一种氦气供气系统的改进与研究

李 准，田 锋，施东平，刘建勋

(1.中国计量科学研究院，北京 102200;2.捷锐企业(上海)有限公司，上海 201699)

氦气作为现在已知物质中沸点最低的特殊气体，因为它的临界点相当低，又最接近理想气体，常被应用在超低温技术、气体温度计、气体激光器以及核反应堆和氦气的光谱研究与生产等特殊行业上。中国计量科学研究院作为我国最高法定计量机构，承担着建立、保存和维护国家计量基标准等多项科研和量传任务。我院氦气使用主要集中在量子计量、电磁计量、光学计量、热工计量以及医用和核磁共振等实验和研究方面。近年来，由于氦气供应严重短缺，液氦已成为名符其实的战略资源，因此，足量的制备和存储是保证以上实验成功的先决条件。

我院根据购置的氦气液化装置，通过精心设计整合，搭建了一套完整的氦气液化及回收系统，以满足科研和实验工作需要。其中高纯氦气供气系统是一套重要的设备，原系统如图1所示。该系统最大进气压力为30 MPa，经二级调压后最大输出压力为1 MPa，工作温度为－40℃ ～60℃，汇流排管路材质为内外抛光BA级316L不锈钢管，切换系统主要材质为内外抛光BA级316L不锈钢管，汇流排使用气体为高纯氦气(99.999%)。该系统采用一侧使用，一侧备用设计，一侧气体使用结束后自动切换到另一侧供气，从而实现不间断供气;切换系统设计有吹扫阀门，在更换气瓶后，可以开启吹扫阀门先吹扫，保证管道系统气体的纯度符合试验要求。所有阀门采用不锈钢膜片阀，保证开关简易可靠。不对气体产生杂质，保证气体使用的纯度。配置减压器材料采用316L，膜片材料为哈氏合金，密封材料PCTFE，不对气体产生杂质，保证气体纯度。高压软管内部为316L波纹管，中间为不锈钢编织网，外置螺旋钢丝。

该氦气供气系统可以为氦气液化装置中的中压缓冲罐(容积为 8 m3)提供高纯氦气(纯度为99.999%)，当氦气液化装置大修或因故障停机导致中压缓冲罐压力降低至系统启动压力以下时，通过氦气供气汇流排为缓冲罐补充高纯氦气。

图1 原氦气供气汇流排流程图Fig.1 The original helium gas bus flow chart

图2 报警器的外观图Fig.2 Alarm appearance

经改进的氦气供气系统增加高压压力传感器、低压压力传感器、质量流量计、数据采集箱、报警灯和不锈钢球阀等部件，与原有供气系统配套对接形成一个完整的氦气供气及监测报警系统，确保氦液化装置能够稳定可靠地长期运行;该装置有以下特点:

1.供气范围大:可同时连接48个高压钢瓶，供给高纯氦气，通过接头转换，可连接各种容积的高压钢瓶(固定容积10～80 L)。

2.先进的数据传输系统:配备美国进口数据传输系统，可传输供气系统的各种高低压力信号和流量信号。

3.功能齐全的软件:根据测量系统特点度身设计的数据处理软件，界面友好，操作直观，易于升级和功能扩充。

4.高精确度:依据国家标准设计，仪表精度高，测试结果准确;工况设定稳定。

5.齐全的保护措施:设有多处高低压压力报警、流量报警等安全措施，保证供气系统安全运行。

1 传感器选择及安装

各种数据由传感器转化为标准信号输入报警器，报警器预留接口连接上位机。传感器的选择应考虑使用环境、测量范围、测量精度、输出信号、抗干扰能力、方便安装等问题。本系统所有传感器安装位置如图3所示。

图3 改进后氦气供气汇流排流程图Fig.3 The improved helium gas bus flow chart

1.1 气体质量流量计

流量计采用精度为1.5%，工作温度:－20～+60℃，介质温度:－10～+55℃，供电电压24 VDC，4～20 mA输出。可显示瞬时流量和累计流量，流量范围:0.17～17 m3/h，连接后置于一级减压器的出气管路上。

1.2 压力传感器

压力传感器的工作温度:－20～+85℃，精度0.5%，适合于氦气供气系统中各高低压段的压力测量，其中高压传感器量程:0～20 MPa，输出信号为4～20 mA，压力传感器安装选择依照设计图上的布置位置。

1.3 数据采集箱(报警器)

数据采集箱上每四只显示框为一组，分别显示汇流排左右两侧压力、出气压力和瞬时流量，当高压压力高于20 MPa，低于1 MPa，或低压输出压力高于2.35 MPa，报警灯闪烁并伴有嗡鸣声(流量计不设上下限)。数据采集箱内预留了485通讯接口可实现并网后的远程传输。

2 供气系统报警装置工作原理

四组氦气汇流排，四组安装方式相同，工作原理相同，信号接收相同。每组氦气汇流排，分别在汇流排两侧安装二只高压压力传感器(高压传感器的量程0～20 MPa)，出气端安装了低压压力传感器(低压传感器的量程0～2.5 MPa)，主管路上安装一只质量流量计，在末端安装了一只数据采集箱和一只报警灯，另由三只球阀(如图中A、B、C所示)构成了一个支路，支路的作用在于:当对质量流量计进行检修时不会影响汇流排的正常使用，关闭A和B阀并打开C阀即可。

当钢瓶组左右两侧钢瓶分别开启或同时开启进行充气时，两侧的高压压力传感器也相应开启，并向数据采集箱传送信号，相应压力值将显示在数据采集箱上(此组显示的为高压压力)。

钢瓶组高压压力调整到所需压力，开始进行充气，气体经过减压器进行减压后进入主管道，低压压力传感器同时开启，并向数据采集箱传送信号，相应压力值将显示在数据采集箱上(此组显示的为低压压力)。

同时主管路内的气体也在通过质量流量计，流量计通过气体流动的流量向数据采集箱传送信号，进行记录并实现累加，相应的瞬时流量反应在数据箱上，在流量计本体瞬时流量和累计流量都可以显示出来。

3 结论

1.通过改进现有氦气供气系统，极大提高了我院氦气液化装置及其供气系统的运行安全性，同时实现了对各供气汇流排的状态远程和集中监测，并为我院能源集中管控平台的实施预留接口。

2.将该氦气供气报警装置应用于科研和辅助运行工作，缩短故障响应时间，提高运行人员工作效率，在行业内有较大的实用意义。