寬溫型高壓氣源車的設計與應用

陳青山 牛 濤 張 猛

(凱邁(洛陽)氣源有限公司，河南 洛陽 471003)

高壓壓縮空氣廣泛應用于化工、石油、電子、機械及軍工等領域，常用的空氣站多為常溫環境下廠房安裝模式，供氣壓力均在1MPa以下，使用時有很大的局限性。

為了實現寬溫型(-40～50℃)高壓壓縮空氣的制備，依據GJB 2413-1995《飛機地面制冷充冷(氮)設備通用規范》，設計寬溫型高壓氣源車，要求設計壓力達到35MPa，適用于場站試驗、充氣及氣體置換等，也可為其他行業提供高質量壓縮空氣。為此，需要設計能在-40～50℃時產出高壓壓縮空氣的全自動氣源車。

1.1 電路部分

氣源車電路部分的工作原理如圖1所示，采用市電和發電機兩種供電方式，通過操作面板上的電源切換開關進行轉換，轉換過程相互自鎖，確保用電安全。整車控制系統集成了發電機、空氣壓縮機和干燥器控制電路并給其配電。空氣壓縮機是氣源車的主要供氣源，單獨設置了控制系統[1]，并將干燥器控制信號接入，實現與空壓機同啟停。然后將發電機和空壓機的啟動信號接入總控制系統，實現在控制面板上的“一鍵啟停”操作。

圖1 寬溫型高壓氣源車電路部分工作原理

1.2 氣路部分

氣源車氣路部分的工作原理如圖2所示，J1～J8為截止閥，ZH為止回閥，JY1為減壓閥。高壓空氣壓縮機AC從大氣中吸取空氣，增壓至35MPa，在空壓機出口處設置壓力傳感器和安全閥A1～A3，保證氣瓶組達到指定壓力35MPa時自動停機；高壓空氣經冷卻器LQ冷卻后由過濾器(GG1除塵、GG2除油)雙極過濾，然后到達高壓無熱再生吸附式干燥器GZQ凈化除水，從干燥器輸出的高壓氣體經過三級過濾(GG3除塵)后輸送到氣瓶組Q1～Q15。氣瓶組分為3組，每組設置單獨的控制閥和壓力表Y1和Y2。在空氣壓縮機和氣瓶組間設有單向閥，阻止瓶內氣體回流。使用時，氣瓶組中的高壓空氣經精密過濾器G1過濾后，由減壓器減壓到所需壓力(可調節)對外輸出。

輸出分為3路，可同時使用也可分開使用。在氣瓶組旁路中增加外部氣源接入口，在設備故障時可通過外部氣源充入，保證氣源車的正常供氣。同時高壓管路均設置了安全閥A1～A3來保證用氣安全。整個氣路設計在保證安全的前提下，實現操作的準確快捷，減少了人員的工作量。

2 總體結構

寬溫型(-40～50℃)高壓壓縮空氣全自動氣源車由底盤、艙體、發電機、高壓空壓機、高壓干燥器、高壓氣瓶、供氣系統及控制系統等組成，采用模塊化設計。寬溫型高壓氣源車的工作壓力可達35MPa，輸出壓力可根據要求通過減壓器調節。空氣凈化后露點低于-50℃，含油量小于1mg，固體顆粒小于5μm[2]。

圖2 寬溫型高壓氣源車氣路部分工作原理

氣源車的結構布局如圖3所示，所有部件集成安裝于5m艙體內，發電機和空壓機放置在艙體的前部和中部，艙體前部左右兩側各開一扇門，保證發電機和空氣壓縮機的用氣通暢[3]。氣瓶組置于艙體中部，平衡整個艙體重心。冷卻器和干燥器放在空壓機右側，控制系統和供氣系統在艙體后端，艙后設置有卷簾門，便于操作和使用。

