高原环境对航空制氧装备的影响及对策研究

赵辉，雷金果，谢千东

（空军勤务学院 航空四站系，江苏 徐州 221000）

高原环境对航空制氧装备的影响及对策研究

赵辉，雷金果，谢千东

（空军勤务学院 航空四站系，江苏 徐州 221000）

目的 改善制氧装备的高原适应性，提高其高原保障性能。方法 由部分到整体，在研究了高原环境的特点的基础上，研究压缩机、膨胀机、电气设备等重要部件的高原环境适应性，进而得出高原对制氧装备工作性能的影响。结果 高原环境的特点超出了制氧设备的设计指标，会严重影响制氧设备的正常运行。结论 采取适当的措施对制氧设备重要部件加以改进，对提高制氧设备的高原适应性具有良好效果。

高原环境；制氧；环境适应性

由于航空制氧设备主要以空气为原料，其工作过程中对环境的依赖性较大，低压、空气稀薄、温差大以及低含氧量的高原环境对制氧设备会产生较大影响[1]。研究高原环境对制氧设备的影响，并寻找解决对策对更好地实现航空用氧保障具有重要意义。

1　高原环境特点

高原通常是指海拔超过1000 m的地区，我国高原面积广大。其平均海拔在4000 m以上，年平均气温低，温差大，最低气温可达-45 ℃，昼夜温差可达15～30 ℃；平均大气压强只有平原地区的60%～70%，空气稀薄，氧气含量只有平原地区的60%左右[2—4]。由于空气越稀薄，透明度越大，到达地面的太阳辐射和紫外线辐射就越强，因此高原地区通常日光照射、紫外线辐射强烈。高原环境的各项具体参数见表1。

表1 高原环境条件参数Table 1 Plateau environment parameters

2　高原环境对制氧设备的影响

由于航空用氧要求比较高，氧气纯度≥99.5%，露点温度≤-65 ℃[5]，所以部队现役的制氧装备主要采用深冷法原理。由于深冷法制氧过程中温度、气体流量、压力等对氧气产量、纯度等影响较大，所以在高原环境下会受到较大影响。作为制氧装备重要部件的空压机、透平膨胀机、散热装置等对工作环境的依赖性较大，因此在高原地区往往会受到较大影响。

2.1 对空压机性能影响

空压机排气量是按一定海拔高度及吸气温度设计的。空压机排气压力po计算如下：

式中：po为出口压力；pi为进口压力；λ为压缩比。

由于高原地区大气压力低，所以pi减小的情况下，要保证 po不变，就必须提高压缩比。由于技术限制，压缩比提升空间有限，空压机的排气压力会相应降低，导致压缩气体溶剂流量明显减少，单位功耗随之增加[5—6]。

2.2 对透平膨胀机影响

该制氧设备的透平膨胀机采用风机制动，大气压力的降低导致制动风机进气量减少，使其制动效果降低，膨胀机的转速随之升高，容易引起超速。膨胀机的超速不仅不能获得工况所需冷量，还会损毁膨胀机[7]。

其次，透平膨胀机是制氧装备主要的制冷部件，透平膨胀机的制冷量Q0计算公式[7]为：

式中：qm为膨胀气体的质量流量；Δhs为单位质量膨胀气体在透平膨胀机中的等熵焓降；η为透平膨胀机的等熵效率。

由于大气压力和空气密度都降低，导致螺杆压缩机的排气量降低，从而导致膨胀机制冷量减少。由于冷量是制氧的关键，膨胀机冷量的减少将降低氧气产量。

2.3 对氧气产量的影响

环境温度变化大，会使预冷机组出口的空气温度变化相应加大，从而引起进塔空气温度的波动，导致调整精馏塔气液平衡的难度增大[8]，影响工况稳定，将直接影响氧的生产。与此同时，随着海拔的升高，氧含量不断降低。在海拔4 km处，空气中氧含量仅相当于海平面的60%左右。在流量不增加的情况下，氧产量也将下降40%左右。由于透平膨胀机无法提供足够的冷量，因此实际工作中，氧产量下降会超过40%。

2.4 对散热能力的影响

风扇的散热能力根据热量计算公式为：

式中：Q为风扇风量，m3/h；p为空气密度，kg/m3；CP为空气比热容，J/(kg·K)；to为风扇出口空气温度，K；ti为风扇入口空气温度，K。

由式(3)可知，空气密度及风扇风量对散热能力存在正相关的关系，海拔4 km时的空气密度下降 35%。根据式(3)，其他参数相同时，风扇散热能力也会下降35%。虽然海拔增高，环境温度降低使风扇入口空气温度也随之降低，可部分补偿因海拔升高所引起的产品温升增加值，但是总的来说，降温效果仍然是下降的[6,8]。

