高原鐵路制氧設備選型及工藝性能優化

摘要：高原環境下會對制氧設備的性能造成較多影響，例如會影響空壓機、透平膨脹機的性能，進而影響氧氣產量，影響人員供氧。因此，為了更好地滿足高原鐵路的用氧需求，本文就對高原鐵路制氧設備的選型、研發措施以及工藝優化進行了以下研究。

關鍵詞：高原環境；制氧設備；氧；性能

高原地區的大氣壓較低，空氣較為稀薄，而且溫度差異大，會對制氧設備造成極大的影響，影響具體的制氧效果。而高原地區的用氧需求較大，相關人員需進一步優化當前的制氧設備，才能更好地滿足人員的用氧需求。

高原環境對制氧設備的影響

目前高原人員室內用氧一般采用變壓吸附法，因其具有產氧量適中、氧氣濃度較高、產品形式靈活、產氧時間短、裝置簡單、故障率低等特點。變壓吸附法是將空氣加壓通過分子篩吸附來產出氧氣，設備工作原理圖如圖1所示。工作人員可以根據原理圖深入分析對制氧設備帶來的具體影響，從而對高原制氧設備進行針對性地設計、調整及研發。

對空壓機造成的影響

空壓機用于將空氣加壓通過分子篩，高原環境下，由于大氣壓力較低，會對空壓機的排氣壓力帶來影響。因為空壓機的排氣壓力是壓縮比和進口壓力的乘積，而大氣壓力變低，會導致空壓機的進口壓力降低。為了確保排氣壓力不變，需要提高壓縮比的數值。但是由于當前技術水平的限制，提升壓縮比的空間不多，因此空壓機的排氣壓力最終會有所下降。

對透平膨脹機造成的影響

透平膨脹機是用于減少廢氣排放的制冷設備。該設備采用風機制動的形式，在高原環境下，由于大氣壓力降低，進口壓力降低，導致風機的進氣量隨之降低，透平膨脹機需要通過提高轉速以確保制動效果，過高的轉速會引起溫度升高，進而損壞透平膨脹機。

對氧氣產量造成的影響

高原環境對氧氣產量的影響有兩點因素，一是因高原環境溫度變化較大，預冷機的出口溫度變化隨之變大，導致進塔的空氣溫度產生較大幅波動，增加設備的氣液平衡難度，進而影響氧氣的產量；二是隨著海拔高度的增加，高原空氣密度下降，螺桿壓縮機的排氣量降低，如果在流量不增加的情況，透平膨脹機也很難提供足夠的冷量來制作氧氣，因此會降低氧氣的產量。

對散熱能力造成的影響

隨著海拔高度的增加，設備風扇的散熱能力會隨之下降，雖然外界溫度也會降低，但是依然會影響設備整體的降溫效果。

高原鐵路制供氧設備選型分析

高原鐵路不同場景的供氧方式分析

目前高原鐵路的生活、辦公場景下，通常采用鼻吸式供氧的方式，以解決人員的用氧需求。通常會在人員集中區域設置大型的制氧設備，通過管道集中供氧。近年來為了提高人員的用氧舒適度，也在推行彌散式供氧方式。彌散式供氧方式主要用于相對密閉的空間內，人員可在空間內自由活動，不受氧氣面罩的影響。高原鐵路生活、辦公場景主要分為三類，分別是室內生活、室內辦公及戶外辦公。針對室內辦公場景，由于人員活動頻繁，進出房屋頻率較高，房屋門窗開啟次數較多，時間較長，難以達到彌散供氧所需的空間密閉需求，因此采用鼻吸式供氧是較為經濟合理的選擇。針對室內生活場景，由于人員的活動量較小，生活場所范圍較為固定，具有良好的密閉性，適合使用彌散性供氧方式。關于戶外辦公場景，通常會采用方便攜帶或移動的制、供氧設備，在駕駛車輛的過程中可以采用移動式制氧機進行鼻吸式供氧，在戶外進行體力勞動的情況下可以采用氧氣瓶及便攜式制氧機等方式進行供氧。

高原鐵路制氧設備選型

目前隨著技術進步，可得出以下三點結論。第一，針對高原鐵路人員室內辦公、生活等集中區域，需設置中大型變壓吸附制氧設備進行集中供氧。第二，針對人員較少的辦公、生活區域和乘車過程的用氧需求，采用移動式制氧設備更為經濟合理，通過配備氧氣面罩以及鼻吸導管以滿足該類人員用氧需求。第三，針對戶外活動場景，便攜式隨身制、供氧設備需求量更大。便攜式制、供氧設備放置在背包當中，可隨身攜帶通過面罩及鼻吸導管供氧。

