船用压缩空气净化设备的设计与试验

李金禄，姜慧君，李小仨，邢志胜，叶鹏，毛京兵

(合肥通用机械研究院 压缩机技术国家重点实验室，安徽 合肥 230031)

船用压缩空气净化设备的设计与试验

李金禄，姜慧君，李小仨，邢志胜，叶鹏，毛京兵

(合肥通用机械研究院 压缩机技术国家重点实验室，安徽 合肥 230031)

对船用J141-1/15型压缩空气净化设备的设计与试验进行了总结。在各零部件的设计选型和针对船用特点的经验方面进行了详细介绍，对其他船用净化设备的设计、制造具有参考意义。

船用；净化设备；设计

压缩空气系统是船上的重要保障系统，担负着为所有用气设备和仪表提供气源的重任，而压缩空气净化设备作为船用压缩空气系统的重要组成部分，决定着压缩空气质量的好坏，将直接影响该系统自身的安全和用气设备、仪表能否正常工作。鉴于无热再生式结构干燥装置在船舶上已经具备了丰富的实践应用经验，而且具有尺寸小、结构简单、可靠性高等许多优点，因此，该船用净化设备设计成无热再生式干燥器加过滤器串联的结构形式。

1 技术要求

根据该船用技术指标（固体颗粒尺寸≤1μm，常压露点≤-55℃，含油量≤0.01mg/m3）和《压缩空气净化设备型号编制方法》，该压缩空气净化设备的型号为J141-1/15。即出口固体粒子尺寸和浓度等级为1 级，压力露点等级为4 级，含油量等级为1 级的压缩空气净化组合设备，其进口容积流量为1m3/min，进口压力为15MPa。由于船用的特殊性，还对重量、外形尺寸，防护等级，抗冲击、环境适应性、耗气量、最高进气温度及电源提出了要求。

2 设计

船用压缩空气净化设备在设计时首先考虑满足相关的技术要求，另外也考虑到现场实际使用和安全情况，增设了设备自动开停机、记忆、定压排气、过滤器滤芯更换提示等功能，以保证干燥器能够正常可靠运行。

2.1 基本流程

本文设计的船用压缩空气净化设备主要由前置过滤器、精密除油过滤器、组合换向阀、干燥塔、单向阀组、后置过滤器、活性炭过滤器、保压阀、减压阀、消音器、电控系统等组成，具体流程见图1。压缩空气净化设备的工作流程（以A塔吸附为例）为： 湿压缩空气经过前置过滤器和精密除油过滤器后，流经组合换向阀后进入到干燥塔（A塔）进行吸附干燥。经干燥后的压缩空气依次通过单向阀（1）和后置过滤器，大部分高压空气再经活性炭过滤器和保压阀后作为成品气进入高压气瓶组，少部分高压空气经过减压阀、单向阀（4）和节流孔后，进入到B 塔，对B 塔中的吸附剂进行低压解析再生，解析后的再生气通过组合换向阀和消音器排放到大气。两塔通过电控系统控制组合换向阀的动作实现吸附再生的转换，15分钟转换一次。均压时，组合换向阀内的排气阀关闭，均压阀打开，使A塔和B塔连通，在干燥塔（A塔）通气的同时，干燥塔（B塔）压力升高，为两塔的切换做准备，时间为2分钟。

图1 压缩空气净化设备系统流程图

2.2 过滤器

根据该设备的性能指标选择4级过滤器。压缩机压缩后的高压空气中，会含有大量水分、颗粒和油，这些不仅对组合换向阀的可靠性造成影响，液态水和油也会对干燥塔中的吸附剂造成污染，所以在干燥塔前配置前置过滤器和精密除油过滤器。前置过滤器用于初始分离，滤除空气中固体颗粒、有一定粒径的油水气溶胶；精密除油过滤器是对气体中残余的油水气溶胶进行彻底的清除，在保证压缩空气质量的同时，也保证进入干燥塔的空气不会对塔内的吸附剂产生污染。在干燥塔吸附过程中，干燥剂也会粉化，其细小粉末成为污染物，进入到高压空气中，所以其后配置后置过滤器用于清除由于吸附剂粉末带来的二次污染。活性炭过滤器则主要是去除油蒸气，放在最后一级，保证成品气的品质。

本设备配置的4个过滤器壳体外形尺寸一致，以保证连接尺寸的统一。各滤芯材料不同，以达到不同的过滤要求。为保证过滤器的正常运行和监测其工作状况，各过滤器配有压差计，显示过滤器进出口的压差情况，并可以提示过滤器滤芯的更换。前置过滤器和精密除油过滤器配置有自动排污阀，实现定时排污的功能，设置为30分钟排污一次；后置过滤器和活性炭过滤器配置有手动排污阀，以排除过滤的污物和卸掉系统的压力。

2.3 干燥塔

干燥塔由两个相同的不锈钢塔体（单塔容积为7L）组成，塔体内置吸附剂和管道过滤器，其上下端面通过压盖与组合换向阀和各单向阀相连，供干燥塔进、排气。两塔通过支耳与底架固定。干燥塔配置压力表，以观察两塔的工作状态。

干燥塔内吸附剂对整个设备的性能具有极其重要的作用。常用的吸附剂有硅胶、活性氧化铝和分子筛，硅胶和活性氧化铝的动态吸附率虽好，但不及分子筛的吸附深度。因本设备露点要求低，选用分子筛。从后期露点测试和使用寿命来看，效果很好。为减少吸附剂粉化，吸附剂装填时一定要充满。

