新型三防制氮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

趙丹娜，李艷福，牛濤

（1.凱邁（洛陽(yáng)）氣源有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003；

2.中國(guó)人民解放軍 空軍裝備部 駐洛陽(yáng)地區(qū)第一軍事代表室，河南 洛陽(yáng) 471003）

0 引言

目前，制氮工藝主要分為深冷法、膜分離法和變壓吸附法，在小型供氣流量下，一般采用膜分離法和變壓吸附法，膜制氮工藝復(fù)雜、能耗比高，無(wú)法“一步法”制取高純氮?dú)猓璨捎眉託浠蚣犹既紵绞竭M(jìn)行二次提純，提純過(guò)程中產(chǎn)生一定量的二氧化碳和水分，為保證最終高純氮?dú)獾闹笜?biāo)要求，需要進(jìn)行進(jìn)一步的過(guò)濾和凈化，從技術(shù)角度分析存在一定的技術(shù)隱患。

國(guó)內(nèi)外采用的PSA制氮工藝已較為成熟，但多為低純度的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)模式，無(wú)法滿(mǎn)足國(guó)防和電子等高要求的用戶(hù)。同時(shí)大多數(shù)產(chǎn)品僅適合內(nèi)陸地區(qū)環(huán)境氣候，而適合在沿海潮濕多雨環(huán)境條件下的產(chǎn)品還不多見(jiàn)。因此，研制開(kāi)發(fā)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的高純制氮系統(tǒng)可解決該問(wèn)題。

本研究針對(duì)沿海環(huán)境下的制氮設(shè)備需求情況，用于多種形式的氣源供氣，特別是針對(duì)在苛刻環(huán)境條件下的使用。作為苛刻環(huán)境下的高純高壓制氮產(chǎn)品，這就要求制氮系統(tǒng)滿(mǎn)足嚴(yán)格的“防濕熱、防鹽霧、防霉菌”環(huán)境和智能化操作要求，并且有運(yùn)行可靠、故障率低和維修保障能力強(qiáng)的特點(diǎn)，能在特定的環(huán)境下完成標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè)需求。

1 制氮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

1.1 雙變壓吸附制氮技術(shù)

采用雙變壓吸附制氮技術(shù)，雙變壓吸附最大的特點(diǎn)是可對(duì)潮濕的氣體進(jìn)行深度凈化以滿(mǎn)足制取高純氮的工況，使制氮能力保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。在大氣經(jīng)過(guò)空壓機(jī)進(jìn)行壓縮后，經(jīng)冷干機(jī)將空氣冷卻，去除大部分油水混合物后，進(jìn)入“變壓吸附干燥器”進(jìn)行深度除水，將空氣的潔凈度提高到一定程度，再經(jīng)過(guò)“變壓吸附塔”使高性能的碳分子篩在壓力的作用下，利用氮、氧在分子篩中不同的吸附速率，將氧吸附，輸出高純氮?dú)狻Ｗ儔何皆沓墒欤淮翁峒兗纯色@得99.999%高純度的氮?dú)猓?氮?dú)饴饵c(diǎn)長(zhǎng)期小于-70 ℃[1]。再通過(guò)膜壓機(jī)增壓后儲(chǔ)存到氣瓶中，使用時(shí)可通過(guò)后端設(shè)置的控制柜對(duì)輸出壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)輸出。

采用雙變壓吸附技術(shù)可使制氮系統(tǒng)在潮濕環(huán)境中穩(wěn)定工作，提供可靠純度氮?dú)獾耐瑫r(shí)，增加產(chǎn)品的壽命。

1.2 新型制氮系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

制氮系統(tǒng)最終工作壓力可達(dá)35 MPa，輸出壓力可根據(jù)要求調(diào)節(jié)，主要集成空壓機(jī)、變壓吸附干燥器、變壓吸附制氮系統(tǒng)、氮?dú)饩彌_罐、隔膜式壓縮機(jī)、高壓儲(chǔ)氣瓶組、中控柜、氣源箱等組件。

