艾鑫，陳旭恒，匡大志，孟秋敏，石磊，李俊杰，沈東

（中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心，安徽 合肥 230031）

氦低溫系統(tǒng)為國家十一五重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置（SHMFF）的重要技術(shù)裝備系統(tǒng)之一，可為SHMFF 40 T 混合磁體外超導(dǎo)磁體供冷，滿足混合磁體運(yùn)行對液氦和不同溫區(qū)下冷量的需求，同時兼有為SHMFF 其他超導(dǎo)磁體和低溫實(shí)驗(yàn)提供液氦的能力。氦低溫系統(tǒng)主要由氦制冷機(jī)、液氦杜瓦、氦壓縮機(jī)、回收壓縮機(jī)、中壓氦氣儲罐、液氮儲罐、氦純化器和傳輸線等設(shè)備組成，具體如圖1 所示。系統(tǒng)具有360W/4.5K 的制冷能力，或110L/h 的液氦生產(chǎn)能力，7600L 的液氦儲存能力，8000m3的氦氣（常溫）儲存能力，50m3/h 的氦氣回收能力。做好氦低溫系統(tǒng)各設(shè)備的的運(yùn)行和維護(hù)工作對保障SHMFF 40T 混合磁體外超導(dǎo)磁體和其他超導(dǎo)磁體長期安全穩(wěn)定地運(yùn)行具有重要的意義。

圖1 SHMFF 氦低溫系統(tǒng)示意圖

1 氦低溫系統(tǒng)運(yùn)行

氦低溫系統(tǒng)運(yùn)行流程主要包括氦氣液化、液氦供應(yīng)、氦氣回收、氦氣純化、氦氣儲存等部分。氦制冷機(jī)要求氦氣的純度為99.999%，首先，將100m3氦氣儲罐中的純氦氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮、油氣分離器去除氦氣中的油后輸送入氦制冷機(jī)，氦氣在制冷機(jī)內(nèi)經(jīng)過與液氮和主路回流氦氣換熱、膨脹機(jī)對外做功、節(jié)流閥等焓節(jié)流等過程后可直接為40T 混合磁體外超導(dǎo)磁體提供超臨界氦迫流冷卻，也可直接生產(chǎn)液氦并儲存于液氦杜瓦，為其他超導(dǎo)磁體和低溫實(shí)驗(yàn)提供液氦。來自40T混合磁體外超導(dǎo)磁體和其他超導(dǎo)磁體的回氣通過氦氣回收管道回到氣袋，回收的氦氣再經(jīng)回收壓機(jī)壓縮至高壓鋼瓶內(nèi)。高壓鋼瓶內(nèi)的臟氦氣經(jīng)過純化器將氦氣中的氧、氮等雜質(zhì)去除，純化后的高純氦氣（99.999%）輸送入中壓氦氣儲罐中儲存。下文將從氦氣液化、液氦供應(yīng)、氦氣回收、氦氣純化、氦氣儲存等方面分別闡述氦低溫系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行情況。

1.1 氦氣液化

在氦低溫系統(tǒng)運(yùn)行前需要將管道內(nèi)的氮、氧等雜質(zhì)抽空，否則，會導(dǎo)致系統(tǒng)過濾器的堵塞，危害壓縮機(jī)的安全運(yùn)行。還需保證系統(tǒng)中壓氦氣儲罐的氦氣量充足，氦壓縮機(jī)冷卻水正常供應(yīng)，各個閥門的開關(guān)在正常狀態(tài)。依次開啟主氦氣壓縮機(jī)、真空、液氮預(yù)冷、透平、冷箱后，氦制冷機(jī)開始進(jìn)入冷卻過程。經(jīng)過主氦氣壓縮機(jī)壓縮的14bar 高壓氦氣通過冷箱的E401 和E402 兩級換熱器換熱后其中一路進(jìn)入1 級透平膨脹機(jī)，氦氣在1 級透平膨脹機(jī)內(nèi)膨脹降壓，向外輸出機(jī)械功使氦氣體溫度降低，并通過E404 與回流氦氣換熱后進(jìn)入2 級透平膨脹機(jī)，2 級透平膨脹機(jī)排出來的氦氣又進(jìn)入E405 和E406 之間的氦氣回路，通過換熱器與主路的氦氣進(jìn)行換熱，使冷量得到充分的利用。另一路的高壓氦氣經(jīng)過FCV468、FCV469 節(jié)流閥等焓節(jié)流后產(chǎn)生4K 的液氦，并通過傳輸線輸入1000L 液氦杜瓦中。液氦杜瓦的回氣經(jīng)過E407和E406 兩級換熱器后與2 級透平膨脹機(jī)排出的氦氣匯合，與主路氦氣換熱后升至室溫，回到主氦壓縮機(jī)進(jìn)入下一輪循環(huán)。制冷機(jī)從開機(jī)到液氦開始產(chǎn)出共需12 小時，具體的制冷機(jī)流程如圖2 所示。