圖3 寬溫型高壓氣源車結構布局

后端的控制系統集成了電源模塊、指示燈、報警裝置及電源轉換開關等器件，供氣系統設有高壓過濾器、減壓閥、安全閥、壓力傳感器、截止閥、面板支架及管路系統等。在寬溫型高壓氣源車的實物中，通過模塊化設計，安裝時各設備均采取了減震及防松脫等措施，確保氣源車的移動性能[4,5]。

3 氣源車的高低溫設計

為保證氣源車在-40～50℃環境下工作，對內部動力設備(發電機、空壓機和干燥器)和總體布局提出了很高的要求。

艙體內的發電機采用軍用定型的寬溫型發電機，經環境試驗考核，完全滿足-40℃～50℃環境下的可靠工作。

目前國內外活塞式高壓空壓機使用環境溫度大多在-10～50℃。而空壓機只要滿足啟動要求，正常工作時受環境溫度影響不大。為此，針對-40℃的環境，空壓機內部特別增加了潤滑油低溫加熱棒，環境溫度低于0℃時自動補償預熱，滿足啟動條件后給出啟動信號再啟動空壓機。

為保證氣源車在高溫下的正常工作，氣源車利用艙體內的空間和布局特點，形成了如圖4所示的散熱空氣流通道，便于高溫時空氣的流通，降低艙內的工作溫度。艙體前部的發電機上方還設計了軸流風機，有效解決了發電機局部溫度聚集時的散熱問題。并且高壓空壓機采用變頻啟動模式，節約能耗，減少了啟動電流和整個電路的負荷發熱量。

圖4 寬溫型高壓氣源車散熱氣流示意圖

為了確保設備穩定的工作環境，在發電機的散熱通道上設置有三通式轉換風道，高溫時關閉內部通風口，直接對外散熱。低溫時切換風道口對內供熱，如圖4箭頭所示。

排污管結冰也是低溫環境下常見的設備故障原因，采用外部加熱帶并加大管路通徑的方式進行處理。

4 測試

樣機設計完成并制造了實物氣源車后，進行了一系列實驗來驗證其適用性和實用性。 首先在低溫下啟動發電機后，關閉氣源車兩側的卷簾門，經過20min的增溫，艙內的溫度平均增加了約15～20℃，使空壓機和干燥器在低溫下的自加熱啟動時間減少約20min，整車運行平穩。

高溫下打開兩側的卷簾門，開啟冷卻器，整車運行并將15只氣瓶組打滿后，設備內保持與外界不大于10℃的溫差，說明散熱效果良好。

在氣源車移動性能測試中，經距離約2 000km的運輸后，開機運行氣源車，各設備整車工作。說明寬溫型高壓氣源車的設計滿足使用要求，也為高壓空氣站的設計和應用提供了良好的實例。

5 結束語

寬溫型高壓氣源車解決了廠房高壓空氣站使用的局限性，并且實現了在苛刻環境下的工作要求，可根據要求配備壓力調節、流量控制及露點測試等功能，達到一機多用的目的，而且使用方便的寬溫型高壓氣源車占地小、移動性能好且工作壓力高。

目前，還沒有高壓壓縮空氣站的設計規范，寬溫型高壓氣源車的設計和使用經驗對高壓壓縮空氣站的設計規范出臺有借鑒意義，對提高我國的高壓氣動設備的廣泛應用有積極作用。

[1] 于祥春,關敬民,孔凡旭,等.船用壓載空氣壓縮機控制系統的設計[J].化工自動化及儀表,2015,42(4):370～373.

[2] 黎海蛟.氣源凈化系統設計中若干問題的討論[J].化工自動化及儀表,1995,22(6):40～45.

[3] 張志恒,程宏杰,張和平,等.船用壓縮空氣站的設計[J].流體機械,2005,33(12):23～26.

[4] 壓縮空氣站設計手冊編寫組.壓縮空氣站設計手冊[M].北京:機械工業出版社,1993.

[5] 路甬祥.液壓氣動技術手冊[M].北京:機械工業出版社,2003.