CN105486028A - 一种舰队供氧、供氮保障方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于船舶保障技术领域，具体涉及一种舰队用氧、用氮保障方法与系统。本发明首先在母舰或补给舰上空间资源不太紧张的舰船采用常温空分技术，直接自空气中制取纯度为99.5%的氧气与99.9997%的氮气，分别液化后储存作为保障气源；然后再分别直接或经汽化后输送到用气点，完成氧氮保障；保障系统包括：至少一台常温空分设备，至少一台氧气液化设备和一台氮气液化设备；至少一台液氧储存设备和一台液氮储存设备；至少一台液氧压缩设备和一台液氮压缩设备。本发明高效的集成了舰船系统资源以常温空分方法获取氧气与氮气源，并合理安排了可满足各种氧气、氮气形态及压力制度的保障体系，彻底改变了现有舰船单一依靠瓶装氧氮等保障模式，解决了现有舰队远航保障体系的缺陷。

Description

一种舰队供氧、供氮保障方法与系统

技术领域

本发明属于船舶保障技术领域，具体涉及一种舰队用氧、用氮的保障方法与系统。

背景技术

当前，水面舰船主要依靠在港口、基地采用深冷空分技术制取氧气、氮气，再以增压机将氧气、氮气压缩充瓶后以氧气/氮气瓶进行补给的保障方法，水下潜艇则基本依赖港口、基地采用深冷空分技术制取的液态氧气直接送至潜艇液氧储槽进行补给的保障方法。显然，采用这些传统的保障方法受制于氧气、氮气钢瓶、液氧储槽的运输补给条件给远航舰船的供氧、供氮保障带来了沉重的后勤负担。

长期以来，深冷空分设备因为受制于舰船狭小的空间，尤其海上摇摆、振动、冲击的应用环境，一直未能有直接舰载安装制氧制氮的解决方案，这也使得现役舰船、潜艇只能以携带氧气、氮气的补给方法进行补给。近年来，氧气保障方面，有医疗船直接安装变压吸附工艺设备在船上直接制取纯度约93%的气态氧气进行气态氧气保障的方法，但是，受制于采用这种工艺设备制取的气态氧气纯度低，仅能达到93%左右，不能满足我国最新国标《GB8982-2009医用及航空呼吸用氧》的规定（航空呼吸用氧以及舰上医疗保障呼吸用氧的氧气纯度均要求≥99.5%），而使得采用该方法的保障体系无法为舰船提供合格的航空呼吸用氧以及医疗呼吸用氧；氮气保障方面，有直接安装膜分离制氮在船上直接制取纯度约99%的气态氮气进行气态氮气保障的方法，但是，受制于采用这种工艺设备制取的氮气纯度低，仅能达到99.99%以下，不能满足部分导弹、飞机等用气需求，而使得采用该方法的保障体系无法为舰船提供合格的高纯度氮气。

随着技术的发展，有采用常温空分技术同时获得高纯度氧气与高纯度氮气的氧氮一体化制气方法，采用这样一套氧氮一体化制气系统可同时制取气态的高纯度氧气与高纯度氮气以满足舰船上的气态供氧、供氮保障，但即便如此，包括上述所列出的几种直接在舰上制氧制氮的保障方法中均因产品气体为单一形态（气态），无法同时满足一个舰队同时需要的气态氧、氮与液态氧的需求。比如，当一个舰队长时间出航时，依托舰队母舰、补给舰等水面战舰自带的氧氮一体化制氧制氮设备可以为舰队提供所有气态氧、氮的补给需求，但并未解决诸如潜艇所需的液态氧气补给需求，另外一方面，气态氧气、氮气储存量大，占用了宝贵的舰上空间，尤其在诸如短时间内有可能需要消耗大量气体（氧气、氮气）的应用场合，采用液态储存显然可大量节约大量的储存空间而使得整体补给方案显得更加有优势，从而使得一个舰队供氧、供氮整体解决方案在面临资源条件、系统设计、安装使用维护的复杂性所带来的挑战方面更加从容，即使远航数月、甚至整年等脱离基地时也可确保水面舰船与水下潜艇的医疗用氧、机载及舰载等设备用氧、用氮的保障能力。