圖2 制冷機(jī)流程示意圖

1.2 液氦供應(yīng)

1000L 杜瓦液氦液面達(dá)到一定的高度后，需要進(jìn)行輸液操作。首先，緩慢開啟液氦輸液管閥2%的開度，排空輸液管內(nèi)殘留空氣，以防止管內(nèi)空氣凝結(jié)成冰堵塞輸液管。開始輸液時，將移動杜瓦回氣回收到氣袋，以防止臟氦氣會堵塞主壓機(jī)管路。待回氣管路結(jié)霜確?；貧鉃榧兒夂笤俎D(zhuǎn)接至主壓機(jī)管路回氣，以減少系統(tǒng)回收氦氣減輕純化負(fù)擔(dān)。

移動杜瓦輸液輸滿后，需及時關(guān)閉輸液閥，并拔出輸液管，以避免輸液管在杜瓦內(nèi)停留時間過長使液氦液面蒸發(fā)，減少液氦的損失。液氦輸液示意圖如圖3 所示，一個500L 的液氦杜瓦輸液時間大約需1.5 小時，輸液效率可達(dá)75%。輸液完成后，關(guān)閉移動杜瓦回氣，將移動杜瓦移至杜瓦存放和發(fā)放區(qū)域，并接入回氣系統(tǒng)。各個超導(dǎo)磁體實(shí)驗(yàn)用戶在領(lǐng)用液氦前，需提前提交液氦申請單，做到液氦統(tǒng)一管理和發(fā)放。發(fā)放液氦時，需記錄移動杜瓦重量，注意移動杜瓦的閥門是否關(guān)閉，增壓接頭是否接好，另外告知用戶移動液氦杜瓦使用的注意事項(xiàng)。

圖3 移動杜瓦輸液示意圖

（1）杜瓦移動過程中避免碰撞和顛簸。（2）領(lǐng)用的杜瓦移至用戶實(shí)驗(yàn)室后應(yīng)立即接入回氣系統(tǒng)。（3）輸液時，杜瓦增壓壓力不超過3psi。（4）液氦輸液管需緩慢插拔。

1.3 氦氣的回收與純化

氦回收系統(tǒng)含有兩臺回收壓機(jī)，回氣系統(tǒng)回收率高，回收量大，回收系統(tǒng)流程具體見圖4。各用戶實(shí)驗(yàn)室均布置有回收管道并接至50m3氣袋，當(dāng)氣袋達(dá)到60%的高度時，第一臺回收壓機(jī)啟動，將氣袋內(nèi)的氦氣壓入高壓鋼瓶組內(nèi)，當(dāng)氣袋高度上漲至75%的高度時，第二臺回收壓機(jī)啟動，當(dāng)氣袋內(nèi)的氦氣高度降至20%時，兩臺壓機(jī)停止工作。儲存回收氦氣的高壓鋼瓶組壓力超過150bar 時，需開啟純化器進(jìn)入氦氣純化流程。

圖4 回收系統(tǒng)流程示意圖

目前，共有15 個液氦用戶，每個用戶的回氣管道都分別安裝有氣體流量計(jì)，運(yùn)行人員每天觀察總回氣量，做到有問題及時發(fā)現(xiàn)。每周定期巡檢用戶回氣接口，觀察用戶輸液狀態(tài)，以盡量減少不必要的氦氣損失，提高回收率，近年來，氦回收系統(tǒng)的回收率穩(wěn)步上升，目前的回收率已經(jīng)超過90%，具體見圖5。

