專利名稱：一種艦船供氧保障系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于空氣分離領(lǐng)域，具體涉及一種艦船供氧保障系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，水面艦船大都采用傳統(tǒng)的供氧保障方法，典型的，如主要依靠在港口、基地采用深冷空分技術(shù)制取氧氣再以增壓機(jī)將氧氣壓縮充瓶后以氧氣瓶進(jìn)行補(bǔ)給的保障方法， 但顯然，采用這種方法受制于氧氣鋼瓶運(yùn)輸補(bǔ)給條件，給遠(yuǎn)航艦船的供氧保障帶來了沉重的后勤負(fù)擔(dān)。近年來，也有醫(yī)療船直接安裝變壓吸附制氧設(shè)備在船上直接制取純度約93%的氧氣進(jìn)行保障的方法，但是，采用這種制氧設(shè)備制取的氧氣純度低，僅能達(dá)到93%左右，不能滿足我國最新國標(biāo)《GB 8982-2009醫(yī)用及航空呼吸用氧》的規(guī)定(航空呼吸用氧以及艦上醫(yī)療保障呼吸用氧的氧氣純度均要求> 99. 5% )，采用該方法的保障體系無法為艦船提供合格的航空呼吸用氧以及醫(yī)療呼吸用氧。即便如此，上述所列出的幾種保障方法中均因嚴(yán)重依賴空氣為原料，當(dāng)補(bǔ)給基地、 水面艦船本身遭遇諸如核生化等極端戰(zhàn)況條件時(shí)，因空氣被污染，采用傳統(tǒng)的深冷法、吸附分離法、膜分離法都無法持續(xù)獲得可供人員呼吸用途的氧氣，而有限的核生化防護(hù)能力僅能針對(duì)防護(hù)艙提供給艦員一定量的新鮮空氣，即使采用核生化處理系統(tǒng)為傳統(tǒng)制氧裝置提供新鮮空氣，也將面臨資源條件、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝使用維護(hù)的復(fù)雜性所帶來的挑戰(zhàn)，其結(jié)果不言而喻，將直接導(dǎo)致水面艦船的醫(yī)療用氧、機(jī)載設(shè)備用氧保障能力的喪失，而采用水電解、化學(xué)法制氧因其能源消耗、設(shè)備本身的安全以及后勤保障等諸多問題而得不償失，更無法為艦船動(dòng)力系統(tǒng)提供更為大量的助燃用途的氧氣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對(duì)現(xiàn)有艦船供氧保障模式的缺陷，提供一種艦船供氧保障系統(tǒng)和方法，可有效克服傳統(tǒng)保障模式缺陷、節(jié)約整體資源消耗，為水面艦船提供充足的、可持續(xù)的、并能適應(yīng)各種壓力應(yīng)用的氧氣供應(yīng)保障。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是艦船供氧保障系統(tǒng)，其特征在于包含含氧原料氣輸入管線，以及與原料氣輸入管線相連接的至少一臺(tái)原料氣升壓設(shè)備；至少一個(gè)熱源提供模塊，用以將原料氣升溫到預(yù)定的分離溫度；熱源提供模塊與原料氣升壓設(shè)備相連通；離子傳輸膜分離器，用以將氧氣從原料氣中分離出來；離子傳輸膜分離器與熱源提供模塊相連通；至少一個(gè)升壓設(shè)備，用以持續(xù)將分離器分離出來的氧氣移除出分離器，維持分離過程的持續(xù)進(jìn)行；離子傳輸膜分離器經(jīng)管線連接升壓設(shè)備并最后與輸出管線連通；
輸出管線的第一分支與艦船動(dòng)力設(shè)備燃燒室相連通，第二分支通過中低壓增壓設(shè)備與艦船上的低中壓用氧點(diǎn)或儲(chǔ)氧點(diǎn)相連通；在低中壓用氧點(diǎn)接口之后，第二分支經(jīng)高壓增壓機(jī)后分別并列與主供氣源儲(chǔ)存氣瓶組和輔助供氣源儲(chǔ)存氣瓶組連通；所述的主供氣源儲(chǔ)存氣瓶組與高壓用氧直接使用點(diǎn)或者減壓使用點(diǎn)相連通；所述的輔助供氣源儲(chǔ)存氣瓶組與高壓用氧直接使用點(diǎn)相連通。按上述技術(shù)方案，在輔助供氣源儲(chǔ)存氣瓶組與高壓增壓機(jī)入口之間還設(shè)置一個(gè)當(dāng)輔助供氣源儲(chǔ)存氣瓶組壓力不足時(shí)將氣源經(jīng)增壓機(jī)增壓灌充到主供氣源儲(chǔ)存氣瓶組的轉(zhuǎn)注回路，由減壓閥、控制閥通過連接管線組成。