計量科研用氦液化裝置和回收系統①

李 準,汪洪軍

(中國計量科學研究院,北京昌平十三陵石牌坊北路18號 102200)

計量科研用氦液化裝置和回收系統①

李 準,汪洪軍

(中國計量科學研究院,北京昌平十三陵石牌坊北路18號 102200)

以中國計量科學研究院氦氣液化裝置和回收系統為例,闡述了其工作原理,并對氦氣壓縮機、冷箱、透平膨脹機等主要部件的構造進行了較為詳細的描述,最后給出了該裝置及回收系統所能達到的預期技術指標,通過該裝置和系統的介紹,以期能對類似裝置和回收系統的設計和選型提供一定的參考。

計量;氦氣液化;回收

氦氣作為現在已知物質中沸點最低(4.2 K)的特殊氣體,因為它的臨界點相當低,又最接近于理想氣體,常被應用在超低溫技術、氣體溫度計、氣體激光器以及核反應堆和氦氣的光譜研究與特殊生產行業上。而中國計量科學研究院(以下簡稱“計量院”)作為我國最高法定計量機構,承擔著建立、維護國家計量基標準等多項科研和量傳任務,液氦作為從事低溫超導等科研任務必備的特殊物質,在計量院主要體現在量子計量、電磁計量、光學計量、熱工計量以及醫用和核磁共振等實驗和研究方面,足量的制備和存儲是保證以上實驗成功進行的先決條件。為此,計量院特申請購置了一套完整的L70型氦氣液化裝置及回收系統,以滿足科研和實驗工作需要。

1 工作原理

1.1 氦氣液化裝置

氦氣液化裝置作為該系統的核心,其工作原理如圖1所示,在循環系統中,首先開機調試時必須補入足量的原料氦氣,且補充量與該裝置液氦輸出的指標量相當,補入的純度為99.999%高純原料氦氣通過高壓純氦氣匯流排排出貯藏在容積為8 m3的中壓緩沖罐內。

正式運行后,主要依靠回收氦氣作為氦液化主要原料氦氣,不足時再次依靠中壓緩沖罐內氦氣補充。正常情況下,高壓回收氦氣匯流排的氦氣,經高壓減壓閥減壓后,進入干燥器去除水分,再進入冷凝凍結濾器去除氦氣中的氧、氮等氣體雜質,自此完成了高純原料氦氣的減壓、干燥和過濾階段。

過濾完成后,干燥純凈的氦氣流入主氦氣壓縮機完成對氣態氦的壓縮過程。壓縮后的高壓氣流進入冷箱中的熱交換器組,在必要的情況下,經過液氮的預冷過程,之后按照不同的溫度等級,抽取部分氦氣進入透平膨脹機。第一臺透平膨脹機,在第一臺熱交換器后抽氣;第二臺透平膨脹機在第三臺熱交換器后抽氣。該兩臺透平膨脹機為并聯運行。余下的氦氣進一步冷卻,在過冷器中,即可以獲得按設計要求選擇的超臨界氦,最后采用焦耳—湯姆遜閥節流膨脹至氦液化壓力,此時部分氦氣被液化,液化的氣體經專用同軸傳輸管線輸送至1000 L貯存杜瓦瓶內,未液化的氦氣返回到裝置中與透平膨脹機膨脹后的氦氣匯合返流,同時與高壓氦氣熱交換,吸收熱量后的氦氣再次進入主氦氣壓縮機的吸入口進行重復壓縮。

圖1 氦氣液化系統流程圖Fig.1 Helium liquefaction system

1.2 回收系統

氦氣作為一種特種稀缺氣體,價格較為昂貴,大量液氦在實驗完成后,會產生大量的氦氣作為廢氣直接排出,造成極大的資源浪費;再者,通常情況下,1 m3液氦全部氣化可生成700 Nm3的氣體氦[1],在現代化密閉性較好的實驗室內,如果大量氦氣排放室內,很有可能會造成實驗人員因缺氧而窒息,造成人身危害。因此,計量院出于以上兩點考慮,特配套氦氣液化裝置建立了一套氦氣回收裝置,如圖2所示。

圖2 氦氣回收系統Fig.2 Helium Recovery System

該回收系統主要由氦回收壓縮機、高壓氦氣干燥器、氣囊、高壓回收氦氣匯流排等組成。實驗室使用過的液氦氣化后經由回收管路,首先回到容積為30 m3的氣囊中,為了節約空間,氣囊懸掛在液氦制備間的頂部,工作壓力為0.102 MPa,下面放置高壓回收氦氣匯流排。氣囊的一側設有高低限位器,當回收的氦氣充入氣囊,達到設定上限位時,限位器的傳感器發出信號,起動氦回收壓縮機,將氣囊中的氦氣經由高壓氦氣干燥器和除油裝置后,壓縮至高壓回收氦氣匯流排中,隨著氣囊中的氣體量減少,氣囊中的氦氣余量達到設定下限位時,限位器的傳感器發出信號,氦回收壓縮機停止工作。