发明内容

鉴于以上情况，针对现役舰队供氧、供氮保障模式的缺陷，着眼于海军未来可能面临的复杂战况条件，本发明提出一种针对脱离补给港口基地长时间远航的整个舰队的供氧、供氮保障的方法及系统。

本发明提出的舰队的供氧、供氮保障方法，采用一种基于常温空分的装置，直接自空气中产生氧气与氮气源，为整个舰队的提供氧氮保障。具体是，首先，在母舰或补给舰上空间资源不太紧张的舰船采用常温空分技术，直接自空气中制取纯度为99.5%的氧气与99.9997%的氮气，分别液化后储存作为保障气源；然后，再分别直接或经汽化后输送到用气点，完成氧氮保障。该方法可有效克服传统保障模式氧氮（气态及液态）不能全覆盖的缺陷，并能节约整体资源、减少后勤保障负担、提高舰船机动能力、生存能力和战斗力，为水面舰船与水下潜艇提供充足的、可持续的氧气与氮气供应保障，符合新时期远洋海军建设的要求。

根据上述方法，本发明还提供相应的供氧、供氮保障系统，其主要组成如下：

（1）至少一台常温空分设备（如氧氮一体化分离设备），用于从正常大气可同时或分别制取纯度99.5%的氧气与99.9997%的氮气；

（2）至少一台氧气液化设备，用于将来自前级制取的气态氧气液化成液氧；至少一台氮气液化设备，用于将来自前级制取的气态氮气液化成液氮；

（3）至少一台液氧储存设备（如液氧储槽、储罐），用于将前级液化的液氧收集储存；至少一台液氮储存设备（如液氮储槽、储罐），用于将前级液化的液氮收集储存；前述液氧储存设备、液氮储存设备中均设计有如压力传感器与液位传感器，分别用于检测储存设备的压力和液位，当压力上升时释放压力以保证储存安全，当液位下降到不能满足最低保障需求储存量时启动前级制气设备制气；

（4）至少一台液氧压缩设备（如液氧泵），用于将前级经液化收集储存的液氧压缩输送至后级液氧用气点（A）,也可用于将液氧经液氧汽化器将液氧汽化后输送至后级高压气态氧气用户（B），或用于将液氧直接汽化或者高压汽化后减压供给低压气态氧气用户（C）；至少一台液氮压缩设备（如液氮泵），用于将前级经液化收集储存的液氮压缩输送至后级液氮用气点（D）,也可用于将液氮经液氮汽化器将液氮汽化后输送至后级高压气态氮气用户（E），或用于将液氮直接汽化或者高压汽化后减压供给低压气态氮气用户（F）。

按照以上描述的保障体系较为完善的解决了现有舰船编队供氧、供氮保障体系的缺陷，节约了宝贵的船用资源。

本发明提出的是一种针对水面舰船与水下潜艇等整个舰队供氧、供氮保障的方法和系统，其显著的特点是：

（1）采用常温空分氧氮一体化分离技术直接自大气中同时分离出纯度达99.5%的气态氧气及纯度达99.9997%的气态氮气等符合现行国标、国军标要求的满足舰船所有氧气与氮气技术指标的气源，并分别液化储存后作为整个舰队保障的气源，不仅较目前的气态氧气与氮气储存方法可节约大量的宝贵船用空间，尤其在诸如短时间内有可能需要消耗大量气体（氧气、氮气）的应用场合，采用这种液态储存显然可大量节约大量的储存空间而使得整体补给方案显得更加有优势；

（2）本发明提出的供氧保障方法，可向水面舰船任何用氧点提供符合我国最新国标《GB8982-2009医用及航空呼吸用氧》的规定的氧气，如医疗用氧、舰载机用航空呼吸用氧、鱼雷发射用氧等等，还可按照实际使用压力需求优选分别经增压、汽化、减压等流体供给分配手段组成一个氧气供应保障体系以确保舰船各用氧单位的不同压力的氧气供应保障，并且，无所谓压力先高后低或先低后高可随时分别向舰船各用氧单位提供高、中、低压氧气，因为液氧作为不可压缩流体压缩它比较常规气态氧气的压缩其消耗的能量极低，此外，本发明提出的供氧保障方法还能向舰队如潜艇等其它用气单位直接提供液氧保障；