制氮提純裝置工作原理框圖如圖1所示，原料空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)預(yù)處理后被壓縮至0.85～0.95 MPa，先經(jīng)過(guò)過(guò)濾及冷凍式干燥機(jī)除油、除水，再經(jīng)變壓吸附干燥器深度除水，輸送到變壓吸附制氮系統(tǒng)吸附氧氣后輸出滿(mǎn)足要求的高純氮?dú)獾礁裟な綁嚎s機(jī)，經(jīng)兩級(jí)增壓至35 MPa，最后到達(dá)氣瓶組儲(chǔ)存。當(dāng)需要為外部設(shè)備供氣時(shí)，儲(chǔ)氣瓶組內(nèi)的35 MPa高壓氮?dú)饨?jīng)中控柜控制氣路的多路輸出，中控柜是控制氣瓶組的總開(kāi)關(guān)，同時(shí)設(shè)置有35 MPa、15 MPa和0.2 MPa等高中低氣路輸出口，高壓35 MPa氣體輸送到氣源箱上，由氣源箱調(diào)節(jié)壓力輸出29 MPa和21 MPa壓力給充氣防護(hù)臺(tái)，充氣防護(hù)臺(tái)上可對(duì)所需產(chǎn)品進(jìn)行充氣[2-3]。使用時(shí)也可以將氣瓶組氣體循環(huán)增壓，充分利用氣瓶組氣體。

圖1 氣路框圖

制氮系統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用PLC控制，控制柜采用不銹鋼IPS6級(jí)箱體，線路經(jīng)過(guò)屏蔽和保護(hù)，抗干擾性能強(qiáng)、工作可靠。根據(jù)高純制氮工藝、系統(tǒng)控制特點(diǎn)、變壓吸附和再生技術(shù)要求等，確定碳分子篩吸附、再生、均壓等各階段的時(shí)間參數(shù)，用梯形圖編輯PLC控制程序，控制各階段閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)及有關(guān)相應(yīng)的檢測(cè)報(bào)警，形成完整完善的健康管理系統(tǒng)（如壓力檢測(cè)、溫度檢測(cè)、氮?dú)饧兌葓?bào)警、露點(diǎn)測(cè)試等），用戶(hù)可以方便地在線修改各種設(shè)置參數(shù)（如純度上下限值、進(jìn)出口壓力值等），觸摸屏實(shí)時(shí)顯示控制系統(tǒng)的各種參數(shù)，使純度和露點(diǎn)同步。控制系統(tǒng)中含設(shè)備的技術(shù)參數(shù)和故障處理方法，并新設(shè)計(jì)了歷史記錄保存功能，保存2 a的記錄用于清查各個(gè)時(shí)間段的工作狀態(tài)。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

制氮系統(tǒng)由空壓機(jī)、變壓吸附干燥器、變壓吸附制氮系統(tǒng)、氮?dú)饩彌_罐、隔膜式壓縮機(jī)、高壓儲(chǔ)氣瓶組、中控柜、氣源箱和控制系統(tǒng)等組成。

以往制氮系統(tǒng)與其基本組成一致，主要采用單變壓吸附塔工作，可制取一定純度的氮?dú)猓瑵M(mǎn)足一般廠房環(huán)境下的工作需求。

新型制氮系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，集成雙變壓吸附技術(shù)，為適應(yīng)“三防”環(huán)境下的工作需求，在產(chǎn)品外設(shè)計(jì)有外箱體，將控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在箱體正面，便于操作和控制。各個(gè)組件以模塊撬裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)化拼裝，可分體運(yùn)輸后合并。外箱體使產(chǎn)品既看起來(lái)美觀又對(duì)產(chǎn)品形成保護(hù)。

結(jié)構(gòu)布局如圖3所示，所有非發(fā)熱部件集成安裝于2.5 m箱體內(nèi)，空壓機(jī)和冷干機(jī)放置在箱體的右側(cè)，保證空壓機(jī)和冷干機(jī)通風(fēng)良好，熱量可迅速擴(kuò)散。膜壓機(jī)、氣瓶組等高壓組件可根據(jù)房間的不同，放置在不同的位置，具有很高的靈活度。

圖2 新型三防制氮系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局圖

圖3 新型制氮系統(tǒng)廠部布局設(shè)計(jì)圖

3 新型制氮系統(tǒng)的三防設(shè)計(jì)和試驗(yàn)

由于新型制氮系統(tǒng)的工作環(huán)境為海邊或離海洋較近的范圍內(nèi)，其周?chē)臐穸群望}霧環(huán)境較嚴(yán)重，長(zhǎng)時(shí)間的潮濕環(huán)境對(duì)制氮系統(tǒng)的工作性能和器件外觀有直接的影響。因此，制氮系統(tǒng)“三防”能力的加強(qiáng)尤為重要。

