CN104832779B - 一种压力气源系统 - Google Patents
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Abstract
一种压力气源系统，包括远程监控模块、两个空压机、三个空气储罐、三个空气后处理模块、压缩空气含油量检测仪、制氮机、氧气浓度检测仪、空气增压模块、氮气增压模块、氮气储罐组和环境氧气浓度监测仪，将环境空气压缩作为压缩空气气源，使用制氮机将环境空气中的氮气分离出来作为氮气源，再使用氮气增压模块将氮气源增压到30MPa存储到氮气储罐组作为充气用高压氮气源，能同时提供大流量连续压缩空气和大容量充气用高压氮气；系统中提供基础压力气源的第一空压机和第二空压机互为备份，提高系统的鲁棒性，系统能够长期稳定运行满足连续试验的要求；采用冗余安全设计，最大程度上排除系统中的危险因素，保证人员和设备安全。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力气源系统，特别是一种能够同时提供大流量连续压缩空气和大容量充气用高压氮气的压力气源系统，属于气浮重力卸载仿真试验领域。
背景技术
为了在地面上仿真航天器在空间中的失重和无摩擦状态，地面仿真试验中使用气浮设备模拟航天器的动力学。轨道近距离交会对接全物理仿真使用两台六自由度气浮台模拟超近距离交会对接6自由度相对运动动力学特性；每台六自由度气浮台下有一个自动调节上表面水平的二次平台为其提供倾斜小于2角秒的水平运动平面，二次平台气浮在大型花岗石平台上并自动跟随六自由度气浮台运动。试验系统示意见附图1。二次平台为了气浮和对六自由度气浮台(每个总重2～3吨)进行重力卸载需要通过拖曳的气管获得大流量的连续1MPa压缩空气供应。六自由度气浮台在试验过程中不能拖曳气管，同时为了节省容积满足连续试验时间要求，必须将压力超过20MPa的气源气体充装到气浮台上的储气瓶组中；为此气源系统需要将气体增压到30MPa储存在总容积1m3的储气罐组中，每次试验开始前从储气罐组中向气浮台上气瓶组中充入总量200m3(标准大气压下)的高压气体。
现有的用于航天器气浮试验的气源系统，1～2MPa连续压缩气源使用空压机将环境空气压缩获得；高压充气气源使用14MPa普氮气瓶(容积40升)通过增压装置增压到30MPa储存在储气瓶组中，针对交会对接试验，上下午各做一次气浮试验，一次试验30分钟，一天需要使用100瓶氮气，更换气瓶工作量非常大，气瓶占用存储空间大，并且因为必须连续大量外购普氮气体，所以难以保证氮气源的稳定供应，影响系统的长期稳定运行能力。石油化工等行业有将环境空气通过多级增压到30MPa和更高压力作为高压气源的例子，但是高压下油、水、以及氧气会与高压储气瓶(罐)体的碳钢反应产生应力化学腐蚀，有在压力作用下储气罐爆裂，发生非常严重安全事故的风险。现有的气源系统需要操作人员到气源间进行操作和检查巡视，气源间内有高压储气瓶(罐)组、压力容器、压力管路、空压机等危险源，出现问题可造成严重的人员伤亡事故。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种压力气源系统，该压力气源系统将环境空气压缩作为压缩空气气源，使用制氮机将环境空气中的氮气分离出来作为氮气源，再使用氮气增压模块将氮气源增压到30MPa存储到氮气储罐组作为充气用高压氮气源，能同时提供大流量连续压缩空气和大容量充气用高压氮气；系统中提供基础压力气源的第一空压机和第二空压机互为备份，提高系统的鲁棒性，系统能够长期稳定运行满足连续试验的要求；采用冗余安全设计，最大程度上排除系统中的危险因素，保证人员和设备安全。
本发明的技术解决方案是：一种压力气源系统，包括：远程监控模块、第一空压机、第二空压机、第一空气储罐、第二空气储罐、第三空气储罐、第一空气后处理模块、第二空气后处理模块、第三空气后处理模块、压缩空气含油量检测仪、制氮机、氧气浓度检测仪、空气增压模块、氮气增压模块、氮气储罐组和环境氧气浓度监测仪；
