魏金瑩，李山峰，郭永朝，閆慧子

(北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074)

1 前 言

氫能是一種清潔高效的未來能源，氫能以其來源廣、可儲存、可再生、零污染的特殊稟性成為國際能源變革的重要選擇。液氫密度是氣氫密度的800倍以上，如果通過使用低成本、大規(guī)模高效液化技術(shù)和高效、高安全性的儲運(yùn)、加注設(shè)備，那么液氫的使用成本將大幅降低，液氫的應(yīng)用領(lǐng)域也會逐漸從航天軍工領(lǐng)域擴(kuò)展至民用領(lǐng)域。在液氫生產(chǎn)系統(tǒng)中會配備液化冷箱，實(shí)現(xiàn)氫氣到液氫的轉(zhuǎn)化，在冷箱內(nèi)布置了多級換熱器，溫區(qū)在20～80 K，為了保證必須的低溫環(huán)境，阻止熱交換，必須使冷箱內(nèi)保持1×10-3Pa的真空。相應(yīng)的須配備一套絕熱真空機(jī)組，真空機(jī)組包含初級泵和次級泵，兩者串聯(lián)，兩者啟停由真空計(jì)數(shù)值聯(lián)鎖控制，與此同時(shí)初級泵還可以用來對管路進(jìn)行抽空置換。

2 系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)氫液化冷箱技術(shù)要求，需要配備一套真空系統(tǒng)，其中冷箱真空度要求為：1×10-3Pa。為了滿足真空度要求,通常采用分子泵，但分子泵的啟動(dòng)壓力一般在100 Pa左右，無法在大氣壓下啟動(dòng)，為了確保分子泵的壽命和可靠性，有些廠家建議在10 Pa以下啟動(dòng)分子泵,由于冷箱最初為常壓，因此如果采用分子泵，必須采用初級泵和次級分子泵結(jié)合的方式。首先使用初級泵對系統(tǒng)抽真空，等真空度滿足分子泵啟動(dòng)條件后再開啟分子泵。經(jīng)計(jì)算系統(tǒng)初級泵抽速不低于0.048 m3/s，分子泵抽速不低于2.2 m3/s為宜。在初級泵選型方面，經(jīng)調(diào)研目前市場上的干泵和旋片泵均能滿足要求，但干泵的極限真空度約為數(shù)Pa左右，真空度較低，而雙級旋片泵的極限真空度能達(dá)到6×10-2～1×10-2Pa水平，極限真空度相對較高，且性價(jià)比較高，因此初級泵選擇旋片泵[1]。對于分子泵，考慮到磁懸浮分子泵利用磁力作用將轉(zhuǎn)子懸浮于空中，使轉(zhuǎn)子與定子之間沒有機(jī)械接觸，不用任何潤滑油，可實(shí)現(xiàn)完全無油化，而且由于轉(zhuǎn)子與定子之間沒有機(jī)械接觸，軸承的壽命非常長，加上泵的振動(dòng)與噪聲很低，安裝姿態(tài)不受限制，可任意角度安裝，因此計(jì)劃選擇磁懸浮渦輪分子泵[2]。同時(shí)初級泵與分子泵串聯(lián)滿足氫液化冷箱的真空度要求，能夠滿足氫液化系統(tǒng)氦氣管路的抽空置換，而氦氣管路置換對抽速要求不高，因此計(jì)劃選擇兩臺不低于0.024 m3/s的旋片泵，在抽氦氣管路時(shí)只使用一臺，另一臺作為備份以增加系統(tǒng)的互換性。具體流程如圖1所示。其中冷箱前端還增加了一個(gè)與過渡段法蘭連接的手動(dòng)閥，這樣可以把真空系統(tǒng)做成可移動(dòng)式撬裝結(jié)構(gòu)，在冷箱停產(chǎn)無須抽真空的情況下可以將冷箱前端手動(dòng)閥關(guān)閉，將真空系統(tǒng)拆卸下來給其他系統(tǒng)抽空。由于系統(tǒng)采用全自動(dòng)，閥門采用氣動(dòng)閥或防爆電磁閥，經(jīng)調(diào)研目前市場上較好的真空閥門為VAT的氣動(dòng)閥門，故系統(tǒng)抽空管路上所用的閥門計(jì)劃選擇VAT氣動(dòng)閥。

