深冷法、膜分離法和變壓吸附法，在小型供氣流量下，一般采用膜分離法和變壓吸附法，膜制氮工藝復(fù)雜、能耗比高，無法“一步法”制取高純氮氣，需采用加氫或加碳燃燒方式進行二次提純，提純過程中產(chǎn)生一定量的二氧化碳和水分，為保證最終高純氮氣的指標(biāo)要求，需要進行進一步的過濾和凈化，從技術(shù)角度分析存在一定的技術(shù)隱患。

國內(nèi)外采用的PSA制氮工藝已較為成熟，但多為低純度的設(shè)計和生產(chǎn)模式，無法滿足國防和電子等高要求的用戶。同時大多數(shù)產(chǎn)品僅適合內(nèi)陸地區(qū)環(huán)境氣候，而適合在沿海潮濕多雨環(huán)境條件下的產(chǎn)品還不多見。因此，研制開發(fā)環(huán)境適應(yīng)性強的高純制氮系統(tǒng)可解決該問題。

本研究針對沿海環(huán)境下的制氮設(shè)備需求情況，用于多種形式的氣源供氣，特別是針對在苛刻環(huán)境條件下的使用。作為苛刻環(huán)境下的高純高壓制氮產(chǎn)品，這就要求制氮系統(tǒng)滿足嚴(yán)格的“防濕熱、防鹽霧、防霉菌”環(huán)境和智能化操作要求，并且有運行可靠、故障率低和維修保障能力強的特點，能在特定的環(huán)境下完成標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè)需求。

1 制氮系統(tǒng)的設(shè)計原理

1.1 雙變壓吸附制氮技術(shù)

采用雙變壓吸附制氮技術(shù)，雙變壓吸附最大的特點是可對潮濕的氣體進行深度凈化以滿足制取高純氮的工況，使制氮能力保持長期穩(wěn)定。在大氣經(jīng)過空壓機進行壓縮后，經(jīng)冷干機將空氣冷卻，去除大部分油水混合物后，進入“變壓吸附干燥器”進行深度除水，將空氣的潔凈度提高到一定程度，再經(jīng)過“變壓吸附塔”使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。變壓吸附原理成熟，一次提純即可獲得99.999%高純度的氮氣， 氮氣露點長期小于-70 ℃[1]。再通過膜壓機增壓后儲存到氣瓶中，使用時可通過后端設(shè)置的控制柜對輸出壓力進行調(diào)節(jié)輸出。

采用雙變壓吸附技術(shù)可使制氮系統(tǒng)在潮濕環(huán)境中穩(wěn)定工作，提供可靠純度氮氣的同時，增加產(chǎn)品的壽命。

1.2 新型制氮系統(tǒng)原理設(shè)計

制氮系統(tǒng)最終工作壓力可達35 MPa，輸出壓力可根據(jù)要求調(diào)節(jié)，主要集成空壓機、變壓吸附干燥器、變壓吸附制氮系統(tǒng)、氮氣緩沖罐、隔膜式壓縮機、高壓儲氣瓶組、中控柜、氣源箱等組件。

制氮提純裝置工作原理框圖如圖1所示，原料空氣經(jīng)空氣壓縮機預(yù)處理后被壓縮至0.85～0.95 MPa，先經(jīng)過過濾及冷凍式干燥機除油、除水，再經(jīng)變壓吸附干燥器深度除水，輸送到變壓吸附制氮系統(tǒng)吸附氧氣后輸出滿足要求的高純氮氣到隔膜式壓縮機，經(jīng)兩級增壓至35 MPa，最后到達氣瓶組儲存。當(dāng)需要為外部設(shè)備供氣時，儲氣瓶組內(nèi)的35 MPa高壓氮氣經(jīng)中控柜控制氣路的多路輸出，中控柜是控制氣瓶組的總開關(guān)，同時設(shè)置有35 MPa、15 MPa和0.2 MPa等高中低氣路輸出口，高壓35 MPa氣體輸送到氣源箱上，由氣源箱調(diào)節(jié)壓力輸出29 MPa和21 MPa壓力給充氣防護臺，充氣防護臺上可對所需產(chǎn)品進行充氣[2-3]。使用時也可以將氣瓶組氣體循環(huán)增壓，充分利用氣瓶組氣體。

圖1 氣路框圖

制氮系統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用PLC控制，控制柜采用不銹鋼IPS6級箱體，線路經(jīng)過屏蔽和保護，抗干擾性能強、工作可靠。根據(jù)高純制氮工藝、系統(tǒng)控制特點、變壓吸附和再生技術(shù)要求等，確定碳分子篩吸附、再生、均壓等各階段的時間參數(shù)，用梯形圖編輯PLC控制程序，控制各階段閥門的開關(guān)狀態(tài)及有關(guān)相應(yīng)的檢測報警，形成完整完善的健康管理系統(tǒng)（如壓力檢測、溫度檢測、氮氣純度報警、露點測試等），用戶可以方便地在線修改各種設(shè)置參數(shù)（如純度上下限值、進出口壓力值等），觸摸屏實時顯示控制系統(tǒng)的各種參數(shù)，使純度和露點同步?？刂葡到y(tǒng)中含設(shè)備的技術(shù)參數(shù)和故障處理方法，并新設(shè)計了歷史記錄保存功能，保存2 a的記錄用于清查各個時間段的工作狀態(tài)。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

