红外产品用高洁高纯净高压氮气气源站设计

史源源

(上海航天控制技术研究所,上海 201109)

1 引 言

气源站是航空、航天、军工、电子、机械等众多行业的重要供气手段。气源站提供的气源品质好坏对产品性能、试验成败、设备寿命等有极其重要的作用。

当前,压缩氮气一般使用压力在40 MPa以下,主要用于充氮保护、产品检测等,对氮气的颗粒度、露点、纯度均有较高的要求[1-2]。本文以某所气源站为例介绍高纯高洁净红外用高压氮气气源站系统,其设计的压缩氮气源站氮气设计压力为40 MPa,颗粒度小于1 μm,含油量小于1 ppm,露点低于-70 ℃(常压),氮气纯度为99.9995 %(非氧含量)。

2 氮气气源站设计

2.1 低压氮气制备

低压氮气制备的方法一般有膜分离制氮、深冷制氮和变压吸附制氮(PSA制氮)三种方式[3]。本文阐述的变压吸附制氮(PSA制氮机)以碳分子筛为吸附剂,利用加压吸附,降压解吸的原理从空气中吸附和释放氧气,从而分离出氮气的自动化设备。碳分子筛是一种以煤为主要原料,经过研磨、氧化、成型、碳化并经过特殊的孔型处理工艺加工而成的,表面和内部布满微孔的柱形颗粒状吸附剂,呈黑色,其孔型分布如图1所示。(Å为孔径单位,1 Å=10-10m)

图1 碳分子筛的孔径分布图

碳分子筛的孔径分布特性使其能够实现O2、N2的动力学分离。这样的孔径分布可使不同的气体以不同的速率扩散至分子筛的微孔之中,而不会排斥空气中的任何一种气体。变压吸附制氮正是利用碳分子筛的选择吸附特性,采用加压吸附,减压解吸的循环周期,使压缩空气交替进入吸附塔来实现空气分离,从而连续产出高纯度的产品氮气。

图2为低压高纯氮气站的设计工艺简图。首先利用空压机制备8～9 bar压缩空气,经过冷干机、微热再生吸附式干燥机干燥处理后,生成低露点的压缩空气,作为制氮机的原料。压缩空气经过制氮机的氮氧分离后,制取出纯度99.9995 %、露点-70 ℃的氮气,并再经过二氧化碳(CO2)脱除机对但其中的CO2进行分离,确保氮气的高品质。

图2 低压高纯氮气站工艺简图

通过吸附、均压、解析三个环节,三种过程循坏往复,两个吸附塔交替工作,一个吸附的同时,另一个吸附塔再生,实现氮气的持续生产。

吸附:压缩空气进入吸附塔,压力上升到一定值,空气通过吸附塔分离出氮气；

均压:经过吸附周期后,两塔直接连通,单塔压力下降,另一塔上升,使两塔压力平衡；

解析:将使用一部分合格氮气对再生吸附塔塔中的氧气等气体直接吹除,排放到大气中。

2.2 高压氮气制备

高压氮气制备一般是在低压氮气的基础上,采用单级或多级活塞压缩机或者隔膜压缩机进行进一步增压,达到使用压力的[4]。这两种高压压缩机成本较高,输出压力比较固定,不适宜频繁启停,这里推荐一种高压气驱气体增压器,它采用1 MPa低压压缩空气作为驱动力,可将低压气体进行增压,进气压力和增压压力相对比较宽泛,且气体增压器无需润滑油,对增压的气体无污染。气体增压器比较适用于频繁启停的工况,性能稳定可靠。图3为气体增压器的工作原理图。

图3 气体增压器的工作原理图

气体增压器的输出压力可按照以下公式进行计算:

式中,FA为驱动端面积；FB为输出端面积；Pa为驱动气体压力。

活塞杆两端的活塞面积不同,将驱动气体通入与大活塞相连的腔,通过交替使用吸入和排出气体的两个控制阀,活塞可以往复运动。在活塞往复运动过程中,根据受力平衡,小活塞端产生高压流体。

在采用这种气体增压的过程中,为了实现设备的自动化工作,可采用气动开关来控制气体增压器的自动启停。图4为气体增压器的高压输出控制,气动开关设定一个目标最高输出压力,当输出气体的压力高至气动开关设定的压力值,气动开关自动切断驱动气,从而实现气体增压器的高压输出自动停机,当压力低于气动开关设定值时,气体增压器恢复增压工作。图5为气体增压器的低压输入控制,气动开关设定一个目标最低进气压力,当输入气体的压力低至气动开关的设定值时,气动开关自动切断驱动气,从而实现气体增压器的低压输入自动停机,当输入气体的压力高于气动开关设定值时,气体增压器恢复增压工作。这两种控制方式组合起来,就可以实现气体增压器的输入压力过低时自动停机和输出压力达到使用压力时自动关机,纯机械控制,性能稳定可靠,成本低廉。

图4 气体增压器的高压输出控制

图5 气体增压器的低压输入控制

在实际使用中,为了增大高压气体的排量,可以采用多台气体增压器串联或并联的方式进行组合,每级配置相应功能的气动开关,集成一套高压气体增压装置。在设计高压气体增压装置时,需考虑在增压级间配置冷却器和级间缓冲,使各级气体增压器能够平稳运行。并且,在高压气体增压装置后,一般需配置一定容积的气瓶(组)或者储气罐,保证高压气源的供气能力。这种气体增压器可以在任意一级气体增压器加入满足压力的进气,灵活性好。在气源压力提高或者流量增大的时候,这种气体增压器的灵活性比较高,改造方便,且使用寿命长,维护简单。

