高原制氧车设备选型论证研究

2018-01-11 神汽专用车

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引言

       急进高原极易引发急性高原反应,甚至危及生命”。吸氧是解决急性和慢性高原病最有效和最直接的方法。中国是世界上高原面积最大的国家,其中号称“世界屋脊”的青藏高原就约占国土面积的1/4,平均海拔超过4500m。驻守高原的官兵身处缺氧环境,其身心健康备受关注。如今西部高原又迎来了经济建设的大发展。面对高原环境下开展军事作业、野外施工和灾害救援等高强度体力劳动的官兵,亟待研制一种具备自行能力和电力自我保障的高机动性高原制氧车,伴随野外作业,实施现场制氧和供氧的应急机动保障。本文依据高原制氧车的功能需求和作业能力,分析其系统构成,针对制氧机、空压机、发电机组和底盘等主要设备,通过参数计算、性能比较和高原应用分析等方法,在充分论证的基础上,提出选型方案。


1、功能需求与设备配置

1.1 功能需求

根据应用需求和使用环境,高原制氧车应具有如下功能和作业能力:

(1) 现场快速制氧:根据实际用氧需求,现场快速展开,随用随制,及时提供医疗和保健用氧。制氧量X6 Nm/h,氧气体积分数丈90%,启动时间>30 min,额定的最高海拔高度5000m。

(2) 现场供氧保障:保障现场周边作业人员随时吸氧,缓解急性高原反应。供氧压力0.2~0.35 MPa可调。

(3) 现场压氧充瓶:保障现场周边应急医疗救治机构手术、急救和病房的医疗用氧。海拔3000~5000m时,最大压氧充瓶压力应丈10MPa。

(4) 自行能力:适应野外作业时的制供氧伴随保障需求,提高机动性。整车行驶性能应适应高原路面要求,如爬坡度、转弯直径等。

(5) 自供电能力:适应野外作业时电力保障不确定的应用特点,实现供电自我保障。额定输出功率应满足制压供氧设备在高原环境下的启动和正常运行要求。


1.2设备配置

根据总体设计方案,其技术路线如下:

(1)现场快速制氧:采用分子筛变压吸附(pres-sure swingabsorption,PSA)制氧技术。该技术以空气为原料,利用分子筛加压吸附、减压解吸的吸附特性,实现氮氧分离,制取医用氧气。

(2)现场供氧保障:采用管道集中供氧方式,在驾驶室、车内工作间、车下地面等相应位置设置固定和移动式吸氧终端,通过湿化瓶和吸氧管现场实时供氧,满足各类人员随时随地吸氧需求。

(3)现场压氧充瓶:将现场制取的氧气通过氧压机灌装至氧气瓶内,形成瓶氧之后送周边用氧单位,通过减压器向高原病患者或手术、急救用仪器供氧。

(4)自行能力:采用适应高原大气环境和高原路面行驶的越野汽车底盘,通过副车架与厢体固定,形成整车,实施机动伴随保障。

(5)自供电能力:采用适应高原环境的柴油发电机组,并进行低温启动功能的辅助装置改进,保障制压供氧设备用电和照明用电。由上述技术路线可知,该车由越野汽车底盘、厢体和上装设备等构成,上装设备主要有制氧、压氧、供氧设备和发电设备。制氧设备包含制氧机、空压机、空气压缩后处理装置、储罐等;压氧设备包含全无油高压氧压机、自动充氧装置、氧气瓶等;供氧设备包含自动供氧装置、供氧管道、吸氧终端、移动供氧器、湿化瓶、吸氧管等。在上述设备中,对整车性能起关键作用的主要设备是制氧机、空压机、发电机组和底盘等,因此,本文重点阐述这些设备的选型论证研究。


2、设备选型

2.1选型原则

根据高原制氧车的高原应用环境,该车设备选型基本原则如下:

(1)满足作业指标要求。所选设备的作业能力应达到总体技术方案的设计指标要求,如制氧机的产氧量、空压机的排气量、发电机组的额定输出功率、底盘的长度和承载能力等。

(2)性能可靠。所选设备均应可靠运行,任何一个分设备出现故障都必将影响整车的性能。

(3)高效节能。基于整车设计方案可行性要求,制氧设备应采用高效的PSA 制氧流程,减少所需空气进气量,以便选用功耗更低的空压机,从而对发电机组的额定输出功率要求更小,同时可有效降低空压机、发电机组的体积和质量,最终实现对上装设备用电量、体积和质量的可控,使车内布局和底盘承载设计方案可行。同时,还能有效降低用户运行成本。

