一种船用氮气信息化制备装置及其控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种船用氮气信息化制备装置及其控制方法，由机械系统和电气控制系统两部分共同组成；机械系统包括压缩空气制备单元，空气预处理单元，制氮单元（膜空分装置）和氮气储存单元部分组成；电气控制系统由配电单元和控制单元组成。本发明专利技术通过实时检测O2含量，露点温度，膜进出口压力等参数，在设备运行的各个阶段实时检测氮气质量，实现过程变量与膜性能的优化匹配，并根据检测到的情况实时决定是否放空，既保证了氮气纯度，又提高了氮气生产率，同时降低了膜的损耗，延长了整机使用寿命。确保氮气质量满足要求，保证氮气使用安全。

【技术实现步骤摘要】
一种船用氮气信息化制备装置及其控制方法
本专利技术涉及一种船用氮气信息化制备装置及其控制方法。
技术介绍
氮气作为空气中含量最丰富的气体（空气中含量：78.084%，沸点：-195.8℃，冷凝点：-210℃），取之不竭，用之不尽，因其特性属于亚惰性气体，常作为保护性气体。可用于LNG储罐惰化，管道吹扫，气氛置换等领域，随着目前LNG技术的发展和应用，制氮装置也逐渐成为了LNG液货船、化学品船防爆系统的关键组成部分。当前几种常规氮气制备系统技术现状、缺点和不足目前工业中常用的制氮方法有三种----深冷空分法、分子筛空分法(PSA)和膜空分法。（1）深冷空分制氮原理：以空气为原料，经过压缩、净化，再利用热交换使空气液化成为液空（主要是液氧和液氮的混合物），然后利用液氧和液氮的沸点不同(在标准大气压下，前者的沸点为-183℃，后者的为-196℃)，通过液空的精馏，使它们分离来获得氮气。不足之处是深冷空分制氮设备复杂、占地面积大，基建费用较高，设备一次性投资较多，运行成本较高，产气慢(12～24h），不适合船用。（2）分子筛空分制氮原理：以空气为原料，以碳分子筛作为吸附剂，运用变压吸附原理，利用碳分子筛对氧和氮的选择性吸附而使氮和氧分离的方法，通称PSA制氮。与传统制氮法相比，自动化程度高、产气较快(15～30分钟)、能耗低，产品纯度可在较大范围内根据用户需要进行调节。不足之处是变压吸附需要阀门等器件切换频繁，设备组件损耗大，故障率高，不适合船用。（3）膜空分制氮原理：以空气为原料，在一定压力条件下，利用氧和氮等不同性质的气体在膜中具有不同的渗透速率来使氧和氮分离。该类型设备的特点是启动快，结构简单、切换阀门少，体积小、产气更快(≤3分钟)等优点，特别适宜于氮气纯度≤98％的中、小型氮气用户。该类型装置的特点是用于制氮的膜组件属于消耗品，需定期更换。氮气质量（O2含量）及氮气生产率受膜组件性能及膜进口温度，膜进/出口压力，膜进/出口流量等众多参数影响，若想获得稳定的氮气质量和氮气生产率，参数相互影响大，耦合因素多，控制较为复杂。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种船用氮气制备装置及其控制方法。主要解决如下问题：A对于常规的膜空分制氮装置而言，由于受多重外部环境的影响，氮气质量（主要是O2含量）波动较大。一般情况下，在允许范围之内，膜进口温度越高，膜进口压力越大，产氮流量越大；同样，在产氮流量一定时，膜进口温度越高，膜进口压力越大，产氮纯度越高。而膜空分制氮装置的氮气储存装置（氮气缓冲罐）压力（俗称“背压”），也对产氮效率有一定影响，背压升高时，虽然产氮纯度升高，但产氮流量却下降，影响到产氮能力。压力、流量、温度等参数共同决定了制氮系统的效率和产量。对用户而言，O2含量高则不能满足氮气质量要求，尤其是在LNG领域，O2含量升高会存在严重的安全隐患，而O2含量过低则使膜空分装置负担过重，缩短了器件使用寿命，造成资源的浪费以及氮气生产效率的下降，因此，维持氮气质量（O2含量）在一定范围内就成为制氮装置的核心任务。本专利技术装置实时监控膜进口温度，膜进口压力，膜出口压力，膜出口流量等参数，根据O2分析仪检测到的O2含量，按照一定方法，动态调整安装在膜空分装置后端的电动流量调节阀开度，解决了制氮装置的氮气质量波动问题，使制氮过程平稳高效，既保证了氮气质量，又保证了氮气产量。B常规的制氮装置在发生设备故障或生产过程异常时往往需要人工参与分析判断，受人为因素影响大，特别是船载环境，与陆用相比，通信联络较为不便，出现异常时受条件限制难以及时解决问题。本专利技术装置预定义了多达20多种系统警报/报警类型，既有对氮气生产中过程参数的实时监控，又有对设备组件（如O2分析仪，PLC模块）的故障诊断，出现问题时一目了然，解决了船用制氮装置故障自诊断问题。C常规的膜空分制氮装置信息化程度不高，生产过程中的数据无记录或记录较少，对相关信息与操作不能有效追溯，且难以与船舶主控系统集成。本专利技术采用高端HMI，使用SQL数据库，将生产过程中的数据按一定速率/方式记录归档，此归档数据不仅可以通过HMI就地查阅，而且可以XML、CSV、PDF等格式输出，方便后续进行生产分析，一定程度上具有“审计追踪”功能，解决了船用制氮装置的信息化问题。D制氮系统中的N2缓冲罐作为压力容器，在生产过程中严禁超压，本专利技术针对该单元采用一种更为简单的超压安全措施，具有冗余属性，成本低，安全有效，解决了氮气缓冲罐的安全问题。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种船用氮气制备装置，由机械系统和电气控制系统两部分共同组成；机械系统包括压缩空气制备单元，空气预处理单元，制氮单元（膜空分装置）和氮气储存单元部分组成；电气控制系统由配电单元（压缩机、冷干机的动力控制）和控制单元PLC组成。其中：压缩空气制备单元是使用空气压缩机产生压缩空气，将该压缩空气储存在空气储罐中作为氮气制备的原料。空气预处理单元通过三级过滤器滤除压缩空气中的油污、微小颗粒。制氮单元是利用膜空分装置将压缩空气分离成氮气和氧气两大部分。氮气储存单元是储存制氮单元生产的氮气。进一步的，本专利技术的所述制备装置包括依次连接的空气压缩机（A1）、压缩空气储罐（A2）、冷干机（A3）、过滤器（A4）、膜进口流量变送器（C1）、膜进口压力变送器（C2）、膜进口温度变送器（C3）、膜进口电磁阀（B1）、膜空分装置（A5）、氧气分析仪（C4）、露点温度仪（C5）、膜出口压力变送器（C6）、膜出口流量变送器（C7）、调节阀（B3）、膜出口三通阀（B2）、氮气储罐（A6）；氮气储罐（A6）上设置氮气储罐压力变送器（C8）和氮气储罐压力开关（D3）；空气压缩机（A1）上设置空压机状态开关（D1），冷干机（A3）上设置冷干机状态开关（D2）；膜空分装置（A5）上设置废气排出管道（E1）；膜出口三通阀（B2）上还设置气体排空管道（E2）。本专利技术所述的电气控制系统，由配电单元和控制单元PLC组成；电气控制系统中的配电单元接受440V动力馈电，为空气压缩机（A1）、冷干机（A3）提供440V电源供给，也为控制单元PLC提供220V电源供给。控制单元PLC包括HMI人机交互，人机界面动态化显示氮气制备工艺流程，制备过程中的膜进口温度、膜进口压力、膜进口流量、膜出口压力、膜出口流量、露点温度、氮气储罐压力、O2含量和控制单元相连接并在在主界面实时显示。空气压缩机（A1）、冷干机（A3）、膜进口电磁阀（B1）、膜出口三通阀（B2）、调节阀（B3）也和控制单元PLC连接。控制单元PLC还包括远程监控接口和氮气罐超压监控。本专利技术基本原理：本装置的功能是生产氮气，氮气质量是本装置的核心控制目标，而氮气质量由氮气纯度，露点温度等几种参数共同决定，在这其中，氮气纯度是氮气质量最重要的技术参数，氮气纯度又与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种船用氮气信息化制备装置，其特征在于，由机械系统组成，机械系统包括压缩空气制备单元，空气预处理单元，制氮单元和氮气储存单元部分组成；/n其中：压缩空气制备单元包括依次连接的空气压缩机（A1）、压缩空气储罐（A2）构成，/n空气预处理单元包括依次连接的冷干机（A3）、过滤器（A4）；/n制氮单元是利用膜空分装置（A5）将压缩空气分离成氮气和氧气两大部分；/n氮气储存单元是氮气储罐（A6）。/n

