李金祿，姜慧君，李小仨，邢志勝，葉鵬，毛京兵

(合肥通用機(jī)械研究院 壓縮機(jī)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031)

船用壓縮空氣凈化設(shè)備的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李金祿，姜慧君，李小仨，邢志勝，葉鵬，毛京兵

(合肥通用機(jī)械研究院 壓縮機(jī)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031)

對(duì)船用J141-1/15型壓縮空氣凈化設(shè)備的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)。在各零部件的設(shè)計(jì)選型和針對(duì)船用特點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹，對(duì)其他船用凈化設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造具有參考意義。

船用；凈化設(shè)備；設(shè)計(jì)

壓縮空氣系統(tǒng)是船上的重要保障系統(tǒng)，擔(dān)負(fù)著為所有用氣設(shè)備和儀表提供氣源的重任，而壓縮空氣凈化設(shè)備作為船用壓縮空氣系統(tǒng)的重要組成部分，決定著壓縮空氣質(zhì)量的好壞，將直接影響該系統(tǒng)自身的安全和用氣設(shè)備、儀表能否正常工作。鑒于無(wú)熱再生式結(jié)構(gòu)干燥裝置在船舶上已經(jīng)具備了豐富的實(shí)踐應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，而且具有尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等許多優(yōu)點(diǎn)，因此，該船用凈化設(shè)備設(shè)計(jì)成無(wú)熱再生式干燥器加過(guò)濾器串聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式。

1 技術(shù)要求

根據(jù)該船用技術(shù)指標(biāo)（固體顆粒尺寸≤1μm，常壓露點(diǎn)≤-55℃，含油量≤0.01mg/m3）和《壓縮空氣凈化設(shè)備型號(hào)編制方法》，該壓縮空氣凈化設(shè)備的型號(hào)為J141-1/15。即出口固體粒子尺寸和濃度等級(jí)為1 級(jí)，壓力露點(diǎn)等級(jí)為4 級(jí)，含油量等級(jí)為1 級(jí)的壓縮空氣凈化組合設(shè)備，其進(jìn)口容積流量為1m3/min，進(jìn)口壓力為15MPa。由于船用的特殊性，還對(duì)重量、外形尺寸，防護(hù)等級(jí)，抗沖擊、環(huán)境適應(yīng)性、耗氣量、最高進(jìn)氣溫度及電源提出了要求。

2 設(shè)計(jì)

船用壓縮空氣凈化設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)首先考慮滿足相關(guān)的技術(shù)要求，另外也考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用和安全情況，增設(shè)了設(shè)備自動(dòng)開(kāi)停機(jī)、記憶、定壓排氣、過(guò)濾器濾芯更換提示等功能，以保證干燥器能夠正?？煽窟\(yùn)行。

2.1 基本流程

本文設(shè)計(jì)的船用壓縮空氣凈化設(shè)備主要由前置過(guò)濾器、精密除油過(guò)濾器、組合換向閥、干燥塔、單向閥組、后置過(guò)濾器、活性炭過(guò)濾器、保壓閥、減壓閥、消音器、電控系統(tǒng)等組成，具體流程見(jiàn)圖1。壓縮空氣凈化設(shè)備的工作流程（以A塔吸附為例）為： 濕壓縮空氣經(jīng)過(guò)前置過(guò)濾器和精密除油過(guò)濾器后，流經(jīng)組合換向閥后進(jìn)入到干燥塔（A塔）進(jìn)行吸附干燥。經(jīng)干燥后的壓縮空氣依次通過(guò)單向閥（1）和后置過(guò)濾器，大部分高壓空氣再經(jīng)活性炭過(guò)濾器和保壓閥后作為成品氣進(jìn)入高壓氣瓶組，少部分高壓空氣經(jīng)過(guò)減壓閥、單向閥（4）和節(jié)流孔后，進(jìn)入到B 塔，對(duì)B 塔中的吸附劑進(jìn)行低壓解析再生，解析后的再生氣通過(guò)組合換向閥和消音器排放到大氣。兩塔通過(guò)電控系統(tǒng)控制組合換向閥的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)吸附再生的轉(zhuǎn)換，15分鐘轉(zhuǎn)換一次。均壓時(shí)，組合換向閥內(nèi)的排氣閥關(guān)閉，均壓閥打開(kāi)，使A塔和B塔連通，在干燥塔（A塔）通氣的同時(shí)，干燥塔（B塔）壓力升高，為兩塔的切換做準(zhǔn)備，時(shí)間為2分鐘。

