陳永侃，何 智，王成遠，章學(xué)華，汪 澎

(1.中國電子科技集團公司第十六研究所，合肥230043；2.安徽萬瑞冷電科技有限公司，合肥230038)

氦氣是一種不可再生的稀缺性寶貴資源，廣泛應(yīng)用于航天航空、低溫超導(dǎo)、光纖制造、核磁共振、特種金屬冶煉及氣體檢漏等方面，是國民經(jīng)濟生產(chǎn)、國家安全、空間探測等領(lǐng)域不可或缺的資源。

我國貧氦，高達1500萬立方米的年均需求量主要依賴于進口。而科研、工業(yè)生產(chǎn)、浮空器等領(lǐng)域使用過的廢氦氣均粗放式直接排空，并沒有進行回收利用，損失了大量的氦氣資源。本項目致力于研發(fā)針對浮空平臺/飛艇的氦氣回收再利用技術(shù)和設(shè)備，服務(wù)于航空航天、科研、民用飛艇等領(lǐng)域[1]。

目前國際上所普遍采用的氦氣提純技術(shù)有三種：低溫吸附、變壓吸附和膜分離。①低溫吸附是天然氣提氦等裝置所普遍采用的一種提純方法，該方法成熟經(jīng)典，但是運行費用較高(使用液氮)、流程復(fù)雜、操作壓力高等，不符合企業(yè)對設(shè)備小型化、智能化、節(jié)能高效的要求；②變壓吸附是使用碳分子篩、活性炭等吸附劑在常溫、中壓下對雜質(zhì)氣體吸附，從而提純氦氣，該方法產(chǎn)品氣出口純度不及低溫吸附法，且設(shè)備造價高、操作繁瑣，因此國際上研究不多；③膜分離法是一種高效的滲透分離方法，新型的氣體膜分離技術(shù)具有高效節(jié)能、易于實現(xiàn)小型化和智能化的特點，這恰好可以彌補低溫分離法的不足。國際上美國、德國、日本等膜分離技術(shù)走在了世界前沿，我國膜分離材料和技術(shù)研究較晚，人才稀缺，在流程開發(fā)、數(shù)值計算等設(shè)計領(lǐng)域投入不夠，使得我國在膜分離提氦領(lǐng)域遠落后于其他國家。我們正是在這一背景下，自主投入研發(fā)膜分離提氦設(shè)備[2]。

1 試驗儀器及技術(shù)指標

1.1 材料及儀器

該套設(shè)備主要由膜分離器(Z240)、干燥器(WR-GZQ)、氦氣壓縮機(HS-90)、集裝管束(177/HQ)、載車(JLZQUYHJD/2563)、緩沖罐(DHID-50)、控制柜(JDYHUKS/FJ)組成。

主要儀器：氦氣純度分析儀(JKD-52/62)、流量計(SDKHD/KJN)、壓力表(DS200)、減壓閥(DSHS-562/SDX)。

1.2 主要技術(shù)指標

(1)氦氣回收速率：≥90Nm3/h；

(2)氦氣回收率：≥95%；

(3)氦氣純化回收率：≥90%；

(4)氦氣出氣純度：≥98%(當進氣純度為80%時)；

(5)最高工作壓力：20MPa。

2 系統(tǒng)介紹

該套設(shè)備主要運用膜分離技術(shù)實現(xiàn)氦氣回收純化循環(huán)利用。主要工作模式有如下三種，如圖1所示為該套系統(tǒng)的流程圖。

(1)氦氣在線回收：來自飛艇的氦氣經(jīng)壓縮機加壓后充入精密除油水單元以脫除原料氣中的油質(zhì)、水、顆粒等雜質(zhì)。由于氣體經(jīng)過除油水單元壓降很小，因此除油水后的氣體可以直接充入車載的高壓集裝管束以備后用。

(2)氦氣在線純化：來自飛艇的混合氣體先充入緩沖罐I中，經(jīng)壓縮機增壓充入我公司研制的精密除油水單元以脫除原料氣中的油質(zhì)、水、顆粒等雜質(zhì)，而后充入緩沖罐II，并由調(diào)壓閥調(diào)控氣壓到適宜的壓力，進入膜分單元進行純化。

(3)氦氣離線純化：離線純化時，不需要開啟氦氣壓縮機，直接從集裝管束中釋放出氦氣進入球囊中即可[3]。

3 關(guān)鍵部分的設(shè)計

3.1 活塞式氦氣壓縮機

氦氣壓縮機是回收工作時的心臟，它向系統(tǒng)提供足夠壓力的氦氣。經(jīng)過對國內(nèi)外同類設(shè)備的調(diào)研。結(jié)合我國現(xiàn)有氦氣壓縮機的技術(shù)水平，本套系統(tǒng)選用氦氣壓縮機為風(fēng)冷式，其流量為90Nm3/h。

在設(shè)計中，我們著重解決了風(fēng)冷式壓縮機散熱問題。安裝壓縮機時，在方艙兩側(cè)開啟翻板門，最大的保證壓縮機通風(fēng)口暢通；同時在設(shè)計壓縮機時，盡量做到通風(fēng)管道尺寸短、彎曲少，減少通風(fēng)阻力。

3.2 膜分離系統(tǒng)

