一種氦氣供氣系統(tǒng)的改進(jìn)與研究

李 準(zhǔn)，田 鋒，施東平，劉建勛

(1.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 102200;2.捷銳企業(yè)(上海)有限公司，上海 201699)

氦氣作為現(xiàn)在已知物質(zhì)中沸點(diǎn)最低的特殊氣體，因?yàn)樗呐R界點(diǎn)相當(dāng)?shù)?，又最接近理想氣體，常被應(yīng)用在超低溫技術(shù)、氣體溫度計(jì)、氣體激光器以及核反應(yīng)堆和氦氣的光譜研究與生產(chǎn)等特殊行業(yè)上。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院作為我國(guó)最高法定計(jì)量機(jī)構(gòu)，承擔(dān)著建立、保存和維護(hù)國(guó)家計(jì)量基標(biāo)準(zhǔn)等多項(xiàng)科研和量傳任務(wù)。我院氦氣使用主要集中在量子計(jì)量、電磁計(jì)量、光學(xué)計(jì)量、熱工計(jì)量以及醫(yī)用和核磁共振等實(shí)驗(yàn)和研究方面。近年來(lái)，由于氦氣供應(yīng)嚴(yán)重短缺，液氦已成為名符其實(shí)的戰(zhàn)略資源，因此，足量的制備和存儲(chǔ)是保證以上實(shí)驗(yàn)成功的先決條件。

我院根據(jù)購(gòu)置的氦氣液化裝置，通過(guò)精心設(shè)計(jì)整合，搭建了一套完整的氦氣液化及回收系統(tǒng)，以滿足科研和實(shí)驗(yàn)工作需要。其中高純氦氣供氣系統(tǒng)是一套重要的設(shè)備，原系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)最大進(jìn)氣壓力為30 MPa，經(jīng)二級(jí)調(diào)壓后最大輸出壓力為1 MPa，工作溫度為－40℃ ～60℃，匯流排管路材質(zhì)為內(nèi)外拋光BA級(jí)316L不銹鋼管，切換系統(tǒng)主要材質(zhì)為內(nèi)外拋光BA級(jí)316L不銹鋼管，匯流排使用氣體為高純氦氣(99.999%)。該系統(tǒng)采用一側(cè)使用，一側(cè)備用設(shè)計(jì)，一側(cè)氣體使用結(jié)束后自動(dòng)切換到另一側(cè)供氣，從而實(shí)現(xiàn)不間斷供氣;切換系統(tǒng)設(shè)計(jì)有吹掃閥門(mén)，在更換氣瓶后，可以開(kāi)啟吹掃閥門(mén)先吹掃，保證管道系統(tǒng)氣體的純度符合試驗(yàn)要求。所有閥門(mén)采用不銹鋼膜片閥，保證開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)易可靠。不對(duì)氣體產(chǎn)生雜質(zhì)，保證氣體使用的純度。配置減壓器材料采用316L，膜片材料為哈氏合金，密封材料PCTFE，不對(duì)氣體產(chǎn)生雜質(zhì)，保證氣體純度。高壓軟管內(nèi)部為316L波紋管，中間為不銹鋼編織網(wǎng)，外置螺旋鋼絲。

該氦氣供氣系統(tǒng)可以為氦氣液化裝置中的中壓緩沖罐(容積為 8 m3)提供高純氦氣(純度為99.999%)，當(dāng)氦氣液化裝置大修或因故障停機(jī)導(dǎo)致中壓緩沖罐壓力降低至系統(tǒng)啟動(dòng)壓力以下時(shí)，通過(guò)氦氣供氣匯流排為緩沖罐補(bǔ)充高純氦氣。

圖1 原氦氣供氣匯流排流程圖Fig.1 The original helium gas bus flow chart

圖2 報(bào)警器的外觀圖Fig.2 Alarm appearance

經(jīng)改進(jìn)的氦氣供氣系統(tǒng)增加高壓壓力傳感器、低壓壓力傳感器、質(zhì)量流量計(jì)、數(shù)據(jù)采集箱、報(bào)警燈和不銹鋼球閥等部件，與原有供氣系統(tǒng)配套對(duì)接形成一個(gè)完整的氦氣供氣及監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，確保氦液化裝置能夠穩(wěn)定可靠地長(zhǎng)期運(yùn)行;該裝置有以下特點(diǎn):

1.供氣范圍大:可同時(shí)連接48個(gè)高壓鋼瓶，供給高純氦氣，通過(guò)接頭轉(zhuǎn)換，可連接各種容積的高壓鋼瓶(固定容積10～80 L)。

2.先進(jìn)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng):配備美國(guó)進(jìn)口數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，可傳輸供氣系統(tǒng)的各種高低壓力信號(hào)和流量信號(hào)。

3.功能齊全的軟件:根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)特點(diǎn)度身設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理軟件，界面友好，操作直觀，易于升級(jí)和功能擴(kuò)充。

4.高精確度:依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，儀表精度高，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確;工況設(shè)定穩(wěn)定。

