Антарктида характеризуется экстремально низкими температурами (-88,3 градуса), большой высотой (4087 метров в Куполе А), низким давлением воздуха и нехваткой энергии и материалов. Эти условия предъявляют строгие требования к атмосферостойкости, энергоэффективности, стабильности и удобству обслуживания оборудования для генерации кислорода. Технология генерации кислорода с вакуумно-качельной адсорбцией (VSA), основанная на ее основном принципе «адсорбции при низком давлении и вакуумной десорбции», демонстрирует значительные преимущества в адаптации к экстремальным условиям Антарктики и обеспечении потребности научно-исследовательского персонала в кислороде, что делает ее предпочтительным решением для систем генерации кислорода на антарктических исследовательских станциях. Его основные преимущества можно свести к следующим пяти аспектам:
1. Сверх-низкое энергопотребление адаптируется к нехватке энергии в Антарктиде.
Энергоснабжение антарктических исследовательских станций в основном осуществляется дизельными генераторами. Однако дизельное топливо необходимо транспортировать по морю на тысячи морских миль, а затем по заснеженным и ледяным дорогам на протяжении более тысячи километров, что приводит к чрезвычайно высоким затратам на приобретение. Между тем, на большой высоте атмосферное давление снижается на 11,5% на каждые 1000 метров увеличения, а КПД дизель-генераторов соответственно снижается на 10%. Снижение эффективности генераторов на внутренних антарктических станциях может достигать 40%, что делает энергосбережение основным требованием для оборудования по производству кислорода. Технология производства кислорода VSA хорошо-соответствует этому требованию: по сравнению с традиционной технологией производства кислорода с адсорбцией при переменном давлении (PSA), которая требует высокого-давления всасываемого воздуха, равного 4,5-7 бар, VSA требует только низкого-давления всасываемого воздуха, составляющего 200-300 мбар. Он направляет поток воздуха через воздуходувки вместо мощных компрессоров, что значительно снижает энергопотребление энергосистемы. Данные испытаний показывают, что потребление энергии чистого кислорода при производстве кислорода VSA составляет всего 0,30-0,33 кВтч/Нм³, что намного ниже, чем у технологии PSA. Кроме того, нагрузку оборудования можно гибко регулировать в диапазоне 50–100 %, что позволяет динамически согласовывать выработку кислорода с количеством научно-исследовательского персонала, избегая потерь энергии. Кроме того, некоторые системы VSA могут обеспечить сохранение энергии с самоциркуляцией за счет оптимизации процесса, что позволяет дополнительно адаптироваться к экстремальным условиям дефицита энергии в Антарктиде.
2. Сильная адаптация к низким-температурам преодолевает ограничения полярной окружающей среды.
Средняя годовая температура в Антарктиде составляет всего -58,4 градуса, а экстремально низкая температура зимой может достигать -88,3 градуса. Обычное оборудование для производства кислорода подвержено таким проблемам, как хрупкость материала, замерзание воды и сбой при запуске. Технология генерации кислорода VSA обладает превосходной адаптируемостью к низким-температурам благодаря целенаправленному структурному проектированию: во-первых, в адсорбционной башне с активной зоной используется внутренняя оболочка из-сплава на основе никеля, которая выдерживает температуры ниже -60 градусов, что позволяет избежать разрушения конструкции оборудования в условиях низких-температур; во-вторых, система включает в себя специальный сушильный слой и процесс предварительной -сушки на основе молекулярных сит, которые могут эффективно улавливать влагу и углекислый газ из воздуха до концентрации кислорода, предотвращая замерзание воды и блокировку трубопроводов во время холодного запуска. Это сокращает время запуска оборудования с 2 часов традиционной технологии до менее чем 30 минут, обеспечивая быстрое реагирование на потребность в кислороде в низкотемпературных средах; в-третьих, электрическая система управления прошла низкотемпературную усовершенствованную обработку, которая может стабильно работать при экстремально низких температурах до -50 градусов без необходимости установки дополнительных высокотемпературных изоляционных кабин, что снижает затраты на размещение оборудования и занимаемое пространство.
3. Модульная конструкция адаптируется к полярной транспортировке и развертыванию.
