史源源

(上海航天控制技術(shù)研究所,上海 201109)

1 引 言

氣源站是航空、航天、軍工、電子、機(jī)械等眾多行業(yè)的重要供氣手段。氣源站提供的氣源品質(zhì)好壞對(duì)產(chǎn)品性能、試驗(yàn)成敗、設(shè)備壽命等有極其重要的作用。

當(dāng)前,壓縮氮?dú)庖话闶褂脡毫υ?0 MPa以下,主要用于充氮保護(hù)、產(chǎn)品檢測(cè)等,對(duì)氮?dú)獾念w粒度、露點(diǎn)、純度均有較高的要求[1-2]。本文以某所氣源站為例介紹高純高潔凈紅外用高壓氮?dú)鈿庠凑鞠到y(tǒng),其設(shè)計(jì)的壓縮氮?dú)庠凑镜獨(dú)庠O(shè)計(jì)壓力為40 MPa,顆粒度小于1 μm,含油量小于1 ppm,露點(diǎn)低于-70 ℃(常壓),氮?dú)饧兌葹?9.9995 %(非氧含量)。

2 氮?dú)鈿庠凑驹O(shè)計(jì)

2.1 低壓氮?dú)庵苽?/h3>

低壓氮?dú)庵苽涞姆椒ㄒ话阌心し蛛x制氮、深冷制氮和變壓吸附制氮(PSA制氮)三種方式[3]。本文闡述的變壓吸附制氮(PSA制氮機(jī))以碳分子篩為吸附劑,利用加壓吸附,降壓解吸的原理從空氣中吸附和釋放氧氣,從而分離出氮?dú)獾淖詣?dòng)化設(shè)備。碳分子篩是一種以煤為主要原料,經(jīng)過(guò)研磨、氧化、成型、碳化并經(jīng)過(guò)特殊的孔型處理工藝加工而成的,表面和內(nèi)部布滿微孔的柱形顆粒狀吸附劑,呈黑色,其孔型分布如圖1所示。(?為孔徑單位,1 ?=10-10m)

圖1 碳分子篩的孔徑分布圖

碳分子篩的孔徑分布特性使其能夠?qū)崿F(xiàn)O2、N2的動(dòng)力學(xué)分離。這樣的孔徑分布可使不同的氣體以不同的速率擴(kuò)散至分子篩的微孔之中,而不會(huì)排斥空氣中的任何一種氣體。變壓吸附制氮正是利用碳分子篩的選擇吸附特性,采用加壓吸附,減壓解吸的循環(huán)周期,使壓縮空氣交替進(jìn)入吸附塔來(lái)實(shí)現(xiàn)空氣分離,從而連續(xù)產(chǎn)出高純度的產(chǎn)品氮?dú)狻?/p>

圖2為低壓高純氮?dú)庹镜脑O(shè)計(jì)工藝簡(jiǎn)圖。首先利用空壓機(jī)制備8～9 bar壓縮空氣,經(jīng)過(guò)冷干機(jī)、微熱再生吸附式干燥機(jī)干燥處理后,生成低露點(diǎn)的壓縮空氣,作為制氮機(jī)的原料。壓縮空氣經(jīng)過(guò)制氮機(jī)的氮氧分離后,制取出純度99.9995 %、露點(diǎn)-70 ℃的氮?dú)?并再經(jīng)過(guò)二氧化碳(CO2)脫除機(jī)對(duì)但其中的CO2進(jìn)行分離,確保氮?dú)獾母咂焚|(zhì)。

圖2 低壓高純氮?dú)庹竟に嚭?jiǎn)圖

通過(guò)吸附、均壓、解析三個(gè)環(huán)節(jié),三種過(guò)程循壞往復(fù),兩個(gè)吸附塔交替工作,一個(gè)吸附的同時(shí),另一個(gè)吸附塔再生,實(shí)現(xiàn)氮?dú)獾某掷m(xù)生產(chǎn)。