按上述技術(shù)方案，主供氣源儲(chǔ)存氣瓶組的輸出回路上還設(shè)置一條往低、中壓用氧點(diǎn)輸送的保障回路，所述的回路由減壓閥、控制閥通過連接管線組成。按上述技術(shù)方案，該熱源提供模塊包含一個(gè)主換熱器、加熱器、第三換熱器、第四換熱器；第四換熱器一端與原料氣升壓設(shè)備連通，另一端與第三換熱器連通；主換熱器與艦船動(dòng)力設(shè)備燃燒室相連通，并同時(shí)通過加熱器與離子傳輸膜分離器連通；離子傳輸膜分離器的氧氣輸出熱能回收端與第四換熱器連通，其廢氣排放熱能回收端與第三換熱器相連通，第三換熱器與廢氣排放管線相連通。按上述技術(shù)方案，所述的離子傳輸膜分離器包含的離子傳輸膜，是一種由氧離子-電子混合導(dǎo)體陶瓷材料制成的致密膜.所述離子傳輸膜為由LaO. 6SrO. 4CoO. 2FeO. 803- δ體系材料通過相轉(zhuǎn)化燒結(jié)法制備的中空纖維陶瓷膜。采用上述系統(tǒng)的供氧方法，其特征在于基于離子傳輸膜分離器并結(jié)合艦上熱能資源制備氧氣，并按照實(shí)際使用壓力需求對(duì)所制備的氧氣進(jìn)行轉(zhuǎn)送、增壓、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)注等流體再分配；具體流程為含氧氣體自輸入管線及過濾措施后引入原料氣升壓設(shè)備，建立起供流體輸送所需克服的系統(tǒng)阻力后送入后級(jí)熱源提供模塊再引入分離系統(tǒng)；經(jīng)過熱源提供模塊將原料空氣加熱到所需的分離溫度后進(jìn)入膜分離器，從膜分離器滲透的氧氣經(jīng)管線連接升壓設(shè)備并經(jīng)輸出管線送出，廢氣則送熱能回收設(shè)備或排空；從輸出管線輸出的第一分支氧氣與艦船動(dòng)力設(shè)備燃燒室相連通，對(duì)艦船燃燒設(shè)備供給氧化劑進(jìn)行富氧或純氧助燃；第二分支通過中低壓增壓設(shè)備增壓并通過管線向艦船上低中壓用氧點(diǎn)直接供氣或者到儲(chǔ)氧點(diǎn)進(jìn)行儲(chǔ)存；在低中壓用氧點(diǎn)接口之后，第二分支經(jīng)高壓增壓機(jī)后分別通過管線向艦船上的主供氣源儲(chǔ)存氣瓶組和輔助供氣源儲(chǔ)存氣瓶組進(jìn)行增壓儲(chǔ)存；主供氣源儲(chǔ)存氣瓶組和輔助供氣源儲(chǔ)存氣瓶組再分別通過管線向艦船上高壓用氧點(diǎn)進(jìn)行供氧。按上述技術(shù)方案，所述的主供氣源儲(chǔ)存氣瓶組和輔助供氣源儲(chǔ)存氣瓶組中，按照用氧點(diǎn)壓力高低之分，首先以輔助供氣源儲(chǔ)存氣瓶組進(jìn)行最高壓力用氧點(diǎn)的供氣保障，當(dāng)壓力不足以維持用氧保障時(shí)通過操作相應(yīng)的閥門切換至主供氣源儲(chǔ)存氣瓶組供氣；當(dāng)主供氣源也滿足不了最高壓力用氧保障時(shí)選擇繼續(xù)制氧增壓充滿氣瓶組來滿足保障要求；或者在前工段不能制氣時(shí)利用所設(shè)置的轉(zhuǎn)注回路，通過高壓增壓機(jī)并通過操作相應(yīng)的閥門自輔助供氣源儲(chǔ)存氣瓶組吸氣對(duì)主供氣源儲(chǔ)存氣瓶組進(jìn)行增壓充氣到工作壓力以滿足高壓用氧點(diǎn)的用氧保障。
按上述技術(shù)方案，當(dāng)?shù)?、中壓用氧點(diǎn)氣源不足時(shí)，通過在主供氣源儲(chǔ)存氣瓶組的輸出回路上設(shè)置的保障回路從主供氣源儲(chǔ)存氣瓶組往低、中壓用氧點(diǎn)輸送氧氣。按上述技術(shù)方案，熱源提供模塊中的主換熱器結(jié)合艦船動(dòng)力系統(tǒng)燃燒過程產(chǎn)生的熱將原料氣加熱；加熱器在主換熱器熱源引入存在問題時(shí)將原料氣加熱到預(yù)定的分離溫度；第三換熱器回收分離后的廢氣熱能并與自原料氣升壓設(shè)備送入的含氧原料氣體進(jìn)行熱交換，膜分離器送出的純氧同樣送入第四換熱器進(jìn)行熱交換以回收熱能；如果排出氧氣的溫度較高，需要冷卻加以應(yīng)用，可設(shè)置冷卻器將輸出氧氣的溫度降低至需要的水平；完整的熱能回收交換順序?yàn)橄然厥债a(chǎn)品氧氣帶有的熱能，再回收分離后廢氣帶有的熱能，再接收燃燒過程產(chǎn)生的熱能，再通過電加熱器或者燃燒器產(chǎn)生熱能；根據(jù)加熱裝置的不同，上述順序能夠根據(jù)需要取舍。