張君天，胡攀輝，安志恒，張國軍，王世超，張大偉，于鑫

(上海航天精密機械研究所，上海 201600)

0 前言

氮氣的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在工業(yè)、軍事領(lǐng)域有著重要的作用，是工業(yè)產(chǎn)品中使用廣泛的保護(hù)氣，能夠為產(chǎn)品提供干燥的氣氛環(huán)境，以免出現(xiàn)銹蝕。在釬焊領(lǐng)域，氮氣可以作為釬焊保護(hù)氣以防止工件焊接過程氧化[1]；在煤礦領(lǐng)域，井下常采用移動式制氮機制取氮氣以抑制瓦斯爆炸[2]；在化工領(lǐng)域，氮氣常被用做石油化工裝置中的吹掃氣、保護(hù)氣和密封氣[3]；在航空領(lǐng)域，機載制氮系統(tǒng)采用氣體分離膜將發(fā)動機引氣分離，將氮氣注入油箱進(jìn)行惰性化，該技術(shù)在軍用飛機、民用客機、運輸機和直升機上均有應(yīng)用[4-5]。氮氣在軍事領(lǐng)域也有非常廣泛的用途。隨著航空武器裝備的發(fā)展，對氮氣的需求量也越來越高，例如某型自行火炮的火控、眇導(dǎo)等光電儀器內(nèi)采用注入氮氣的方法進(jìn)行保護(hù)[6]，貯運發(fā)射筒作為重要的發(fā)射載具，是導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的重要組成部分，需要使用氮氣置換發(fā)射筒內(nèi)的空氣，保持發(fā)射筒內(nèi)處于氮氣保護(hù)狀態(tài)[7-8]。

目前氮氣主要采用標(biāo)準(zhǔn)氮氣瓶直接進(jìn)行充裝，但在戰(zhàn)術(shù)陣地等邊遠(yuǎn)地區(qū)運輸?shù)獨馄坎槐??；诖诵枨?，本文作者設(shè)計一種基于空氣纖維膜的模塊化制氮充氮設(shè)備，可以直接用于貯運發(fā)射筒的氮氣充裝，也可以為標(biāo)準(zhǔn)氮氣瓶充裝。

1 系統(tǒng)組成和原理

1.1 制氮方法選擇

常見的制氮工藝包括深冷分離制氮、PSA變壓吸附制氮、膜分離制氮等。深冷分離制氮的原理主要是將空氣經(jīng)過壓縮、冷卻、凈化后利用熱交換把空氣液化，再根據(jù)液氧和液氮的沸點不同，通過精餾方法獲得富氧液空和氮氣[9]。PSA變壓吸附制氮的工作原理主要利用了氧和氮在碳分子篩表面上的擴(kuò)散速率不同，在不同壓力下吸附容量不同，降低壓力即可解吸碳分子篩吸附的氧分子從而循環(huán)利用碳分子篩。變壓吸附技術(shù)已經(jīng)在制氮車輛[10]、小型制氮系統(tǒng)[11]以及大型化工生產(chǎn)中使用[12-13]，技術(shù)較為成熟。膜分離制氮的工作原理為：利用氮氣和氧氣在膜中的溶解度和擴(kuò)散速度不同，氮氣在膜兩側(cè)壓差作用下滲透較慢得到富集，從而實現(xiàn)氮氧分離的目的。膜分離方法在航空領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域應(yīng)用較多，經(jīng)歷過嚴(yán)格的試驗考評，具有流程簡單、操作方便、穩(wěn)定性好、節(jié)能和免維護(hù)等特點。這一技術(shù)已經(jīng)在海軍及空軍配備的ZD-1型航空制氮車、HCBZ01-40型航空制氮車和K/DZZ-2型航空制氮車等新型制氮裝備中推廣應(yīng)用[14-15]。深冷分離制氮技術(shù)占地面積較大，不適用于便攜式制氮設(shè)備；PSA變壓吸附制氮方法相比膜分離技術(shù)的啟動時間更長，且在制氮過程的吸附-降壓-解吸-吸附過程中存在壓力波動；而膜分離制氮方法在常溫高壓下工作，無需循環(huán)切換工作模式，氮氣壓力穩(wěn)定，故選用膜分離制氮技術(shù)。

