某船制氮仪供气系统故障分析及排除

陈佐添，阳跃图，胡 存，王永全

(中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431)

某船长期在远洋执行科学考察任务，出航时会补给大量的蔬菜和水果。船上配备了2套制氮仪。制氮仪能够分离出高纯度的氮气，通过对果蔬进行充氮贮存，抑制了果蔬的新陈代谢作用，从而达到长期保鲜的目的。

制氮仪供气系统的制氮原理是膜分离制氮。膜分离制氮是以空气为原料，在一定的压力下，利用氧和氮在中空纤维膜中的不同渗透速率来使氧、氮分离制取氮气[1]。膜组中装有一组由聚合物做成的圆柱形中空纤维膜。一组包含了几百万个纤维，每根纤维直径跟人类的头发丝直径差不多。一定压力的空气从纤维的一头进入，然后通过纤维内径达到膜组的另一头。当压缩空气接触到膜时气体就发生分离。氧气、二氧化碳等气体迅速渗透纤维壁以大气压力穿过膜组一侧的排气口。氮气在流动状态下不会迅速渗透过纤维，而是流向纤维的另一端进入膜组端头的产品集气管内。在膜组内的富氧气流压力为0.03～0.07 MPa，低于膜组的空气入口压力，通过废管道排空。

1 制氮仪原理及工作流程

制氮仪主要由空压机、SMC膜组和氮气缓冲罐等组成，详见图1。SMC膜系统可分成3个标准分系统。这3个标准分系统包括空气预处理系统、氮气膜分离系统、自动控制系统。制氮仪工作过程中，空压机将空气压缩产生高温高压空气，高温高压空气经过过滤器和干燥器除去其中的粉尘和水分后，再经过冷冻装置进行降温，而后经过一系列的过滤处理后进入SMC膜组，根据气体在膜组中溶解速率和扩散系数的差异，把渗透速率小的氮气跟空气中其他气体分离出来。

1.1 空气预处理系统

由空压机产生的压缩空气经过冷冻干燥后进入空气缓冲罐，除去大部分液态水；经初步除尘过滤器，除去大部分粉尘；而后进入精细过滤器，把空气中的气态水和油基本去除，空气再进入电加热器，把空气加热至约45 ℃；加热后的压缩空气由活性炭过滤器进一步将气态油完全吸附，并由精细灰尘过滤器将余尘除去。

图1 制氮仪系统组成示意图

1.2 氮气膜分离系统

氮气分离系统主要由以下部件组成。

1)膜组。膜组装在标准圆柱型压力容器内，该容器的两端为可移动的半椭圆形，每一个膜组内装有一堆由聚合材料做成的圆柱形空心纤维膜。

2)模组前后进气控制阀组。进气控制阀组由进气控制阀控制。设备启动后，压缩空气加热到40℃左右，该阀自动打开，向膜组供气；如果进气压力或温度超出许可，该阀门会自动关闭，保护膜组。

3)模组手动调节阀。即手动球阀(2个)，它们分别装在膜组入口及出口管上。

4)富氧废气管道。从膜件中流出的渗透气体由废气管排走，在废气管道上没有任何阀门或阻隔，任何由废气管道引起的膜组中反压都会导致氮气产量的减少。

1.3 自动控制系统

SMC膜系统的自动控制系统包括：压力高/低报警、温度控制、氧含量控制等。人机界面把这些参数都显示在屏幕上，部分参数用户可以更改。

1)压力高/低报警。其主要作用是当压缩空气压力高于/低于设定值时，系统报警/停机，确保系统安全运行。

2)温度控制。压缩空气用电加热器加热，用热电阻监测空气温度，并通过控制加热器的通断，控制空气温度，其设定值为 40℃；监测加热器内部温度,当温度超过50 ℃时，系统自动联锁停车。

3)氧含量控制。SMC膜系统设有1台氧分仪，用于监控、显示产品气体的氧含量及报警信号输出。当产品氧含量超过设定值(如3%)时，给出报警信号，并放空不合格气体。

2 故障现象

制氮仪位于船舶尾部冰库附近区域，其报警信号没有联入集控室综合报警监控系统。因此，在机组运行中，需要值班人员定期对其巡视检查。在某次巡视检查过程中，值班人员发现1#制氮机报警停机，系统已经停止工作，同时氧分仪面板上显示氧含量高并报警。

3 原因分析

在正常操作过程中，当氧含量超过设定指标后，系统会自动把不合格气体放空，并不会由此造成系统停机。因此，氧含量高报警并不是造成制氮仪自动停机的根本性原因。基本的非操作停机有2种，压缩空气压力低报警停机和膜组进气温度高报警停机。