按上述技術(shù)方案，升壓設(shè)備的升壓能力取決于燃燒設(shè)備需要的用氧壓力以及維持膜分離器連續(xù)移除氧氣的壓力需要；膜分離器滲透側(cè)的壓力為5 95KPa ；所述的高壓用氧點(diǎn)壓力為I5MPa !35MPa。本發(fā)明提出的是一種針對(duì)水面艦船供氧保障的新方法，其顯著的特點(diǎn)是(1)采用離子傳輸膜(Ionic Transport Membrane，簡稱ITM)分離技術(shù)直接自任何含氧氣體中分離出純度達(dá)100%的純氧，減少了對(duì)空氣質(zhì)量的依賴，即使是在核生化戰(zhàn)況條件下也能現(xiàn)場制氧以連續(xù)的獲得符合現(xiàn)行國標(biāo)、國軍標(biāo)要求的氧氣進(jìn)行供氧保障；按照本發(fā)明描述的離子傳輸膜，它是一種由氧離子-電子混合導(dǎo)體陶瓷材料制成的致密膜，不限于下述描述的某一種體系的離子傳輸膜，典型的，如一種由 LaO. 6SrO. 4CoO. 2FeO. 803- δ (按重量百分比為wt% La ^ 37. 5%;wt% Sr ^ 15. 7%；wt% Co ^ 5. 30% ；wt% Fe ^ 20. 0% ；wt% 0 ^ 21. 5% )體系材料通過相轉(zhuǎn)化燒結(jié)法制備的中空纖維陶瓷膜，具有很好透氧穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，當(dāng)膜兩邊的氧分壓不同時(shí)，將膜材料或待分離的含氧原料氣加熱到一定溫度時(shí)，氧氣將以氧離子的形式從高分壓側(cè)透過膜到達(dá)低分壓側(cè)，氧離子再結(jié)合成氧分子，從而達(dá)到分離出純氧的目的，由于ITM只允許氧離子透過， 任何氣體、微粒物質(zhì)都無法通過，因而可以直接從含氧氣體中分離出純氧(100%的透氧選擇性)，也因此，采用離子傳輸膜為分離元件直接自含氧空氣中分離氧氣的方法可應(yīng)用于任何戰(zhàn)況條件下直接自空氣(無論染毒與否，無論是含有21 %的氧氣的空氣體系，還是含有低于該分壓水平氧氣的其它介質(zhì)氣體)、煙氣(含有未燃盡的氧氣)或其它含氧氣體中分離氧氣，而且，由于其透氧速率快(可達(dá)有機(jī)膜的200倍)，工藝及操作簡單，可大大縮小制氧系統(tǒng)的體積，降低制氧的能源消耗(理論上比傳統(tǒng)的深冷精餾或變壓吸附法的能源消耗低 30 50% )，尤其是結(jié)合水面艦船的燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)，燃燒生成的熱能用于ITM制氧， ITM產(chǎn)生的氧氣返回進(jìn)行富氧、純氧燃燒，并給其它用氧點(diǎn)輸出氧氣，系統(tǒng)可高效集成，并可將現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率提高到-65% (常規(guī)采用空氣為氧化劑的燃?xì)廨啓C(jī)其效率約為35%)，降低燃油消耗的同時(shí)提高了艦船的動(dòng)力輸出、機(jī)動(dòng)能力，還降低了碳?xì)渑欧胚_(dá)到環(huán)保目的，同時(shí)，無論任何戰(zhàn)況條件下(包括核生化戰(zhàn)況)從ITM制氧部分輸出的氧氣都是純氧，可確保其技術(shù)指標(biāo)滿足現(xiàn)有國標(biāo)、國軍標(biāo)的要求，適用艦船上醫(yī)療用氧、機(jī)載設(shè)備用氧的等氧氣保障的氧氣源，完善的解決了水面艦船各個(gè)方面的氧氣保障需求。(2) ITM分離元件所需的熱能來自艦船動(dòng)力系統(tǒng)燃燒產(chǎn)生的熱能，此熱能可以是燃燒室直接交換出來或者自高溫排放的煙氣交換出來的熱能，ITM分離元件的工作溫度是