采用膜空分法的工藝流程如下：當(dāng)2種或2種以上的氣體混合物通過高分子膜時，由于各種氣體在膜中溶解度和擴(kuò)散系數(shù)的差異，導(dǎo)致不同氣體在膜中相對滲透速率不同。根據(jù)這一特性，可獲得各種氣體，氣體分為“快氣”和“慢氣”。當(dāng)混合氣體在驅(qū)動力--膜兩側(cè)壓力差作用下，滲透速率相對快的氣體如水、氫氣、氦氣、硫化氫、二氧化碳等過膜后，在膜的滲透側(cè)被富集，而滲透速率相對較慢的氣體，如甲烷、氮氣、一氧化碳和氬氣等氣體則滯留在膜的滯留側(cè)而富集，從而達(dá)到混合氣體分離的目的。制氮膜工作流程示意詳見圖1。

圖1 氮氣膜工作原理Fig.1 Working principle of nitrogen membrane

環(huán)境空氣經(jīng)壓縮凈化，除去油、水、灰塵后，經(jīng)加熱器加熱至約40 ℃時進(jìn)入膜分離器進(jìn)行分離。首先，壓縮空氣中的氧氣、二氧化碳以及少量水汽會快速滲透過膜壁，并通過模組壓力箱側(cè)面的排氣孔在大氣壓條件下排出；空氣中的氮氣滲透過膜壁的氮氣分析儀檢測氮氣純度，檢驗合格后送至用氣點。經(jīng)過富集的氮氣純度可以達(dá)到99%以上，產(chǎn)氣量為1.8 m3/h。氮氣膜構(gòu)造示意詳見圖2。

圖2 氮氣膜結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of nitrogen membrane

1.2 總體設(shè)計

制氮充氮設(shè)備由3個主要模塊組成：制氮模塊、增壓模塊和充氮模塊。其中，由制氮模塊產(chǎn)生的低壓氮氣作為低壓氮氣源，可直接經(jīng)充氮模塊對貯運發(fā)射箱(筒)進(jìn)行充氮作業(yè)，也可以由增壓模塊對低壓氮氣進(jìn)行增壓，以高壓氣體為標(biāo)準(zhǔn)氮氣瓶進(jìn)行充裝。

低壓制氮模塊制氮系統(tǒng)主要由壓縮空氣機組、緩沖容器、氣體過濾干燥器(Q、P、S三級過濾器)、加熱器、氮氣膜、氣路控制閥、氣體質(zhì)量檢測傳感器、PLC、觸摸屏等控制元件和低壓氮氣充氣裝置等組成，主要功能為輸出合格的低壓氮氣和可直接進(jìn)行低壓氮氣充氮防護(hù)(在線檢測大氣環(huán)境的絕對壓力和溫濕度數(shù)據(jù))。低壓制氮模塊詳見圖3。

