新型三防制氮系统的设计与应用研究

2022-06-21赵丹娜李艳福牛涛

机械工程师 2022年6期

赵丹娜，李艳福，牛涛

（1.凯迈（洛阳）气源有限公司，河南洛阳 471003；

2.中国人民解放军空军装备部驻洛阳地区第一军事代表室，河南洛阳 471003）

0 引言

目前，制氮工艺主要分为深冷法、膜分离法和变压吸附法，在小型供气流量下，一般采用膜分离法和变压吸附法，膜制氮工艺复杂、能耗比高，无法“一步法”制取高纯氮气，需采用加氢或加碳燃烧方式进行二次提纯，提纯过程中产生一定量的二氧化碳和水分，为保证最终高纯氮气的指标要求，需要进行进一步的过滤和净化，从技术角度分析存在一定的技术隐患。

国内外采用的PSA制氮工艺已较为成熟，但多为低纯度的设计和生产模式，无法满足国防和电子等高要求的用户。同时大多数产品仅适合内陆地区环境气候，而适合在沿海潮湿多雨环境条件下的产品还不多见。因此，研制开发环境适应性强的高纯制氮系统可解决该问题。

本研究针对沿海环境下的制氮设备需求情况，用于多种形式的气源供气，特别是针对在苛刻环境条件下的使用。作为苛刻环境下的高纯高压制氮产品，这就要求制氮系统满足严格的“防湿热、防盐雾、防霉菌”环境和智能化操作要求，并且有运行可靠、故障率低和维修保障能力强的特点，能在特定的环境下完成标准的作业需求。

1 制氮系统的设计原理

1.1 双变压吸附制氮技术

采用双变压吸附制氮技术，双变压吸附最大的特点是可对潮湿的气体进行深度净化以满足制取高纯氮的工况，使制氮能力保持长期稳定。在大气经过空压机进行压缩后，经冷干机将空气冷却，去除大部分油水混合物后，进入“变压吸附干燥器”进行深度除水，将空气的洁净度提高到一定程度，再经过“变压吸附塔”使高性能的碳分子筛在压力的作用下，利用氮、氧在分子筛中不同的吸附速率，将氧吸附，输出高纯氮气。变压吸附原理成熟，一次提纯即可获得99.999%高纯度的氮气，氮气露点长期小于-70 ℃[1]。再通过膜压机增压后储存到气瓶中，使用时可通过后端设置的控制柜对输出压力进行调节输出。

采用双变压吸附技术可使制氮系统在潮湿环境中稳定工作，提供可靠纯度氮气的同时，增加产品的寿命。

1.2 新型制氮系统原理设计

制氮系统最终工作压力可达35 MPa，输出压力可根据要求调节，主要集成空压机、变压吸附干燥器、变压吸附制氮系统、氮气缓冲罐、隔膜式压缩机、高压储气瓶组、中控柜、气源箱等组件。

制氮提纯装置工作原理框图如图1所示，原料空气经空气压缩机预处理后被压缩至0.85～0.95 MPa，先经过过滤及冷冻式干燥机除油、除水，再经变压吸附干燥器深度除水，输送到变压吸附制氮系统吸附氧气后输出满足要求的高纯氮气到隔膜式压缩机，经两级增压至35 MPa，最后到达气瓶组储存。当需要为外部设备供气时，储气瓶组内的35 MPa高压氮气经中控柜控制气路的多路输出，中控柜是控制气瓶组的总开关，同时设置有35 MPa、15 MPa和0.2 MPa等高中低气路输出口，高压35 MPa气体输送到气源箱上，由气源箱调节压力输出29 MPa和21 MPa压力给充气防护台，充气防护台上可对所需产品进行充气[2-3]。使用时也可以将气瓶组气体循环增压，充分利用气瓶组气体。

图1 气路框图

制氮系统的控制系统采用PLC控制，控制柜采用不锈钢IPS6级箱体，线路经过屏蔽和保护，抗干扰性能强、工作可靠。根据高纯制氮工艺、系统控制特点、变压吸附和再生技术要求等，确定碳分子筛吸附、再生、均压等各阶段的时间参数，用梯形图编辑PLC控制程序，控制各阶段阀门的开关状态及有关相应的检测报警，形成完整完善的健康管理系统（如压力检测、温度检测、氮气纯度报警、露点测试等），用户可以方便地在线修改各种设置参数（如纯度上下限值、进出口压力值等），触摸屏实时显示控制系统的各种参数，使纯度和露点同步。控制系统中含设备的技术参数和故障处理方法，并新设计了历史记录保存功能，保存2 a的记录用于清查各个时间段的工作状态。

2 总体结构设计

制氮系统由空压机、变压吸附干燥器、变压吸附制氮系统、氮气缓冲罐、隔膜式压缩机、高压储气瓶组、中控柜、气源箱和控制系统等组成。

以往制氮系统与其基本组成一致，主要采用单变压吸附塔工作，可制取一定纯度的氮气，满足一般厂房环境下的工作需求。

新型制氮系统采用模块化设计，集成双变压吸附技术，为适应“三防”环境下的工作需求，在产品外设计有外箱体，将控制系统设计在箱体正面，便于操作和控制。各个组件以模块撬装结构进行系统化拼装，可分体运输后合并。外箱体使产品既看起来美观又对产品形成保护。

结构布局如图3所示，所有非发热部件集成安装于2.5 m箱体内，空压机和冷干机放置在箱体的右侧，保证空压机和冷干机通风良好，热量可迅速扩散。膜压机、气瓶组等高压组件可根据房间的不同，放置在不同的位置，具有很高的灵活度。

图2 新型三防制氮系统内部结构布局图

图3 新型制氮系统厂部布局设计图

3 新型制氮系统的三防设计和试验

由于新型制氮系统的工作环境为海边或离海洋较近的范围内，其周围的湿度和盐雾环境较严重，长时间的潮湿环境对制氮系统的工作性能和器件外观有直接的影响。因此，制氮系统“三防”能力的加强尤为重要。

从设计源头入手，掌握各个设备器件的特点和环境使用能力，对不同的器件进行不同的防护设计，如：直接接触大气的器件表面均涂三防清漆，铝制品选用LF系列（阳极耐氧化）防锈铝合金，各紧固件采用奥氏体不锈钢、镀彩锌防锈处理或达克罗工艺处理，各控制柜和箱体采用封闭结构并采用IP65防护等级产品，防止湿热气体和粉尘进入。

1）制氮机驱动气路管路、采样气路管路和排污气路管路均采用316 不锈钢直管弯制而成，保证管路弯制后不出现瘪、裂、凹坑等现象，保证平直、整齐和高低一致，适用于炎热潮湿、含盐度高的空气环境，耐腐蚀效果好，使用周期长。

2）管道式气动阀与电器接线端、电路板等部分，表面喷涂快干硬化防锈油，隔绝空气，避免生锈。

3）容器及管路表面喷涂佐敦白色三防丙烯酸树脂面漆；管路和其它结构件喷漆前外表面必须喷砂或磷化处理，表面喷涂佐敦白色三防丙烯酸树脂面漆。

4）控制柜整体采用304不锈钢，外带三防面板，内电源建议调整为轨道式电源，无金属外壳，避免生锈。

5）设备上螺栓接触连接时，螺栓采用防锈性能好的达克罗工艺。经试验，螺栓防锈性能达克罗工艺＞不锈钢＞镀锌处理，经过20 d盐碱试验，镀锌螺栓有明显的锈迹，达克罗螺栓无变化，304不锈钢螺栓有发黑迹象。