基于膜分離技術(shù)車載氦氣保障設(shè)備的研制

陳永侃，何 智，王成遠(yuǎn)，章學(xué)華，汪 澎

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十六研究所，合肥230043；2.安徽萬(wàn)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(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)、國(guó)家安全、空間探測(cè)等領(lǐng)域不可或缺的資源。

我國(guó)貧氦，高達(dá)1500萬(wàn)立方米的年均需求量主要依賴于進(jìn)口。而科研、工業(yè)生產(chǎn)、浮空器等領(lǐng)域使用過(guò)的廢氦氣均粗放式直接排空，并沒(méi)有進(jìn)行回收利用，損失了大量的氦氣資源。本項(xiàng)目致力于研發(fā)針對(duì)浮空平臺(tái)/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(guó)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(yùn)行費(fèi)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(duì)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(duì)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(jià)高、操作繁瑣，因此國(guó)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(shí)現(xiàn)小型化和智能化的特點(diǎn)，這恰好可以彌補(bǔ)低溫分離法的不足。國(guó)際上美國(guó)、德國(guó)、日本等膜分離技術(shù)走在了世界前沿，我國(guó)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(jì)算等設(shè)計(jì)領(lǐng)域投入不夠，使得我國(guó)在膜分離提氦領(lǐng)域遠(yuǎn)落后于其他國(guó)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(yàn)儀器及技術(shù)指標(biāo)

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(jī)(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(jì)(SDKHD/KJN)、壓力表(DS200)、減壓閥(DSHS-562/SDX)。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

(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(dāng)進(jìn)氣純度為80%時(shí))；

(5)最高工作壓力：20MPa。

2 系統(tǒng)介紹

該套設(shè)備主要運(yùn)用膜分離技術(shù)實(shí)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(lái)自飛艇的氦氣經(jīng)壓縮機(jī)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(guò)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(lái)自飛艇的混合氣體先充入緩沖罐I中，經(jīng)壓縮機(jī)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(jìn)入膜分單元進(jìn)行純化。

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

3 關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)

3.1 活塞式氦氣壓縮機(jī)

氦氣壓縮機(jī)是回收工作時(shí)的心臟，它向系統(tǒng)提供足夠壓力的氦氣。經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外同類設(shè)備的調(diào)研。結(jié)合我國(guó)現(xiàn)有氦氣壓縮機(jī)的技術(shù)水平，本套系統(tǒng)選用氦氣壓縮機(jī)為風(fēng)冷式，其流量為90Nm3/h。

在設(shè)計(jì)中，我們著重解決了風(fēng)冷式壓縮機(jī)散熱問(wèn)題。安裝壓縮機(jī)時(shí)，在方艙兩側(cè)開啟翻板門，最大的保證壓縮機(jī)通風(fēng)口暢通；同時(shí)在設(shè)計(jì)壓縮機(jī)時(shí)，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(duì)滲透速率的差異而完成分離。針對(duì)氦氣保障系統(tǒng)的大流量氦氣分離要求，設(shè)計(jì)了一級(jí)雙膜并聯(lián)、二級(jí)串聯(lián)的膜分離技術(shù)流程。針對(duì)60%～90%低濃度的原料氦氣，一級(jí)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(jí)與一級(jí)串聯(lián)采用一級(jí)分離、二級(jí)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(lái)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(tái)干燥除油水單元可連續(xù)工作8～12小時(shí)，之后需要切換到另外一臺(tái)干燥除油水單元。干燥除油水單元采用電加熱抽空法進(jìn)行活化再生處理，活化時(shí)間≤4小時(shí)，活化加熱溫度≤100℃，活化時(shí)需要機(jī)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(jì)，電源經(jīng)艙外壁上的電連接器、電纜進(jìn)入配電柜總控開?？偪亻_分配電源至壓縮機(jī)控制柜、主控制柜、艙照明、空調(diào)等。壓縮機(jī)控制柜由空開將電源分配給壓縮機(jī)。主控制柜經(jīng)空開和其它配電保護(hù)器件將電源分配至各傳感器和執(zhí)行元件，同時(shí)將各個(gè)信號(hào)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(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)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(guò)PLC采集溫度、壓力、流量、純度等信號(hào)顯示到觸摸屏上，在觸摸屏上可控制各閥門、泵、壓機(jī)等的開關(guān)，可做各種自動(dòng)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(hù)電路可有效提供短路過(guò)載等保護(hù)。

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(jìn)行了第一次調(diào)試，經(jīng)過(guò)10個(gè)小時(shí)的連續(xù)運(yùn)行，當(dāng)進(jìn)氣純度為79.8%時(shí)，出氣純度已達(dá)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(duì)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(yùn)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(jì)要求。

5 膜分離車載氦氣保障系統(tǒng)特點(diǎn)

(1)壓縮機(jī)、膜分離純化器、干燥除油水單元、配電控制柜集成在一個(gè)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(wú)須冗余操作。

(3)氦氣壓縮機(jī)級(jí)間冷卻采用風(fēng)冷方式，在高溫環(huán)境下可通過(guò)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(qiáng)，操作方便簡(jiǎn)潔。

(4)設(shè)備采取了一系列低溫啟動(dòng)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(dòng)工作。

(5)該套設(shè)備為目前國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，是國(guó)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(yǔ)

該套膜分離氦氣保障設(shè)備已成功運(yùn)用于火箭軍某部，并圓滿完成任務(wù)，取得嘉獎(jiǎng)。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(biāo)志著我國(guó)在氦氣保障設(shè)備上又邁進(jìn)了一步，同時(shí)鼓勵(lì)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(gè)過(guò)程中有種種困難，我們要迎難而上，付出汗水，收獲果實(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張杰.膜分離技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用[J].過(guò)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(qiáng).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(hù)，2005，(3)：1-2.