圖1 真空系統(tǒng)流程圖

3 系統(tǒng)防爆功能設(shè)計(jì)

冷箱本身是一臺中空的容器，端部安裝了閥門、管路、內(nèi)置了多級換熱器、吸附器等設(shè)備。真空系統(tǒng)為氫液化冷箱抽真空，為內(nèi)部換熱器等提供真空環(huán)境，阻止熱交換，確保系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)氫氣到液氫之間的逐級轉(zhuǎn)化。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，冷箱內(nèi)換熱器、吸附器等管路采用焊接結(jié)構(gòu)，避免管路氫氣泄漏，同時(shí)廠房內(nèi)部還安裝了氫濃度探頭和聯(lián)鎖風(fēng)機(jī)，以確保故障時(shí)泄漏氫氣的疏散，應(yīng)該說從工藝建設(shè)和廠房硬件方面都提供了必備的安全保障，但考慮到冷箱內(nèi)設(shè)備中有些管路內(nèi)流經(jīng)介質(zhì)為氫，為了進(jìn)一步確保安全，對抽真空系統(tǒng)采取了防爆設(shè)計(jì)。在GB 50058—2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中明確規(guī)定爆炸性環(huán)境的電力裝置設(shè)計(jì)宜將設(shè)備和線路，特別是正常運(yùn)行時(shí)能發(fā)生火花的設(shè)備布置在爆炸性環(huán)境以外[3]。當(dāng)需設(shè)在爆炸性環(huán)境內(nèi)時(shí)，應(yīng)布置在爆炸性危險(xiǎn)性較小的地方?？紤]到分子泵和機(jī)械泵如果放置在非防爆間，距離冷箱較遠(yuǎn)，抽空效果不理想，仍計(jì)劃放置在冷箱旁邊，并根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)做好防爆設(shè)計(jì)。為了確保人員安全和工藝易操作性，采用自動(dòng)控制，將控制柜放置在非防爆間，既加大了操作安全性，也滿足了工藝自動(dòng)化需要，減少了人力。另外為進(jìn)一步確保真空機(jī)組的安全性能，分子泵與機(jī)械泵之間的所有閥門采用氣動(dòng)閥，但供氣系統(tǒng)需要電磁閥控制，為了保障安全，控制系統(tǒng)供氣和停氣的電磁閥安裝在控制柜上，同樣處于非防爆間，進(jìn)一步降低了安全隱患。

對于真空機(jī)組，也就是旋片泵和分子泵的防爆設(shè)計(jì)必須參照我國的相關(guān)規(guī)范。在GB 50058—2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中根據(jù)爆炸氣體混合物出現(xiàn)的頻率程度和持續(xù)時(shí)間將爆炸性氣體環(huán)境分為0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)，其中0區(qū)為連續(xù)出現(xiàn)或長期出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境；1區(qū)為正常運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境；2區(qū)為正常運(yùn)行時(shí)不太可能出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境，或即使出現(xiàn)也僅是短時(shí)間內(nèi)存在的爆炸性氣體混合物的環(huán)境?？紤]到在廠房內(nèi)已有冷箱的氫氣回路都采用焊接結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有的冷箱有的運(yùn)行十幾年都沒有出現(xiàn)設(shè)備氫氣泄漏的現(xiàn)象，因此真空系統(tǒng)所在的區(qū)域應(yīng)為2區(qū)。GB 50058—2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定2區(qū)內(nèi)設(shè)備保護(hù)級別為Ga、Gb或Gc均可。設(shè)備保護(hù)級別通常簡稱為EPL，是Equipment protection levels的簡寫形式,其中“EPL Ga”爆炸性氣體環(huán)境用設(shè)備，具有“很高”的保護(hù)等級，在正常運(yùn)行中，在預(yù)期的故障條件下或者在罕見的故障條件下不會成為點(diǎn)燃源；“EPL Gb”爆炸性氣體環(huán)境用設(shè)備，具有“高”的保護(hù)等級，在正常運(yùn)行過程中、在預(yù)期的故障條件下不會成為點(diǎn)燃源；“EPL Gc”爆炸性氣體環(huán)境用設(shè)備，具有“加強(qiáng)”的保護(hù)等級，在正常運(yùn)行過程中不會成為點(diǎn)燃源，也可采取附加保護(hù)，保證在點(diǎn)燃源有規(guī)律預(yù)期出現(xiàn)的情況下(如燈具的故障)不會點(diǎn)燃。其中在不同的等級下可采用相應(yīng)的電氣設(shè)備防爆結(jié)構(gòu)，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 電氣設(shè)備保護(hù)級別與電氣設(shè)備防爆結(jié)構(gòu)的關(guān)系