2 主要部件

2.1 主氦氣壓縮機

主氦氣壓縮機的各項技術參數見表1,該壓縮機為45 kW電機驅動的單級噴油螺桿壓縮機,依靠噴油對氦氣提供密封和冷卻。對壓縮機進行冷卻用的噴油在第一級分離器內部通過引力和離心力被分離,之后第一級分離器能聚結和沉淀含油雜質,使分離器出水口的剩余油含量小于10×10-6。噴油被空氣冷卻(中間冷卻)后,再用泵送回到壓縮機。被壓縮的氦氣經過濾器送到分離器并同樣用空氣進行冷卻。

表1 主氦氣壓縮機的性能參數Table 1 The main performance parameters of helium compressor

壓縮機按設定的進氣壓力和排氣壓力進行操作。當進氣壓力低于設定吸氣壓力時,壓力調節器控制緩沖氣,對系統進行補氣;當排氣壓力高于設定壓力時,調節器動作,將系統多余的氦氣充入緩沖器。所有的壓縮機部件、閥門和儀表與減振底座和消音罩組裝在一起,使機組振動和噪音的指標達到技術要求規定的標準。

2.2 冷箱液化器

為了使高壓氦氣和低壓氦氣進行良好換熱,冷箱液化器采用真空釬接鋁制板式換熱器。該換熱器換熱面積大,結構設計緊湊。在垂直冷端下的真空絕熱冷箱內裝上該換熱器。為防止熱滲透備有超絕熱層,換熱器采用加固懸掛安裝以減少導熱的熱滲透。

冷箱本體配置一臺RV5型旋片式機械真空泵和一臺低溫高真空泵,機械真空泵用于對冷箱內系統進行初步抽真空,真空度可達到2×10-1Pa;當冷箱內溫度低于120 K時,高真空泵起動,真空度可達到10-7mbar(注:1bar=0.1 MPa)。

2.3 透平膨脹機

制冷循環中所需的冷量由透平膨脹機產生。透平膨脹機采用氣體軸承。為了轉子軸無接觸定中心和平衡軸向力,軸承系統裝有兩個動態徑向和軸向軸承。這種軸承的動態結構在穩定的運行中不需要外部氣源,僅在起動和停止過程中從循環中來的氣體輸送到軸承,以保證其足夠的潤滑。為了控制轉速,透平膨脹機裝有壓縮機制動,在封閉的冷卻水循環中壓縮熱被導出。透平膨脹機轉速可達到5600 r/min。

透平膨脹機的冷卻循環水由一臺制冷機組提供,制冷機組的額定功率為3.5 kW,冷媒采用R407C,冷卻水源來自經過處理的軟化水,可提供低于25℃,大于0.2 m3/h的水量。

3 技術指標

目前該系統經過3個月的精心設計安裝,已經進入了初步調試階段,調試完成后將達到如下的預期技術指標:對于純度為99.996%的干燥氦氣,在沒有液氮預冷的情況下,氦氣液化能力不低于20 L/h,在有液氮預冷的情況下,氦氣液化能力約為39 L/h;氦氣回收能力約為380 L/min。

4 結 論

1.本套氦氣液化裝置及回收系統自動化程度高,工藝條件要求精細。該液氦裝置由林德公司生產,在國內外液氦裝置行業處于較領先的地位。

2.本套裝置每天能生產液氦約300 L,每月的液氦產量可達上萬升,此產量足可滿足計量院熱工計量、電學和量子計量、光學與激光計量、電離輻射和醫學工程等多學科的國家計量基準標準實驗室在低溫環境下開展研究以及精密測量技術的工作需求,這為我國開展以量子物理為基礎的現代計量科學基礎性研究提供了堅實的保障。

[1]HSIEH Jui Sheng.熱力學原理[M].北京:人民教育出版社,1980.

[2]Linde AG.L70 technicalmanual book[G],2009.

Helium L iquefaction Plant And Recovery System For M etrology Study

LI Zhun,WANG HongJun
(National Institute of Metrology P.R.China,Beijing 102200,China)

For example National Institute of Metrology P.R.China helium liquefaction plant and the recovery system,described itsworking principle and given a more detailed description of the structure of helium compressors,cold box,turbo expanders,the technical specifications of the device and the recovery system were achieved at last.Through the introduction of devices and systems,providing a reference of design and selection for similar devices and recovery system.

metrology;liquid helium;recovery

TB657.8

:B

:1007-7804(2010)04-0007-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2010.04.003

李 準(1980),男,助理工程師,碩士,主要從事低溫氦氣液化技術與高純特殊氣體的工程應用研究工作。

2010-05-11;

:2010-06-01