第一空压机将环境空气压缩后输入到第一空气储罐，第一空气储罐滤除空压机的压力波动后输出给第一空气后处理模块，第一空气后处理模块对压缩空气进行干燥、滤除杂质微粒并经过压缩空气含油量检测仪后将压缩空气分成两路，一路输出给制氮机，一路输出给氮气增压模块作为驱动气源，压缩空气含油量检测仪实时检测压缩空气中的含油量并将检测结果上传至远程监控模块；
制氮机将输入压缩空气中的氧气去除生成氮气；氮气经过氧气浓度检测仪后进入氮气增压模块，氮气增压模块在第一空气后处理模块输出的压缩空气的驱动下将输入的氮气增压后储存在氮气储罐组中，氮气储罐组通过高压管路与实验室内的高压充气控制台连接，为试验设备充气，氧气浓度检测仪实时检测氮气中的氧气浓度并将检测结果上传至远程监控模块；
第二空压机将环境空气压缩，生成的压缩空气经过第二空气储罐和第二空气后处理模块后输出，或通过空气增压模块增压后进入第三空气储罐，再经过第三空气后处理模块输出；
第一空压机和第二空压机通过一条带截止阀的压力管路连接，第一空压机和第二空压机互为备份；
环境氧气浓度监测仪实时监测气源间环境中的氧气浓度并将气源间环境氧气浓度数据上传至远程监控模块；
远程监控模块分别与第一空压机、第二空压机、第一空气储罐、第二空气储罐、第三空气储罐、第一空气后处理模块、第二空气后处理模块、第三空气后处理模块、压缩空气含油量检测仪、氧气浓度检测仪、4个氮气储罐和环境氧气浓度监测仪连接，控制各个空压机、空气后处理模块的启停和各氮气储罐气路的打开/关闭，并实时监控各空压机的运行情况、各空气储罐的压力数值、经过空气后处理模块后压缩空气中的油和水含量、各氮气储罐的压力数值、压缩氮气中的氧气浓度和环境空气中的氧气浓度。
所述氮气储罐组的氮气压力最高为30MPa。
所述氮气储罐组包括4个复合材料制成的球形储气罐。
所述复合材料分两层，内层是耐腐蚀的不锈钢，外层是压力容器专用低合金钢。
所述空气增压模块和氮气增压模块均采用全活塞增压方式，由1MPa压缩空气驱动。
本发明的技术解决方案是：
将环境空气压缩作为压缩空气气源。制氮机将环境空气中的氮气分离出来作为氮气源，氮气增压单元将氮气源增压到30MPa存储到储气罐组作为充气用高压氮气气源。两台大流量空压机可以接入到对方子系统中互为备份，提高系统的鲁棒性。采用冗余安全设计：(a)实时监测氮气源中的油、水和氧气含量，使用全机械活塞增压技术杜绝将油、水带入高压氮气中——消除发生应力化学腐蚀的化学条件；(b)应用兼具耐应力化学腐蚀性能和耐高压性能的复合材料储气罐组，保证高压储罐不因为产生应力化学腐蚀而发生爆炸事故；(c)通过远程操作和监控技术使操作人员在压力设备有压力的情况不必去气源间现场，减少人员受伤害的可能。
本发明与现有技术相比的有益效果为：
(1)本发明中的气源系统能同时提供大流量连续压缩空气和大容量充气用高压氮气，克服了现有气源系统无法提供大容量充气用高压氮气的缺点，保证了气浮重力卸载仿真试验的正常进行；
(2)本发明气源系统中提供基础压力气源的第一空压机和第二空压机互为备份，如果任何一台空压机无法工作，利用另一台空压机在二次平台气浮时生产压缩空气、在不需要气浮的间隙生产高压氮气，支持长时间的连续试验，在不增加设备投资的情况下提高了系统的鲁棒性；
(3)本发明中的气源系统最初始的气源直接从环境空气中获得，不需外购气体，不需频繁更换气瓶，保证气源供给的方便、持续和及时；
(4)本发明中的氮气储罐采用兼具耐应力化学腐蚀性能和耐高压性能的复合材料，保证高压储罐不因为产生应力化学腐蚀而发生爆炸事故，提高了系统的安全性；
(5)本发明中的氮气储罐采用了球形结构，保证相同承压能力下储罐壁厚最小，提高了储气罐组的容量，降低了气源系统的重量；
(6)本发明中的系统实时监测氮气源中的油、水和氧气含量，使用全机械活塞增压技术杜绝将油、水带入高压氮气中，消除了发生应力化学腐蚀的化学条件，提高了系统的安全性，延长了系统的使用寿命。
附图说明
图1为轨道近距离交会对接全物理仿真试验系统示意图；
图2为本发明的系统组成示意图(图中实线为气体管路，虚线为数据线路)；
图3为复合材料球形储气罐的结构示意图。
