液态工业气体的应用方案与效果分析

秦士忠

(无锡宏源机电科技有限公司，江苏无锡 214106)

0 前言

宏源公司激光切割机等设备需配套使用大量的工业辅助气体。如激光切割机需配套使用切割辅助气体——氧气和氮气，等离子切割机需配套使用切割辅助气体——氧气，氩弧焊接时需配套使用焊接辅助气体——氩气。在实施使用杜瓦瓶装超低温液化气体(液氮、液氩)前均使用普通瓶装压缩气体为供气气源，且采用单台设备设置一个气源点的供气模式，为解决该供气模式存在的车间内到处需设置气源气瓶现象，经多方调研后决定采用使用杜瓦瓶装超低温液化气体为供气气源，并在车间内设置统一的气源点，利用管道将各种气体分别输送到相关设备使用方案；而激光切割机虽使用了液氧作为辅助切割气体,但其供气模式为由杜瓦瓶直接汽化后用气，存在汽化时结霜、结冰及汽化量不足现象等问题，故需在使用杜瓦瓶装超低温液化气体为供气气源及管道化输送应用方案中一并进行解决。

1 普通瓶装氧气、氮气、氩气与杜瓦瓶装超低温液氧、液氮、液氩的区别

(1)压缩气体，是指在-50℃下加压时完全是气态的气体，包括临界温度低于或者等于-50℃的气体；

(2)高(低)压液化气体，是指在温度高于-50℃下加压时部分是液态的气体，包括临界温度在-50℃和65℃之间的高压液化气体和临界温度高于65℃的低压液化气体(以下通称为液化气体)；

(3) 超低温液化气体，是指在运输过程中由于温度低而部分呈液态的气体(临界温度一般低于或者等于-50℃)。

根据以上气体定义“瓶装氧气、氮气、氩气”是指常温下对氧气、氮气、氩气进行加压压缩后的高压气体，属压缩气体；而“杜瓦瓶装超低温液氧、液氮、液氩”是指对氧气、氮气、氩气进行冷冻处理至临界温度以下而获得液态氧、液态氮、液态氩，属冷冻液化气体；因此二者存放氧气、氮气、氩气时的相态不同，及运输和储存时的方式不同，前者为主要利用气体可压缩性较大的特性采用加压压缩气体的方式来实现气体的运输和储存；而后者为主要利用气体在达到临界温度以下时会发生相态变化的特性采用超低温制冷技术来实现气体的运输和储存。

氧、氮、氩主要特性参数表

注：沸点：① 液体的饱和蒸气压与外界压强相等时的温度；②临界温度：液体能维持液相的最高温度；③FTSC编码：《GB16163-1996瓶装压缩气体分类》标准中对气体的燃烧性、毒性、状态、腐蚀性四个基本特性进行的编码。

2 杜瓦瓶装液氧（液氮、液氩）及管道输送的使用方案

普通瓶装氧气（氮气、氩气）的使用主要通过减压控制来获得相应压力的使用气体，因此选用合适的减压阀是正确使用普通瓶装氧气（氮气、氩气）的关键；而杜瓦瓶(绝热气瓶)装超低温液氧（液氮、液氩）的使用需通过对液相气体的汽化和减压控制来获得相应压力的使用气体，因此配套选用合适的汽化器和减压阀是正确使用杜瓦瓶装超低温液氧（液氮、液氩）的关键。

2.1 杜瓦瓶装超低温液氧及管道输送使用方案

公司内需用氧气作生产辅助气体的设备计有3台，分别为规格为3000*1500的瑞士百超激光切割机2台，规格为2500*6200的日本小松等离子切割机1台。

设备用氧气的参数要求表

根据杜瓦瓶装液氧输出情况需配置2瓶一组同时供气 (液) 方可满足供气要求, 同时在汇流排上设置1备用截止阀，并配置一液氧杜瓦瓶备用；根据要求液氧只能在专门的设备中进行汽化（如汽化器等），禁止液氧在管道内汽化，为避免液氧在管道内汽化情况发生，同时考虑到冬季气温低会影响汽化效果等因素故采用放大配置汽化器（50Nm3/h）规格方案以确保冬季能正常供气；设置汽化器压力为15bar，管道压力按满足设备使用压力设置为12bar，支气管终端压力设备1（激光切割机）5 bar，设备2（激光切割机）5 bar，设备3（等离子切割机）10 bar。