圖3 低壓制氮模塊組成Fig.3 Composition of nitrogen producing module

增壓模塊主要由空壓機組、增壓泵、氣體干燥和過濾裝置、管路控制閥、壓力傳感器等組成(如圖4所示)，控制系統(tǒng)共用低壓模塊中的程序，集成在制氮模塊中。

圖4 增壓模塊組成Fig.4 Composition of booster module

充氮設(shè)備主要由機械結(jié)構(gòu)、氣路系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等組成。機械結(jié)構(gòu)主要包括充氣槍、安裝面板以及箱體等，其作用是連接發(fā)射筒充氣活門、固定電氣與氣路元件；氣路系統(tǒng)包含氮氣瓶、減壓器(含壓力表)、進(jìn)氣電磁閥、排氣電磁閥、筒內(nèi)壓力傳感器、筒內(nèi)溫濕度傳感器、環(huán)境壓力傳感器、環(huán)境溫濕度傳感器以及氣管、氣路接頭等，實現(xiàn)發(fā)射筒充氣與排氣功能；控制系統(tǒng)包括蓄電池模塊、PLC、觸摸屏、航空插頭、接線端子以及控制軟件等，接收傳感器信號，驅(qū)動電磁閥工作，實現(xiàn)氮氣重裝作業(yè)。充氮模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 充氮模塊組成Fig.5 Composition of nitrogen filling module

1.3 結(jié)構(gòu)及布局

1.3.1 制氮模塊

制氮模塊的整體布局如圖6所示(移除覆板等)，采用移動式封閉箱體結(jié)構(gòu)，閥門、儀表等內(nèi)嵌式安裝在操作面板上?？蚣苌习惭b腳輪，并設(shè)置固定裝置，設(shè)備在使用時固定，使用完之后可以解鎖移動。箱體使用框架結(jié)構(gòu)，四周覆板均可拆卸，便于安裝和維修。低壓制氮模塊內(nèi)設(shè)控制模塊，集成制氮模塊和增壓模塊的控制部分。所有元器件用螺栓固定在支架上，內(nèi)墊一層軟膠皮，用于抗震。低壓制氮模塊在空壓機位置兩側(cè)安裝活動門，方便空壓機和散熱器散熱?？諌簷C吸氣口與散熱口位置錯開設(shè)計，防止空壓機吸入熱空氣，氣體輸出溫度過高而影響后端過濾、除水、除油等過程的效率。干燥膜、氮氣膜的排氣口和不合格氮氣排氣口安裝了消音器，排氣位置在設(shè)備出氣口側(cè)，在低壓制氮模塊所排放的富氧空氣中，氧含量達(dá)到30%～45%，因此，該富氧空氣排放口附近禁止用火。

圖6 制氮模塊整體布局Fig.6 Layout of nitrogen producing module

1.3.2 增壓模塊

增壓模塊的結(jié)構(gòu)布局如圖7所示，采用移動式封閉箱體結(jié)構(gòu)。模塊框架安裝有可以自鎖的腳輪，周身覆板為可拆卸結(jié)構(gòu)，閥門、儀表等內(nèi)嵌式安裝在操作面板上。

圖7 增壓模塊結(jié)構(gòu)布局Fig.7 Layout of booster module

1.3.3 充氮模塊

充氮模塊的結(jié)構(gòu)布局如圖8所示，充氮設(shè)備主要電氣元件、電磁閥、內(nèi)部管路等均放置于面板內(nèi)部，電源、充氣接口、氣源接口對外暴露，采用人機界面進(jìn)行交互與程序控制。環(huán)境壓力傳感器、環(huán)境溫度傳感器、氮氣瓶、減壓器、充氣部件及電源置于箱體底部，箱子有腳輪，方便搬運和拖曳。