具体实施方式
气源系统组成见附图2，从图2可知，本发明提供的一种压力气源系统包括：远程监控模块、第一空压机、第二空压机、第一空气储罐、第二空气储罐、第三空气储罐、第一空气后处理模块、第二空气后处理模块、第三空气后处理模块、压缩空气含油量检测仪、制氮机、氧气浓度检测仪、空气增压模块、氮气增压模块、氮气储罐组和环境氧气浓度监测仪；
第一空压机是一台大流量空压机，将环境空气压缩成1MPa的压缩空气后输入到第一空气储罐，第一空气储罐滤除空压机的压力波动后输出给第一空气后处理模块，第一空气后处理模块对压缩空气进行干燥、滤除杂质微粒并经过压缩空气含油量检测仪后将压缩空气分成两路，一路输出给制氮机，一路输出给氮气增压模块作为驱动气源，压缩空气含油量检测仪实时检测压缩空气中的含油量并将检测结果上传至远程监控模块；
制氮机将输入压缩空气中的氧气去除生成氮气；氮气经过氧气浓度检测仪后进入氮气增压模块，氮气增压模块采用全机械活塞增压方式，由1MPa压缩空气驱动，整机完全不含液压油和润滑油，杜绝使用传统膜片式增压泵液压油泄露造成的气源污染隐患；氮气增压模块在第一空气后处理模块输出的压缩空气的驱动下将输入的氮气增压到30MPa后储存在氮气储罐组中；氮气储罐组由4个复合材料球形储气罐组成，复合材料分两层——内层是耐腐蚀的不锈钢、外层是压力容器专用低合金钢(见附图3)；氮气储罐组通过高压管路与实验室内的高压充气控制台连接，为试验设备充气；氧气浓度检测仪实时检测氮气中的氧气浓度并将检测结果上传至远程监控模块；
第二空压机也是一台大流量空压机，将环境空气压缩成1MPa的压缩空气，生成的压缩空气经过第二空气储罐和第二空气后处理模块后输出到实验室作为1MPa压缩气源，或通过空气增压模块增压到2MPa后进入第三空气储罐，再通过第三空气后处理模块输出到实验室作为2MPa压缩气源；
第一空压机和第二空压机通过一条带阀门的压力管路连接，第一空压机和第二空压机互为备份；
环境氧气浓度监测仪实时监测气源间环境中的氧气浓度并将气源间环境氧气浓度数据上传至远程监控模块；
远程监控模块分别与第一空压机、第二空压机、第一空气储罐、第二空气储罐、第三空气储罐、第一空气后处理模块、第二空气后处理模块、第三空气后处理模块、压缩空气含油量检测仪、氧气浓度检测仪、氮气储罐组和环境氧气浓度监测仪连接；控制各个空压机、空气后处理模块的启停和各氮气储罐气路的打开/关闭，并实时监控各空压机的运行情况、各空气储罐的压力数值、经过空气后处理模块后压缩空气中的油和水含量、各氮气储罐的压力数值、压缩氮气中的氧气浓度和环境空气中的氧气浓度；加气、充气等所有操作都可远程实施和监控，压力、温度、油含量、水含量和氧气浓度超出正常值范围远程监控模块自动报警，操作人员可以通过监视摄像头了解气源间内的情况，远程操控系统停机和排空压力容器和管道中的气体再进入气源间查看，最大程度上保证人员安全。
实施例：
(1)第一空压机和第二空压机均为风冷式螺杆空压机，输出压力1.0MPa，输出流量17.5m3/min；两台空压机的输出通过1路压力管路连接，通过4个截止阀的开关组合接入到对方子系统中(见附图2)互为备份。
(2)第二空压机输出分成两路；一路直接输出作为1MPa气源；一路分出一部分流量作为驱动气驱动空气增压模块将另一部分压缩空气输出增压作为2MPa气源，由于一部分流量用作了驱动气，2MPa气源的流量只有10m3/min，但已满足使用要求；空气增压模块采用全机械活塞增压技术，输出流量12m3/min，输出压力2.0MPa。
(3)制氮机是变压吸附式，氮气产量80Nm3/h，氮气浓度≥99％，工作压力0.8-1.0MPa，出口供气压力0.8MPa。
(4)氮气增压模块采用MAXIMATOR的全机械活塞增压技术，内部三级增压，出口压力30MPa，流量2m3/min。
(5)储气罐组由4个复合材料球形储气罐组成，总容积0.96m3，每个罐容积240L，额定工作压力30MPa，内层材料为S30408，外层材料为Q345R。