圖5 回收系統(tǒng)回收率

回到回收系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)用戶氦氣純度約為100PPM，由于氦低溫系統(tǒng)對氦氣純度的要求，需要通過純化器純化得到5PPM 的純氦氣，因此氦氣純化工作至關(guān)重要。氦氣純化器工作壓力約為20bar，純化量為100m3/h。來自高壓鋼瓶組的臟氦氣經(jīng)過減壓閥減壓過后進(jìn)入純化器，氦氣進(jìn)排氣壓差應(yīng)控制在1bar 左右，純化速度不能過快，以使純化器充分的吸收氦氣中的雜質(zhì)。純化器純化2000m3的臟氦氣后，需要進(jìn)行純化器的再生操作，首先放空純化器內(nèi)的液氮，用加熱后的氮?dú)鈱⒓兓埠透稍锿泊抵潦覝匾陨?，使活性炭在低溫下吸附的N2、O2等雜質(zhì)釋放出來，然后抽純化器管路真空，將液氮重新輸入純化筒，使純化筒冷卻至液氮溫度，純化器的再生過程需要8 小時。隨著實(shí)驗(yàn)用戶液氦需求的增加，氦低溫系統(tǒng)原有的一臺純化器無法滿足純化需求，因此，又研制了一臺純化能力相當(dāng)?shù)募兓?，以增大系統(tǒng)的氦氣純化能力，純化后的氦氣儲存入100m3中壓氦氣儲罐。

2 系統(tǒng)維護(hù)

為保證氦低系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要對氦低溫系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行定期維護(hù)，主要包括制冷機(jī)、氦壓縮機(jī)、純化器、管路、儲氣設(shè)備等的日常檢查和定期維護(hù)。

2.1 制冷機(jī)的維護(hù)

氦制冷機(jī)不運(yùn)行時，冷箱的真空夾層需要一直維持真空狀態(tài)，目前，通過一臺分子泵和一臺前級機(jī)械泵24小時連續(xù)運(yùn)行來保持真空夾層內(nèi)的真空度，前級機(jī)械泵每年需更換潤滑油。系統(tǒng)中液氮管路均為雙層真空管，真空管段之間采用插拔口連接，每段管道可以單獨(dú)抽真空，每年需開展液氮管路抽真空工作，以確保真空管路內(nèi)真空度不低于1.0×10-3Pa，從而減少液氮輸送過程的冷量損失。

2.2 氦壓縮機(jī)除油器的維護(hù)

氦壓縮機(jī)主要為制冷機(jī)提供必要的壓差，其內(nèi)部管路充有高純度的氦氣，與制冷機(jī)通過金屬管道連接，形成封閉的系統(tǒng)。壓縮機(jī)每運(yùn)行2 個月后需注入潤滑油，以降低轉(zhuǎn)子摩擦阻力，提高傳動效率。氦壓縮機(jī)通過冷卻水系統(tǒng)提供的冷卻水冷卻，冷卻水系統(tǒng)主要包括一臺閉式冷卻塔和兩臺水泵，氦壓縮機(jī)運(yùn)行期間，會在線監(jiān)控冷卻水和壓縮機(jī)潤滑油溫度，防止壓機(jī)油溫突然升高，使壓機(jī)驟停，影響液氦生產(chǎn)。

氦壓縮機(jī)機(jī)頭潤滑油、油氣分離筒芯、機(jī)油濾芯和空濾需要每年更換。每年需開展冷卻塔清掃、冷卻水管道除水垢等工作。每2 年開展1 次除油器活性炭更換和除油器再生（出口溫度80℃，露點(diǎn)溫度低于-60℃）。

2.3 純化器的維護(hù)

各個實(shí)驗(yàn)室磁體回收的氦氣，會由于外界空氣和水混入而被污染，如果直接使用會造成系統(tǒng)內(nèi)管路的堵塞、制冷效率降低甚至發(fā)生故障?；烊氲碾s質(zhì)氣體主要有氮?dú)?、氧氣等，氦純化器用來將混入系統(tǒng)的氮?dú)?、氧氣和水等雜質(zhì)去除，從而保證制冷機(jī)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、長效地運(yùn)行。

純化器吸附劑飽和后，吸附能力會下降，需對純化器進(jìn)行再生處理。分別通入270K 和350K 的氮?dú)?，使純化器?nèi)吸附裝置重新恢復(fù)吸附能力，然后將純化器內(nèi)氮?dú)獬榭詹⒅匦录尤胍旱鋮s，即可開始繼續(xù)純化氦氣。純化器還需定期打壓檢漏。

2.4 氦氣管路及儲氣設(shè)備的維護(hù)

