液態工業氣體的應用方案與效果分析

秦士忠

(無錫宏源機電科技有限公司，江蘇無錫 214106)

0 前言

宏源公司激光切割機等設備需配套使用大量的工業輔助氣體。如激光切割機需配套使用切割輔助氣體——氧氣和氮氣，等離子切割機需配套使用切割輔助氣體——氧氣，氬弧焊接時需配套使用焊接輔助氣體——氬氣。在實施使用杜瓦瓶裝超低溫液化氣體(液氮、液氬)前均使用普通瓶裝壓縮氣體為供氣氣源，且采用單臺設備設置一個氣源點的供氣模式，為解決該供氣模式存在的車間內到處需設置氣源氣瓶現象，經多方調研后決定采用使用杜瓦瓶裝超低溫液化氣體為供氣氣源，并在車間內設置統一的氣源點，利用管道將各種氣體分別輸送到相關設備使用方案；而激光切割機雖使用了液氧作為輔助切割氣體,但其供氣模式為由杜瓦瓶直接汽化后用氣，存在汽化時結霜、結冰及汽化量不足現象等問題，故需在使用杜瓦瓶裝超低溫液化氣體為供氣氣源及管道化輸送應用方案中一并進行解決。

1 普通瓶裝氧氣、氮氣、氬氣與杜瓦瓶裝超低溫液氧、液氮、液氬的區別

(1)壓縮氣體，是指在-50℃下加壓時完全是氣態的氣體，包括臨界溫度低于或者等于-50℃的氣體；

(2)高(低)壓液化氣體，是指在溫度高于-50℃下加壓時部分是液態的氣體，包括臨界溫度在-50℃和65℃之間的高壓液化氣體和臨界溫度高于65℃的低壓液化氣體(以下通稱為液化氣體)；

(3) 超低溫液化氣體，是指在運輸過程中由于溫度低而部分呈液態的氣體(臨界溫度一般低于或者等于-50℃)。

根據以上氣體定義“瓶裝氧氣、氮氣、氬氣”是指常溫下對氧氣、氮氣、氬氣進行加壓壓縮后的高壓氣體，屬壓縮氣體；而“杜瓦瓶裝超低溫液氧、液氮、液氬”是指對氧氣、氮氣、氬氣進行冷凍處理至臨界溫度以下而獲得液態氧、液態氮、液態氬，屬冷凍液化氣體；因此二者存放氧氣、氮氣、氬氣時的相態不同，及運輸和儲存時的方式不同，前者為主要利用氣體可壓縮性較大的特性采用加壓壓縮氣體的方式來實現氣體的運輸和儲存；而后者為主要利用氣體在達到臨界溫度以下時會發生相態變化的特性采用超低溫制冷技術來實現氣體的運輸和儲存。

氧、氮、氬主要特性參數表

注：沸點：① 液體的飽和蒸氣壓與外界壓強相等時的溫度；②臨界溫度：液體能維持液相的最高溫度；③FTSC編碼：《GB16163-1996瓶裝壓縮氣體分類》標準中對氣體的燃燒性、毒性、狀態、腐蝕性四個基本特性進行的編碼。

2 杜瓦瓶裝液氧（液氮、液氬）及管道輸送的使用方案

普通瓶裝氧氣（氮氣、氬氣）的使用主要通過減壓控制來獲得相應壓力的使用氣體，因此選用合適的減壓閥是正確使用普通瓶裝氧氣（氮氣、氬氣）的關鍵；而杜瓦瓶(絕熱氣瓶)裝超低溫液氧（液氮、液氬）的使用需通過對液相氣體的汽化和減壓控制來獲得相應壓力的使用氣體，因此配套選用合適的汽化器和減壓閥是正確使用杜瓦瓶裝超低溫液氧（液氮、液氬）的關鍵。

2.1 杜瓦瓶裝超低溫液氧及管道輸送使用方案

公司內需用氧氣作生產輔助氣體的設備計有3臺，分別為規格為3000*1500的瑞士百超激光切割機2臺，規格為2500*6200的日本小松等離子切割機1臺。

設備用氧氣的參數要求表

根據杜瓦瓶裝液氧輸出情況需配置2瓶一組同時供氣 (液) 方可滿足供氣要求, 同時在匯流排上設置1備用截止閥，并配置一液氧杜瓦瓶備用；根據要求液氧只能在專門的設備中進行汽化（如汽化器等），禁止液氧在管道內汽化，為避免液氧在管道內汽化情況發生，同時考慮到冬季氣溫低會影響汽化效果等因素故采用放大配置汽化器（50Nm3/h）規格方案以確保冬季能正常供氣；設置汽化器壓力為15bar，管道壓力按滿足設備使用壓力設置為12bar，支氣管終端壓力設備1（激光切割機）5 bar，設備2（激光切割機）5 bar，設備3（等離子切割機）10 bar。