膜分離原理是根據(jù)不同氣體在膜中相對滲透速率的差異而完成分離。針對氦氣保障系統(tǒng)的大流量氦氣分離要求，設(shè)計了一級雙膜并聯(lián)、二級串聯(lián)的膜分離技術(shù)流程。針對60%～90%低濃度的原料氦氣，一級雙膜并聯(lián)一方面降低了流阻，一方面提高了膜分離面積從而提高分離的效率。二級與一級串聯(lián)采用一級分離、二級回收的模式，不僅提高了回收效率，而且提高了出氣的純度。經(jīng)實驗驗證該流程可滿足要求：1)將60%～90%的污氦提純至95%～98%；2)提純回收率≥90%[4]。

3.3 干燥凈化系統(tǒng)

在干燥凈化系統(tǒng)內(nèi)裝有硅膠用來吸附回收氦氣中的雜質(zhì)氣體成分，按照90Nm3/h的氦氣流量，單臺干燥除油水單元可連續(xù)工作8～12小時，之后需要切換到另外一臺干燥除油水單元。干燥除油水單元采用電加熱抽空法進行活化再生處理，活化時間≤4小時，活化加熱溫度≤100℃，活化時需要機械泵抽空。

3.4 控制系統(tǒng)

該套設(shè)備控制均采用一鍵啟停式設(shè)計，電源經(jīng)艙外壁上的電連接器、電纜進入配電柜總控開?？偪亻_分配電源至壓縮機控制柜、主控制柜、艙照明、空調(diào)等。壓縮機控制柜由空開將電源分配給壓縮機。主控制柜經(jīng)空開和其它配電保護器件將電源分配至各傳感器和執(zhí)行元件，同時將各個信號采集回控制系統(tǒng)。

圖1 膜分離氦氣回收純化流程圖Fig.1 Membrane separation Helium recovery and purification

圖2 控制系統(tǒng)布局圖Fig.2 Control system layout

主控制柜對整體系統(tǒng)進行集成，控制核心選用西門子300PLC，電氣元件選用ABB空開和接觸器，和泉中間繼電器，歐姆龍固態(tài)繼電器，亞德客閥島和菲尼克斯端子。

通過PLC采集溫度、壓力、流量、純度等信號顯示到觸摸屏上，在觸摸屏上可控制各閥門、泵、壓機等的開關(guān)，可做各種自動程序。

空開、中間繼電器、交流接觸器、固態(tài)繼電器組成的保護電路可有效提供短路過載等保護。

如圖2所示為控制系統(tǒng)布局圖和主控制柜示意圖。

4 調(diào)試及結(jié)果

該套設(shè)備于2016年3月進行了第一次調(diào)試，經(jīng)過10個小時的連續(xù)運行，當進氣純度為79.8%時，出氣純度已達98.1%，如圖3所示。

表1 與傳統(tǒng)低溫分離法氦氣保障設(shè)備對比Tab.1 Comparison with traditional low temperature separation method for helium support equipment

圖3 膜分離氦氣回收純化設(shè)備參數(shù)圖Fig.4 Parameters of membrane separation and recovery equipment

調(diào)試結(jié)果表明，各分系統(tǒng)運行正常、穩(wěn)定，氦氣回收率、氦氣純化回收率、氦氣回收速率、氦氣出氣純度、最高工作壓力等均能滿足設(shè)計要求。

5 膜分離車載氦氣保障系統(tǒng)特點

(1)壓縮機、膜分離純化器、干燥除油水單元、配電控制柜集成在一個方艙內(nèi)，集回收和純化在一體，滿足系留氣球系統(tǒng)多種工作模式。

(2)控制系統(tǒng)采用一鍵啟停式，設(shè)備智能化程度高，一人即可完成操作，無須冗余操作。

(3)氦氣壓縮機級間冷卻采用風(fēng)冷方式，在高溫環(huán)境下可通過自然冷卻降低系統(tǒng)溫度。設(shè)備控制系統(tǒng)采用電路控制，可靠性強，操作方便簡潔。

(4)設(shè)備采取了一系列低溫啟動措施，其中控制柜內(nèi)及方艙內(nèi)分別安裝有2kW的軍用電加熱器，可保證系統(tǒng)設(shè)備在-40℃低溫環(huán)境下能正常啟動工作。

(5)該套設(shè)備為目前國內(nèi)首創(chuàng)，是國內(nèi)氦氣保障領(lǐng)域的又一重大突破，逐步豐富了產(chǎn)品線。

6 結(jié)束語

該套膜分離氦氣保障設(shè)備已成功運用于火箭軍某部，并圓滿完成任務(wù)，取得嘉獎。它是氦氣保障領(lǐng)域的一次飛躍。該套設(shè)備的研制成功也標志著我國在氦氣保障設(shè)備上又邁進了一步，同時鼓勵我們繼續(xù)探索追求、精益求精，將設(shè)備做的更加完善，在這個過程中有種種困難，我們要迎難而上，付出汗水，收獲果實。

參考文獻：

[1] 張杰.膜分離技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用[J].過濾與分離，2004，(10)：1-2.

[2] 董子豐.氣體膜分離技術(shù)在石油工業(yè)中的應(yīng)用[J].紅外與激光工程，2014，(11)：1-2.

[3] 劉強.新型空間環(huán)境模擬器氣氦制冷系統(tǒng)的研制[J].航天器環(huán)境工程，2001，(2)：1-2.

[4] 于海江.氣體膜分離技術(shù)的應(yīng)用[J].油氣田環(huán)境保護，2005，(3)：1-2.