艦船用呼吸空氣凈化裝置研制

朱寶慶，栢祥華，李金祿，邢志勝，張志恒

（1.合肥通用機械研究院有限公司；2.壓縮機技術國家重點實驗室，安徽 合肥 230031；3.海裝駐南京地區第一軍事代表室，江蘇 南京 210006）

空氣凈化裝置是壓縮空氣后處理的關鍵設備，用于空氣凈化處理，確保供給氣體的空氣質量。艦船所配置的壓縮空氣后處理設備通常只能去除壓縮空氣中的水分、油霧和一些比較大的固體顆粒雜質，無法去除其中的一氧化碳、二氧化碳和其它臭味雜質。壓縮空氣中的一氧化碳、二氧化碳的含量往往是超過了呼吸空氣質量標準要求，艦上工作人員（通常是潛水員、消防員）在作業過程中呼吸了這種壓縮空氣，將會對其身體產生嚴重危害，特殊場合甚至會危及生命。針對艦員呼吸供氣需求，研制了KQZ型呼吸空氣凈化裝置（簡稱凈化裝置）。

1 技術要求

按照用戶實際使用要求，確定凈化裝置的技術指標為：處理空氣壓力：10～15MPa；處理空氣流量：7.5～15m3/h；供氣品質要求（見表1）。

表1 供氣品質要求

鑒于艦船設備的特殊使用要求，還對裝置的可靠性、維修性、環境適用性、外形尺寸、重量等提出了明確的要求。

2 方案設計

凈化裝置的系統流程見圖1。來自高壓空氣站（帶壓縮空氣后處理設備）的高壓空氣（15.0MPa，已除去其中的大部分水和油）依次經水分離器、粗過濾器、一級呼吸空氣凈化器、二級呼吸空氣凈化器進行除水、除油、除塵、去除CO和CO2，最后輸出滿足呼吸氣體標準要求的壓縮空氣，經過處理后的純凈空氣由高壓不銹鋼金屬軟管通過高壓截止閥充入呼吸氣瓶。水分離器主要功能是去除壓縮空氣中的液態水分；粗過濾器對壓縮空氣進行過濾，除去較大的顆粒、油分等雜質；一級呼吸空氣凈化器應能去除水霧和油霧等較小的雜質；二級呼吸空氣凈化器應能在內置催化劑的作用下將一氧化碳轉化成二氧化碳，并去除二氧化碳、油蒸氣和異味。水分離器、過濾器均設置排污閥，二級呼吸空氣凈化器后設置保壓閥，保壓閥開啟壓力不小于10MPa，保壓閥前設置安全閥。

圖1 KQZ型呼吸空氣凈化裝置的系統流程圖

該方案設計主要有以下幾個特點。

2.1 進口重要件——高壓呼吸空氣凈化器

目前，能除去壓縮空氣中的一氧化碳、二氧化碳的國產凈化設備性能不是很穩定。為了能有效地去除壓縮空氣中的一氧化碳、二氧化碳及其他臭味雜質，使經過凈化裝置處理后的壓縮空氣能夠滿足呼吸要求，需從英國進口1臺高壓呼吸空氣凈化器。該凈化器處理過的氣體純度滿足英國BS4001及其它國際呼吸空氣標準。

2.2 前置濾網式過濾器的選型

盡管高壓呼吸空氣凈化器（進口件）自帶一級前置過濾器，但為了保護呼吸空氣凈化器，同時提高空氣質量，在凈化器之前增加一級濾網式過濾器（型號：KJ26-1C/001），可去除高壓空氣中比較大的顆粒雜質。

2.3 不銹鋼管路附件的選擇

為保證壓縮空氣經過凈化裝置的過程中，不給系統增加額外的污染雜質，所有管路、管路附件、閥件均選用不銹鋼材質。

2.4 機體結構的設計

為了使凈化裝置重量減輕，結構緊湊，運輸、安裝方便，將凈化裝置設計成一箱體式形狀，所有的管件和過濾凈化設備均裝入箱體內，這樣可以起到保護重要件的作用。

2.5 管路的連結

所有管路統一采用Ф6×1.5的不銹鋼管，方便連接，但由于系統管路較多，且長度短，彎折多，具體尺寸不易掌握，于是在配置每段管路時，均先制作鐵絲模型，用專用彎管器仿形制作。焊接處均打坡口，并采用氬弧焊接。

2.6 供氣量的控制

（1）凈化裝置的工作過程見圖2。

圖2 高壓呼吸空氣凈化器的工作流程圖

（2）控制供氣量的必要性。高壓呼吸空氣凈化器規定了該凈化器在最高工作壓力（35MPa）下所能提供的最大合格空氣流量為5L/s(常壓)。而在設計的系統工作壓力（10.0～15.0MPa）下，供氣流量應該比5L/S還要小，這是因為工作壓力越低，一氧化碳轉化成二氧化碳的速度越慢。要想使凈化質量得到保證，必須增加吸收和反應時間，也就是降低供氣流量。但供氣流量也不能太小，這將會使充瓶時間過長，不能滿足技術協議書要求。所以供氣量的調節與控制顯得猶為重要。

（3）供氣量的控制手段。一般來說，供氣量應由壓力保持閥或供氣手動截止閥來調節，但在實際操作過程中很難實現，于是設計人員采用了孔板限流法。經過理論計算和多次試驗，最終確定限流小孔的尺寸為直徑0.3mm，這么小的孔用一般鉆頭很難加工，最終采用激光加工設備實現該孔的加工。實驗結果表明，凈化裝置的供氣量為2.35L/s(常壓)，這樣的充氣速度將一容積約5升的氣瓶從常壓充至15.0MPa大約需5分鐘，既能滿足艦上要求，又能使供氣質量得到保證。

3 裝配與調試

3.1 裝配

凈化裝置的管路連結采用現場配制和焊接方式，裝入系統前，所有管路要做水壓試驗，并清洗吹凈。

3.2 調試

由于凈化器處理壓縮空氣需要一定的時間與空間，所以凈化裝置供氣速度不能太快，根據有關資料和試驗，需要將充氣站充氣速度限制在5L/S以下。調節供氣速度一般可以通過凈化器上所帶的最小壓力閥和供氣手動截止閥來完成，但在調試過程中，發現該調試方法控制難度大。于是在凈化器出口加一限流孔板，來控制供氣速度，操作方便。

4 實驗驗證

調試完成后，對凈化裝置的各項指標進行了檢測，符合設計要求。具體檢測結果及判斷見表2。

表2 試驗結果

5 結語

（1）針對艦船使用環境和呼吸用氣品質的要求，自主研發了能夠將普通壓縮空氣凈化處理為呼吸用氣的KQZ型呼吸空氣凈化裝置。

（2）研制過程中的一氧化碳還原處理技術及氣體流量控制技術，能夠為同類空氣凈化裝置的研究提供參考。

（3）本裝置經針對性改型后可推廣應用于戰時、天災等緊急狀況和惡劣環境下人員呼吸用氣的凈化處理，情景廣闊。