真空系統(tǒng)所在的環(huán)境為2區(qū)，設(shè)備保護(hù)等級為Ga、Gb和Gc即可，因此在選擇時(shí)會在安全第一、符合Ga、Gb或Gc的基礎(chǔ)上，考慮系統(tǒng)實(shí)施的難易程度和技術(shù)成熟度。真空系統(tǒng)包括旋片泵和分子泵，目前旋片泵的防爆形式常見于Gb中的隔爆型，采用電機(jī)防爆的形式，滿足安全要求。但防爆電機(jī)選型時(shí)，必須考慮到防爆等級，這也與我國防爆標(biāo)準(zhǔn)要求相關(guān)，在GB 3836.11—2017《爆炸性環(huán)境 第11部分：氣體和蒸氣物質(zhì)特性分類試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)》中規(guī)定氣體和蒸汽可依據(jù)最大試驗(yàn)安全間隙分為I類和ⅡA類、ⅡB類和ⅡC類。爆炸性氣體環(huán)境用設(shè)備分為兩類，分別為Ⅰ類和Ⅱ類，其中Ⅰ類為煤礦瓦斯氣體(甲烷)環(huán)境用設(shè)備，Ⅱ類為煤礦瓦斯氣體(甲烷)環(huán)境之外其他爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備，本次并非煤礦(甲烷)用電設(shè)備，顯然屬于Ⅱ類。同時(shí)該標(biāo)準(zhǔn)中將爆炸性氣體混合物按照最大試驗(yàn)安全間隙(MESG)或最小點(diǎn)燃電流比(MICR)分為ⅡA、ⅡB和ⅡC三個(gè)級別，具體數(shù)值如表2所示，大多數(shù)氣體和蒸氣用最大試驗(yàn)安全間隙或最小點(diǎn)燃電流比即可，少數(shù)情況下需要同時(shí)測定。其中GB 3836.11—2017《爆炸性環(huán)境 第11部分：氣體和蒸氣物質(zhì)特性分類試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)》中提出氫氣在體積分?jǐn)?shù)為29.0%～31.0%時(shí)，最大試驗(yàn)安全間隙(MESG)為0.30 mm[4]，最小點(diǎn)燃電流是指在規(guī)定的條件下，能點(diǎn)燃最易點(diǎn)燃混合物的最小電流。最小點(diǎn)燃能量可以用一定電壓下的電流值來表示，例如電壓為24 V和電感為95 mH的電感性電路，甲烷的最小點(diǎn)燃電流為110 mA，氫氣為30 mA。某氣體的最小點(diǎn)燃電流比(MICR)為該氣體最小點(diǎn)燃電流與甲烷的最小點(diǎn)燃電流的比值，在以上電壓為24 V、電感為95 mH的電感性電路氫氣的最小點(diǎn)燃電路比為0.27。不論是從氫氣的最大試驗(yàn)安全間隙還是最小點(diǎn)燃電流比可知，氫氣為典型的ⅡC類氣體，其所采用的設(shè)備防爆等級也許滿足ⅡC要求。

