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        移動(dòng)式制備高壓高純氮?dú)饧夹g(shù)

        2016-11-22 05:41:11石文星
        化工自動(dòng)化及儀表 2016年10期

        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?!备呒兏邏旱?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系男枨螅谠O(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(zhǎng),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)猓呒兊獨(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。控制原理框圖如圖5所示。

        圖5 控制原理框圖

        制氮加注車通過設(shè)置可滿足“一鍵啟停”的工作方式,即啟動(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(guó)內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù),選用的主要單體設(shè)備均是國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)產(chǎn)品,并執(zhí)行了現(xiàn)行的國(guó)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(guó)防裝備水平,推進(jìn)國(guó)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)。

        TH48

        B

        1000-3932(2016)10-1104-04

        2016-09-05(修改稿)

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