2.5 其他方面

由于高原环境的特殊性，导线等的绝缘强度降低，在海拔5 km以内，每升高1 km，外绝缘强度降低8%～13%[9]。空气稀薄导致击穿电压相应的降低。空气介质灭弧开关的电器的灭弧性能降低，通断能力下降，直流电弧的燃弧时间延长[10—11]。

3　对策措施

针对高原环境的特点，采取相应的措施，使制氧装备部件的选型、参数等更适合高原环境的特点，对于提高制氧装备的高原工作能力具有重要意义。

3.1 确保供气压力和流量

制氧设备的原料是空气，供气压力和流量是保证制氧顺利的两个最重要的前提[12]。在高原环境下，空压机的进气压力和质量流量会随着大气压力的降低而降低，确保供气压力和流量符合要求是解决高原制氧问题的前提，主要措施有：

1）提高螺杆压缩机的压缩比。由于高原大气压力低，压缩机进气压力偏低，适当提高压缩比可以有效提高排气压力，保证供气流量，但压缩比的增加有一定的限制。

2）加装增压器。增压器可以有效提高进气压力，确保工况所需供气压力。这种方法简单实用，不过需要做好设备的选型与匹配工作[13]。

虽然两种方法都可以保证供气压力和流量，但是压缩机压缩比有一定限制，所以加装增压器更简单一点。不管是哪种方法，都会增加功耗。

3.2 改造透平膨胀机

针对高原环境导致的透平膨胀机制动性能变差，必须给以重视并认真解决。要解决这个问题，首先要想办法增加制动压力，具体做法如下：

1）提高制动端的制动效率。由于风机轮除了可以压缩空气，以吸收工作气体传给工作轮的能量，还具有限制主轴转速的作用[8]，所以对风机轮进行改造，增大阻力可以有效提高制动效果。

2）对膨胀机的配套管路进行重新设计，尽量减少制动气体沿途的阻力，让更多的制动气体进入制动端。同时对制动气进出阀重新设计，扩大制动气的调节范围。

3）适当改造透平膨胀机，增加透平膨胀机的质量流量，达到增加制冷量的目的。

透平膨胀机质量流量mq计算公式为：

式中：qm为膨胀气体的质量流量；A1为喷嘴横截面积；k为绝热指数；p0为膨胀机进口压力；p1为膨胀机出口压力；v0为膨胀机进口处气体比热容。可见，由于压缩比不易提高，所以适当增加A1喷嘴横截面积，即可以达到增加质量流量的目的。

通过对透平膨胀机的改造，可以有效提高其高原适应性，有效提高制氧装备的高原工作性能

3.3 其他方面

1）由于该装备主要以风冷降温为主，所以为了改善高原环境下的工作特性，可以对风扇叶片进行适当的调整或选用其他型号的风扇，提高降温能力。

2）高原环境对装备的电气特性有较大影响，必须对电器特性加以改进。可以采取防电晕措施，采用性能更好的材料与器件，同时对于器件较密集的部位，如电控柜可以按表2适当对空隙进行调整[14]。

表2 电控柜间隙修正系数Table 2 Correction coefficient of electric control cabinet

同时，由于高原缺氧会导致人反映变慢[16]，难免会出错，所以应对重要的部件或操作设置纠错设计，防止由于错误的操作影响制氧过程甚至损坏制氧设备。

4　结语

高原的特殊环境对航空制氧设备的正常工作具有较大的影响，这里主要分析了高原环境的特点以及对制氧装备的各个部件的影响，并提出了具体的解决方法，对于提高航空制氧装备的高原适应性具有一定的指导意义。

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Influence of Plateau Environment on Oxygen Equipment and Countermeasures

ZHAO Hui, LEI Jin-guo, XIE Qian-dong
(Department of Aviation No.4 Station, Air Force Logistics College, Xuzhou 221000, China)

Objective To improve the adaptability of oxygen equipment to plateau environment and upgrade its supportability efficiency in plateau. Methods From part to the whole, the plateau adaptability of the compressor, expander, electrical equipment and other important components of the oxygen equipment were studied based on the knowledge of characteristics of the plateau environment, and then the influence of plateau environment on oxygen equipment was summarized. Results The characteristics of plateau environment was beyond design indicators of oxygen equipment and would seriously affect the normal work of the equipment. Conclusion Appropriate measures to improve the important components can significantly enhance the adaptability of oxygen equipment to plateau environmental.

plateau environment; oxygen production; environment adaptability

2016-03-28；Revised：2016-04-28

10.7643/ issn.1672-9242.2016.05.018

TJ01；V241

A

1672-9242(2016)05-0111-04

2016-03-28；

2016-04-28

赵辉，（1990—），男，江苏徐州，硕士研究生，主要研究方向:航空四站保障技术与信息化。

Biography：ZHAO Hui（1990—）， male， from Xuzhou， Jiangsu， master， Security and information technology of four station