高原環境下制氧設備的研發舉措

沖洗方式和均壓方式的優化

制氧設備的制氧量會受到沖洗方式和均壓方式的影響，常見的沖洗方式為間斷沖洗和常沖洗，均壓方式為上均壓、下均壓以及上下均壓的方式，優化措施如下：

第一，在進行設備研發時，需要結合高原地區的環境特點來選擇合適的沖洗方式。采用間斷沖洗的方式，制氧設備能夠制造的氧氣濃度會存在偏低的現象，雖然氧氣產量較高，但是也存在較大的波動。而使用常沖洗的方式進行氧氣的制作，則可以獲得較高濃度的氧氣，但是氧氣量不高。因為使用常沖洗的方式，對于空氣的沖洗時間較長，能夠起到良好的吸附效果，使得氧氣的濃度更高。因為高原地區對于氧氣濃度的需求較高，所以在進行制氧設備研發時，應當采用常沖洗的方式。

第二，在運行高原地區制氧設備研發時，需要選擇合適的均壓方式。使用上均壓和上下均壓方式，所制造出來的氧氣濃度較高，基本都可以在90%以上，但是上均壓能夠制造的氧氣量要明顯多于上下均壓的方式。因為使用上下均壓的方式，會將空氣中的氮氣體吸附到塔中，使得塔中的氣體處理量下降，進而降低了氧氣的產量。因此，高原地區的制氧設備，應當優先選用上均壓的方式。

沖洗管徑的優化

沖洗管徑的大小會對制氧效果造成較大的影響，會影響氧氣的濃度和產量。通常高原地區制氧設備常見的沖洗管徑主要有六種尺寸，包含4毫米、6毫米、8毫米、10毫米、12毫米以及14毫米。根據相關研究，隨著沖洗管徑尺寸增大，氧氣濃度也隨之增大，但氧氣產量會隨之減少，所以選擇尺寸較小的沖洗管徑，能增多氧氣產量，選擇尺寸較大的沖洗管徑，則可以提高氧氣濃度。在選擇沖洗管徑大小時，應當根據具體氧氣濃度及產量需求來選擇合適的管徑大小。當沖洗管徑大于10毫米時，其氧氣濃度可以高達90%以上，氧氣量也可以達到32.5立方/每小時，因此高原地區的制氧設備應當優先選擇10毫米的沖洗管徑。

吸附時間的優化

吸附時間也影響制氧效果，在進行高原地區制氧設備研發時，應做好吸附時間的優化工作，控制好氮氣和氧氣的吸附速率差。吸附時間越長，氧氣和氮氣的吸附速率差就會縮小，會降低氧氣的濃度；當吸附時間較短時，則會出現吸附不干凈，氧氣濃度不高，且氧氣產量偏低的情況。因此，在研發制氧設備時，需做好吸附時間的研究，結合吸附時間的長短變化對氧氣濃度及氧氣產量帶來的影響，從而選擇合適的吸附時間。根據相關研究，當吸附時間維持在36秒時，氧氣濃度可高達90%，而且氧氣產量也可達到32.5立方/每小時，因此研發人員應當選擇36秒來作為高原地區制氧設備的吸附時間。

做好穩定性測試

為了確保制氧設備的制氧效果，在完成設備研發后，還應當做好設備的穩定性測試。研發人員需要根據相關的測試結果來進一步優化相關的性能，才能有效地提高制氧效果。

高原環境制氧工藝優化措施

高原環境會對制氧設備的制氧效果造成各種影響，為提高制氧量，研發人員不僅要做好設備的優化工作，還當做好制氧工藝的優化工作。當前制氧過程中，分子篩是最為核心的工藝環節，直接決定氧氣的分離效果及氧氣的質量。當前最為常見的制氧分子篩是沸石，由于受到陽離子之間作用力的影響，分子篩會優先吸附空氣中的氮氣，借此來實現氧氣分離。在分離過程中，作為離子交換的金屬陽離子為鋰離子，但是由于鋰鹽價格較高，會增加制氧成本，通常是使用多粒子混合交換改性的方式進行氧氣分離。所以，為了提高制氧效果，研發人員應加強對多個金屬陽離子的研究，切實提高分離效果，提高制氧效率和質量。

由于高原環境的特殊性，會對制氧設備的工作造成一定的影響，進而影響了氧氣的濃度和產量。為了更好地滿足高原地區的用氧需求，加強研發功能穩定的制氧設備十分重要，研發人員也需要加強優化相關的制氧工藝，切實提高整體的制氧效果。