圖1 壓縮空氣凈化設(shè)備系統(tǒng)流程圖

2.2 過(guò)濾器

根據(jù)該設(shè)備的性能指標(biāo)選擇4級(jí)過(guò)濾器。壓縮機(jī)壓縮后的高壓空氣中，會(huì)含有大量水分、顆粒和油，這些不僅對(duì)組合換向閥的可靠性造成影響，液態(tài)水和油也會(huì)對(duì)干燥塔中的吸附劑造成污染，所以在干燥塔前配置前置過(guò)濾器和精密除油過(guò)濾器。前置過(guò)濾器用于初始分離，濾除空氣中固體顆粒、有一定粒徑的油水氣溶膠；精密除油過(guò)濾器是對(duì)氣體中殘余的油水氣溶膠進(jìn)行徹底的清除，在保證壓縮空氣質(zhì)量的同時(shí)，也保證進(jìn)入干燥塔的空氣不會(huì)對(duì)塔內(nèi)的吸附劑產(chǎn)生污染。在干燥塔吸附過(guò)程中，干燥劑也會(huì)粉化，其細(xì)小粉末成為污染物，進(jìn)入到高壓空氣中，所以其后配置后置過(guò)濾器用于清除由于吸附劑粉末帶來(lái)的二次污染?；钚蕴窟^(guò)濾器則主要是去除油蒸氣，放在最后一級(jí)，保證成品氣的品質(zhì)。

本設(shè)備配置的4個(gè)過(guò)濾器殼體外形尺寸一致，以保證連接尺寸的統(tǒng)一。各濾芯材料不同，以達(dá)到不同的過(guò)濾要求。為保證過(guò)濾器的正常運(yùn)行和監(jiān)測(cè)其工作狀況，各過(guò)濾器配有壓差計(jì)，顯示過(guò)濾器進(jìn)出口的壓差情況，并可以提示過(guò)濾器濾芯的更換。前置過(guò)濾器和精密除油過(guò)濾器配置有自動(dòng)排污閥，實(shí)現(xiàn)定時(shí)排污的功能，設(shè)置為30分鐘排污一次；后置過(guò)濾器和活性炭過(guò)濾器配置有手動(dòng)排污閥，以排除過(guò)濾的污物和卸掉系統(tǒng)的壓力。

2.3 干燥塔

干燥塔由兩個(gè)相同的不銹鋼塔體（單塔容積為7L）組成，塔體內(nèi)置吸附劑和管道過(guò)濾器，其上下端面通過(guò)壓蓋與組合換向閥和各單向閥相連，供干燥塔進(jìn)、排氣。兩塔通過(guò)支耳與底架固定。干燥塔配置壓力表，以觀察兩塔的工作狀態(tài)。

干燥塔內(nèi)吸附劑對(duì)整個(gè)設(shè)備的性能具有極其重要的作用。常用的吸附劑有硅膠、活性氧化鋁和分子篩，硅膠和活性氧化鋁的動(dòng)態(tài)吸附率雖好，但不及分子篩的吸附深度。因本設(shè)備露點(diǎn)要求低，選用分子篩。從后期露點(diǎn)測(cè)試和使用壽命來(lái)看，效果很好。為減少吸附劑粉化，吸附劑裝填時(shí)一定要充滿。

2.4 組合換向閥

凈化設(shè)備的常見(jiàn)進(jìn)氣閥為四閥結(jié)構(gòu)，如使用四個(gè)獨(dú)立的氣動(dòng)球閥，但本設(shè)備在制定指標(biāo)時(shí)要求體積小、質(zhì)量輕，為此專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了組合換向閥。組合換向閥是集主閥、排氣閥、均壓閥為一體的閥組，安裝于塔體的下底部，其動(dòng)作由電控箱輸出的控制氣驅(qū)動(dòng)。