40 MPa氮气气源站是利用五级气体增压器增压,将7～8 bar低压氮气增压至40 MPa,流量每台可达1.5 N·m3/min。图6为40 MPa氮气增压机照片,由北京海德利森设计制造,型号分别为HY-MGB-6K-N2。

图6 氮气增压机照片

3 纯化干燥处理

为了提高气体的品质,可以选配一些气体净化装置,比如CO2脱除装置、高压纯化器等装置。CO2脱除装置一般加在制氮机之后,用于脱除氮气中的CO2的含量。纯化器可以去除高压气体(氧、氮、氦、氩等)中的水汽、油蒸汽及碳氧化合物等[5]。高压纯化器可安装在终端用气前,保证最终供气的品质。在实际使用中,也可以选用多只纯化器串联的方式,每只纯化器配备不同功能的滤芯,使气体达到使用要求,图7所示为多只高压纯化器串联使用的参考照片。

4 气源站监控系统设计

4.1 远程控制与视频监控

远程控制可以对气源站中的各台设备进行远程控制和数据监控,可实现空压机(组)、制氮机(组)、冷干机(组)、吸干机(组)、气体输送阀门等设备的远程启停控制,并且实时监测各台设备的工作状态,出现故障时,可以在监控系统报警,并提示报警原因。紧急情况下,控制系统可实现对设备的紧急停车,远程控制与视频监控台参考照片如图8所示。

图7 多只高压纯化器的串联使用

图8 远程控制与视频监控台

4.2 气体浓度及品质监测

当气源站有氮气、氩气或其他会导致人员窒息或者易燃易爆的气体时,需要配置相应的气体浓度检测仪,对环境中的气体浓度进行检测,当氮气、氩气等发生泄漏时,浓度超标时,检测仪自动报警,并把报警信号发送至监控室。

除了气体浓度检测外,也可以对气源的品质进行监测,可以监测气源的露点、气体纯度、气体流量等,保证气源的品质,确保可靠的供气,其中图9为氧浓度报警系统参考照片,图10为氧浓度监控仪参考照片。

5 厂房建设

气源站在厂房建设时,我们应该注意一些事项:

1)同类设备能相互连通,相互备份,这样在发生设备故障时,可以用其他设备替代,解决临时供气问题,也从一定程度上节约设备成本。例如出口压力一致的空压机,出口可以相互连通,共同供气。

2)气源站中涉及到压力容器和压力管道,必须严格按照国家规定和规范,进行相关的设备报监登记,取得施工和使用许可后,方可开始使用。

3)气源站设备需要合理布局,同时考虑气源站的通风和散热。

图9 氧浓度报警系统照片

图10 氧浓度监控仪照片

4)众多高功率设备放置在一起时,需要考虑降噪或者噪音隔离处理、减振和隔振处理。

5)气源管路长距离输送,需考虑挖设管道地沟,地沟内要求排水顺畅,地沟上封装盖板,并设立安全警示标志,保障过往人员的人身安全。

6 节能与环保

在选用设备时,应尽可能考虑设备是否节能减排,比如选用电机时,可以考虑高能效电机,或者变频电机。在设备使用过程中,定期检查设备状态,发现问题及时处理,这样也可以适当降低能耗,例如定期更换或清理过滤器滤芯,可降低流阻,保证气体流通顺畅。

另外,气源站建设需考虑环保。气源设备工作过程中,会产生大量废弃的冷凝液,这是气体在压缩过程中冷凝出来的水分、油分组合而成的混合液,这种混合液会对环境造成污染,在排放之前应该进行处理,达到环境排放标准后,方可排到环境中。在这里,推荐一种废油收集器。它无需供电,结构简单,处理效果好。

工作原理为:油水混合液在压力的作用下经过连接管道进入气液分离仓进行离心分离,气体经除油(吸附)净化后排入环境空气,系统压力同时在此得到释放。随着冷凝液带入的颗粒杂质被液固分离器进行分离,不断增加的冷凝液在重力分离桶内的亲油疏水材料的表面,微小油滴被大量吸引,得以粗粒化,再靠重力进行分离,在重力的作用下油在液体表面不断聚合成为厚的油层,浮在顶层的油通过溢流装置落入集油桶内。经过这个初步处理,大片浮油和大油滴已经去除。然后冷凝液流入前级分离筒,将悬浮在液体中的微小油滴进一部凝聚成大油滴,使之浮到液体上面。经预分离的冷凝液进入吸附分离筒,吸附少量的残和微化液,经过处理的废水含油量少于10 ppm,可直接排放。

7 结 论

目前,国内高压气源站比较少,关于高纯高压气源站的国家规范也比较缺乏,人们一般采用标准瓶装气体用于生产和试验,这种瓶装气体压力一般在15 MPa左右,压力较低,运输麻烦,对于用气量多、气体品质要求高、使用压力高的单位部门来讲,远达不到使用需求。本文叙述的高纯高洁净综合高压氮气气源站会是一种更佳的优化设计,它的适用性强,使用简单,灵活多变,对今后高纯、高洁净、高压气源站的设计建造有一定的指导借鉴意义。