液态氧及管道输送供气方案示意图

2.2 杜瓦瓶装超低温液氮及管道输送使用方案

公司内需用氮气作生产辅助气体的设备计有2台，为规格为3000*1500的瑞士百超激光切割机2台，主要用于不锈钢板材的切割，但公司需要切割的不锈钢板材零件并不很多，故只需考虑满足1台设备使用的供气量即可，但需满足2台设备均可使用的要求，即2台机不同时使用氮气。激光切割机在切割不锈钢等材料时使用氮气的压力要求在14 bar，流量2.8 m3/h，折合标准状态气体体积39.2 Nm3/h。根据杜瓦瓶装液氮输出情况需配置2瓶一组同时供气 (液)方可满足供气要求,同时在汇流排上设置1备用截止阀，并配置一液氮杜瓦瓶备用；根据要求液氮只能在专门的设备中进行汽化（如汽化器等），禁止液氮在管道内汽化，为避免液氮在管道内汽化情况发生，同时考虑到冬季气温低会影响汽化效果等因素故采用放大配置汽化器（70Nm3/h）规格方案以确保冬季能正常供气；设置汽化器压力为18bar，按满足设备使用管道压力设置为16bar，二支气管终端压力均设置为15 bar。

液态氮及管道输送供气方案示意图

2.3 杜瓦瓶装超低温液氩及管道输送使用方案

公司内需使用氩气作为辅助气体的地方主要是氩弧焊接设备，公司现常用的氩弧焊设备为9台，如每台平均按12升/分用气量计算，每小时用气量合计为6.5 Nm3/h,考虑到公司板金焊接设备升级改造的需求在不断增加，自动焊接设备单位时间内用气量较大的情况，故暂按10 Nm3/h的供气量进行配置。根据杜瓦瓶装液氩输出情况只需配置单瓶供气 (液)即可满足供气要求,同时在汇流排上设置1备用截止阀，并配置一液氩杜瓦瓶备用；根据要求液氮只能在专门的设备中进行汽化（如汽化器等），禁止液氮在管道内汽化，为避免液氮在管道内汽化情况发生，同时考虑到冬季气温低会影响汽化效果等因素故采用放大配置汽化器（20Nm3/h）规格方案以确保冬季能正常供气；设置汽化器压力为12bar，管道压力设置为9bar。

液态氩及管道输送供气方案示意图

3 使用液态工业特种气体并采用管道化输送后的效果情况

通过使用杜瓦瓶装超低温液态工业特种气体作为公司生产设备主要使用辅助气体的气源，及按规范要求分别设置氧气、氮气、氩气的统一供气气源点，并利用专用管道将各种气体分别输送到相关设备上使用后有以下明显效果。

3.1 达到了各类气体能统一使用和管理的目标，使车间内到处设置气瓶现象得到了改善，由于使用气瓶数量的大幅减少，使车间场地的有效利用率得到提高。

3.2 由于杜瓦瓶装超低温液态工业特种气体的气体贮存量大是40L普通气瓶的20倍左右，因此减少了原来需频繁调换气瓶的麻烦和工作量，提高了设备工作效率，同时还降低运输工作量和成本。

3.3 由于杜瓦瓶装超低温液态工业特种气体的气体纯度高、气体流量大、气流稳定、压力调整方便可靠，使用后设备的加工产品的质量稳定性得到提高。

3.4 由于杜瓦瓶装超低温液态工业特种气体装瓶时压力低，因此在使用和运输中的安全性得到提高，在建立统一气源点后各类气体的安全使用情况得到了规范。

3.5 经综合测算使用液氮、液氩替代原40L普通气瓶装氮气、氩气后用气成本分别下降了12.6%和25.3%，经济效益得到提高，并且由于使用了统一气源点供气，使各类气体的有效利用率得到了提高。

4 总结

杜瓦瓶装超低温工业气体（液氧、液氮、液氩等）通过管道输送来实现集中供气方案，适用于使用工业气体（氧气、氮气、氩气等）用量适中的现代化工厂车间，是国际上广泛使用的现代化供气方式。它是运用了先进的深冷技术和超低温保温技术及合理的汽化及管道输送方案，满足了现代化工厂车间对生产用工业气体的气体纯度要求高、使用量较大、供气的压力波动和流量稳定性指标较高的使用要求，实现现代化工厂车间对生产现场的管理要求，结合科学的管理方法将有效的降低生产成本和实现对生产成本进行有效控制。