2.5 單向閥組

單向閥組是由四個(gè)各具獨(dú)立功能的單向閥連接而成，完成對(duì)干燥器出口氣體的排出、再生氣的分配等功能，安裝于塔體的頂部。干燥后的高壓空氣經(jīng)相應(yīng)單向閥排出進(jìn)入后置過(guò)濾器；而經(jīng)減壓膨脹后的再生氣，也是通過(guò)對(duì)應(yīng)的單向閥進(jìn)入再生塔。

單向閥的選擇要根據(jù)工作壓力和流量來(lái)進(jìn)行。工作壓力低的地方選擇高壓?jiǎn)蜗蜷y, 會(huì)造成比較大的流動(dòng)阻力, 減小供氣量。反之, 單向閥則會(huì)失靈或降低使用壽命。此處單向閥兩側(cè)的壓力會(huì)按照周期交變切換，所以單向閥由流通到閉合時(shí)要快速，盡量減少高壓氣的瞬間逆流。

2.6 保壓閥

本設(shè)備安裝在高壓氣瓶之前，如無(wú)保壓閥，當(dāng)氣瓶壓力為零時(shí)，壓縮機(jī)對(duì)其充氣，達(dá)到規(guī)定壓力需要較長(zhǎng)時(shí)間，使得干燥器長(zhǎng)時(shí)間處于低壓,這將大大影響分子篩的吸附能力；此外在低壓下運(yùn)行，設(shè)備的容積流量大，系統(tǒng)阻力大，對(duì)過(guò)濾器的濾芯壽命影響也很大。因此，必須設(shè)計(jì)有此保壓閥，保證設(shè)備在高壓狀態(tài)下穩(wěn)定工作，實(shí)現(xiàn)變壓吸附的功能。保壓閥具有定壓排氣，止回作用，設(shè)計(jì)的保壓閥出廠調(diào)定的開(kāi)啟壓力為10MPa，當(dāng)壓力達(dá)到10MPa時(shí)，干燥器開(kāi)始向氣瓶充氣，而干燥器在10～15MPa工作壓力下（即正常的工作壓力范圍內(nèi)），將達(dá)到其正常的吸附干燥能力，并確保出口氣體達(dá)到規(guī)定的露點(diǎn)要求。

2.7 減壓閥

減壓閥的主要作用是將部分潔凈高壓氣減壓至低壓，用于設(shè)備自身氣動(dòng)和再生用氣。

減壓閥后配壓力表和安全閥。壓力表顯示減壓閥后壓力，調(diào)節(jié)至0.8MPa，壓力太高，容易造成電控箱內(nèi)電磁閥失靈或低壓管路的安全隱患，而且再生氣壓力高會(huì)造成耗氣量增大；壓力太低，其后控制用氣（如組合換向閥用氣）的壓力不夠，造成設(shè)備不能正常工作。安全閥是為了保證設(shè)備的安全運(yùn)行而設(shè)置的,具有保護(hù)功能,設(shè)備中的安全閥放在減壓閥后端，防止低壓氣管路有高壓氣竄入，壓力突然升高，造成危險(xiǎn)。當(dāng)壓力大于其設(shè)定值1.2MPa時(shí)，就會(huì)開(kāi)啟放氣，降低壓力。

2.8 電控系統(tǒng)

設(shè)備的運(yùn)行控制由電控系統(tǒng)完成。本設(shè)備切換周期短，動(dòng)作頻繁，要求時(shí)間準(zhǔn)確，動(dòng)作靈敏，因此電控系統(tǒng)采用微電腦控制技術(shù)，用控制芯片來(lái)控制各電磁閥的動(dòng)作，從而達(dá)到驅(qū)動(dòng)各氣動(dòng)元件，完成組合換向閥的各切換動(dòng)作和自動(dòng)排污閥的排污動(dòng)作。設(shè)備的自動(dòng)開(kāi)停機(jī)功能、記憶功能也由電控系統(tǒng)控制。