圖8 充氮模塊結(jié)構(gòu)布局Fig.8 Layout of nitrogen filling module

2 制氮充氮設(shè)備工藝流程

2.1 制氮模塊工藝流程

低壓制氮模塊的工作流程如下：首先通過空壓機，將空氣吸入空壓機進(jìn)行壓縮，壓縮后的氣體壓力達(dá)到0.8 MPa，由于空壓機對空氣做功，使得壓縮后的氣體溫度升高。通過散熱裝置的冷卻翅片對它進(jìn)行冷卻，冷卻后的氣體通過2級過濾器過濾后進(jìn)入緩沖容器內(nèi)，緩沖容器后端接精密過濾器。散熱器、緩沖容器和過濾器的作用是將壓縮后的氣體進(jìn)行降溫、過濾、除油、除水等，經(jīng)過初步處理的壓縮氣體進(jìn)入到干燥膜設(shè)備再次干燥。處理完成的氣體經(jīng)過緩沖容器緩沖后進(jìn)入加熱器，加熱溫度控制在40～50 ℃。加熱后的壓縮氣體輸送至氮氣膜中進(jìn)行制氮，完成制氮作業(yè)。在氮氣膜的后部安裝流量控制器和氮氣純度、露點在線檢測，可直接輸出0.01～0.6 MPa的潔凈氮氣，也可直接連接充氣槍對設(shè)備進(jìn)行氣體置換和補壓作業(yè)。如供氣過程中出現(xiàn)露點和純度不合格時，設(shè)備自動切斷供氣和不合格氮氣的排放。

低壓制氮模塊原理如圖9所示，主要設(shè)備功能如下：空壓機將空氣進(jìn)行壓縮制取壓縮空氣，散熱器對壓縮空氣進(jìn)行降溫處理，溫度控制在環(huán)境溫度加20 ℃左右。緩沖容器將壓縮空氣進(jìn)行穩(wěn)壓和初步的除油、除水，Q級、P級和S級過濾器將壓縮空氣進(jìn)行過濾、除油和除水，干燥膜將過濾后的壓縮空氣再次進(jìn)行除水干燥，此時的壓縮空氣露點達(dá)到-40 ℃。加熱器將壓縮空氣加熱至50 ℃左右，提高氮氣膜的工作效率，氮氣膜為提取壓縮空氣中的氮氣，氮氣純度不低于99%。系統(tǒng)中設(shè)置的K1閥為常開閥，只有在檢修更換過濾器濾芯時使用，空壓機后端連接過濾器之間的接口RC1/2接口為活接，因整體設(shè)備緊湊，當(dāng)空壓機出現(xiàn)故障需要檢修時，不方便在設(shè)備內(nèi)處理，可通過此接口把空壓機整體拆出檢修，完成后重新安裝即可。

圖9 低壓制氮模塊原理Fig.9 Principle of low pressure nitrogen producing module

氣體經(jīng)過氮氣膜后，此時的氮氣露點達(dá)到-50 ℃左右，通過后端的干燥器和過濾器過濾后，露點達(dá)到-60 ℃以上，C級過濾器為精密過濾器。

KL1、KL2、KL3、KL4、KL5、KL6閥為節(jié)流閥。其中，KL3閥調(diào)節(jié)流量；KL1、KL2閥對干燥膜進(jìn)行反吹再生；KL5閥為節(jié)流閥，調(diào)節(jié)氮氣流量，所有調(diào)節(jié)閥均在設(shè)備出廠調(diào)試時完成設(shè)置，平常無需操作；K5、K6閥為控制閥，安裝在面板上，在選擇輸出時使用，如輸出J1氮氣出口時，需要打開K5，在充氮時需要打開K6。Ky1、Ky2、Ky3、Ky4、Ky5和Ky6閥均為自動排污閥，系統(tǒng)運行中產(chǎn)生的水、油和雜質(zhì)等經(jīng)過其排放，通過管道接出設(shè)備外。L1為流量傳感器，實時顯示系統(tǒng)輸出氮氣的流量。JY1為減壓閥，調(diào)節(jié)輸出純度、露點檢測儀的氮氣壓力。KC1和KC2為電磁閥，系統(tǒng)通過純度、露點檢測儀的參數(shù)自動控制輸出和不合格氮氣的排放。JY2為減壓閥，調(diào)節(jié)控制輸出氮氣檢測的壓力。KC3和KC4為電磁閥，控制接入發(fā)射筒充氣閥進(jìn)行充氮防護(hù)。P1、P2、P3和P4為機械壓力表，顯示系統(tǒng)中的壓力。PC1、PC2、PC3和PC4為壓力傳感器，檢測系統(tǒng)中的壓力并輸出至控制系統(tǒng)和操作面板顯示。T1和T2為溫濕度傳感器，T1檢測設(shè)備進(jìn)行充氮防護(hù)后的溫濕度，T2檢測大氣中的環(huán)境溫濕度，作為控制的參考依據(jù)。Pabs1為絕對壓力傳感器，檢測大氣環(huán)境的絕對壓力，作為控制的參考依據(jù)。A1和A2為安全閥，防止系統(tǒng)超壓而發(fā)生危險，安全閥出廠前已經(jīng)調(diào)整好，請勿隨意調(diào)整。

