氦氣純化器性能測試方法的比較

馬香蓮，師銅墻，劉 楊，陳志軍，呂繼祥，黃 衛，張蘇雯

(安徽萬瑞冷電科技有限公司，安徽 合肥 230088)

1 前 言

氦氣是一種不可再生的稀缺性戰略資源，在衛星發射、導彈武器工業、浮空器、低溫超導研究、半導體生產、核磁共振成像、特種金屬冶煉及氣體檢漏等方面具有廣泛的用途。氦氣在全球的儲量分布非常不均勻，北美、北非及俄羅斯等地有著較為豐富的氦氣資源，而我國氦氣資源相對匱乏，我國的工業企業和科學試驗用氦氣(含液氦)基本依靠國外進口，國內的氦氣價格相對較高，且供貨周期很長，基于節約氦氣資源，降低氦氣使用成本，國內相關企業陸續開展氦氣回收純化裝置的研制和生產，有效解決了廢氦氣的回收提純純化問題。氦氣純化器即為工業領域以及科學院所提供氦氣回收提純的常用設備。為保證交付氦氣純化器性能合格，在出廠前需要進行性能測試試驗，如處理量大的設備做一次測試，需要大量氦氣。本文結合生產實際，就兩種不同性能測試方法進行了分析和比較。

2 材料和方法

2.1 原理

儲存于球囊或鋼瓶組的不純氦氣流經氦氣純化器吸附雜質，雜質留在純化器，出氣即為氦氣高純氣體。

2.2 儀器

2.2.1純度測量

不純氦氣的純度采用綜合分析儀進行測量；高純氦氣的純度采用可測量氮、氧、水的多組分高純分析儀。

2.2.2流量測量

流量計控制流經氦氣純化器的流量，多余流量采用旁通。

2.3 材料

測試所需的不純氦氣。

3 氦氣純化器測試方法

3.1 吸附總量離線測試方法

吸附總量離線測試方法是指在不采用壓縮機動力源的情況下，利用鋼瓶組放氣的方法來測試純化器的性能，圖1為吸附總量離線測試流程。

圖1 吸附總量離線測試方法流程

該測試方法流程簡單，但受吸附總量Q和工作壓力限制。例如需測試的氦氣純化器的設計參數為：進氣純度95%，出氣純度為99.999%，工作壓力P=15 MPa，流量q=100 m3/h，工作時間t=8 h，則需要總氦氣量為：Q總=q·t=100×8=800 m3。

由氣體狀態方程P1V1/T1=P2V2/T2可知，儲存氣體的壓力和體積成反比。

標準大氣壓101 kPa=0.101 MPa，單個鋼瓶的水容積為40 L，存儲壓力為14.5 MPa，則單個鋼瓶的存貯容積為：40×14.5/0.101=5742.6 L=5.7 m3。

按照用氣量800 m3計算，需要40 L的鋼瓶140個，16個一組，需要鋼瓶組9組，總備氣量：5.7×16× 9=820.8 m3。

根據設計要求，整個測試過程工作壓力應為15 MPa，鋼瓶組的最高充裝壓力14.5 MPa，在測試的進程中，鋼瓶組的壓力是在逐漸降低，純化器的吸附容量可通過測試數據進行推算，而流量、壓力變化對純化器性能的影響只能忽略不計。

3.2 壓縮機在線循環測試方法

壓縮機在線循環測試方法是在壓縮機提供動力情況下，以純化器實際設計參數為目標，調整符合要求的壓力、流量等參數，測試時間可嚴格按照技術要求進行，進氣則通過純度高的氦氣與雜質氣體混合提供測試合適氣源。該方法可有效解決吸附總量離線測試方法中存在的不足，測試流程見圖2。

圖2 壓縮機在線循環測試方法

如設備的設計參數：進氣純度95%，出氣純度為99.999%，工作壓力P=15 MPa，流量q=100 m3/h，工作時間t=8 h。

由于測試方法為氦氣循環測試，則不需要準備大量的氦氣，基本準備Q1>100 m3/h的氣體即可。但要考慮以下幾個因素，備足氦氣量。

由于低溫下純化器增壓到15 MPa，需富裕氣體量Q2計算如下：用氣體狀態方程P1V1/T1=P2V2/T2可知，標準大氣壓101 kPa=0.101 MPa，純化器總容積假設為120 L，工作溫度為77 K，工作壓力15 MPa，經計算需富裕的氣體量Q2為：0.101×Q2/273= 15×120/77，Q2=63 186 L，約63 m3。

常溫管道系統以及干燥系統容積假設為80 L，則求得在常溫下氣體增壓到15 MPa所需的氣體量為Q3，用氣體狀態方程代入0.101×Q2/273= 15×80/273，Q3=11881 L，約12 m3。

考慮球囊漏率及分析儀的浪費氣體，系統回收率為98%，則所需浪費氣體Q4=100×(1-98%)×8= 16 m3。

故測試用氣準備95%純度的氦氣為Q1+Q2+Q3+Q4=100+63+12+16=191 m3氦氣即可滿足測試需要。

測試流程：測試用氣充入球囊，啟動壓縮機，把球囊氣體輸送到純化器純化，經過純化器的氣體再流入氣囊，這樣氣囊的純度會越來越高，大于95%，則需向氣囊中補充雜質氣體，雜質氣體補充量根據實際純度來把控，低于測試進氣補充高純氦氣，高于測試進氣補充雜質氣體，根據測試經驗基本都是補充雜質氣體。按照下表1記錄試驗數據。

表1 試驗數據記錄表

當設備出99.999%時間為t1，測試飽和時間t2，t2-t1即為純化器連續工作時間。

4 討 論

4.1 吸附總量離線測試方法

吸附總量離線測試方法流程簡單，測試系統搭建也較簡易，測試不需要壓縮機也可以做測試，解決了無壓機不測試的難題。但測試成本高，舉例工況做一次測試需要準備800 m3氦氣，測試成本8萬左右；由于壓力變化導致流量以及流速的變化，測試后需要大量的計算，推算修正，不能反映純化器的真實性能。但在緊急情況或針對成熟產品可采用此方法。

4.2 壓縮機在線循環測試方法

壓縮機在線循環測試方法成本低，舉例工況做一次測試需要準備191 m3氦氣，測試成本2萬左右；數據真實直觀，測試后測試性能就能反饋出來，壓力、流量、純度、時間都真實工況模擬。

4.3 氦氣純化器進氣純度

由于本測試方法為循環測試，當綜合分析儀測得進氣純度>95%時，則往球囊中補空氣，空氣補給量根據純度分析儀讀數，進氣純度在95%左右時，停止補氣。

4.4 氦氣純化器進氣流量

氦氣純化器的流量即為氦氣純化器的單位時間處理的氦氣量，如果流量大于氦氣的處理量，即測試進氣量為q=200 m3/h，這不僅體現在飽和時間縮短一半，也有可能導致純化器出氣管道結霜，氦氣純度達不到等多種因素(本文不做詳細討論)，所以提供動力的壓縮機流量大于氦氣純化器的處理量時候，則必須做旁通分流，給純化器提供一個合適的流量。

5 總 結

綜上所述，本文比較了純化器性能測試的兩種方法，吸附總量離線測試方法和壓縮機在線循環測試方法兩種測試方法，但第一種測試方法不推薦使用，測試成本高，測試后需要大量的計算推算，同時不能反映純化器的真實性能；但在緊急情況或針對成熟產品可采用此方法，第二種測試方法成本低，數據真實直觀，測試后測試性能就能反饋出來，壓力、流量、純度、時間都真實工況模擬，建議純化器性能測試采用第二種方法。