吸附:壓縮空氣進(jìn)入吸附塔,壓力上升到一定值,空氣通過(guò)吸附塔分離出氮?dú)猓?/p>

均壓:經(jīng)過(guò)吸附周期后,兩塔直接連通,單塔壓力下降,另一塔上升,使兩塔壓力平衡；

解析:將使用一部分合格氮?dú)鈱?duì)再生吸附塔塔中的氧氣等氣體直接吹除,排放到大氣中。

2.2 高壓氮?dú)庵苽?/h3>

高壓氮?dú)庵苽湟话闶窃诘蛪旱獨(dú)獾幕A(chǔ)上,采用單級(jí)或多級(jí)活塞壓縮機(jī)或者隔膜壓縮機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步增壓,達(dá)到使用壓力的[4]。這兩種高壓壓縮機(jī)成本較高,輸出壓力比較固定,不適宜頻繁啟停,這里推薦一種高壓氣驅(qū)氣體增壓器,它采用1 MPa低壓壓縮空氣作為驅(qū)動(dòng)力,可將低壓氣體進(jìn)行增壓,進(jìn)氣壓力和增壓壓力相對(duì)比較寬泛,且氣體增壓器無(wú)需潤(rùn)滑油,對(duì)增壓的氣體無(wú)污染。氣體增壓器比較適用于頻繁啟停的工況,性能穩(wěn)定可靠。圖3為氣體增壓器的工作原理圖。

圖3 氣體增壓器的工作原理圖

氣體增壓器的輸出壓力可按照以下公式進(jìn)行計(jì)算:

式中,FA為驅(qū)動(dòng)端面積；FB為輸出端面積；Pa為驅(qū)動(dòng)氣體壓力。

活塞桿兩端的活塞面積不同,將驅(qū)動(dòng)氣體通入與大活塞相連的腔,通過(guò)交替使用吸入和排出氣體的兩個(gè)控制閥,活塞可以往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,根據(jù)受力平衡,小活塞端產(chǎn)生高壓流體。

在采用這種氣體增壓的過(guò)程中,為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化工作,可采用氣動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)控制氣體增壓器的自動(dòng)啟停。圖4為氣體增壓器的高壓輸出控制,氣動(dòng)開(kāi)關(guān)設(shè)定一個(gè)目標(biāo)最高輸出壓力,當(dāng)輸出氣體的壓力高至氣動(dòng)開(kāi)關(guān)設(shè)定的壓力值,氣動(dòng)開(kāi)關(guān)自動(dòng)切斷驅(qū)動(dòng)氣,從而實(shí)現(xiàn)氣體增壓器的高壓輸出自動(dòng)停機(jī),當(dāng)壓力低于氣動(dòng)開(kāi)關(guān)設(shè)定值時(shí),氣體增壓器恢復(fù)增壓工作。圖5為氣體增壓器的低壓輸入控制,氣動(dòng)開(kāi)關(guān)設(shè)定一個(gè)目標(biāo)最低進(jìn)氣壓力,當(dāng)輸入氣體的壓力低至氣動(dòng)開(kāi)關(guān)的設(shè)定值時(shí),氣動(dòng)開(kāi)關(guān)自動(dòng)切斷驅(qū)動(dòng)氣,從而實(shí)現(xiàn)氣體增壓器的低壓輸入自動(dòng)停機(jī),當(dāng)輸入氣體的壓力高于氣動(dòng)開(kāi)關(guān)設(shè)定值時(shí),氣體增壓器恢復(fù)增壓工作。這兩種控制方式組合起來(lái),就可以實(shí)現(xiàn)氣體增壓器的輸入壓力過(guò)低時(shí)自動(dòng)停機(jī)和輸出壓力達(dá)到使用壓力時(shí)自動(dòng)關(guān)機(jī),純機(jī)械控制,性能穩(wěn)定可靠,成本低廉。