表2 爆炸性氣體混合物分級

同時(shí)爆炸性氣體混合物按照引燃溫度分組，引燃溫度分組應(yīng)符合表3規(guī)定，由于氫氣的引燃溫度為500℃，故選擇電氣設(shè)備溫度組別為T1即可，但目前電機(jī)廠家為了涵蓋更多的氣體類別，普遍生產(chǎn)的溫度組別為T4，因此旋片泵防爆電機(jī)選型為Ⅱ C T4。

表3 Ⅱ類電氣設(shè)備的溫度組別、最高表面溫度和氣體、蒸氣引燃溫度之間的關(guān)系

除了旋片泵以外，系統(tǒng)還配備了分子泵，但目前市場上的分子泵都沒有配備防爆電機(jī)，須采用其他的防爆形式,目前常用的防爆型式為px型正壓防爆，所謂的正壓保護(hù)是配備一個(gè)正壓外殼，保持外殼內(nèi)部保護(hù)氣體的壓力高于外部壓力，阻止外部爆炸性氣體進(jìn)入外殼的方法[5]。因此項(xiàng)目組將分子泵封閉在一個(gè)防爆箱內(nèi)，同時(shí)向防爆箱內(nèi)充入氮?dú)?，保持系統(tǒng)氮?dú)馕⒄龎?，如圖2所示。

圖2 分子泵正壓防爆原理圖

4 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)及組成

系統(tǒng)主要由以下4個(gè)部分組成：1.撬裝平臺：包括防爆箱，可移動(dòng)機(jī)架；2.真空機(jī)組：主要包括真空泵、真空閥門、管路及真空測量儀器等；3.輔助系統(tǒng)：主要包括供氣系統(tǒng)、供水系統(tǒng)；4.監(jiān)控系統(tǒng)：主要包括觸摸屏、控制電源、PLC和各種操作控制開關(guān)等。

4.1 撬裝平臺

考慮到此次冷箱間歇式運(yùn)轉(zhuǎn)，在冷箱停車期間可以把真空系統(tǒng)用在其他抽真空要求相同的系統(tǒng)，為節(jié)約成本，將真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)為可移動(dòng)式撬裝結(jié)構(gòu)，且下端帶滾輪，為冷箱抽真空時(shí)只需將真空系統(tǒng)與冷箱采用法蘭形式對接；為其他系統(tǒng)抽真空時(shí)，只需將真空系統(tǒng)與冷箱斷開，再與其他系統(tǒng)相連即可。考慮到管路連接，在機(jī)組接口處安裝一段波紋管，方便機(jī)組和被抽空容器的連接。撬裝平臺主要由防爆箱、可移動(dòng)小車組成。機(jī)架使用標(biāo)準(zhǔn)型鋼管焊接成型。機(jī)架承重好，穩(wěn)定性好，可推拉，底部有腳輪，方便移動(dòng)。機(jī)架上安裝機(jī)械泵、分子泵、防爆箱。防爆箱采用六方體，開氮?dú)膺M(jìn)出孔，開冷卻水進(jìn)出孔，走線孔。防爆箱內(nèi)放置分子泵，真空傳感器等。

4.2 真空機(jī)組

真空機(jī)組包括機(jī)械泵、分子泵、前級隔斷閥門、主抽閥、過渡腔及管路、連接工位用閥門、真空測量用傳感器等，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 真空機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖

分子泵入口高真空位置安裝一個(gè)進(jìn)口真空傳感器，用于測量高真空真空度，同時(shí)在插板閥關(guān)閉情況下可觀察冷箱真空度；在分子泵出口位置安裝一個(gè)進(jìn)口低真空傳感器，真空傳感器可與PLC直接通訊，真空度顯示在觸摸屏上，可直接讀取。