氦氣管路猶如人體的“血管”連接氦低溫系統(tǒng)各個設(shè)備，儲氣設(shè)備也存在泄漏、超壓等潛在危險。因此，對氦氣管路及儲氣設(shè)備的日常維護(hù)非常重要。氦氣管路和儲氣設(shè)備的日常維護(hù)主要包括以下內(nèi)容：（1）對氦氣管路和接口進(jìn)行檢漏；（2）檢查所有閥門是否處于正常啟閉狀態(tài)；（3）檢查儀表（液位計(jì)、壓力表等）工作是否正常，采集界面顯示參數(shù)與現(xiàn)場儀表是否一致；（4）儲槽壓力是否正常。

3 系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的問題

3.1 冷箱真空度不達(dá)標(biāo)

存在的問題：冷箱最初采用油擴(kuò)散泵與前級機(jī)械泵組合抽真空，其中油擴(kuò)散泵是利用低壓、高速和定向流動的油蒸氣射流抽氣的真空泵，其極限真空為10-4～10-5Pa，優(yōu)點(diǎn)是價格便宜、方便維護(hù)，缺點(diǎn)是擴(kuò)散泵容易返油蒸汽至真空夾層內(nèi)，污染真空室及真空測量設(shè)備，油擴(kuò)散泵見圖6 左邊設(shè)備。

圖6 擴(kuò)散泵（左）和分子泵（右）

解決方案：將油擴(kuò)散泵更換為可以取得更高真空度的真空分子泵，分子泵抽氣速度快，既縮短了系統(tǒng)的抽氣時間，又可獲得無油污染的清潔真空環(huán)境。

3.2 回收氦氣油含量過高

存在的問題：經(jīng)過長時間的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)回收氦氣中的水和油的含量偏高，影響純化器純化量。后來發(fā)現(xiàn)是由于不少極低溫實(shí)驗(yàn)裝置用戶的液氦腔體采用油泵抽取以實(shí)現(xiàn)減壓降溫，因此導(dǎo)致回收的氦氣油含量增高。

解決方案：在每臺磁體回氣接口處安裝了油過濾器，以減少回收氦氣中的油含量。并在純化器前安裝了一臺油水過濾器，盡可能地提高進(jìn)入純化器前的氦氣純度，使純化器能純化更多的氦氣，延長運(yùn)行時間。

3.3 回收管道發(fā)生氦氣泄漏

存在的問題：由于整體的氦回收管道很長并且連接有多個閥門，可能存在閥門未關(guān)管道泄漏等情況，不容易及時發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致氦氣損失。

解決方案：在回收管路上加裝了回氣報(bào)警裝置，當(dāng)有大量的氦氣排空時，管道壓力會下降，報(bào)警裝置啟動，便于及時發(fā)現(xiàn)，及時處理。

3.4 磁體失超對回收系統(tǒng)造成沖擊

存在的問題：回收系統(tǒng)含有兩臺25m3/h 回收能力的回收壓縮機(jī)，在各個實(shí)驗(yàn)室正常工作狀態(tài)下，足以完成氦氣回收工作。但個別超導(dǎo)磁體需要在失超條件下測量數(shù)據(jù)，超導(dǎo)磁體失超會導(dǎo)致液氦大量蒸發(fā)，氦氣壓力上升，氦氣回收不及時會對回收氣袋以及其他超導(dǎo)磁體產(chǎn)生沖擊。

解決方案：在可能發(fā)生失超的超導(dǎo)磁體實(shí)驗(yàn)室內(nèi)安裝了泄放裝置，在氦氣壓力超過極限狀態(tài)后泄放裝置會起跳，大量的蒸發(fā)的氦氣會從泄放裝置排出，以保證氣袋和其他超導(dǎo)磁體的安全。

4 結(jié)語

本文對強(qiáng)磁場下氦低溫系統(tǒng)流程，氦低溫系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)，以及系統(tǒng)運(yùn)維過程中遇到的問題和解決方案進(jìn)行了闡述，可為大型氦低溫系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)和優(yōu)化提供重要的工程經(jīng)驗(yàn)。精準(zhǔn)的運(yùn)行操作，積極的風(fēng)險預(yù)防，合理及時的日常檢查和維護(hù)，可將系統(tǒng)設(shè)備的故障和隱患減少到最低，是保障氦低溫系統(tǒng)正常工作的有效途徑，進(jìn)而也可以保障SHMFF 40T 混合磁體外超導(dǎo)磁體及其他超導(dǎo)磁體的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。