6550°C 1100°C，如低于該分離溫度條件，還可優(yōu)選的設(shè)置一個(gè)電加熱器或者燃燒器以進(jìn)行補(bǔ)充熱能輸入，并且，優(yōu)選針對(duì)經(jīng)分離后的貧氧氣體與產(chǎn)品氧氣的輸出進(jìn)行一次熱能回收的措施；(3)本發(fā)明提出的供氧保障方法，可向任何用氧點(diǎn)提供符合我國最新國標(biāo)《GB 8982-2009醫(yī)用及航空呼吸用氧》的規(guī)定的氧氣，如醫(yī)療用氧、航空呼吸用氧等，還能向艦船動(dòng)力系統(tǒng)的燃燒設(shè)備提供富氧、純氧進(jìn)行富氧或者純氧燃燒；(4)本發(fā)明提出的供氧保障方法，按照實(shí)際使用壓力需求優(yōu)選分別經(jīng)轉(zhuǎn)送、增壓、 存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)注等流體再分配手段組成一個(gè)氧氣供應(yīng)保障體系以確保艦船各用氧單位的氧氣供應(yīng)保障，并且，優(yōu)選由低到高的壓力獲取制度以分別向艦船各用氧單位先后提供低壓氧氣、 低中壓氧氣、高壓氧氣；(5)本發(fā)明提出的供氧保障方法，最低限度設(shè)置2組以上儲(chǔ)存氣瓶(組)，以一組作為主供氣源，另外一組作為輔助供氣源，按照用氧點(diǎn)壓力高低之分，首先以輔助供氣源進(jìn)行最高壓力用氧點(diǎn)的供氣保障，當(dāng)壓力不足以維持用氧保障時(shí)切換至主供氣源，主供氣源滿足不了最高用氧保障時(shí)可選擇繼續(xù)制氧增壓充滿氣瓶滿足保障要求，但是，也可以通過設(shè)置的增壓機(jī)在前工段不能制氣時(shí)先自輔助供氣源吸氣對(duì)主供氣源進(jìn)行充氣到工作壓力以滿足高壓用氧點(diǎn)的保障，通過這樣一個(gè)轉(zhuǎn)注措施，可以減少儲(chǔ)存氣瓶的緩沖容積，提高氣瓶利用率，并可在一定程度上減少對(duì)前段工序中的制氧能力、增壓設(shè)備的增壓能力的選型依賴，進(jìn)一步減少制氧、增壓設(shè)備的體積、尺寸以及裝機(jī)容量。


附圖1是本發(fā)明采用離子傳輸膜(ITM)分離元件自含氧空氣中分離氧氣的系統(tǒng)原理圖；附圖2是本發(fā)明構(gòu)建的氧氣供應(yīng)保障體系的原理圖；附圖3是一個(gè)現(xiàn)有艦船氧氣保障體系的原理圖，用以作為本發(fā)明的比較例；附圖4是另一個(gè)現(xiàn)有艦船氧氣保障體系的原理圖，用以作為本發(fā)明的比較例。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖1-4的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不限定本發(fā)明。如附圖1，含氧氣體自管線1經(jīng)公知技術(shù)所描述的初級(jí)過濾(典型的，如過濾至 < 15 μ m的顆粒物精度)措施后引入鼓風(fēng)機(jī)2，建立起供流體輸送所需克服的系統(tǒng)阻力后送入后級(jí)分離系統(tǒng)引入管線3。典型的，如建立5 500KPa的壓力(表壓)，因離子傳輸 (ITM)膜分離器6的分離條件是在一定的溫度下(550°C 1100°C )進(jìn)行，因此，經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)增壓后的氣體首先經(jīng)過熱源提供模塊4(附圖1中點(diǎn)劃線內(nèi)所包含部分)加熱到所需的分離溫度，熱源提供模塊4優(yōu)選采用主換熱器TCOl自各種燃燒過程產(chǎn)生的溫度來加熱原料氣， 高溫?zé)煔庾怨芫€4-1引入，自管線4-2返回；當(dāng)然，也可采用各種形式的加熱方法，如電加熱器TC02來將原料氣加熱到預(yù)定的分離溫度再進(jìn)入膜分離器6，高溫原料氣自連接熱源模塊與膜分離器6的管線5引入膜分離器6后，滲透的氧氣經(jīng)管線7引入優(yōu)選的換熱器TC04與經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)2出口的空氣進(jìn)行換熱后，再連接升壓設(shè)備如負(fù)壓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)或者真空泵9離開系統(tǒng)并經(jīng)管線10送出。典型的，為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)分離的目的，自負(fù)壓風(fēng)機(jī)、壓縮或真空等動(dòng)力設(shè)備9連續(xù)引出該部分氧氣，如采用這些升壓設(shè)備在膜分離器的滲透側(cè)建立5 95KPa的壓力(絕對(duì)壓力)，可連續(xù)移除系統(tǒng)產(chǎn)生的氧氣并維持系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定的分離過程，采用該升壓設(shè)備優(yōu)選還能建立起后續(xù)用氧氣需求的壓力(如建立起0 IMI^a直至任意所需壓力，表壓)，未經(jīng)分離的廢氣則經(jīng)管線8排除出系統(tǒng)。