5.齊全的保護(hù)措施:設(shè)有多處高低壓壓力報(bào)警、流量報(bào)警等安全措施，保證供氣系統(tǒng)安全運(yùn)行。

1 傳感器選擇及安裝

各種數(shù)據(jù)由傳感器轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸入報(bào)警器，報(bào)警器預(yù)留接口連接上位機(jī)。傳感器的選擇應(yīng)考慮使用環(huán)境、測(cè)量范圍、測(cè)量精度、輸出信號(hào)、抗干擾能力、方便安裝等問(wèn)題。本系統(tǒng)所有傳感器安裝位置如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后氦氣供氣匯流排流程圖Fig.3 The improved helium gas bus flow chart

1.1 氣體質(zhì)量流量計(jì)

流量計(jì)采用精度為1.5%，工作溫度:－20～+60℃，介質(zhì)溫度:－10～+55℃，供電電壓24 VDC，4～20 mA輸出?？娠@示瞬時(shí)流量和累計(jì)流量，流量范圍:0.17～17 m3/h，連接后置于一級(jí)減壓器的出氣管路上。

1.2 壓力傳感器

壓力傳感器的工作溫度:－20～+85℃，精度0.5%，適合于氦氣供氣系統(tǒng)中各高低壓段的壓力測(cè)量，其中高壓傳感器量程:0～20 MPa，輸出信號(hào)為4～20 mA，壓力傳感器安裝選擇依照設(shè)計(jì)圖上的布置位置。

1.3 數(shù)據(jù)采集箱(報(bào)警器)

數(shù)據(jù)采集箱上每四只顯示框?yàn)橐唤M，分別顯示匯流排左右兩側(cè)壓力、出氣壓力和瞬時(shí)流量，當(dāng)高壓壓力高于20 MPa，低于1 MPa，或低壓輸出壓力高于2.35 MPa，報(bào)警燈閃爍并伴有嗡鳴聲(流量計(jì)不設(shè)上下限)。數(shù)據(jù)采集箱內(nèi)預(yù)留了485通訊接口可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)后的遠(yuǎn)程傳輸。

2 供氣系統(tǒng)報(bào)警裝置工作原理

四組氦氣匯流排，四組安裝方式相同，工作原理相同，信號(hào)接收相同。每組氦氣匯流排，分別在匯流排兩側(cè)安裝二只高壓壓力傳感器(高壓傳感器的量程0～20 MPa)，出氣端安裝了低壓壓力傳感器(低壓傳感器的量程0～2.5 MPa)，主管路上安裝一只質(zhì)量流量計(jì)，在末端安裝了一只數(shù)據(jù)采集箱和一只報(bào)警燈，另由三只球閥(如圖中A、B、C所示)構(gòu)成了一個(gè)支路，支路的作用在于:當(dāng)對(duì)質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行檢修時(shí)不會(huì)影響匯流排的正常使用，關(guān)閉A和B閥并打開(kāi)C閥即可。

當(dāng)鋼瓶組左右兩側(cè)鋼瓶分別開(kāi)啟或同時(shí)開(kāi)啟進(jìn)行充氣時(shí)，兩側(cè)的高壓壓力傳感器也相應(yīng)開(kāi)啟，并向數(shù)據(jù)采集箱傳送信號(hào)，相應(yīng)壓力值將顯示在數(shù)據(jù)采集箱上(此組顯示的為高壓壓力)。

鋼瓶組高壓壓力調(diào)整到所需壓力，開(kāi)始進(jìn)行充氣，氣體經(jīng)過(guò)減壓器進(jìn)行減壓后進(jìn)入主管道，低壓壓力傳感器同時(shí)開(kāi)啟，并向數(shù)據(jù)采集箱傳送信號(hào)，相應(yīng)壓力值將顯示在數(shù)據(jù)采集箱上(此組顯示的為低壓壓力)。

同時(shí)主管路內(nèi)的氣體也在通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)，流量計(jì)通過(guò)氣體流動(dòng)的流量向數(shù)據(jù)采集箱傳送信號(hào)，進(jìn)行記錄并實(shí)現(xiàn)累加，相應(yīng)的瞬時(shí)流量反應(yīng)在數(shù)據(jù)箱上，在流量計(jì)本體瞬時(shí)流量和累計(jì)流量都可以顯示出來(lái)。

3 結(jié)論

1.通過(guò)改進(jìn)現(xiàn)有氦氣供氣系統(tǒng)，極大提高了我院氦氣液化裝置及其供氣系統(tǒng)的運(yùn)行安全性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)各供氣匯流排的狀態(tài)遠(yuǎn)程和集中監(jiān)測(cè)，并為我院能源集中管控平臺(tái)的實(shí)施預(yù)留接口。

2.將該氦氣供氣報(bào)警裝置應(yīng)用于科研和輔助運(yùn)行工作，縮短故障響應(yīng)時(shí)間，提高運(yùn)行人員工作效率，在行業(yè)內(nèi)有較大的實(shí)用意義。