高原铁路制氧设备选型及工艺性能优化

摘要：高原环境下会对制氧设备的性能造成较多影响，例如会影响空压机、透平膨胀机的性能，进而影响氧气产量，影响人员供氧。因此，为了更好地满足高原铁路的用氧需求，本文就对高原铁路制氧设备的选型、研发措施以及工艺优化进行了以下研究。

关键词：高原环境；制氧设备；氧；性能

高原地区的大气压较低，空气较为稀薄，而且温度差异大，会对制氧设备造成极大的影响，影响具体的制氧效果。而高原地区的用氧需求较大，相关人员需进一步优化当前的制氧设备，才能更好地满足人员的用氧需求。

高原环境对制氧设备的影响

目前高原人员室内用氧一般采用变压吸附法，因其具有产氧量适中、氧气浓度较高、产品形式灵活、产氧时间短、装置简单、故障率低等特点。变压吸附法是将空气加压通过分子筛吸附来产出氧气，设备工作原理图如图1所示。工作人员可以根据原理图深入分析对制氧设备带来的具体影响，从而对高原制氧设备进行针对性地设计、调整及研发。

对空压机造成的影响

空压机用于将空气加压通过分子筛，高原环境下，由于大气压力较低，会对空压机的排气压力带来影响。因为空压机的排气压力是压缩比和进口压力的乘积，而大气压力变低，会导致空压机的进口压力降低。为了确保排气压力不变，需要提高压缩比的数值。但是由于当前技术水平的限制，提升压缩比的空间不多，因此空压机的排气压力最终会有所下降。

对透平膨胀机造成的影响

透平膨胀机是用于减少废气排放的制冷设备。该设备采用风机制动的形式，在高原环境下，由于大气压力降低，进口压力降低，导致风机的进气量随之降低，透平膨胀机需要通过提高转速以确保制动效果，过高的转速会引起温度升高，进而损坏透平膨胀机。

对氧气产量造成的影响

高原环境对氧气产量的影响有两点因素，一是因高原环境温度变化较大，预冷机的出口温度变化随之变大，导致进塔的空气温度产生较大幅波动，增加设备的气液平衡难度，进而影响氧气的产量；二是随着海拔高度的增加，高原空气密度下降，螺杆压缩机的排气量降低，如果在流量不增加的情况，透平膨胀机也很难提供足够的冷量来制作氧气，因此会降低氧气的产量。

对散热能力造成的影响

随着海拔高度的增加，设备风扇的散热能力会随之下降，虽然外界温度也会降低，但是依然会影响设备整体的降温效果。

高原铁路制供氧设备选型分析

高原铁路不同场景的供氧方式分析

目前高原铁路的生活、办公场景下，通常采用鼻吸式供氧的方式，以解决人员的用氧需求。通常会在人员集中区域设置大型的制氧设备，通过管道集中供氧。近年来为了提高人员的用氧舒适度，也在推行弥散式供氧方式。弥散式供氧方式主要用于相对密闭的空间内，人员可在空间内自由活动，不受氧气面罩的影响。高原铁路生活、办公场景主要分为三类，分别是室内生活、室内办公及户外办公。针对室内办公场景，由于人员活动频繁，进出房屋频率较高，房屋门窗开启次数较多，时间较长，难以达到弥散供氧所需的空间密闭需求，因此采用鼻吸式供氧是较为经济合理的选择。针对室内生活场景，由于人员的活动量较小，生活场所范围较为固定，具有良好的密闭性，适合使用弥散性供氧方式。关于户外办公场景，通常会采用方便携带或移动的制、供氧设备，在驾驶车辆的过程中可以采用移动式制氧机进行鼻吸式供氧，在户外进行体力劳动的情况下可以采用氧气瓶及便携式制氧机等方式进行供氧。

高原铁路制氧设备选型

目前随着技术进步，可得出以下三点结论。第一，针对高原铁路人员室内办公、生活等集中区域，需设置中大型变压吸附制氧设备进行集中供氧。第二，针对人员较少的办公、生活区域和乘车过程的用氧需求，采用移动式制氧设备更为经济合理，通过配备氧气面罩以及鼻吸导管以满足该类人员用氧需求。第三，针对户外活动场景，便携式随身制、供氧设备需求量更大。便携式制、供氧设备放置在背包当中，可随身携带通过面罩及鼻吸导管供氧。