圖4 氣體增壓器的高壓輸出控制

圖5 氣體增壓器的低壓輸入控制

在實(shí)際使用中,為了增大高壓氣體的排量,可以采用多臺(tái)氣體增壓器串聯(lián)或并聯(lián)的方式進(jìn)行組合,每級(jí)配置相應(yīng)功能的氣動(dòng)開(kāi)關(guān),集成一套高壓氣體增壓裝置。在設(shè)計(jì)高壓氣體增壓裝置時(shí),需考慮在增壓級(jí)間配置冷卻器和級(jí)間緩沖,使各級(jí)氣體增壓器能夠平穩(wěn)運(yùn)行。并且,在高壓氣體增壓裝置后,一般需配置一定容積的氣瓶(組)或者儲(chǔ)氣罐,保證高壓氣源的供氣能力。這種氣體增壓器可以在任意一級(jí)氣體增壓器加入滿足壓力的進(jìn)氣,靈活性好。在氣源壓力提高或者流量增大的時(shí)候,這種氣體增壓器的靈活性比較高,改造方便,且使用壽命長(zhǎng),維護(hù)簡(jiǎn)單。

40 MPa氮?dú)鈿庠凑臼抢梦寮?jí)氣體增壓器增壓,將7～8 bar低壓氮?dú)庠鰤褐?0 MPa,流量每臺(tái)可達(dá)1.5 N·m3/min。圖6為40 MPa氮?dú)庠鰤簷C(jī)照片,由北京海德利森設(shè)計(jì)制造,型號(hào)分別為HY-MGB-6K-N2。

圖6 氮?dú)庠鰤簷C(jī)照片

3 純化干燥處理

為了提高氣體的品質(zhì),可以選配一些氣體凈化裝置,比如CO2脫除裝置、高壓純化器等裝置。CO2脫除裝置一般加在制氮機(jī)之后,用于脫除氮?dú)庵械腃O2的含量。純化器可以去除高壓氣體(氧、氮、氦、氬等)中的水汽、油蒸汽及碳氧化合物等[5]。高壓純化器可安裝在終端用氣前,保證最終供氣的品質(zhì)。在實(shí)際使用中,也可以選用多只純化器串聯(lián)的方式,每只純化器配備不同功能的濾芯,使氣體達(dá)到使用要求,圖7所示為多只高壓純化器串聯(lián)使用的參考照片。

4 氣源站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 遠(yuǎn)程控制與視頻監(jiān)控

遠(yuǎn)程控制可以對(duì)氣源站中的各臺(tái)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)監(jiān)控,可實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)(組)、制氮機(jī)(組)、冷干機(jī)(組)、吸干機(jī)(組)、氣體輸送閥門等設(shè)備的遠(yuǎn)程啟?？刂?并且實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各臺(tái)設(shè)備的工作狀態(tài),出現(xiàn)故障時(shí),可以在監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警,并提示報(bào)警原因。緊急情況下,控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的緊急停車,遠(yuǎn)程控制與視頻監(jiān)控臺(tái)參考照片如圖8所示。

圖7 多只高壓純化器的串聯(lián)使用

圖8 遠(yuǎn)程控制與視頻監(jiān)控臺(tái)

4.2 氣體濃度及品質(zhì)監(jiān)測(cè)

當(dāng)氣源站有氮?dú)狻鍤饣蚱渌麜?huì)導(dǎo)致人員窒息或者易燃易爆的氣體時(shí),需要配置相應(yīng)的氣體濃度檢測(cè)儀,對(duì)環(huán)境中的氣體濃度進(jìn)行檢測(cè),當(dāng)?shù)獨(dú)?、氬氣等發(fā)生泄漏時(shí),濃度超標(biāo)時(shí),檢測(cè)儀自動(dòng)報(bào)警,并把報(bào)警信號(hào)發(fā)送至監(jiān)控室。

除了氣體濃度檢測(cè)外,也可以對(duì)氣源的品質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè),可以監(jiān)測(cè)氣源的露點(diǎn)、氣體純度、氣體流量等,保證氣源的品質(zhì),確?？煽康墓?其中圖9為氧濃度報(bào)警系統(tǒng)參考照片,圖10為氧濃度監(jiān)控儀參考照片。

5 廠房建設(shè)

氣源站在廠房建設(shè)時(shí),我們應(yīng)該注意一些事項(xiàng):

1)同類設(shè)備能相互連通,相互備份,這樣在發(fā)生設(shè)備故障時(shí),可以用其他設(shè)備替代,解決臨時(shí)供氣問(wèn)題,也從一定程度上節(jié)約設(shè)備成本。例如出口壓力一致的空壓機(jī),出口可以相互連通,共同供氣。