優(yōu)選的，因自管線8排出的廢氣還帶有一定的熱能，可設(shè)置一個(gè)第三換熱器TC03 與自鼓風(fēng)機(jī)2送入的含氧氣體進(jìn)行熱交換以回收熱能，自管線7送出的純氧也同樣的可以先送入第四換熱器TC04進(jìn)行熱交換以回收熱能，上述熱源提供模塊4中，優(yōu)先以將原料氣加熱到預(yù)定分離溫度為目的，優(yōu)選結(jié)合艦船動(dòng)力系統(tǒng)燃燒過程產(chǎn)生的熱源經(jīng)主換熱器TCOl 達(dá)成目標(biāo)，還優(yōu)選但非必要設(shè)置一個(gè)加熱器TC02在主換熱器TCOl熱源引入存在問題時(shí)以加熱器達(dá)成分離目標(biāo)溫度，如果排出氧氣的溫度較高，需要冷卻加以應(yīng)用，可替代以各種形式的冷卻器將輸出氧氣的溫度降低至合適的水平。如附圖2，繼續(xù)如附圖1的描述，自負(fù)壓風(fēng)機(jī)、壓縮或真空等類型的升壓設(shè)備9連續(xù)自ITM膜分離器6引出的氧氣自管線10輸出，該升壓設(shè)備的升壓能力優(yōu)選取決于燃燒設(shè)備需要的用氧壓力以及維持膜分離器連續(xù)移除氧氣的需要。此時(shí)，維持膜分離器滲透側(cè)的壓力為5 95KPa(絕壓)的壓力，并保持輸出管線送入燃燒器的壓力。典型的，如達(dá)到 5KPa (表壓)的輸送壓力要求；隨后，如附圖2，自管線10輸出的氧氣分兩路，一路送入管線 11經(jīng)閥JVlOlA以滿足燃燒過程所需富氧燃燒用氧的保障需求；另一路，經(jīng)閥JVlOlB自管線12送入中低壓增壓機(jī)13增壓后，送入管線15輸出供給低、中壓(0. 1 3. OMPa)用氧點(diǎn)直接使用或者儲(chǔ)存。為滿足船上更高壓力的用氧點(diǎn)氧氣的需求，經(jīng)中低壓增壓機(jī)13增壓后的氧氣可經(jīng)管線14、閥JV102B等送入高壓增壓機(jī)16。高壓增壓機(jī)可采用隔膜式壓縮機(jī)，可按船上用氧點(diǎn)最高使用壓力選型，如15MPa 35MPa ；并采取兩組氣瓶進(jìn)行儲(chǔ)存，其中，一組作為主要儲(chǔ)存供氣瓶組PV01，另一組作為輔助供氣瓶組PV02，中低壓增壓機(jī)13經(jīng)管線14、閥 JV102B、DXF102B自前級(jí)引入氧氣后可分別經(jīng)管線17、19以及開啟相應(yīng)的閥門增壓送入儲(chǔ)存供氣瓶組PV01、輔助供氣瓶組PV02，并可選擇打開相應(yīng)的閥門JV105B/A分別自管線18、 20輸出高壓氣源，以滿足船上高壓氧氣氣源的保障需求。為了有效減少儲(chǔ)存氣瓶的容積，最大限度的滿足最高工作壓力下的用氧量，本發(fā)明設(shè)置2組儲(chǔ)存氣瓶，以一組作為主供氣源PV01，另外一組作為輔助供氣源PV02，按照用氧點(diǎn)壓力高低之分，首先以輔助供氣源PV02進(jìn)行最高壓力用氧點(diǎn)的供氣保障，當(dāng)壓力不足以維持用氧保障時(shí)通過操作相應(yīng)的閥門切換至主供氣源PVOl供氣，當(dāng)主供氣源也滿足不了最高壓力用氧保障時(shí)可選擇繼續(xù)制氧增壓充滿氣瓶組來滿足保障要求，但也可以通過設(shè)置的高壓增壓機(jī)16在前工段不能制氣時(shí)通過操作相應(yīng)的閥門先自輔助供氣源PV02吸氣對(duì)主供氣源PVOl進(jìn)行增壓充氣到工作壓力以滿足高壓用氧點(diǎn)的用氧保障，通過這樣一個(gè)轉(zhuǎn)注回路措施，可以減少儲(chǔ)存氣瓶的緩沖容積，提高氣瓶利用率，并可在一定程度上減少對(duì)前段工序中的制氧能力、增壓設(shè)備的增壓能力的選型依賴，進(jìn)一步減少制氧、增壓設(shè)備的體積、 尺寸以及裝機(jī)容量；所述的轉(zhuǎn)注回路經(jīng)管線21、減壓閥JY104、截止閥JV104經(jīng)增壓機(jī)16將輔助氣瓶組PV02的存儲(chǔ)的壓力不高的氣體繼續(xù)增壓灌充到主供氣源PVOl氣瓶組中，經(jīng)閥門JV105B自管線18輸出到高壓用氧點(diǎn)進(jìn)行供氧保障。