2.4 组合换向阀

净化设备的常见进气阀为四阀结构，如使用四个独立的气动球阀，但本设备在制定指标时要求体积小、质量轻，为此专门设计了组合换向阀。组合换向阀是集主阀、排气阀、均压阀为一体的阀组，安装于塔体的下底部，其动作由电控箱输出的控制气驱动。

2.5 单向阀组

单向阀组是由四个各具独立功能的单向阀连接而成，完成对干燥器出口气体的排出、再生气的分配等功能，安装于塔体的顶部。干燥后的高压空气经相应单向阀排出进入后置过滤器；而经减压膨胀后的再生气，也是通过对应的单向阀进入再生塔。

单向阀的选择要根据工作压力和流量来进行。工作压力低的地方选择高压单向阀, 会造成比较大的流动阻力, 减小供气量。反之, 单向阀则会失灵或降低使用寿命。此处单向阀两侧的压力会按照周期交变切换，所以单向阀由流通到闭合时要快速，尽量减少高压气的瞬间逆流。

2.6 保压阀

本设备安装在高压气瓶之前，如无保压阀，当气瓶压力为零时，压缩机对其充气，达到规定压力需要较长时间，使得干燥器长时间处于低压,这将大大影响分子筛的吸附能力；此外在低压下运行，设备的容积流量大，系统阻力大，对过滤器的滤芯寿命影响也很大。因此，必须设计有此保压阀，保证设备在高压状态下稳定工作，实现变压吸附的功能。保压阀具有定压排气，止回作用，设计的保压阀出厂调定的开启压力为10MPa，当压力达到10MPa时，干燥器开始向气瓶充气，而干燥器在10～15MPa工作压力下（即正常的工作压力范围内），将达到其正常的吸附干燥能力，并确保出口气体达到规定的露点要求。

2.7 减压阀

减压阀的主要作用是将部分洁净高压气减压至低压，用于设备自身气动和再生用气。

减压阀后配压力表和安全阀。压力表显示减压阀后压力，调节至0.8MPa，压力太高，容易造成电控箱内电磁阀失灵或低压管路的安全隐患，而且再生气压力高会造成耗气量增大；压力太低，其后控制用气（如组合换向阀用气）的压力不够，造成设备不能正常工作。安全阀是为了保证设备的安全运行而设置的,具有保护功能,设备中的安全阀放在减压阀后端，防止低压气管路有高压气窜入，压力突然升高，造成危险。当压力大于其设定值1.2MPa时，就会开启放气，降低压力。

2.8 电控系统

设备的运行控制由电控系统完成。本设备切换周期短，动作频繁，要求时间准确，动作灵敏，因此电控系统采用微电脑控制技术，用控制芯片来控制各电磁阀的动作，从而达到驱动各气动元件，完成组合换向阀的各切换动作和自动排污阀的排污动作。设备的自动开停机功能、记忆功能也由电控系统控制。

所有电控系统，包括控制芯片、熔断器、电磁阀、压力开关、电路等均集成在封闭的电控箱内。电控箱设计的防护等级为IP56，电源为单相AC220V，其控制面板上设有电源指示灯、排污指示灯、电源开关及自动手动排污开关。

电控箱既不应产生对外的电磁辐射，又不应受外界电磁干扰而影响自身的程序运行。设计时，电控箱箱体采用连续屏蔽型设计，不设门锁而用螺钉紧固，进线填料函采用金属结构，避免内部和外界可能的电磁干扰。为验证电控箱的电磁兼容性，首台设备的电控箱单独进行了电磁兼容性试验，符合要求。

2.9 管路等其他细节

考虑到船用的特殊性，对设备的密封性、可靠性、安全性、环境适应性、抗冲击性等进行了周密的考虑，保证设备正常运行。如各连接接头以球形接头或焊接形式可靠连接并保证密封；干燥塔、组合换向阀、排污阀、减压阀、保压阀及管路等，全部采用不锈钢材料制成，以保证其不受盐雾、潮湿等腐蚀。

3 试验

3.1 生产过程

干燥塔作为设备的关键部件，在生产过程中进行了水压试验、焊缝射线检测等来保证其质量。组合换向阀、电控箱需先单独进行实验，再进行组装。设备组装完成后，再进行气密试验、调试试验、功能试验。

3.2 性能试验

设备组装调试完成后，对其性能进行了测试。10台设备的再生气量和常压露点分别针对A塔和B塔进行了测试，数据见表1，从表中可以看出，10台设备的再生气量、常压露点都能满足要求，而且稳定性好。

对固体颗粒和含油量进行了抽检，测得的结果为固体颗粒≤0.56μm，含油量为0.0092 mg/m3。

4 结语

（1）船用压缩空气净化设备是船舶压缩空气系统不可或缺的辅助设备，设计时不仅要考虑其出口成品气质量，也要综合考虑其尺寸、质量、可靠性、安全性、环境适应性等。在各部件的设计和选型时,力争做到性能可靠、操作简单、维修方便。（2）该J141-1/15型压缩空气净化设备从设计到试验再到使用，用户反馈良好，满足了船用的正常需求，也为其他型号的船用净化设备的研制提供了宝贵经验。

表1 试验记录

[1] 谢江辉,熊鹏俊,马士虎,等.船用超高压空气干燥过滤技术研究[J]. 船舶工程, 2006, 31(S1): 85-88.

[2] 李申.压缩空气净化原理及设备[M]. 浙江: 浙江大学出版社, 2005.

[3] 李申.吸附原理及常用吸附剂[J] .压缩机技术, 2002(1):25-28.

U664.5+1

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1671-0711（2017）05（上）-0169-03