（3）本发明提出的供氮保障方法，可向水面舰船任何用氮点提供符合我国国标《GB8979-2008纯氮、高纯氮和超纯氮》的规定的氮气，还可按照实际使用压力需求优选分别经增压、汽化、减压等流体供给分配手段组成一个氮气供应保障体系以确保舰船各用氮单位的不同压力的氮气供应保障，并且，无所谓压力先高后低或先低后高可随时分别向舰船各用氮单位提供高、中、低压氮气，因为液氮作为不可压缩流体压缩它比较常规气态氮气的压缩其消耗的能量极低，此外，本发明提出的供氮保障方法还能向舰队其它用气单等直接提供液氮保障；

（4）本发明提出的供氧、供氮保障方法，对液态储存气源设汽化补给报警装置，当长期不用因正常汽化率汽化后可获得及时补充，可在一定程度上减少对前段工序中的制氧制氮能力的选型依赖，进一步减少制氧、制氮设备的体积、尺寸以及装机容量，尤其是氧气与氮气压缩机等增压设备，本发明提出的方法降低了其选型难度，从一定程度上提高了整体保障设备的可靠性。

本发明着眼于整个舰队不同形态的氧气、氮气的综合补给保障，高效的集成了舰船系统资源以常温空分方法获取氧气与氮气源，并合理安排了一种可满足各种氧气、氮气形态及压力制度的保障体系，彻底改变了现有舰船单一依靠瓶装氧氮等保障模式，全面的解决了现有舰队远航保障体系的缺陷，按照本发明提出的方法构建的保障体系具有如下优点：

（1）氧气、氮气指标符合现行国家标准规范，彻底改变了对基地、港口的依赖，可在恶劣海况条件下实施氧氮保障；

（2）功能齐全，可为各种压力制度、不同形态（气态、液态）的用氧、用氮单位提供有效的供气保障；

（3）合理的设计了舰船用气保障的储存气源，最大限度的减少了储存环节的容积，同时，也在一定程度上减少对前段工序中的依赖，尤其是减少了对前工序的制氧制氮能力、增压设备的增压能力的选型依赖，进一步减少制氧制氮、增压设备的体积、尺寸以及装机容量。

附图说明

图1是本发明构建的舰队供氧供氮保障体系的原理图。

图2是原舰船供氧供氮保障体系的原理图，用以作为本发明的比较例。

图3是采用深冷空分技术制氧制氮陆上补给的原理图。

具体实施方式

下面将结合附图进一步描述本发明。

如图1，正常大气经常温空分设备1（氧氮一体化分离设备）之后可同时或分别制取纯度99.5%的氧气与99.9997%的氮气，再经氧气液化设备2-1，将来自前级制取的气态氧气液化成液氧，氮气液化设备2-2，将来自前级制取的气态氮气液化成液氮，再分别以液氧储存设备3-1（液氧储槽、储罐）将前级液化的液氧收集储存，液氮储存设备3-2（液氮储槽、储罐）将前级液化的液氮收集储存，前述液氧、液氮储存设备中均设计有如压力传感器与液位传感器，当压力上升时释放压力以保证储存安全，当液位下降到不能满足最低保障需求储存量时启动前级制气设备制气，这样，可最大限度的减少储存量，以及最大限度的降低前级制气设备的规格，节约整体舰用资源。

随后，设置的液氧压缩设备4-1（液氧泵）可将前级经液化收集储存的液氧压缩经5-1-a补给管道及附件输送至后级液氧用气点A,也可经液氧汽化器5-1将液氧汽化后经6-1-a补给管道及附件输送至后级高压气态氧气用户B、直接汽化或者高压汽化后减压经6-1-b补给管道及附件供给低压气态氧气用户C；设置的液氮压缩设备4-2（液氮泵）可将前级经液化收集储存的液氮压缩经5-2-a补给管道及附件输送至后级液氮用气点D,也可经液氮汽化器5-2将液氮汽化后经6-2-a补给管道及附件输送至后级高压气态氮气用户E、直接汽化或者高压汽化后减压经6-2-b补给管道及附件供给低压气态氮气用户F。