(4)高原适应性好。海拔每升高1000m,大气压下降约11.5%,空气密度减小9%,发电机功率下降10%左右。同时,海拔高度对制氧设备的产氧量、氧气体积分数也有很大影响。此外,高寒缺氧、道路崎岖等因素对底盘的影响也很大。

(5)零配件供应渠道顺畅,并有充裕的货源,便于今后设备的维护保养和维修。

2.2 制氧机选型

目前,医用制氧技术主要有PSA、深冷分离、膜分离等物理制氧技术和过氧化物-催化剂-水混合产氧(化学产氧器)、氯酸盐氧烛热分解(氧烛)等化学制氧技术。其中,PSA 制氧技术以空气为原料,在常温、低压下工作,因此,具有原料来源广泛、成本低廉,现场随用随制,且安全、无污染、制氧量大等特点,非常适合野战条件下使用。PSA 制氧技术已在医疗行业中得到广泛应用。

制氧机主要技术特点如下:

(1)高效节能;

(2)运行稳定可靠;

(3)操作简单,维修方便;

(3)高原适应性好;

2.3 空压机选型

空压机最重要的选型指标是排气量,其次是轴功率和外形尺寸,然后是质量、含油量和噪声等指标。

2.4 发电机组选型

选型中,柴油发电机组除需要满足上述基本选型原则外,还需考虑如下问题:

(1)品牌配置:为便于高原用户维护保养和维修,应采用高原应用广泛的品牌,如康明斯发动机。

(2)结构形式:发电机组按结构分为开架式和静音式。鉴于车内空间有限,采用开架式,借助车厢的厢体结构进行燃烧噪声、进排气噪声、排烟噪声、风扇噪声和机械噪声等的降噪处理。

(3)油箱容积:根据野外作业特点,油箱的储油量一次应能满足发电机组连续运行10~12 h。

2.5 越野汽车底盘选型

在满足上述基本选型原则的基础上,底盘选型还应满足以下具体要求:

(1)承载能力。依据上装设备、厢体、副车架等质量,越野行驶承载质量应丈8000 kg。

(2)车架可用长度。依据上装设备外形尺寸、制压供氧工艺流程要求和发电机组工作要求,应用AutoCAD 技术进行车内布局,测算其最小空间要求,车架可用长度应丈6800mrm。

(3)驾驶室乘员数量。高原地域辽阔,野外执行任务时,行驶路线长,通常配备2 名驾驶员。制氧设备作业时,按要求需配备1~2 名相关保障人员。因此,乘员数量应丈3 名,驾驶室最好是双排,后排可供驾驶员休息。


       设备选型研究在后勤装备研制中是一个非常重要的环节,所选设备的功能、性能以及设备相互间的匹配、兼容等都将直接影响到装备的整体作业能力、作业效果以及稳定性、可靠性、可维修性等。本文从技术的可行性、先进性、可靠性、可维修性和高原适应性等方面探讨高原制氧车的设备选型。在实际研究过程中,还应综合考虑选型设备的经济合理性、售后服务质量、高原应用情况等其他因素,目的是为高原制氧车技术方案设计和工程设计提供依据。按本文提出的选型论证方案研制的高原制氧车实现了制氧、压氧、供氧、发电和自行等功能的集成,高原作业性能检验和部队试用结果表明该车性能达到了设计指标要求。高原制氧车已在历次的高原制供氧机动保障任务中发挥了积极的作用。为适应某些高原边或满足未来更大保障能力远地区更为恶劣的路况,的勤务需求,可从制氧流程、工艺结构和高原吸附特性等方面开展制氧关键技术研究,并及时跟踪新型吸附材料的研究进展,探讨其应用的可行性,进而有效提高制氧效率,减少和降低单位制氧量的吸附剂用量和功耗,进一步提升高原制氧车的高原越野性能或作业能力。目前,几乎所有变频器的使用数据都规定海拔高度1000m 以下适用,随着变频器高原应用技术的成熟,可探讨选用变频空压机的可行性和可靠性,有效降低其启动电流,减小发电机组额定输出功率,使设备稳态运行过程中的用电负荷与发电机组额定输出功率合理匹配,有效减小和减轻发电机组的体积和质量.降低运行成本。


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