由上述低壓制氮模塊的工作原理可知：制氮機實際是由空壓機產(chǎn)生的壓縮空氣，在排氣溫度和壓力下為油、水的飽和氣體，在后續(xù)工藝過程中，溫度降低，會析出液態(tài)的油和水，該液態(tài)的油和水會對氮氣膜的性能造成傷害。所以，基于制氮系統(tǒng)的空氣處理和其控制系統(tǒng)需要對壓縮空氣進(jìn)行潔凈化處理。制氮機在初始狀態(tài)下產(chǎn)生的氮氣品質(zhì)無法保證，因此，在使用氮氣前需要進(jìn)行系統(tǒng)排空、純化及預(yù)增壓準(zhǔn)備，待產(chǎn)生的氮氣達(dá)到要求后，關(guān)閉放空閥門，開始持續(xù)氮氣供給。

系統(tǒng)可一鍵自動控制和半自動控制，制氮控制部分采用一鍵啟動，后端充氮防護(hù)時，可采用自動控制和手動控制。

2.2 增壓模塊工作流程

增壓模塊的工作流程為：將潔凈氮氣通過電動增壓泵進(jìn)行增壓，低壓氮氣增壓后，溫度升高，通過散熱翅片進(jìn)行增壓后的氣體降溫，之后將氣體充入緩沖容器中，緩沖容器使得高壓段氣體供氣過程中相對平穩(wěn)。緩沖容器中裝填有干燥劑，通過二次過濾干燥，使高壓氣體干燥度更高。氮氣供給分為高壓供給口和低壓供給口，通過減壓器將高壓氮氣調(diào)節(jié)到所需的壓力，實現(xiàn)氮氣的持續(xù)供給和高壓氮氣灌裝。增壓模塊系統(tǒng)原理詳見圖10。

圖10 增壓模塊系統(tǒng)原理Fig.10 Principle of booster module

2.3 充氮模塊工作流程

充氮設(shè)備氣路原理如圖11所示，主要由氮氣瓶、減壓器、壓力表、電磁閥、箱內(nèi)壓力傳感器(表壓)、筒內(nèi)溫濕度傳感器、環(huán)境壓力傳感器(絕壓)、環(huán)境溫濕度傳感器以及輔助元件(管路接頭、四通、氣管)等組成。高純氮氣貯存于氮氣瓶，為充氣、置換、壓力測試等工藝操作提供氮氣源，經(jīng)過減壓器將高壓氣降壓轉(zhuǎn)化為充氮設(shè)備所需的20～80 kPa低壓氣。控制系統(tǒng)驅(qū)動電磁閥自動打開與切斷氣體管路，筒內(nèi)壓力傳感器、溫濕度傳感器測量發(fā)射筒內(nèi)的實時壓力、實際溫度、濕度，其輸出信號接入控制系統(tǒng)。環(huán)境壓力傳感器、環(huán)境溫濕度傳感器分別測量當(dāng)前大氣環(huán)境下的實時壓力、實時溫度和濕度，其輸出信號接入控制系統(tǒng)，用于計算充氣理論壓力。

