基于膜分离技术车载氦气保障设备的研制

陈永侃，何 智，王成远，章学华，汪 澎

(1.中国电子科技集团公司第十六研究所，合肥230043；2.安徽万瑞冷电科技有限公司，合肥230038)

氦气是一种不可再生的稀缺性宝贵资源，广泛应用于航天航空、低温超导、光纤制造、核磁共振、特种金属冶炼及气体检漏等方面，是国民经济生产、国家安全、空间探测等领域不可或缺的资源。

我国贫氦，高达1500万立方米的年均需求量主要依赖于进口。而科研、工业生产、浮空器等领域使用过的废氦气均粗放式直接排空，并没有进行回收利用，损失了大量的氦气资源。本项目致力于研发针对浮空平台/飞艇的氦气回收再利用技术和设备，服务于航空航天、科研、民用飞艇等领域[1]。

目前国际上所普遍采用的氦气提纯技术有三种：低温吸附、变压吸附和膜分离。①低温吸附是天然气提氦等装置所普遍采用的一种提纯方法，该方法成熟经典，但是运行费用较高(使用液氮)、流程复杂、操作压力高等，不符合企业对设备小型化、智能化、节能高效的要求；②变压吸附是使用碳分子筛、活性炭等吸附剂在常温、中压下对杂质气体吸附，从而提纯氦气，该方法产品气出口纯度不及低温吸附法，且设备造价高、操作繁琐，因此国际上研究不多；③膜分离法是一种高效的渗透分离方法，新型的气体膜分离技术具有高效节能、易于实现小型化和智能化的特点，这恰好可以弥补低温分离法的不足。国际上美国、德国、日本等膜分离技术走在了世界前沿，我国膜分离材料和技术研究较晚，人才稀缺，在流程开发、数值计算等设计领域投入不够，使得我国在膜分离提氦领域远落后于其他国家。我们正是在这一背景下，自主投入研发膜分离提氦设备[2]。

1 试验仪器及技术指标

1.1 材料及仪器

该套设备主要由膜分离器(Z240)、干燥器(WR-GZQ)、氦气压缩机(HS-90)、集装管束(177/HQ)、载车(JLZQUYHJD/2563)、缓冲罐(DHID-50)、控制柜(JDYHUKS/FJ)组成。

主要仪器：氦气纯度分析仪(JKD-52/62)、流量计(SDKHD/KJN)、压力表(DS200)、减压阀(DSHS-562/SDX)。

1.2 主要技术指标

(1)氦气回收速率：≥90Nm3/h；

(2)氦气回收率：≥95%；

(3)氦气纯化回收率：≥90%；

(4)氦气出气纯度：≥98%(当进气纯度为80%时)；

(5)最高工作压力：20MPa。

2 系统介绍

该套设备主要运用膜分离技术实现氦气回收纯化循环利用。主要工作模式有如下三种，如图1所示为该套系统的流程图。

(1)氦气在线回收：来自飞艇的氦气经压缩机加压后充入精密除油水单元以脱除原料气中的油质、水、颗粒等杂质。由于气体经过除油水单元压降很小，因此除油水后的气体可以直接充入车载的高压集装管束以备后用。

(2)氦气在线纯化：来自飞艇的混合气体先充入缓冲罐I中，经压缩机增压充入我公司研制的精密除油水单元以脱除原料气中的油质、水、颗粒等杂质，而后充入缓冲罐II，并由调压阀调控气压到适宜的压力，进入膜分单元进行纯化。

(3)氦气离线纯化：离线纯化时，不需要开启氦气压缩机，直接从集装管束中释放出氦气进入球囊中即可[3]。

3 关键部分的设计

3.1 活塞式氦气压缩机

氦气压缩机是回收工作时的心脏，它向系统提供足够压力的氦气。经过对国内外同类设备的调研。结合我国现有氦气压缩机的技术水平，本套系统选用氦气压缩机为风冷式，其流量为90Nm3/h。

在设计中，我们着重解决了风冷式压缩机散热问题。安装压缩机时，在方舱两侧开启翻板门，最大的保证压缩机通风口畅通；同时在设计压缩机时，尽量做到通风管道尺寸短、弯曲少，减少通风阻力。