液態氧及管道輸送供氣方案示意圖

2.2 杜瓦瓶裝超低溫液氮及管道輸送使用方案

公司內需用氮氣作生產輔助氣體的設備計有2臺，為規格為3000*1500的瑞士百超激光切割機2臺，主要用于不銹鋼板材的切割，但公司需要切割的不銹鋼板材零件并不很多，故只需考慮滿足1臺設備使用的供氣量即可，但需滿足2臺設備均可使用的要求，即2臺機不同時使用氮氣。激光切割機在切割不銹鋼等材料時使用氮氣的壓力要求在14 bar，流量2.8 m3/h，折合標準狀態氣體體積39.2 Nm3/h。根據杜瓦瓶裝液氮輸出情況需配置2瓶一組同時供氣 (液)方可滿足供氣要求,同時在匯流排上設置1備用截止閥，并配置一液氮杜瓦瓶備用；根據要求液氮只能在專門的設備中進行汽化（如汽化器等），禁止液氮在管道內汽化，為避免液氮在管道內汽化情況發生，同時考慮到冬季氣溫低會影響汽化效果等因素故采用放大配置汽化器（70Nm3/h）規格方案以確保冬季能正常供氣；設置汽化器壓力為18bar，按滿足設備使用管道壓力設置為16bar，二支氣管終端壓力均設置為15 bar。

液態氮及管道輸送供氣方案示意圖

2.3 杜瓦瓶裝超低溫液氬及管道輸送使用方案

公司內需使用氬氣作為輔助氣體的地方主要是氬弧焊接設備，公司現常用的氬弧焊設備為9臺，如每臺平均按12升/分用氣量計算，每小時用氣量合計為6.5 Nm3/h,考慮到公司板金焊接設備升級改造的需求在不斷增加，自動焊接設備單位時間內用氣量較大的情況，故暫按10 Nm3/h的供氣量進行配置。根據杜瓦瓶裝液氬輸出情況只需配置單瓶供氣 (液)即可滿足供氣要求,同時在匯流排上設置1備用截止閥，并配置一液氬杜瓦瓶備用；根據要求液氮只能在專門的設備中進行汽化（如汽化器等），禁止液氮在管道內汽化，為避免液氮在管道內汽化情況發生，同時考慮到冬季氣溫低會影響汽化效果等因素故采用放大配置汽化器（20Nm3/h）規格方案以確保冬季能正常供氣；設置汽化器壓力為12bar，管道壓力設置為9bar。

液態氬及管道輸送供氣方案示意圖

3 使用液態工業特種氣體并采用管道化輸送后的效果情況

通過使用杜瓦瓶裝超低溫液態工業特種氣體作為公司生產設備主要使用輔助氣體的氣源，及按規范要求分別設置氧氣、氮氣、氬氣的統一供氣氣源點，并利用專用管道將各種氣體分別輸送到相關設備上使用后有以下明顯效果。

3.1 達到了各類氣體能統一使用和管理的目標，使車間內到處設置氣瓶現象得到了改善，由于使用氣瓶數量的大幅減少，使車間場地的有效利用率得到提高。

3.2 由于杜瓦瓶裝超低溫液態工業特種氣體的氣體貯存量大是40L普通氣瓶的20倍左右，因此減少了原來需頻繁調換氣瓶的麻煩和工作量，提高了設備工作效率，同時還降低運輸工作量和成本。

3.3 由于杜瓦瓶裝超低溫液態工業特種氣體的氣體純度高、氣體流量大、氣流穩定、壓力調整方便可靠，使用后設備的加工產品的質量穩定性得到提高。

3.4 由于杜瓦瓶裝超低溫液態工業特種氣體裝瓶時壓力低，因此在使用和運輸中的安全性得到提高，在建立統一氣源點后各類氣體的安全使用情況得到了規范。

3.5 經綜合測算使用液氮、液氬替代原40L普通氣瓶裝氮氣、氬氣后用氣成本分別下降了12.6%和25.3%，經濟效益得到提高，并且由于使用了統一氣源點供氣，使各類氣體的有效利用率得到了提高。

4 總結

杜瓦瓶裝超低溫工業氣體（液氧、液氮、液氬等）通過管道輸送來實現集中供氣方案，適用于使用工業氣體（氧氣、氮氣、氬氣等）用量適中的現代化工廠車間，是國際上廣泛使用的現代化供氣方式。它是運用了先進的深冷技術和超低溫保溫技術及合理的汽化及管道輸送方案，滿足了現代化工廠車間對生產用工業氣體的氣體純度要求高、使用量較大、供氣的壓力波動和流量穩定性指標較高的使用要求，實現現代化工廠車間對生產現場的管理要求，結合科學的管理方法將有效的降低生產成本和實現對生產成本進行有效控制。