圖11 充氮模塊系統(tǒng)原理Fig.11 Principle of nitrogen filling module

充氮模塊可以實現(xiàn)氮氣充裝和置換2項工作，其中充氣的基本流程為：首先放掉筒內(nèi)氣體，關(guān)閉進(jìn)氣閥，打開排氣閥進(jìn)行排氣，當(dāng)筒內(nèi)壓力低于1 kPa時，關(guān)閉排氣閥，打開進(jìn)氣閥充氣，當(dāng)筒內(nèi)壓力達(dá)到理論壓力時，關(guān)閉進(jìn)氣閥保壓。保壓時間過后若壓力低于理論壓力，則繼續(xù)打開進(jìn)氣閥充氣，直至筒內(nèi)壓力維持在理論壓力，充氣過程結(jié)束。

置換的基本流程為：首先放掉筒內(nèi)氣體，關(guān)閉進(jìn)氣閥，打開排氣閥進(jìn)行排氣，當(dāng)筒內(nèi)壓力低于1 kPa時，同時打開進(jìn)氣閥與排氣閥，一邊進(jìn)氣一邊排氣，將筒內(nèi)原有的潮濕空氣替換成干燥的氮氣(純度不低于99%)，實現(xiàn)置換操作，當(dāng)發(fā)射筒內(nèi)的相對濕度不大于35%時，停止置換，置換過程結(jié)束。整個置換過程中全程監(jiān)測發(fā)射筒內(nèi)的實時壓力，若壓力超過發(fā)射筒極限耐壓，關(guān)閉進(jìn)氣閥進(jìn)行排氣，減小筒內(nèi)壓力。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)原理如圖12所示，系統(tǒng)主要分為信號采集、閥門控制、人機交互三部分。AI模塊采集現(xiàn)場傳感器信號，CPU與指示燈、數(shù)顯儀交互數(shù)據(jù)并實現(xiàn)控制功能。

圖12 控制系統(tǒng)原理Fig.12 Principle of control system

數(shù)據(jù)采樣頻率為1 kHz，對設(shè)備管路壓力、流量、溫度、純度、露點等傳感器進(jìn)行采集，信號經(jīng)過處理后反饋給指示燈及數(shù)顯儀，具備監(jiān)測功能。制氮模塊的控制表盤上安裝一個純度設(shè)置儀(數(shù)字)，通過純度設(shè)置儀設(shè)置報警純度。設(shè)置完成后，PLC將自動采集純度，在純度低于設(shè)定數(shù)值時，自動切換排氣并報警提示。在自動控制充氣時，通過控制面板上安裝的撥鈕開關(guān)調(diào)節(jié)充氣的壓力，達(dá)到設(shè)定壓力后，系統(tǒng)自動停止并通過聲光提示，實現(xiàn)一健啟?？刂?。

4 結(jié)束語

制氮充氮設(shè)備作為導(dǎo)彈地面保障裝備，有效解決了無法采購工業(yè)瓶裝干燥氮氣場所的氮氣制備和充裝問題。結(jié)構(gòu)設(shè)計方面采用模塊化設(shè)計方式，分為制氮模塊、增壓模塊和充氮模塊，均為移動箱體式設(shè)計，模塊間通過電纜和管路連接。制氮模塊采用空氣纖維膜進(jìn)行制備氮氣，經(jīng)過試驗驗證，設(shè)備生產(chǎn)氮氣純度不小于99.95%，產(chǎn)生的露點優(yōu)于高純鋼瓶氣(常壓露點-60 ℃)，氮氣流量不低于1.5 Nm3/h。低壓制氮模塊和充氮模塊可以用于貯運發(fā)射筒充氣或者置換，制氮模塊和增壓模塊共同使用能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)氮氣瓶的充裝，設(shè)備各項指標(biāo)均滿足貯運發(fā)射筒充氮的需要?？刂葡到y(tǒng)采用PLC控制器，采用多傳感器對氮氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，實現(xiàn)了氮氣充裝一鍵啟停。該設(shè)備能滿足軍工行業(yè)對特種裝備的需求，對提高國防裝備水平、推進(jìn)國防裝備的更新?lián)Q代具有良好的經(jīng)濟(jì)和軍事效應(yīng)。