新型三防制氮系統的設計與應用研究

趙丹娜，李艷福，牛濤

（1.凱邁（洛陽）氣源有限公司，河南 洛陽 471003；

2.中國人民解放軍 空軍裝備部 駐洛陽地區第一軍事代表室，河南 洛陽 471003）

0 引言

目前，制氮工藝主要分為深冷法、膜分離法和變壓吸附法，在小型供氣流量下，一般采用膜分離法和變壓吸附法，膜制氮工藝復雜、能耗比高，無法“一步法”制取高純氮氣，需采用加氫或加碳燃燒方式進行二次提純，提純過程中產生一定量的二氧化碳和水分，為保證最終高純氮氣的指標要求，需要進行進一步的過濾和凈化，從技術角度分析存在一定的技術隱患。

國內外采用的PSA制氮工藝已較為成熟，但多為低純度的設計和生產模式，無法滿足國防和電子等高要求的用戶。同時大多數產品僅適合內陸地區環境氣候，而適合在沿海潮濕多雨環境條件下的產品還不多見。因此，研制開發環境適應性強的高純制氮系統可解決該問題。

本研究針對沿海環境下的制氮設備需求情況，用于多種形式的氣源供氣，特別是針對在苛刻環境條件下的使用。作為苛刻環境下的高純高壓制氮產品，這就要求制氮系統滿足嚴格的“防濕熱、防鹽霧、防霉菌”環境和智能化操作要求，并且有運行可靠、故障率低和維修保障能力強的特點，能在特定的環境下完成標準的作業需求。

1 制氮系統的設計原理

1.1 雙變壓吸附制氮技術

采用雙變壓吸附制氮技術，雙變壓吸附最大的特點是可對潮濕的氣體進行深度凈化以滿足制取高純氮的工況，使制氮能力保持長期穩定。在大氣經過空壓機進行壓縮后，經冷干機將空氣冷卻，去除大部分油水混合物后，進入“變壓吸附干燥器”進行深度除水，將空氣的潔凈度提高到一定程度，再經過“變壓吸附塔”使高性能的碳分子篩在壓力的作用下，利用氮、氧在分子篩中不同的吸附速率，將氧吸附，輸出高純氮氣。變壓吸附原理成熟，一次提純即可獲得99.999%高純度的氮氣， 氮氣露點長期小于-70 ℃[1]。再通過膜壓機增壓后儲存到氣瓶中，使用時可通過后端設置的控制柜對輸出壓力進行調節輸出。

采用雙變壓吸附技術可使制氮系統在潮濕環境中穩定工作，提供可靠純度氮氣的同時，增加產品的壽命。

1.2 新型制氮系統原理設計

制氮系統最終工作壓力可達35 MPa，輸出壓力可根據要求調節，主要集成空壓機、變壓吸附干燥器、變壓吸附制氮系統、氮氣緩沖罐、隔膜式壓縮機、高壓儲氣瓶組、中控柜、氣源箱等組件。

制氮提純裝置工作原理框圖如圖1所示，原料空氣經空氣壓縮機預處理后被壓縮至0.85～0.95 MPa，先經過過濾及冷凍式干燥機除油、除水，再經變壓吸附干燥器深度除水，輸送到變壓吸附制氮系統吸附氧氣后輸出滿足要求的高純氮氣到隔膜式壓縮機，經兩級增壓至35 MPa，最后到達氣瓶組儲存。當需要為外部設備供氣時，儲氣瓶組內的35 MPa高壓氮氣經中控柜控制氣路的多路輸出，中控柜是控制氣瓶組的總開關，同時設置有35 MPa、15 MPa和0.2 MPa等高中低氣路輸出口，高壓35 MPa氣體輸送到氣源箱上，由氣源箱調節壓力輸出29 MPa和21 MPa壓力給充氣防護臺，充氣防護臺上可對所需產品進行充氣[2-3]。使用時也可以將氣瓶組氣體循環增壓，充分利用氣瓶組氣體。

圖1 氣路框圖

制氮系統的控制系統采用PLC控制，控制柜采用不銹鋼IPS6級箱體，線路經過屏蔽和保護，抗干擾性能強、工作可靠。根據高純制氮工藝、系統控制特點、變壓吸附和再生技術要求等，確定碳分子篩吸附、再生、均壓等各階段的時間參數，用梯形圖編輯PLC控制程序，控制各階段閥門的開關狀態及有關相應的檢測報警，形成完整完善的健康管理系統（如壓力檢測、溫度檢測、氮氣純度報警、露點測試等），用戶可以方便地在線修改各種設置參數（如純度上下限值、進出口壓力值等），觸摸屏實時顯示控制系統的各種參數，使純度和露點同步。控制系統中含設備的技術參數和故障處理方法，并新設計了歷史記錄保存功能，保存2 a的記錄用于清查各個時間段的工作狀態。