(6)氧气浓度检测仪，测量精度0.1％、测量时间<1s、工作压力0-1.0MPa。压缩空气含油量检测仪，测量范围0.01-20.00mg/m3(悬浮物)、工作压力0-1.2MPa。
(7)每个氮气储罐有气控截止阀(额定工作压力40Mpa)和压力传感器(0-40Mpa，0.5FS，4-20mA)，截止阀远程控制，各储罐压力实时传送到远程监控模块。
(8)远程监控模块的主要功能包括(a)控制第一空压机、第二空压机、各空气后处理模块中冷冻干燥机的启停，监控设备当前运行状况；(b)控制各个氮气储罐气控截止阀的打开/关闭；(c)实时显示各空气储罐和氮气储罐内气体的压力；(d)超温、超压、氧气浓度异常报警；(e)发生意外情况，操作人员按下急停开关，立即停止设备。
本发明的气源系统可以满足如下两种使用情况：(1)同时提供1MPa的压缩空气连续气源(标准大气压下流量不小于15m3/min)和高压氮气充气气源(增压流量不小于2m3/min)；(2)同时提供2MPa并带有气量缓存能力的压缩空气连续气源(标准大气压下流量不小于10m3/min)和高压氮气充气气源(增压流量不小于2m3/min)。该气源系统现已应用于月球轨道近距离交会对接全物理仿真试验，能满足试验要求，系统运行安全可靠。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (5)
1.一种压力气源系统，包括第一空压机、第一空气储罐、制氮机和氮气储罐组，其特征在于还包括：远程监控模块、第二空压机、第二空气储罐、第三空气储罐、第一空气后处理模块、第二空气后处理模块、第三空气后处理模块、压缩空气含油量检测仪、氧气浓度检测仪、空气增压模块、氮气增压模块和环境氧气浓度监测仪；
第一空压机将环境空气压缩后输入到第一空气储罐，第一空气储罐滤除空压机的压力波动后输出给第一空气后处理模块，第一空气后处理模块对压缩空气进行干燥、滤除杂质微粒并经过压缩空气含油量检测仪后将压缩空气分成两路，一路输出给制氮机，一路输出给氮气增压模块作为驱动气源，压缩空气含油量检测仪实时检测压缩空气中的含油量并将检测结果上传至远程监控模块；
制氮机将输入压缩空气中的氧气去除生成氮气；氮气经过氧气浓度检测仪后进入氮气增压模块，氮气增压模块在第一空气后处理模块输出的压缩空气的驱动下将输入的氮气增压后储存在氮气储罐组中，氮气储罐组通过高压管路与实验室内的高压充气控制台连接，为试验设备充气，氧气浓度检测仪实时检测氮气中的氧气浓度并将检测结果上传至远程监控模块；
第二空压机将环境空气压缩，生成的压缩空气经过第二空气储罐和第二空气后处理模块后输出，或通过空气增压模块增压后进入第三空气储罐，再经过第三空气后处理模块输出；
第一空压机和第二空压机通过一条带截止阀的压力管路连接，第一空压机和第二空压机互为备份；
环境氧气浓度监测仪实时监测气源间环境中的氧气浓度并将气源间环境氧气浓度数据上传至远程监控模块；
远程监控模块分别与第一空压机、第二空压机、第一空气储罐、第二空气储罐、第三空气储罐、第一空气后处理模块、第二空气后处理模块、第三空气后处理模块、压缩空气含油量检测仪、氧气浓度检测仪、4个氮气储罐和环境氧气浓度监测仪连接，控制各个空压机、空气后处理模块的启停和各氮气储罐气路的打开/关闭，并实时监控各空压机的运行情况、各空气储罐的压力数值、经过空气后处理模块后压缩空气中的油和水含量、各氮气储罐的压力数值、压缩氮气中的氧气浓度和环境空气中的氧气浓度。
2.根据权利要求1所述的一种压力气源系统，其特征在于：所述氮气储罐组的氮气压力最高为30MPa。
3.根据权利要求1所述的一种压力气源系统，其特征在于：所述氮气储罐组包括4个复合材料制成的球形储气罐。
4.根据权利要求3所述的一种压力气源系统，其特征在于：所述复合材料分两层，内层是耐腐蚀的不锈钢，外层是压力容器专用低合金钢。
5.根据权利要求1所述的一种压力气源系统，其特征在于：所述空气增压模块和氮气增压模块均采用全活塞增压方式，由1MPa压缩空气驱动。
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