4.3 輔助系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)主要包括供氣系統(tǒng)、供水系統(tǒng)。供氣系統(tǒng)提供氣動(dòng)真空閥門氣源以及保持防爆箱內(nèi)微正壓狀態(tài)；供水系統(tǒng)為分子泵提供冷卻水。

4.3.1供氣系統(tǒng)

供氣系統(tǒng)包括防爆箱微正壓供氣系統(tǒng)、儀表氣供氣系統(tǒng)兩個(gè)系統(tǒng)。供氣系統(tǒng)整體布局圖如圖4所示。防爆箱微正壓供氣系統(tǒng)包括供氣管路、壓力釋放閥、過濾減壓閥、氣動(dòng)截止閥、調(diào)壓閥等，壓力不大于1 MPa。根據(jù)我國標(biāo)準(zhǔn)，正壓防爆箱內(nèi)微正壓的壓力不低于50 Pa，本系統(tǒng)在防爆箱適當(dāng)位置設(shè)置氮?dú)膺M(jìn)口和出口，從氮?dú)馊肟谙蚍辣鋬?nèi)通入氮?dú)?，保持箱?nèi)微正壓。氣源氮?dú)庖来瓮ㄟ^安裝于壓機(jī)間控制柜上的壓力釋放閥(防止超過設(shè)定壓力，超壓自動(dòng)泄壓)、過濾器(去除氣源的雜質(zhì)及顆粒)、氣動(dòng)截止閥(控制進(jìn)氣)、調(diào)壓閥(控制進(jìn)氣壓力)通入防爆箱內(nèi)。防爆箱安裝防爆壓力變送器、防爆氣動(dòng)截止閥，壓力變送器實(shí)時(shí)顯示箱內(nèi)壓力，當(dāng)壓力大于400 Pa時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)打開出口閥放氣，當(dāng)系統(tǒng)壓力低于80 Pa時(shí)出現(xiàn)低壓報(bào)警，雖然此時(shí)壓力仍然大于50 Pa，但提前提醒工作人員查找原因，確保系統(tǒng)正常工作。儀表氣系統(tǒng)包括供氣管路、過濾器、控制閥門用電磁閥等，壓力約0.4～0.5 MPa。儀表氣源氣體經(jīng)過濾器過濾后，供給各個(gè)閥門用電磁閥，由各電磁閥控制相關(guān)氣動(dòng)閥門工作。供氣系統(tǒng)閥門布局圖如圖5所示。

圖4 供氣系統(tǒng)整體布局圖

圖5 供氣系統(tǒng)閥門布局圖

4.3.2供水系統(tǒng)

供水系統(tǒng)包括供水管路、過濾器、閥門、流量計(jì)等。在水的進(jìn)出口分別安裝一個(gè)手動(dòng)截止閥，控制進(jìn)出水。在進(jìn)水位置安裝一個(gè)過濾器，去除水中的雜質(zhì)。在出水口處設(shè)置流量計(jì)，在分子泵冷卻水流量不足時(shí)報(bào)警，起保護(hù)分子泵作用。供水系統(tǒng)布局圖及水管示意圖如圖6所示。

圖6 供水系統(tǒng)布局圖

4.3.3監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，它包括機(jī)柜、觸摸屏、PLC等設(shè)備。該系統(tǒng)采用清晰明了的人機(jī)交互界面，方便人員操作，如圖7所示。同時(shí)對必要的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、整理、記錄、顯示。

圖7 人機(jī)交互界面

5 結(jié) 論

本文從系統(tǒng)工藝選型、防爆功能設(shè)計(jì)以及各個(gè)系統(tǒng)的配置方面闡述了真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，系統(tǒng)還配備了PLC控制模塊，由于該真空系統(tǒng)為氫液化冷箱抽真空，是氫液化系統(tǒng)的一部分，因此該真空系統(tǒng)除了自身配備控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)本地控制以外，還預(yù)留有遠(yuǎn)程接口，方便讀取信息進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。經(jīng)過調(diào)試，各個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行正常，完全滿足冷箱對真空系統(tǒng)的要求。