2 總體結構設計

制氮系統由空壓機、變壓吸附干燥器、變壓吸附制氮系統、氮氣緩沖罐、隔膜式壓縮機、高壓儲氣瓶組、中控柜、氣源箱和控制系統等組成。

以往制氮系統與其基本組成一致，主要采用單變壓吸附塔工作，可制取一定純度的氮氣，滿足一般廠房環境下的工作需求。

新型制氮系統采用模塊化設計，集成雙變壓吸附技術，為適應“三防”環境下的工作需求，在產品外設計有外箱體，將控制系統設計在箱體正面，便于操作和控制。各個組件以模塊撬裝結構進行系統化拼裝，可分體運輸后合并。外箱體使產品既看起來美觀又對產品形成保護。

結構布局如圖3所示，所有非發熱部件集成安裝于2.5 m箱體內，空壓機和冷干機放置在箱體的右側，保證空壓機和冷干機通風良好，熱量可迅速擴散。膜壓機、氣瓶組等高壓組件可根據房間的不同，放置在不同的位置，具有很高的靈活度。

圖2 新型三防制氮系統內部結構布局圖

圖3 新型制氮系統廠部布局設計圖

3 新型制氮系統的三防設計和試驗

由于新型制氮系統的工作環境為海邊或離海洋較近的范圍內，其周圍的濕度和鹽霧環境較嚴重，長時間的潮濕環境對制氮系統的工作性能和器件外觀有直接的影響。因此，制氮系統“三防”能力的加強尤為重要。

從設計源頭入手，掌握各個設備器件的特點和環境使用能力，對不同的器件進行不同的防護設計，如：直接接觸大氣的器件表面均涂三防清漆，鋁制品選用LF系列（陽極耐氧化）防銹鋁合金，各緊固件采用奧氏體不銹鋼、鍍彩鋅防銹處理或達克羅工藝處理，各控制柜和箱體采用封閉結構并采用IP65防護等級產品，防止濕熱氣體和粉塵進入。

1）制氮機驅動氣路管路、采樣氣路管路和排污氣路管路均采用316 不銹鋼直管彎制而成，保證管路彎制后不出現癟、裂、凹坑等現象，保證平直、整齊和高低一致，適用于炎熱潮濕、含鹽度高的空氣環境，耐腐蝕效果好，使用周期長。

2）管道式氣動閥與電器接線端、電路板等部分，表面噴涂快干硬化防銹油，隔絕空氣，避免生銹。

3）容器及管路表面噴涂佐敦白色三防丙烯酸樹脂面漆；管路和其它結構件噴漆前外表面必須噴砂或磷化處理，表面噴涂佐敦白色三防丙烯酸樹脂面漆。

4）控制柜整體采用304不銹鋼，外帶三防面板，內電源建議調整為軌道式電源，無金屬外殼，避免生銹。

5）設備上螺栓接觸連接時，螺栓采用防銹性能好的達克羅工藝。經試驗，螺栓防銹性能達克羅工藝＞不銹鋼＞鍍鋅處理，經過20 d鹽堿試驗，鍍鋅螺栓有明顯的銹跡，達克羅螺栓無變化，304不銹鋼螺栓有發黑跡象。

圖4 新型制氮系統實物圖

6）設備關鍵部件、氣路、電路等都設計有保護裝置，防止零部件的裸露和外置，避免了長期工作時出現的損壞問題[4]。

2017年10—11月，依據《GJB 150.10A-2009軍用裝備試驗室環境試驗方法 霉菌試驗》和《GJB 150.11A-2009軍用裝備試驗室環境試驗方法 鹽霧試驗》對樣件進行了霉菌試驗、鹽霧試驗（如圖5），試驗結果合格。

圖5 樣件霉菌試驗和鹽霧試驗后照片

根據試驗為期28 d霉菌、2個周期的鹽霧和48 h的濕熱試驗，所選的制氮系統樣件很好地滿足了設計要求。

4 智能化制氮系統設計

采用通用化、模塊化、智能化的設計原則，將各個功能模塊集成，整套系統統一控制，并可實時反饋工作狀態和信息，歷史記錄可調用清查。

5 結論

采用“雙變壓吸附技術”是在成熟技術的基礎上進行的優化改進和提高，是PSA制氮技術的又一個新的突破，可保持氮氣純度和露點的長期穩定。

制氮裝置設備采用模塊化設計，靈活度高，適用于不同類型的場站試驗和武器保障用氣。

制氮裝置解決了高純制氮技術在潮濕環境下的露點穩定性，領先同行業技術水平。全系統采用嚴格的“三防設計”并進行“三防”試驗驗證，滿足苛刻的海洋環境工作要求。

采用智能化工作模式，集成器件狀態顯示、信息顯示、操作說明提示、系統自檢、出廠初始化等健康管理系統內容，減少了操作的復雜性，增加了系統的可控性。

制氮機創新采用外箱體設計，不僅使產品外觀美觀、安裝便捷，在箱體外集成了可視化操作界面，而且提高了用戶的使用便攜性和可維護性。

圖6 制氮系統智能化控制