從設(shè)計(jì)源頭入手，掌握各個(gè)設(shè)備器件的特點(diǎn)和環(huán)境使用能力，對(duì)不同的器件進(jìn)行不同的防護(hù)設(shè)計(jì)，如：直接接觸大氣的器件表面均涂三防清漆，鋁制品選用LF系列（陽(yáng)極耐氧化）防銹鋁合金，各緊固件采用奧氏體不銹鋼、鍍彩鋅防銹處理或達(dá)克羅工藝處理，各控制柜和箱體采用封閉結(jié)構(gòu)并采用IP65防護(hù)等級(jí)產(chǎn)品，防止?jié)駸釟怏w和粉塵進(jìn)入。

1）制氮機(jī)驅(qū)動(dòng)氣路管路、采樣氣路管路和排污氣路管路均采用316 不銹鋼直管彎制而成，保證管路彎制后不出現(xiàn)癟、裂、凹坑等現(xiàn)象，保證平直、整齊和高低一致，適用于炎熱潮濕、含鹽度高的空氣環(huán)境，耐腐蝕效果好，使用周期長(zhǎng)。

2）管道式氣動(dòng)閥與電器接線端、電路板等部分，表面噴涂快干硬化防銹油，隔絕空氣，避免生銹。

3）容器及管路表面噴涂佐敦白色三防丙烯酸樹(shù)脂面漆；管路和其它結(jié)構(gòu)件噴漆前外表面必須噴砂或磷化處理，表面噴涂佐敦白色三防丙烯酸樹(shù)脂面漆。

4）控制柜整體采用304不銹鋼，外帶三防面板，內(nèi)電源建議調(diào)整為軌道式電源，無(wú)金屬外殼，避免生銹。

5）設(shè)備上螺栓接觸連接時(shí)，螺栓采用防銹性能好的達(dá)克羅工藝。經(jīng)試驗(yàn)，螺栓防銹性能達(dá)克羅工藝＞不銹鋼＞鍍鋅處理，經(jīng)過(guò)20 d鹽堿試驗(yàn)，鍍鋅螺栓有明顯的銹跡，達(dá)克羅螺栓無(wú)變化，304不銹鋼螺栓有發(fā)黑跡象。

圖4 新型制氮系統(tǒng)實(shí)物圖

6）設(shè)備關(guān)鍵部件、氣路、電路等都設(shè)計(jì)有保護(hù)裝置，防止零部件的裸露和外置，避免了長(zhǎng)期工作時(shí)出現(xiàn)的損壞問(wèn)題[4]。

2017年10—11月，依據(jù)《GJB 150.10A-2009軍用裝備試驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 霉菌試驗(yàn)》和《GJB 150.11A-2009軍用裝備試驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 鹽霧試驗(yàn)》對(duì)樣件進(jìn)行了霉菌試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)（如圖5），試驗(yàn)結(jié)果合格。

圖5 樣件霉菌試驗(yàn)和鹽霧試驗(yàn)后照片

根據(jù)試驗(yàn)為期28 d霉菌、2個(gè)周期的鹽霧和48 h的濕熱試驗(yàn)，所選的制氮系統(tǒng)樣件很好地滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。

4 智能化制氮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用通用化、模塊化、智能化的設(shè)計(jì)原則，將各個(gè)功能模塊集成，整套系統(tǒng)統(tǒng)一控制，并可實(shí)時(shí)反饋工作狀態(tài)和信息，歷史記錄可調(diào)用清查。

5 結(jié)論

采用“雙變壓吸附技術(shù)”是在成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的優(yōu)化改進(jìn)和提高，是PSA制氮技術(shù)的又一個(gè)新的突破，可保持氮?dú)饧兌群吐饵c(diǎn)的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

制氮裝置設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，靈活度高，適用于不同類(lèi)型的場(chǎng)站試驗(yàn)和武器保障用氣。

制氮裝置解決了高純制氮技術(shù)在潮濕環(huán)境下的露點(diǎn)穩(wěn)定性，領(lǐng)先同行業(yè)技術(shù)水平。全系統(tǒng)采用嚴(yán)格的“三防設(shè)計(jì)”并進(jìn)行“三防”試驗(yàn)驗(yàn)證，滿(mǎn)足苛刻的海洋環(huán)境工作要求。

采用智能化工作模式，集成器件狀態(tài)顯示、信息顯示、操作說(shuō)明提示、系統(tǒng)自檢、出廠初始化等健康管理系統(tǒng)內(nèi)容，減少了操作的復(fù)雜性，增加了系統(tǒng)的可控性。

制氮機(jī)創(chuàng)新采用外箱體設(shè)計(jì)，不僅使產(chǎn)品外觀美觀、安裝便捷，在箱體外集成了可視化操作界面，而且提高了用戶(hù)的使用便攜性和可維護(hù)性。

圖6 制氮系統(tǒng)智能化控制