CO2集中供气方案设计

张 喆，勾立国

（中汽研汽车工业工程（天津）有限公司，天津 300300）

随着客车企业产能不断提升，客车焊接工艺中CO2保护焊机所使用的气体需求量不断增大，传统模式供应已不能满足集约化的客车企业生产。客车焊接工艺与所供应气体关系密切，气体的选用关系到客车焊接质量[1]。除此之外，由于关系到焊接工艺的使用，供气方案通常由企业焊装工艺人员确定。集中供气方式与传统模式供气相比，生产使用变得更加便捷、高效。CO2集中供气建设虽然起步较晚，但发展较快，是未来客车企业气体供应的方向[2]。

1 方案设计

首先，根据生产工艺要求统计设备使用数量，并进行方案设计，焊机分布及数量如表1所示。其次，选择气源。综合考虑成本及工艺的优缺点，最终选择Ar+-CO2混合气，如表2、表3所示。最后，根据气体种类及气液态消耗量，确定罐体体积，如表4、表5所示[3]。其中，液氩取1.4t/m3，液态CO2取1.115t/m3（-40℃），可根据充装一次天数设置罐体容积。

表1 焊机分布及数量

表2 气源类型

表3 气源的选择

表4 建站消耗气态计算

表5 建站消耗液态计算

2 设备原理及功能要求

Ar、CO2均为低温液体储罐，Ar、CO2低温液体经管道进入空温式气化器气化成气体（10℃以下CO2串联电加热水浴式气化器进一步气化，10℃以上单独使用空浴式气化器），进入调压系统调压；再经混合气体配比柜根据工艺要求调整Ar、CO2的百分含量，混合成焊接所需要的混合气体，进入缓冲罐，分支到各车间；通过车间供气管道末端工位点流量计调节混合气体的流量，最后进入焊机保护焊接，设备原理如图1所示[4]。

图1 设备原理

2.1 低温储罐

Ar、CO2配置低温液位差压液位计1台，将液位及压力上传至中央控制系统，并设置上下限预警，液位设置下线预警，当液位低于警戒线时提示管理技术人员供应气源，避免因气源储存量过低影响正常生产，造成不必要的浪费。

各配置压力变送器1台，并将压力数据上传至终端。配置压力上下线预警设置、联动全自动气液转换装置各1套，当压力低于设置压力时自动切换至液相供应，高于设置压力时自动切换至气相供应，防止因压力过高自动排放造成不必要的浪费。当Ar压力达到设定的上限值1.5MPa时，自动切换到气相供气；当压力达到设定的下线压力1.3MPa时，自动装换到液相供液。当CO2压力达到设定的上限值2.0MPa时，自动切换到气相供气；当压力达到设定的下线压力1.3MPa时，自动装换到液相供液。超出设定极限范围自动上传至中央控制系统，自动切断供应并预警。配置1套超压保护自动排放装置，设定Ar、CO2超压保护上限值分别为1.75MPa、2.35MPa，超出设定上限值，为了确保罐体的安全，自动将数据上传至中央控制系统预警并打开自动排放降压阀，对空排放以保护罐体的安全。达到设定下限值1.6MPa（Ar）、2.2MPa（CO2）时，自动关闭自动排放降压阀。

配置泄漏报警联动装置，即混合气体站房内配置氧气含量报警控制系统，当氧气含量超出或低于设定值时，自动预警并联动排风换气装置运行，确保现场人员及设备安全。

2.2 气化器

Ar、CO2气化器分别在进口各配置2个自动切断转换阀，出口各配置1个温度变送器。当出口温度低于-15℃时自动关闭一路空温式气化器自然除霜，并打开另一路空温式气化器继续气化并供气。出口各配置1套超压保护自动排放装置，设定超压保护上限值Ar为1.75MPa、CO2为2.35MPa，超出设定上限值，为了确保气化器的安全，自动将数据上传至中央控制系统预警并打开自动排放降压阀，对空排放以保护气化器的安全。达到设定的下限值，1.6MPa（Ar）、2.2MPa（CO2）时，自动关闭自动排放降压阀。

CO2部分配置水浴式电加热复式气化器1套，上传气化器出口温度数据（设定上限数值为10℃、下限数值为0℃），全自动控制该气化器的出口温度并预警，自动控制电加热复式气化器出口温度高于上限值停止运行，低于下限值启动运行。

2.3 减压系统

Ar、CO2减压系统出口各配置压力变送控制器1台，设置输出压力的上下限为0.5～1.0MPa，超出设定范围，数据将自动预警并上传至中央控制系统。当压力小于上限值时，同时打开两路减压系统同步供应以满足设备的应用；当压力大于设定值时，联动超压保护自动排放装置，设定超压保护上限值为1.20MPa（混合气体配比柜设计压力范围内），超出设定上限值，为了确保混合气体配比柜的安全，自动将数据上传至中央控制系统预警并打开自动排放降压阀，对空排放以保护混合气体配比柜的安全，确保安全生产，有效避免因超压造成的设备损坏。

2.4 混合气体配比柜

配置2台全自动控制混合气体配比柜，混合比例部分配置1套全自动比例控制阀组和1台CO2在线分析仪，检测混合气体中的CO2在混合气体中的比例值，设置混合比例值的上下限（根据生产工艺要求的比例范围），上传至中央控制系统预警并控制混合气体的比例值。当比例值超出设置范围时自动补偿，有效确保了混合气体的混配精度，保证了焊接工艺中的成品合格率，提高了生产效率并有效地降低了生产成本。

全自动混合气体配比柜，在混合气中CO2、O2的比例值可远程控制，自动调整并自动补偿，就地和远程可任意设定混配置自动调整。输入及输出压力要求采用PID闭环控制以保持输出压力的稳定，压力值可上传至中央控制系统。

2.5 云端远程监控

为实现集中供气系统的可视化，通过工控方式监控低温储罐、空浴式气化器、稳压系统、气体配比柜、车间用气点等系统组成部分的工况集中控制系统。现场各个工位点工作情况在触摸屏和监控电脑上同时显示，操作人员根据现场情况来操作维护气体供气系统。

通过手机APP，办公室工作人员也可以实时监控整个气体系统的情况。操作人员使用手机APP也可以进行信息查看和报警复位操作，监控低温储罐的压力、液位、控制紧急切断阀的开关状态；控制空温式汽化器的切换状态、温度状态；控制监控稳压系统压力工作状态；控制监控气体配比柜输出气体的含量、压力等状态；监控车间用气量的瞬时和累计数据；监控天然气的压力、流量、紧急切断、泄露预警排风联动状态；监控压缩空气压力、流量、设备温度、通风降温状态。

3 结束语

随着客车行业的迅猛发展，焊接工艺供气系统也迎来了转型升级。从CO2气瓶供气到汇流排供气再到今天的气站集中供气，在安全、管理等各个方面都有了突破。对于CO2保护焊机使用量较大的企业，集中供气装置无疑是一种相当理想的供气方式[5]。集约化是一种顺应发展趋势的模式，如何在客车项目中有效实施供气系统建设，以满足企业的实际业务需求，提升企业的运营效率是重中之重。