附圖3為常規(guī)的一種氧氣保障體系，用以對(duì)比本發(fā)明的氧氣保障體系，原有艦船的氧氣保障體系一種是采用深冷法在陸地上制取好氧氣并采用增壓機(jī)充入高壓氣瓶，并運(yùn)輸?shù)酱现苯酉蚬┭觞c(diǎn)進(jìn)行氧氣保障，或者經(jīng)減壓閥減壓供氣，以分別滿足高壓與中低壓用氧點(diǎn)的需求。此外，附圖4還有一種常規(guī)體系和方法是采用變壓吸附工藝，以空氣為原料制取氧氣后直接供給中低壓用氧點(diǎn)，或者繼續(xù)采用增壓裝置儲(chǔ)存到氣瓶中再進(jìn)行供氧保障，關(guān)于變壓吸附工藝，是公知技術(shù)，再此不在敘述，受制于該工藝僅能提供93%左右的氧氣而無法成為一個(gè)合格的氧氣源，僅能作為一般性保健用氧的需求，而顯然，針對(duì)艦船尤其是作戰(zhàn)艦船所需的高壓、高品質(zhì)氧氣需求，這種方法無疑不能滿足需求，而以陸地制取氧氣瓶再運(yùn)輸?shù)酱线M(jìn)行供氧保障的方法，則受制于運(yùn)輸與儲(chǔ)存氣量，顯然無法滿足遠(yuǎn)洋海軍的作戰(zhàn)要求。按照本發(fā)明描述的離子傳輸膜，它是一種由氧離子-電子混合導(dǎo)體陶瓷材料制成的致密膜，不限于下述描述的某一種體系的離子傳輸膜，典型的，如一種由 LaO. 6SrO. 4CoO. 2FeO. 803- δ (按重量百分比為wt% La ^ 37. 5%;wt% Sr ^ 15. 7% ；wt% Co ^ 5. 30% ；wt% Fe ^ 20. 0% ；wt% 0 ^ 21. 5% )體系材料通過相轉(zhuǎn)化燒結(jié)法制備的中空纖維陶瓷膜，具有很好透氧穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，當(dāng)膜兩邊的氧分壓不同時(shí)，將膜材料或待分離的含氧原料氣加熱到一定溫度時(shí)，氧氣將以氧離子的形式從高分壓側(cè)透過膜到達(dá)低分壓側(cè)，氧離子再結(jié)合成氧分子，從而達(dá)到分離出純氧的目的相對(duì)于以上常規(guī)的氧氣保障體系，本發(fā)明高效的集成了艦船系統(tǒng)資源，以ITM離子傳輸膜獲取氧氣，并提供了一種包括各種壓力制度的從低壓到高壓的供氧保障體系，徹底改變了現(xiàn)有艦船單一依靠瓶氧或變壓吸附工藝設(shè)備的供氧保障模式，全面的解決了現(xiàn)有艦船保障體系的缺陷，具體有如下優(yōu)點(diǎn)(1)氧氣指標(biāo)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，徹底改變了對(duì)原料氣的依賴，可在惡劣戰(zhàn)況條件下實(shí)施供氧；(2)功能齊全，可為各種壓力制度的用氧單位提供有效的供氧保障，自中低壓的富氧燃燒、醫(yī)療保障用氧，到中高壓的艦載機(jī)、魚雷等艦載武器高壓用氧均具備保障能力；(3)系統(tǒng)高效集成，主要分離能源來自艦船動(dòng)力設(shè)備燃燒過程產(chǎn)生的熱能或者煙氣廢氣熱能，并采取的有效的能源回收，因此，最大限度的減少了能源消耗，是現(xiàn)有制氧方法能源消耗的2/3以下；(4)合理的安排了艦船各壓力制度的用氧要求的升壓過程，最大限度的節(jié)約因升壓帶來的能源消耗；(5)合理的安排了艦船高壓用氣保障的儲(chǔ)存環(huán)節(jié)，分主供氣源與輔助供氣源，最大限度的減少了高壓氣瓶儲(chǔ)存環(huán)節(jié)的容積，同時(shí)，也在一定程度上減少對(duì)前段工序中的依賴， 尤其是減少了對(duì)前工序的制氧能力、增壓設(shè)備的增壓能力的選型依賴，進(jìn)一步減少制氧、增壓設(shè)備的體積、尺寸以及裝機(jī)容量。以上所揭露的僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，當(dāng)然不能以此來限定本發(fā)明之權(quán)利范圍，因此依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所作的等效變化，如對(duì)工藝參數(shù)或裝置做出的變動(dòng)和改良仍屬本發(fā)明的保護(hù)范圍。