1)压缩空气压力低报警停机。在一定程度上，氮气生产量和纯度受到压力的影响，氮气生产量、纯度和压力是正相关的。正常工作情况下，膜制氮装置中空气缓冲罐的压力保持在1.2 MPa左右。膜进口压缩空气压力小于0.6 MPa时，系统会报警停机。在现场可以看到，报警停机后空气缓冲罐的压力保持在1.2 MPa，膜前空气压力也保持这个压力值。因此压缩空气压力是满足设备运行的，从而排除压缩空气压力低这个因素。

2)膜组进气温度高报警停机。压缩空气进入膜前的温度不能过高也不能太低，温度过高会影响氮气的纯度，并对膜组造成损坏；温度过低会降低制氮的效率，使得氮气产量下降。因此，压缩空气进入膜组前最佳温度是40 ℃左右。当供气系统某一环节出现故障，导致膜前空气温度超过50 ℃时，系统会自动联锁停车。

在现场仔细排查过程中发现，冷冻装置出口处的气体温度高于正常温度。正常情况下，空气经过压缩后温度可达80 ℃左右，之后经过冷冻装置降低至30 ℃。在现场用点温计测量冷冻装置出口处的空气温度达75 ℃，温度升高异常。因此，初步断定是冷冻装置故障，导致膜组进气温度偏高，从而导致系统自动报警停机。

4 故障定位及排除

现场进一步检查发现，冷冻装置的压缩机处于停机状态，并且压缩机机体过热。对压缩机保护盖板进行拆卸，检查压缩机表面部件。在尝试重新启动压缩机时发现，压缩机冷却风机无法运转工作。将压缩机断电后，值班人员检查冷却风机风扇，发现其卡滞严重，无法实现转动。因此，决定对冷冻风机进行拆检，将其各部件拆卸，最终故障定位为轴承卡滞使风机运转受阻。

冷冻装置是通过制冷循环中的制冷剂对压缩空气进行冷却降温的。由于压缩机的冷却风机卡滞无法正常工作，导致压缩机工作过程中温度过高而停机，使冷冻装置无法正常对压缩空气进行降温。因此，压缩机故障停机造成供气系统故障，导致进入SMC膜组的压缩空气温度过高，超过报警停机设定温度50 ℃，因此造成制氮仪停机。膜前压缩空气过高影响了膜组对氮气的分离效果，致使氧气含量超标，从而会在控制面板上出现氮气中氧含量过高提示性报警。

值班人员将冷却风机拆卸后发现，冷却风机轴承表面轻微锈蚀。由于没有相应的备件，无法将其更换。值班人员对轴承表面进行清洁除锈，用细砂纸进行手工打磨作业，最后将润滑油脂涂抹在轴承上。值班人员经简单手动测试轴承旋转顺滑性能后，将其装复到冷冻风机上。最后启动制氮仪，系统恢复正常工作。

5 结束语

制氮仪在船舶机械上属于冷门设备，平时使用频率比较少，由于没有远程监控报警系统，因此在运行过程中要加强对其检查巡视，及早将问题隐患排除。氮气虽然是非毒性气体，但是在有限空间内大量释放氮气而取代空气中所需的氧气，使得标准大气压条件下的氧气含量少于18%，就有可能发生氮气窒息事故。因此，在日常操作管理中要注意以下2点。

1)在拆开管道或拆开SMC膜装置之前，所有管道、容器以及相关设备必须全部泄压。切断相关的空气和氮气管道，对所有管件进行泄漏检查以确保无压力空气和产品氮气泄漏。SMC膜装置是运行在有压力的条件下的，因此，在本设备附近工作或服务的人员应严格遵守安全规程。膜装置不能承受超过设计要求的压力，作用在压力管道、容器内过大的外界压力都可能造成管道或容器的破裂，从而导致压缩气体的突然释放而伤害到工作人员。

2)在日常管理过程中，应根据使用手册，定期对各分系统进行维护保养。SMC膜件对空气洁净程度要求很高。空气经过除尘过滤器和活性炭过滤器等过滤器，空气进入模件时残油含量应低于0.003 mg/m3，残余粉尘含量低于0.01 mg/m3，残余水含量低于5.57 g/m3。因此，根据滤器的使用时长，每隔2 000～4 000 h更换滤芯。正确地操作及维护压缩、过滤、加热、冷凝油水分离等系统，能有效的控制压缩空气中的杂质含量，特别是油含量，保证膜纤维的正常运行。