舰船用呼吸空气净化装置研制

2019-07-29朱宝庆栢祥华李金禄邢志胜张志恒

中国设备工程 2019年14期

朱宝庆，栢祥华，李金禄，邢志胜，张志恒

（1.合肥通用机械研究院有限公司；2.压缩机技术国家重点实验室，安徽合肥 230031；3.海装驻南京地区第一军事代表室，江苏南京 210006）

空气净化装置是压缩空气后处理的关键设备，用于空气净化处理，确保供给气体的空气质量。舰船所配置的压缩空气后处理设备通常只能去除压缩空气中的水分、油雾和一些比较大的固体颗粒杂质，无法去除其中的一氧化碳、二氧化碳和其它臭味杂质。压缩空气中的一氧化碳、二氧化碳的含量往往是超过了呼吸空气质量标准要求，舰上工作人员（通常是潜水员、消防员）在作业过程中呼吸了这种压缩空气，将会对其身体产生严重危害，特殊场合甚至会危及生命。针对舰员呼吸供气需求，研制了KQZ型呼吸空气净化装置（简称净化装置）。

1 技术要求

按照用户实际使用要求，确定净化装置的技术指标为：处理空气压力：10～15MPa；处理空气流量：7.5～15m3/h；供气品质要求（见表1）。

表1 供气品质要求

鉴于舰船设备的特殊使用要求，还对装置的可靠性、维修性、环境适用性、外形尺寸、重量等提出了明确的要求。

2 方案设计

净化装置的系统流程见图1。来自高压空气站（带压缩空气后处理设备）的高压空气（15.0MPa，已除去其中的大部分水和油）依次经水分离器、粗过滤器、一级呼吸空气净化器、二级呼吸空气净化器进行除水、除油、除尘、去除CO和CO2，最后输出满足呼吸气体标准要求的压缩空气，经过处理后的纯净空气由高压不锈钢金属软管通过高压截止阀充入呼吸气瓶。水分离器主要功能是去除压缩空气中的液态水分；粗过滤器对压缩空气进行过滤，除去较大的颗粒、油分等杂质；一级呼吸空气净化器应能去除水雾和油雾等较小的杂质；二级呼吸空气净化器应能在内置催化剂的作用下将一氧化碳转化成二氧化碳，并去除二氧化碳、油蒸气和异味。水分离器、过滤器均设置排污阀，二级呼吸空气净化器后设置保压阀，保压阀开启压力不小于10MPa，保压阀前设置安全阀。

图1 KQZ型呼吸空气净化装置的系统流程图

该方案设计主要有以下几个特点。

2.1 进口重要件——高压呼吸空气净化器

目前，能除去压缩空气中的一氧化碳、二氧化碳的国产净化设备性能不是很稳定。为了能有效地去除压缩空气中的一氧化碳、二氧化碳及其他臭味杂质，使经过净化装置处理后的压缩空气能够满足呼吸要求，需从英国进口1台高压呼吸空气净化器。该净化器处理过的气体纯度满足英国BS4001及其它国际呼吸空气标准。

2.2 前置滤网式过滤器的选型

尽管高压呼吸空气净化器（进口件）自带一级前置过滤器，但为了保护呼吸空气净化器，同时提高空气质量，在净化器之前增加一级滤网式过滤器（型号：KJ26-1C/001），可去除高压空气中比较大的颗粒杂质。

2.3 不锈钢管路附件的选择

为保证压缩空气经过净化装置的过程中，不给系统增加额外的污染杂质，所有管路、管路附件、阀件均选用不锈钢材质。

2.4 机体结构的设计

为了使净化装置重量减轻，结构紧凑，运输、安装方便，将净化装置设计成一箱体式形状，所有的管件和过滤净化设备均装入箱体内，这样可以起到保护重要件的作用。

2.5 管路的连结

所有管路统一采用Ф6×1.5的不锈钢管，方便连接，但由于系统管路较多，且长度短，弯折多，具体尺寸不易掌握，于是在配置每段管路时，均先制作铁丝模型，用专用弯管器仿形制作。焊接处均打坡口，并采用氩弧焊接。

2.6 供气量的控制

（1）净化装置的工作过程见图2。

图2 高压呼吸空气净化器的工作流程图

（2）控制供气量的必要性。高压呼吸空气净化器规定了该净化器在最高工作压力（35MPa）下所能提供的最大合格空气流量为5L/s(常压)。而在设计的系统工作压力（10.0～15.0MPa）下，供气流量应该比5L/S还要小，这是因为工作压力越低，一氧化碳转化成二氧化碳的速度越慢。要想使净化质量得到保证，必须增加吸收和反应时间，也就是降低供气流量。但供气流量也不能太小，这将会使充瓶时间过长，不能满足技术协议书要求。所以供气量的调节与控制显得犹为重要。

（3）供气量的控制手段。一般来说，供气量应由压力保持阀或供气手动截止阀来调节，但在实际操作过程中很难实现，于是设计人员采用了孔板限流法。经过理论计算和多次试验，最终确定限流小孔的尺寸为直径0.3mm，这么小的孔用一般钻头很难加工，最终采用激光加工设备实现该孔的加工。实验结果表明，净化装置的供气量为2.35L/s(常压)，这样的充气速度将一容积约5升的气瓶从常压充至15.0MPa大约需5分钟，既能满足舰上要求，又能使供气质量得到保证。

3 装配与调试

3.1 装配

净化装置的管路连结采用现场配制和焊接方式，装入系统前，所有管路要做水压试验，并清洗吹净。

3.2 调试

由于净化器处理压缩空气需要一定的时间与空间，所以净化装置供气速度不能太快，根据有关资料和试验，需要将充气站充气速度限制在5L/S以下。调节供气速度一般可以通过净化器上所带的最小压力阀和供气手动截止阀来完成，但在调试过程中，发现该调试方法控制难度大。于是在净化器出口加一限流孔板，来控制供气速度，操作方便。