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權(quán)利要求
1.艦船供氧保障系統(tǒng)，其特征在于包含含氧原料氣輸入管線，以及與原料氣輸入管線相連接的至少一臺(tái)原料氣升壓設(shè)備；至少一個(gè)熱源提供模塊，用以將原料氣升溫到預(yù)定的分離溫度；熱源提供模塊與原料氣升壓設(shè)備相連通；離子傳輸膜分離器，用以將氧氣從原料氣中分離出來；離子傳輸膜分離器與熱源提供模塊相連通；至少一個(gè)升壓設(shè)備，用以持續(xù)將分離器分離出來的氧氣移除出分離器，維持分離過程的持續(xù)進(jìn)行；離子傳輸膜分離器經(jīng)管線連接升壓設(shè)備并最后與輸出管線連通；輸出管線的第一分支與艦船動(dòng)力設(shè)備燃燒室相連通，第二分支通過中低壓增壓設(shè)備與艦船上的低中壓用氧點(diǎn)或儲(chǔ)氧點(diǎn)相連通；在低中壓用氧點(diǎn)接口之后，第二分支經(jīng)高壓增壓機(jī)后分別并列與主供氣源儲(chǔ)存氣瓶組和輔助供氣源儲(chǔ)存氣瓶組連通；所述的主供氣源儲(chǔ)存氣瓶組與高壓用氧直接使用點(diǎn)或者減壓使用點(diǎn)相連通；所述的輔助供氣源儲(chǔ)存氣瓶組與高壓用氧直接使用點(diǎn)相連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于在輔助供氣源儲(chǔ)存氣瓶組與高壓增壓機(jī)入口之間還設(shè)置一個(gè)當(dāng)輔助供氣源儲(chǔ)存氣瓶組壓力不足時(shí)將氣源經(jīng)增壓機(jī)增壓灌充到主供氣源儲(chǔ)存氣瓶組的轉(zhuǎn)注回路，由減壓閥、控制閥通過連接管線組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于主供氣源儲(chǔ)存氣瓶組的輸出回路上還設(shè)置一條往低、中壓用氧點(diǎn)輸送的保障回路，所述的回路由減壓閥、控制閥通過連接管線組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的系統(tǒng)，其特征在于該熱源提供模塊包含一個(gè)主換熱器、加熱器、第三換熱器、第四換熱器；第四換熱器一端與原料氣升壓設(shè)備連通，另一端與第三換熱器連通；主換熱器與艦船動(dòng)力設(shè)備燃燒室相連通，并同時(shí)通過加熱器與離子傳輸膜分離器連通；離子傳輸膜分離器的氧氣輸出熱能回收端與第四換熱器連通，其廢氣排放熱能回收端與第三換熱器相連通，第三換熱器與廢氣排放管線相連通。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的離子傳輸膜分離器包含的離子傳輸膜，是一種由氧離子-電子混合導(dǎo)體陶瓷材料制成的致密膜；特別是一種由 LaO. 6SrO. 4CoO. 2FeO. 803- δ體系材料通過相轉(zhuǎn)化燒結(jié)法制備的中空纖維陶瓷膜。
6.采用權(quán)利要求1-5之一所述系統(tǒng)的供氧保障方法，其特征在于基于離子傳輸膜分離器并結(jié)合艦上熱能資源制備氧氣，并按照實(shí)際使用壓力需求對(duì)所制備的氧氣進(jìn)行轉(zhuǎn)送、增壓、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)注等流體再分配；具體流程為含氧氣體自輸入管線及過濾措施后引入原料氣升壓設(shè)備，建立起供流體輸送所需克服的系統(tǒng)阻力后送入后級(jí)分離系統(tǒng)引入熱源提供模塊；經(jīng)過熱源提供模塊加熱到所需的分離溫度后，再進(jìn)入膜分離器，從膜分離器滲透的氧氣經(jīng)管線連接升壓設(shè)備并經(jīng)輸出管線送出；從輸出管線輸出的第一分支氧氣與艦船動(dòng)力設(shè)備燃燒室相連通，對(duì)艦船燃燒設(shè)備供給氧化劑進(jìn)行富氧或純氧助燃；第二分支通過中低壓增壓設(shè)備增壓并通過管線向艦船上低中壓用氧點(diǎn)直接供氣或者到儲(chǔ)氧點(diǎn)進(jìn)行儲(chǔ)存；在低中壓用氧點(diǎn)接口之后，第二分支經(jīng)高壓增壓機(jī)后分別通過管線向艦船上的主供氣源儲(chǔ)存氣瓶組和輔助供氣源儲(chǔ)存氣瓶組進(jìn)行增壓儲(chǔ)存；主供氣源儲(chǔ)存氣瓶組和輔助供氣源儲(chǔ)存氣瓶組再分別通過管線向艦船上高壓用氧點(diǎn)進(jìn)行供氧。