液氦供应系统工艺的现代研究

液氦供应系统工艺的现代研究
摘要本文从系统方案、关键工艺以及各部分原理组成介绍了液氦供应系统工艺研究情况。

整个液氦供应系统包括氦液化系统、液氦储存容器和复温回收系统。

关键词液氦；供应系统；低温
前言
现需要进行大量超高真空环境下的试验，为此采用以低温泵——机械真空泵机组相结合的方式获得试验所需高空环境。

试验前首先用机械真空泵抽吸空气，到一定真空度后启动低温泵，利用低温工质冷凝空气中的各种气体分子。

低温泵工质为液氦，相应的需要建设一套液氦供应系统。

1 方案及关键工艺分析
根据试验要求，需要为试验装置提供一定量的液氦作为冷源，考虑到液氦价格昂贵，且采购周期很长，一旦液氦不能及时供应，将严重影响科研试验的进度，为了降低液氦成本，提高试验进度的可控性，需新建一套液氦供应系统，液氦产量为150L/h。

液氦经过实验装置后温度升高转化为40K低温气氦，接着将气氦回收再度液化，继续为试验装置提供液氦，形成一个封闭循环。

氦气回收可以将氦气复温至常温后储存起来，再将常温氦气液化，这种方式增加了复温器和较大的回收容器，但适合间歇性生产。

考虑到试验周期间隔较长，采用第二种方式。

2 各部分工作原理及组成
该系统包括氦液化系统、液氦容器、复温回收系统。

2.1 氦液化系统
氦液化系统包括氦液化主体装置和配套系统。

氦液化主体装置主要包括氦压缩机1台、除油系统1套，冷箱1台、真空系统1套、控制系统1套、氦分析仪1台。

压缩机可将从氦气气源和冷箱返回的氦气压缩到最高1.5MPa（绝压），氦和油的混合物首先经过压缩机内部的大型油分离器分离（该分离器也可用作压缩机的油槽），接着流经除油系统，将残余的少量油（油雾或油蒸汽）除去。

分离器分离出来的油首先经过水冷式热交换器冷却，然后注入压缩机。

压缩除油系统产生的高压（HP）氦气在298K温度下进入冷箱。

从位于吸附器下游的微粒过滤器出来后，气流分为两部分：一部分在两台串联透平机（即所
谓的“布雷顿循环部分”）中膨胀；一部分进行焦耳-汤姆孙循环（即所谓的“焦耳-汤姆孙部分”）。

气流在热交换器中冷却到20K以下。

液体存储在液氦容器中，冷却后的气体返回冷箱低压回路。

从液氦容器返回的低压气体与在透平机内膨胀后的气体混合。

混合气气流流经热交换器的低压交换通道，对高压氦气流进行冷却。

最后在环境温度下退出冷箱，并返回压缩机的入口侧。

2.2 氦液化配套系统
氦液化配套系统包括液氮储存容器、液氮输送管路和配套氦气、氮气和纯水管路。

液氮输送管路连接液氮容器和冷箱，用于向冷箱的第一级换热器提供液氮，将常温氦气预冷至80K左右，液氮管路包括真空硬管、真空软管和放空阀。

配套管路连接冷箱主体设备，为单壁不锈钢管，用于输送氦气、氮气和纯水。

2.3 液氦容器
液氦储存容器用于接收氦液化系统生产的液氦，同时为试验存储一定量液氦。

液氦接收容器为卧式容器，采用高真空多层绝热方式，并设置液氮冷屏，容器主要由绝热贮罐、蒸发器、阀门、安全附件及各仪表组成。

液氦汽化潜热极低，在4.1K、0.101325MPa（绝压）时汽化潜热仅有20.4KJ/kg，极易汽化，经调研目前国内没有能够生产20m3液氦容器的厂家，须从国外采购。

2.4 复温及回收系统
试验过程中液氦吸热后转化为大量低溫氦气，温度约为40K，氦气回收系统将大量的低温氦气复温压缩回收，首先需要复温器将低温氦气复温至环境温度，再经过稳压容器后经压缩机压缩至氦气存储容器内。

将40K氦气复温至环境温度，采用空温式复温器即可，为翅片式结构，即节约成本又容易维护。

在低压存储模式下，可以采用5个200m3的卧式储罐，也可以采用一个1000m3的氦气球罐，考虑到球罐制造安装工艺已经非常成熟，为了尽可能节省空间，计划采用1000m3的氦气球罐。

为了节约成本，计划采用复合板式球罐，球罐外壳为复合板，外层材料为Q345R，厚度为30mm，内衬不锈钢材料为S304，厚度为6mm。

球罐直径为12.3m，需要8根支柱支撑。

3 讨论
3.1 容器置换
液氦储存容器容积为1000m3。

由于氦气价格昂贵，如果采用正压置换，氦气成本消耗太大，因此须采用负压置换。

由于系统要求氦气纯度为99.996%，为了防止杂质进入，须采用无油真空泵。

如果单纯采用无油螺杆真空泵，价格相对较高，因此，计划采用无油螺杆真空泵和罗茨泵组成真空机组，这样既可以满足
抽速要求，同时降低成本。

3.2 冷箱与液氦容器间管路
从冷箱到液氦储存容器之间有两条管路，一条为液氦输送管路，里面为节流后的气液混合物，另一条管路为液氦储存容器回气管路，即从容器返回的低温氦气，进入换热器E06，参与降温过程。

考虑到两者同为低温管路，且冷箱与容器间隔很长，将两根管路并排布置，共用一个真空夹套，这样既可以降低漏热，又节约成本。

3.3 液氮输送管路
液化主体装置供应商建议在液氮输送管路和冷箱之间增加一个小型壁挂的气液分离器，保证进入冷箱的全部为液氮，但根据我们的使用经验，只需在液氮输送管路末端、冷箱之前增加一个旁通阀即可，液氮输送管路最初温度较高，会产生大量氮气，只需从这个旁通阀排出即可，等旁通阀开始排出液氮，表明液氮输送管路已经完全冷却下来，此时关闭旁通阀，打开冷箱液氮进口阀即可，无须新增气液分离器。

4 结束语
本文从低温、常温回收优劣势分析入手，根据实际情况确定了液氦供应系统方案，并分析了关键工艺，介绍了氦液化系统、液氦容器和复温回收系统的原理及内部组成，从稳定性、可靠性、经济型等方面来看，该工艺系统复合可行性要求。