如图2，继续如附图1的描述，正常大气经常温空分设备1（氧氮一体化分离设备）之后可同时或分别制取纯度99.5%的氧气与99.9997%的氮气，再经氧气增压设备2-1将来自前级制取的气态氧气增压至舰船保障所需的最高压力，氮气增压设备2-2，将来自前级制取的气态氮气增压至舰船保障所需的最高压力，再分别以气态形式的氧气储存设备3-1（高压氧气瓶）将前级增压的氧气储存，气态形式的氮气储存设备3-2（高压氮气瓶）将前级增压的氮气储存，前述氧气与氮气瓶均设计有如压力传感器，当压力下降至不足以保障时启动前级制气设备制气，超压时释放压力以保证储存安全，这样可最大限度的减少储存量，以及最大限度的降低前级制气设备的规格，节约整体舰用资源，但这种保障模式仅能保障气态氧气与氮气，氧气储存设备3-1（高压氧气瓶）可经6-1-a补给管道及附件输送至后级高压气态氧气用户B、经6-1-b补给管道及附件减压供给低压气态氧气用户C；氮气储存设备3-2（高压氮气瓶）可经6-2-a补给管道及附件输送至后级高压气态氮气用户E、经6-2-b补给管道及附件减压供给低压气态氮气用户F。

对比本发明的保障方法，因液氧或液氮汽化比高达数百倍，比较气态储存，本发明的液压储存可有效的减少储存气瓶的容积，尤其在诸如短时间内有可能需要消耗大量气体（氧气、氮气）的应用场合，采用液态储存显然可大量节约大量的储存空间而使得整体补给方案显得更加有优势，此外，因液氧液氮为不可压缩流体，对比气态氧气与氮气的压缩，为保持高纯度氧气与氮气不被污染，采用隔膜式压缩这种复杂的压缩机械，不仅压缩设备的选型难度要降低，设备体积及压缩能源等占用舰用资源都要小的多，从而使得一个舰队供氧、供氮整体解决方案在面临资源条件、系统设计、安装使用维护的复杂性所带来的挑战方面更加从容。

如图3，用以对比本发明的保障体系，作为常规的一种制氧制氮方法，因为深冷空分技术及设备的特点，难以在舰船等狭小的空间里安装，更难以在摇摆、振动、冲击的环境下制取符合国标、国军标要求的氧气与氮气，此外，原有舰船保障体系采用这种深冷法在陆地上制取好氧氮并采用增压机充入高压气瓶，并运输到船上直接向供气点进行气态氧氮保障，经减压阀向各用气单位减压供气以分别满足高压与中低压用气点的需求，或者直接以液态输送至舰艇上的保障方法，与本发明不同，受制于运输与储存气量，无法满足远洋海军的作战要求。

本发明描述的或附图所示的方法、工艺参数或装置中，可做出各种各样的变动而不会背离本发明的宗旨，都包括在所附权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种舰队用氧、用氮保障方法，其特征在于，其特征在于具体步骤为：首先，在母舰或补给舰上空间资源不太紧张的舰船采用常温空分技术，直接自空气中制取纯度为99.5%的氧气与99.9997%的氮气，分别液化后储存作为保障气源；然后，再分别直接或经汽化后输送到用气点，完成氧氮保障。

2.一种舰队用氧、用氮保障系统，其特征在于，其主要组成如下：

（1）至少一台常温空分设备，用于从正常大气可同时或分别制取纯度99.5%的氧气与99.9997%的氮气；

（2）至少一台氧气液化设备，用于将来自前级制取的气态氧气液化成液氧；至少一台氮气液化设备，用于将来自前级制取的气态氮气液化成液氮；

（3）至少一台液氧储存设备，用于将前级液化的液氧收集储存；

至少一台液氮储存设备，用于将前级液化的液氮收集储存；前述液氧储存设备、液氮储存设备中均设计有如压力传感器与液位传感器，分别用于检测储存设备的压力和液位，当压力上升时释放压力以保证储存安全，当液位下降到不能满足最低保障需求储存量时启动前级制气设备制气；

（4）至少一台液氧压缩设备，用于将前级经液化收集储存的液氧压缩输送至后级液氧用气点,或用于将液氧经液氧汽化器将液氧汽化后输送至后级高压气态氧气用户，或用于将液氧直接汽化或者高压汽化后减压供给低压气态氧气用户；

至少一台液氮压缩设备，用于将前级经液化收集储存的液氮压缩输送至后级液氮用气点,或用于将液氮经液氮汽化器将液氮汽化后输送至后级高压气态氮气用户，或用于将液氮直接汽化或者高压汽化后减压供给低压气态氮气用户。