高原环境下制氧设备的研发举措

冲洗方式和均压方式的优化

制氧设备的制氧量会受到冲洗方式和均压方式的影响，常见的冲洗方式为间断冲洗和常冲洗，均压方式为上均压、下均压以及上下均压的方式，优化措施如下：

第一，在进行设备研发时，需要结合高原地区的环境特点来选择合适的冲洗方式。采用间断冲洗的方式，制氧设备能够制造的氧气浓度会存在偏低的现象，虽然氧气产量较高，但是也存在较大的波动。而使用常冲洗的方式进行氧气的制作，则可以获得较高浓度的氧气，但是氧气量不高。因为使用常冲洗的方式，对于空气的冲洗时间较长，能够起到良好的吸附效果，使得氧气的浓度更高。因为高原地区对于氧气浓度的需求较高，所以在进行制氧设备研发时，应当采用常冲洗的方式。

第二，在运行高原地区制氧设备研发时，需要选择合适的均压方式。使用上均压和上下均压方式，所制造出来的氧气浓度较高，基本都可以在90%以上，但是上均压能够制造的氧气量要明显多于上下均压的方式。因为使用上下均压的方式，会将空气中的氮气体吸附到塔中，使得塔中的气体处理量下降，进而降低了氧气的产量。因此，高原地区的制氧设备，应当优先选用上均压的方式。

冲洗管径的优化

冲洗管径的大小会对制氧效果造成较大的影响，会影响氧气的浓度和产量。通常高原地区制氧设备常见的冲洗管径主要有六种尺寸，包含4毫米、6毫米、8毫米、10毫米、12毫米以及14毫米。根据相关研究，随着冲洗管径尺寸增大，氧气浓度也随之增大，但氧气产量会随之减少，所以选择尺寸较小的冲洗管径，能增多氧气产量，选择尺寸较大的冲洗管径，则可以提高氧气浓度。在选择冲洗管径大小时，应当根据具体氧气浓度及产量需求来选择合适的管径大小。当冲洗管径大于10毫米时，其氧气浓度可以高达90%以上，氧气量也可以达到32.5立方/每小时，因此高原地区的制氧设备应当优先选择10毫米的冲洗管径。

吸附时间的优化

吸附时间也影响制氧效果，在进行高原地区制氧设备研发时，应做好吸附时间的优化工作，控制好氮气和氧气的吸附速率差。吸附时间越长，氧气和氮气的吸附速率差就会缩小，会降低氧气的浓度；当吸附时间较短时，则会出现吸附不干净，氧气浓度不高，且氧气产量偏低的情况。因此，在研发制氧设备时，需做好吸附时间的研究，结合吸附时间的长短变化对氧气浓度及氧气产量带来的影响，从而选择合适的吸附时间。根据相关研究，当吸附时间维持在36秒时，氧气浓度可高达90%，而且氧气产量也可达到32.5立方/每小时，因此研发人员应当选择36秒来作为高原地区制氧设备的吸附时间。

做好稳定性测试

为了确保制氧设备的制氧效果，在完成设备研发后，还应当做好设备的稳定性测试。研发人员需要根据相关的测试结果来进一步优化相关的性能，才能有效地提高制氧效果。

高原环境制氧工艺优化措施

高原环境会对制氧设备的制氧效果造成各种影响，为提高制氧量，研发人员不仅要做好设备的优化工作，还当做好制氧工艺的优化工作。当前制氧过程中，分子筛是最为核心的工艺环节，直接决定氧气的分离效果及氧气的质量。当前最为常见的制氧分子筛是沸石，由于受到阳离子之间作用力的影响，分子筛会优先吸附空气中的氮气，借此来实现氧气分离。在分离过程中，作为离子交换的金属阳离子为锂离子，但是由于锂盐价格较高，会增加制氧成本，通常是使用多粒子混合交换改性的方式进行氧气分离。所以，为了提高制氧效果，研发人员应加强对多个金属阳离子的研究，切实提高分离效果，提高制氧效率和质量。

由于高原环境的特殊性，会对制氧设备的工作造成一定的影响，进而影响了氧气的浓度和产量。为了更好地满足高原地区的用氧需求，加强研发功能稳定的制氧设备十分重要，研发人员也需要加强优化相关的制氧工艺，切实提高整体的制氧效果。