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述的主供氣源儲(chǔ)存氣瓶組和輔助供氣源儲(chǔ)存氣瓶組中，按照用氧點(diǎn)壓力高低之分，首先以輔助供氣源儲(chǔ)存氣瓶組進(jìn)行最高壓力用氧點(diǎn)的供氣保障，當(dāng)壓力不足以維持用氧保障時(shí)通過操作相應(yīng)的閥門切換至主供氣源儲(chǔ)存氣瓶組供氣；當(dāng)主供氣源也滿足不了最高壓力用氧保障時(shí)選擇繼續(xù)制氧增壓充滿氣瓶組來滿足保障要求；或者在前工段不能制氣時(shí)利用所設(shè)置的轉(zhuǎn)注回路，通過高壓增壓機(jī)并通過操作相應(yīng)的閥門自輔助供氣源儲(chǔ)存氣瓶組吸氣對(duì)主供氣源儲(chǔ)存氣瓶組進(jìn)行增壓充氣到工作壓力以滿足高壓用氧點(diǎn)的用氧保障。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于當(dāng)?shù)?、中壓用氧點(diǎn)氣源不足時(shí)，通過在主供氣源儲(chǔ)存氣瓶組的輸出回路上設(shè)置的保障回路從主供氣源儲(chǔ)存氣瓶組往低、中壓用氧點(diǎn)輸送氧氣。
9.根據(jù)權(quán)利要求6-8之一所述的方法，其特征在于熱源提供模塊中的主換熱器結(jié)合艦船動(dòng)力系統(tǒng)燃燒過程產(chǎn)生的熱將原料氣加熱；加熱器在主換熱器熱源引入存在問題時(shí)將原料氣加熱到預(yù)定的分離溫度；第三換熱器回收分離后的廢氣熱能并與自原料氣升壓設(shè)備送入的含氧原料氣體進(jìn)行熱交換，膜分離器送出的純氧同樣送入第四換熱器進(jìn)行熱交換以回收熱能；如果排出氧氣的溫度較高，需要冷卻加以應(yīng)用，可設(shè)置冷卻器將輸出氧氣的溫度降低至需要的水平；完整的熱能回收交換順序?yàn)橄然厥债a(chǎn)品氧氣帶有的熱能，再回收分離后廢氣帶有的熱能，再接收燃燒過程產(chǎn)生的熱能，再通過電加熱器或者燃燒器產(chǎn)生熱能; 根據(jù)加熱裝置的不同，上述順序能夠根據(jù)需要取舍。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于升壓設(shè)備的升壓能力取決于燃燒設(shè)備需要的用氧壓力以及維持膜分離器連續(xù)移除氧氣的壓力需要；膜分離器滲透側(cè)的壓力為5 95KPa ；所述的高壓用氧點(diǎn)壓力為15MPa 35MPa。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種艦船供氧保障系統(tǒng)和方法，采用離子傳輸膜為分離元件直接自含氧空氣中分離氧氣，并結(jié)合水面艦船的燃燒熱能用于ITM制氧，并給各種壓力段的用氧點(diǎn)輸出氧氣；由此系統(tǒng)可高效集成，并可將現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率提高到55％-65％(常規(guī)采用空氣為氧化劑的燃?xì)廨啓C(jī)其效率約為35％)，降低燃油消耗的同時(shí)提高了艦船的動(dòng)力輸出、機(jī)動(dòng)能力，還降低了碳?xì)渑欧胚_(dá)到環(huán)保目的，同時(shí)，無論任何戰(zhàn)況條件下，包括核生化戰(zhàn)況從ITM制氧部分輸出的氧氣都是純氧，可確保其技術(shù)指標(biāo)滿足現(xiàn)有國標(biāo)、國軍標(biāo)的要求，適用艦船上醫(yī)療用氧、機(jī)載設(shè)備用氧的等氧氣保障的氧氣源，完善的解決了水面艦船各個(gè)方面各種壓力段的氧氣保障需求。
文檔編號(hào)B63J2/02GK102514701SQ20111040259
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月7日
發(fā)明者丁艷賓, 吳松, 李偉光, 沈玉如, 祖利娟, 金正濤, 陳宗蓬, 陳玲 申請(qǐng)人:上海穗杉實(shí)業(yè)有限公司, 中國艦船研究設(shè)計(jì)中心