3.2 膜分离系统

膜分离原理是根据不同气体在膜中相对渗透速率的差异而完成分离。针对氦气保障系统的大流量氦气分离要求，设计了一级双膜并联、二级串联的膜分离技术流程。针对60%～90%低浓度的原料氦气，一级双膜并联一方面降低了流阻，一方面提高了膜分离面积从而提高分离的效率。二级与一级串联采用一级分离、二级回收的模式，不仅提高了回收效率，而且提高了出气的纯度。经实验验证该流程可满足要求：1)将60%～90%的污氦提纯至95%～98%；2)提纯回收率≥90%[4]。

3.3 干燥净化系统

在干燥净化系统内装有硅胶用来吸附回收氦气中的杂质气体成分，按照90Nm3/h的氦气流量，单台干燥除油水单元可连续工作8～12小时，之后需要切换到另外一台干燥除油水单元。干燥除油水单元采用电加热抽空法进行活化再生处理，活化时间≤4小时，活化加热温度≤100℃，活化时需要机械泵抽空。

3.4 控制系统

该套设备控制均采用一键启停式设计，电源经舱外壁上的电连接器、电缆进入配电柜总控开。总控开分配电源至压缩机控制柜、主控制柜、舱照明、空调等。压缩机控制柜由空开将电源分配给压缩机。主控制柜经空开和其它配电保护器件将电源分配至各传感器和执行元件，同时将各个信号采集回控制系统。

图1 膜分离氦气回收纯化流程图Fig.1 Membrane separation Helium recovery and purification

图2 控制系统布局图Fig.2 Control system layout

主控制柜对整体系统进行集成，控制核心选用西门子300PLC，电气元件选用ABB空开和接触器，和泉中间继电器，欧姆龙固态继电器，亚德客阀岛和菲尼克斯端子。

通过PLC采集温度、压力、流量、纯度等信号显示到触摸屏上，在触摸屏上可控制各阀门、泵、压机等的开关，可做各种自动程序。

空开、中间继电器、交流接触器、固态继电器组成的保护电路可有效提供短路过载等保护。

如图2所示为控制系统布局图和主控制柜示意图。

4 调试及结果

该套设备于2016年3月进行了第一次调试，经过10个小时的连续运行，当进气纯度为79.8%时，出气纯度已达98.1%，如图3所示。

表1 与传统低温分离法氦气保障设备对比Tab.1 Comparison with traditional low temperature separation method for helium support equipment

图3 膜分离氦气回收纯化设备参数图Fig.4 Parameters of membrane separation and recovery equipment

调试结果表明，各分系统运行正常、稳定，氦气回收率、氦气纯化回收率、氦气回收速率、氦气出气纯度、最高工作压力等均能满足设计要求。

5 膜分离车载氦气保障系统特点

(1)压缩机、膜分离纯化器、干燥除油水单元、配电控制柜集成在一个方舱内，集回收和纯化在一体，满足系留气球系统多种工作模式。

(2)控制系统采用一键启停式，设备智能化程度高，一人即可完成操作，无须冗余操作。

(3)氦气压缩机级间冷却采用风冷方式，在高温环境下可通过自然冷却降低系统温度。设备控制系统采用电路控制，可靠性强，操作方便简洁。

(4)设备采取了一系列低温启动措施，其中控制柜内及方舱内分别安装有2kW的军用电加热器，可保证系统设备在-40℃低温环境下能正常启动工作。

(5)该套设备为目前国内首创，是国内氦气保障领域的又一重大突破，逐步丰富了产品线。

6 结束语

该套膜分离氦气保障设备已成功运用于火箭军某部，并圆满完成任务，取得嘉奖。它是氦气保障领域的一次飞跃。该套设备的研制成功也标志着我国在氦气保障设备上又迈进了一步，同时鼓励我们继续探索追求、精益求精，将设备做的更加完善，在这个过程中有种种困难，我们要迎难而上，付出汗水，收获果实。

参考文献：

[1] 张杰.膜分离技术在废水处理中的应用[J].过滤与分离，2004，(10)：1-2.

[2] 董子丰.气体膜分离技术在石油工业中的应用[J].红外与激光工程，2014，(11)：1-2.

[3] 刘强.新型空间环境模拟器气氦制冷系统的研制[J].航天器环境工程，2001，(2)：1-2.

[4] 于海江.气体膜分离技术的应用[J].油气田环境保护，2005，(3)：1-2.