【技术特征摘要】
1.一种船用氮气信息化制备装置，其特征在于，由机械系统组成，机械系统包括压缩空气制备单元，空气预处理单元，制氮单元和氮气储存单元部分组成；
其中：压缩空气制备单元包括依次连接的空气压缩机（A1）、压缩空气储罐（A2）构成，
空气预处理单元包括依次连接的冷干机（A3）、过滤器（A4）；
制氮单元是利用膜空分装置（A5）将压缩空气分离成氮气和氧气两大部分；
氮气储存单元是氮气储罐（A6）。


2.根据权利要求1所述的船用氮气信息化制备装置，其特征在于，所述制备装置包括依次连接的空气压缩机（A1）、压缩空气储罐（A2）、冷干机（A3）、过滤器（A4）、膜进口流量变送器（C1）、膜进口压力变送器（C2）、膜进口温度变送器（C3）、膜进口电磁阀（B1）、膜空分装置（A5）、氧气分析仪（C4）、露点温度仪（C5）、膜出口压力变送器（C6）、膜出口流量变送器（C7）、调节阀（B3）、膜出口三通阀（B2）、氮气储罐（A6）；
氮气储罐（A6）上设置氮气储罐压力变送器（C8）和氮气储罐压力开关（D3）；
空气压缩机（A1）上设置空压机状态开关（D1），冷干机（A3）上设置冷干机状态开关（D2）；
膜空分装置（A5）上设置废气排出管道（E1）；膜出口三通阀（B2）上还设置气体排空管道（E2）。


3.根据权利要求1或2所述的船用氮气信息化制备装置，其特征在于，还包括电气控制系统，由配电单元和控制单元PLC组成；
电气控制系统中的配电单元接受440V动力馈电，为空气压缩机（A1）、冷干机（A3）提供440V电源供给，也为控制单元提供220V电源供给；
控制单元PLC包括HMI人机交互，人机界面动态化显示氮气制备工艺流程，制备过程中的膜进口温度、膜进口压力、膜进口流量、膜出口压力、膜出口流量、露点温度、氮气储罐压力、O2含量和控制单元相连接并在在主界面实时显示；
空气压缩机（A1）、冷干机（A3）、膜进口电磁阀（B1）、膜出口三通阀（B2）、调节阀（B3）也和控制单...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹学磊，董磊，刘晓翠，高瑞侠，刘炳言，杜清华，
申请(专利权)人：海德威科技集团青岛有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37