Для перевозки оборудования для антарктических исследовательских станций требуется несколько звеньев, таких как корабли, вертолеты и гусеничные тракторы,-сани. Кроме того, пропускная способность снежных и ледяных дорог ограничена, что предъявляет высокие требования к объему, весу и удобству разборки техники. Технология производства кислорода VSA представляет собой высокоинтегрированную модульную конструкцию, монтируемую на раме-. Основные компоненты (адсорбционные башни, воздуходувки, вакуумные насосы, системы управления) могут быть интегрированы в стандартизированные блоки, которые имеют небольшие размеры и легкий вес, что упрощает разборку, транспортировку и быструю сборку-на месте без сложных инфраструктурных проектов. По сравнению с большими объемами и сложными трубопроводами традиционного оборудования для получения кислорода с криогенным разделением воздуха, площадь системы VSA составляет всего от 1/3 до 1/2 этой площади. Его можно гибко развернуть в ограниченном пространстве исследовательской станции и в то же время адаптироваться к небольшой вибрации, вызванной смещением ледников, обеспечивая структурную устойчивость оборудования.
4. Полностью автоматическая эксплуатация и обслуживание снижают зависимость от рабочей силы полярников.
Антарктические исследовательские станции имеют ограниченное количество персонала. Кроме того, ручное управление и обслуживание в экстремальных условиях сопряжено с высоким-риском и высокими-затратами. Уровень автоматизации кислородного оборудования напрямую определяет надежность гарантии подачи кислорода. Система генерации кислорода VSA использует полностью автоматическую логику управления, реализующую попеременную адсорбцию и регенерацию нескольких адсорбционных башен посредством интеллектуального переключения клапанов, что позволяет обеспечить непрерывную подачу кислорода без ручного вмешательства. Система оснащена высокоточным-оборудованием для мониторинга, таким как онлайн-анализаторы чистоты кислорода и расходомеры с компенсацией давления-, которые могут в реальном-времени отслеживать ключевые параметры, такие как чистота получаемого кислорода (регулируемая от 80 % до 95 %) и скорость потока. При возникновении отклонений автоматически подается акусто-оптический сигнал тревоги или защитное отключение для обеспечения безопасности подачи кислорода. Кроме того, в адсорбенте технологии VSA используется специальное компрессионное устройство, которое позволяет избежать распыления молекулярных сит, вызванного воздействием потока воздуха под высоким-давлением. Он имеет длительный срок службы и длительный цикл технического обслуживания, что значительно снижает нагрузку при эксплуатации и обслуживании оборудования в полярных условиях и обеспечивает стабильную работу без присмотра.
5. Высокая стабильность обеспечивает постоянную потребность в подаче кислорода.
Потребность в кислороде антарктических исследовательских станций охватывает множество сценариев, таких как общежития, столовые и процедурные кабинеты, требующие круглосуточной бесперебойной и стабильной подачи кислорода. Любой отказ оборудования может поставить под угрозу жизнь научно-исследовательского персонала. Технология производства кислорода VSA обеспечивает плавное переключение между адсорбцией и регенерацией посредством параллельной конструкции двойной-башни или нескольких-башен, обеспечивая непрерывную подачу кислорода без перебоев из-за регенерации в одной-башне. Степень восстановления кислорода может достигать более 58 %, что намного превышает 30 % по сравнению с традиционной технологией PSA с двумя-адсорбционными слоями. Он может стабильно производить кислород высокой-чистоты (более или равный 90%) при низком давлении на входе, что соответствует требованиям использования медицинского кислорода. В то же время система VSA предъявляет низкие требования к качеству всасываемого воздуха. Даже в сухой и запыленной воздушной среде Антарктиды основные компоненты могут нормально работать через устройство предварительной-фильтрации без необходимости использования дополнительных сложных систем предварительной очистки воздуха, что еще больше повышает стабильность и помехоустойчивость работы оборудования.
Заключение
В экстремальных условиях Антарктиды с низкой температурой, большой высотой, дефицитом энергии и ограниченной рабочей силой технология производства кислорода VSA точно решает проблемы адаптации традиционной технологии производства кислорода благодаря своим основным преимуществам: «низкое энергопотребление, сильная устойчивость к атмосферным воздействиям, простота развертывания, полная автоматизация и высокая стабильность». Она не только обеспечивает безопасную и надежную гарантию подачи кислорода для научно-исследовательского персонала, но также помогает антарктическим исследовательским станциям добиться экологичной и эффективной работы за счет снижения энергопотребления и затрат на техническое обслуживание, что делает эту технологию предпочтительной для производства кислорода в экстремальных полярных условиях. Благодаря постоянной оптимизации технологий перспективы применения систем генерации кислорода VSA на исследовательских станциях в более глубоких внутренних районах Антарктиды будут шире.