所有電控系統(tǒng)，包括控制芯片、熔斷器、電磁閥、壓力開(kāi)關(guān)、電路等均集成在封閉的電控箱內(nèi)。電控箱設(shè)計(jì)的防護(hù)等級(jí)為IP56，電源為單相AC220V，其控制面板上設(shè)有電源指示燈、排污指示燈、電源開(kāi)關(guān)及自動(dòng)手動(dòng)排污開(kāi)關(guān)。

電控箱既不應(yīng)產(chǎn)生對(duì)外的電磁輻射，又不應(yīng)受外界電磁干擾而影響自身的程序運(yùn)行。設(shè)計(jì)時(shí)，電控箱箱體采用連續(xù)屏蔽型設(shè)計(jì)，不設(shè)門(mén)鎖而用螺釘緊固，進(jìn)線填料函采用金屬結(jié)構(gòu)，避免內(nèi)部和外界可能的電磁干擾。為驗(yàn)證電控箱的電磁兼容性，首臺(tái)設(shè)備的電控箱單獨(dú)進(jìn)行了電磁兼容性試驗(yàn)，符合要求。

2.9 管路等其他細(xì)節(jié)

考慮到船用的特殊性，對(duì)設(shè)備的密封性、可靠性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性、抗沖擊性等進(jìn)行了周密的考慮，保證設(shè)備正常運(yùn)行。如各連接接頭以球形接頭或焊接形式可靠連接并保證密封；干燥塔、組合換向閥、排污閥、減壓閥、保壓閥及管路等，全部采用不銹鋼材料制成，以保證其不受鹽霧、潮濕等腐蝕。

3 試驗(yàn)

3.1 生產(chǎn)過(guò)程

干燥塔作為設(shè)備的關(guān)鍵部件，在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行了水壓試驗(yàn)、焊縫射線檢測(cè)等來(lái)保證其質(zhì)量。組合換向閥、電控箱需先單獨(dú)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，再進(jìn)行組裝。設(shè)備組裝完成后，再進(jìn)行氣密試驗(yàn)、調(diào)試試驗(yàn)、功能試驗(yàn)。

3.2 性能試驗(yàn)

設(shè)備組裝調(diào)試完成后，對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試。10臺(tái)設(shè)備的再生氣量和常壓露點(diǎn)分別針對(duì)A塔和B塔進(jìn)行了測(cè)試，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，從表中可以看出，10臺(tái)設(shè)備的再生氣量、常壓露點(diǎn)都能滿足要求，而且穩(wěn)定性好。

對(duì)固體顆粒和含油量進(jìn)行了抽檢，測(cè)得的結(jié)果為固體顆?！?.56μm，含油量為0.0092 mg/m3。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）船用壓縮空氣凈化設(shè)備是船舶壓縮空氣系統(tǒng)不可或缺的輔助設(shè)備，設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮其出口成品氣質(zhì)量，也要綜合考慮其尺寸、質(zhì)量、可靠性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性等。在各部件的設(shè)計(jì)和選型時(shí),力爭(zhēng)做到性能可靠、操作簡(jiǎn)單、維修方便。（2）該J141-1/15型壓縮空氣凈化設(shè)備從設(shè)計(jì)到試驗(yàn)再到使用，用戶反饋良好，滿足了船用的正常需求，也為其他型號(hào)的船用凈化設(shè)備的研制提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)記錄

[1] 謝江輝,熊鵬俊,馬士虎,等.船用超高壓空氣干燥過(guò)濾技術(shù)研究[J]. 船舶工程, 2006, 31(S1): 85-88.

[2] 李申.壓縮空氣凈化原理及設(shè)備[M]. 浙江: 浙江大學(xué)出版社, 2005.

[3] 李申.吸附原理及常用吸附劑[J] .壓縮機(jī)技術(shù), 2002(1):25-28.

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1671-0711（2017）05（上）-0169-03