制氮系統(tǒng)由空壓機、變壓吸附干燥器、變壓吸附制氮系統(tǒng)、氮氣緩沖罐、隔膜式壓縮機、高壓儲氣瓶組、中控柜、氣源箱和控制系統(tǒng)等組成。

以往制氮系統(tǒng)與其基本組成一致，主要采用單變壓吸附塔工作，可制取一定純度的氮氣，滿足一般廠房環(huán)境下的工作需求。

新型制氮系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，集成雙變壓吸附技術(shù)，為適應(yīng)“三防”環(huán)境下的工作需求，在產(chǎn)品外設(shè)計有外箱體，將控制系統(tǒng)設(shè)計在箱體正面，便于操作和控制。各個組件以模塊撬裝結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)化拼裝，可分體運輸后合并。外箱體使產(chǎn)品既看起來美觀又對產(chǎn)品形成保護。

結(jié)構(gòu)布局如圖3所示，所有非發(fā)熱部件集成安裝于2.5 m箱體內(nèi)，空壓機和冷干機放置在箱體的右側(cè)，保證空壓機和冷干機通風(fēng)良好，熱量可迅速擴散。膜壓機、氣瓶組等高壓組件可根據(jù)房間的不同，放置在不同的位置，具有很高的靈活度。

圖2 新型三防制氮系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局圖

圖3 新型制氮系統(tǒng)廠部布局設(shè)計圖

3 新型制氮系統(tǒng)的三防設(shè)計和試驗

由于新型制氮系統(tǒng)的工作環(huán)境為海邊或離海洋較近的范圍內(nèi)，其周圍的濕度和鹽霧環(huán)境較嚴(yán)重，長時間的潮濕環(huán)境對制氮系統(tǒng)的工作性能和器件外觀有直接的影響。因此，制氮系統(tǒng)“三防”能力的加強尤為重要。

從設(shè)計源頭入手，掌握各個設(shè)備器件的特點和環(huán)境使用能力，對不同的器件進行不同的防護設(shè)計，如：直接接觸大氣的器件表面均涂三防清漆，鋁制品選用LF系列（陽極耐氧化）防銹鋁合金，各緊固件采用奧氏體不銹鋼、鍍彩鋅防銹處理或達克羅工藝處理，各控制柜和箱體采用封閉結(jié)構(gòu)并采用IP65防護等級產(chǎn)品，防止?jié)駸釟怏w和粉塵進入。

1）制氮機驅(qū)動氣路管路、采樣氣路管路和排污氣路管路均采用316 不銹鋼直管彎制而成，保證管路彎制后不出現(xiàn)癟、裂、凹坑等現(xiàn)象，保證平直、整齊和高低一致，適用于炎熱潮濕、含鹽度高的空氣環(huán)境，耐腐蝕效果好，使用周期長。

2）管道式氣動閥與電器接線端、電路板等部分，表面噴涂快干硬化防銹油，隔絕空氣，避免生銹。

3）容器及管路表面噴涂佐敦白色三防丙烯酸樹脂面漆；管路和其它結(jié)構(gòu)件噴漆前外表面必須噴砂或磷化處理，表面噴涂佐敦白色三防丙烯酸樹脂面漆。

4）控制柜整體采用304不銹鋼，外帶三防面板，內(nèi)電源建議調(diào)整為軌道式電源，無金屬外殼，避免生銹。

5）設(shè)備上螺栓接觸連接時，螺栓采用防銹性能好的達克羅工藝。經(jīng)試驗，螺栓防銹性能達克羅工藝＞不銹鋼＞鍍鋅處理，經(jīng)過20 d鹽堿試驗，鍍鋅螺栓有明顯的銹跡，達克羅螺栓無變化，304不銹鋼螺栓有發(fā)黑跡象。

圖4 新型制氮系統(tǒng)實物圖

6）設(shè)備關(guān)鍵部件、氣路、電路等都設(shè)計有保護裝置，防止零部件的裸露和外置，避免了長期工作時出現(xiàn)的損壞問題[4]。

2017年10—11月，依據(jù)《GJB 150.10A-2009軍用裝備試驗室環(huán)境試驗方法 霉菌試驗》和《GJB 150.11A-2009軍用裝備試驗室環(huán)境試驗方法 鹽霧試驗》對樣件進行了霉菌試驗、鹽霧試驗（如圖5），試驗結(jié)果合格。

圖5 樣件霉菌試驗和鹽霧試驗后照片

根據(jù)試驗為期28 d霉菌、2個周期的鹽霧和48 h的濕熱試驗，所選的制氮系統(tǒng)樣件很好地滿足了設(shè)計要求。

4 智能化制氮系統(tǒng)設(shè)計

采用通用化、模塊化、智能化的設(shè)計原則，將各個功能模塊集成，整套系統(tǒng)統(tǒng)一控制，并可實時反饋工作狀態(tài)和信息，歷史記錄可調(diào)用清查。

5 結(jié)論

采用“雙變壓吸附技術(shù)”是在成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上進行的優(yōu)化改進和提高，是PSA制氮技術(shù)的又一個新的突破，可保持氮氣純度和露點的長期穩(wěn)定。

制氮裝置設(shè)備采用模塊化設(shè)計，靈活度高，適用于不同類型的場站試驗和武器保障用氣。

制氮裝置解決了高純制氮技術(shù)在潮濕環(huán)境下的露點穩(wěn)定性，領(lǐng)先同行業(yè)技術(shù)水平。全系統(tǒng)采用嚴(yán)格的“三防設(shè)計”并進行“三防”試驗驗證，滿足苛刻的海洋環(huán)境工作要求。

采用智能化工作模式，集成器件狀態(tài)顯示、信息顯示、操作說明提示、系統(tǒng)自檢、出廠初始化等健康管理系統(tǒng)內(nèi)容，減少了操作的復(fù)雜性，增加了系統(tǒng)的可控性。

制氮機創(chuàng)新采用外箱體設(shè)計，不僅使產(chǎn)品外觀美觀、安裝便捷，在箱體外集成了可視化操作界面，而且提高了用戶的使用便攜性和可維護性。

圖6 制氮系統(tǒng)智能化控制