2)氣源站中涉及到壓力容器和壓力管道,必須嚴(yán)格按照國(guó)家規(guī)定和規(guī)范,進(jìn)行相關(guān)的設(shè)備報(bào)監(jiān)登記,取得施工和使用許可后,方可開(kāi)始使用。

3)氣源站設(shè)備需要合理布局,同時(shí)考慮氣源站的通風(fēng)和散熱。

圖9 氧濃度報(bào)警系統(tǒng)照片

圖10 氧濃度監(jiān)控儀照片

4)眾多高功率設(shè)備放置在一起時(shí),需要考慮降噪或者噪音隔離處理、減振和隔振處理。

5)氣源管路長(zhǎng)距離輸送,需考慮挖設(shè)管道地溝,地溝內(nèi)要求排水順暢,地溝上封裝蓋板,并設(shè)立安全警示標(biāo)志,保障過(guò)往人員的人身安全。

6 節(jié)能與環(huán)保

在選用設(shè)備時(shí),應(yīng)盡可能考慮設(shè)備是否節(jié)能減排,比如選用電機(jī)時(shí),可以考慮高能效電機(jī),或者變頻電機(jī)。在設(shè)備使用過(guò)程中,定期檢查設(shè)備狀態(tài),發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理,這樣也可以適當(dāng)降低能耗,例如定期更換或清理過(guò)濾器濾芯,可降低流阻,保證氣體流通順暢。

另外,氣源站建設(shè)需考慮環(huán)保。氣源設(shè)備工作過(guò)程中,會(huì)產(chǎn)生大量廢棄的冷凝液,這是氣體在壓縮過(guò)程中冷凝出來(lái)的水分、油分組合而成的混合液,這種混合液會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染,在排放之前應(yīng)該進(jìn)行處理,達(dá)到環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)后,方可排到環(huán)境中。在這里,推薦一種廢油收集器。它無(wú)需供電,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,處理效果好。

工作原理為:油水混合液在壓力的作用下經(jīng)過(guò)連接管道進(jìn)入氣液分離倉(cāng)進(jìn)行離心分離,氣體經(jīng)除油(吸附)凈化后排入環(huán)境空氣,系統(tǒng)壓力同時(shí)在此得到釋放。隨著冷凝液帶入的顆粒雜質(zhì)被液固分離器進(jìn)行分離,不斷增加的冷凝液在重力分離桶內(nèi)的親油疏水材料的表面,微小油滴被大量吸引,得以粗?；?再靠重力進(jìn)行分離,在重力的作用下油在液體表面不斷聚合成為厚的油層,浮在頂層的油通過(guò)溢流裝置落入集油桶內(nèi)。經(jīng)過(guò)這個(gè)初步處理,大片浮油和大油滴已經(jīng)去除。然后冷凝液流入前級(jí)分離筒,將懸浮在液體中的微小油滴進(jìn)一部凝聚成大油滴,使之浮到液體上面。經(jīng)預(yù)分離的冷凝液進(jìn)入吸附分離筒,吸附少量的殘和微化液,經(jīng)過(guò)處理的廢水含油量少于10 ppm,可直接排放。

7 結(jié) 論

目前,國(guó)內(nèi)高壓氣源站比較少,關(guān)于高純高壓氣源站的國(guó)家規(guī)范也比較缺乏,人們一般采用標(biāo)準(zhǔn)瓶裝氣體用于生產(chǎn)和試驗(yàn),這種瓶裝氣體壓力一般在15 MPa左右,壓力較低,運(yùn)輸麻煩,對(duì)于用氣量多、氣體品質(zhì)要求高、使用壓力高的單位部門來(lái)講,遠(yuǎn)達(dá)不到使用需求。本文敘述的高純高潔凈綜合高壓氮?dú)鈿庠凑緯?huì)是一種更佳的優(yōu)化設(shè)計(jì),它的適用性強(qiáng),使用簡(jiǎn)單,靈活多變,對(duì)今后高純、高潔凈、高壓氣源站的設(shè)計(jì)建造有一定的指導(dǎo)借鑒意義。