氦低温系统运行和维护研究

艾鑫，陈旭恒，匡大志，孟秋敏，石磊，李俊杰，沈东

（中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心，安徽 合肥 230031）

氦低温系统为国家十一五重大科技基础设施“稳态强磁场实验装置（SHMFF）的重要技术装备系统之一，可为SHMFF 40 T 混合磁体外超导磁体供冷，满足混合磁体运行对液氦和不同温区下冷量的需求，同时兼有为SHMFF 其他超导磁体和低温实验提供液氦的能力。氦低温系统主要由氦制冷机、液氦杜瓦、氦压缩机、回收压缩机、中压氦气储罐、液氮储罐、氦纯化器和传输线等设备组成，具体如图1 所示。系统具有360W/4.5K 的制冷能力，或110L/h 的液氦生产能力，7600L 的液氦储存能力，8000m³的氦气（常温）储存能力，50m³/h 的氦气回收能力。做好氦低温系统各设备的的运行和维护工作对保障SHMFF 40T 混合磁体外超导磁体和其他超导磁体长期安全稳定地运行具有重要的意义。

图1 SHMFF 氦低温系统示意图

1 氦低温系统运行

氦低温系统运行流程主要包括氦气液化、液氦供应、氦气回收、氦气纯化、氦气储存等部分。氦制冷机要求氦气的纯度为99.999%，首先，将100m³氦气储罐中的纯氦气经压缩机压缩、油气分离器去除氦气中的油后输送入氦制冷机，氦气在制冷机内经过与液氮和主路回流氦气换热、膨胀机对外做功、节流阀等焓节流等过程后可直接为40T 混合磁体外超导磁体提供超临界氦迫流冷却，也可直接生产液氦并储存于液氦杜瓦，为其他超导磁体和低温实验提供液氦。来自40T混合磁体外超导磁体和其他超导磁体的回气通过氦气回收管道回到气袋，回收的氦气再经回收压机压缩至高压钢瓶内。高压钢瓶内的脏氦气经过纯化器将氦气中的氧、氮等杂质去除，纯化后的高纯氦气（99.999%）输送入中压氦气储罐中储存。下文将从氦气液化、液氦供应、氦气回收、氦气纯化、氦气储存等方面分别阐述氦低温系统设备的运行情况。

1.1 氦气液化

在氦低温系统运行前需要将管道内的氮、氧等杂质抽空，否则，会导致系统过滤器的堵塞，危害压缩机的安全运行。还需保证系统中压氦气储罐的氦气量充足，氦压缩机冷却水正常供应，各个阀门的开关在正常状态。依次开启主氦气压缩机、真空、液氮预冷、透平、冷箱后，氦制冷机开始进入冷却过程。经过主氦气压缩机压缩的14bar 高压氦气通过冷箱的E401 和E402 两级换热器换热后其中一路进入1 级透平膨胀机，氦气在1 级透平膨胀机内膨胀降压，向外输出机械功使氦气体温度降低，并通过E404 与回流氦气换热后进入2 级透平膨胀机，2 级透平膨胀机排出来的氦气又进入E405 和E406 之间的氦气回路，通过换热器与主路的氦气进行换热，使冷量得到充分的利用。另一路的高压氦气经过FCV468、FCV469 节流阀等焓节流后产生4K 的液氦，并通过传输线输入1000L 液氦杜瓦中。液氦杜瓦的回气经过E407和E406 两级换热器后与2 级透平膨胀机排出的氦气汇合，与主路氦气换热后升至室温，回到主氦压缩机进入下一轮循环。制冷机从开机到液氦开始产出共需12 小时，具体的制冷机流程如图2 所示。

图2 制冷机流程示意图

1.2 液氦供应

1000L 杜瓦液氦液面达到一定的高度后，需要进行输液操作。首先，缓慢开启液氦输液管阀2%的开度，排空输液管内残留空气，以防止管内空气凝结成冰堵塞输液管。开始输液时，将移动杜瓦回气回收到气袋，以防止脏氦气会堵塞主压机管路。待回气管路结霜确保回气为纯氦气后再转接至主压机管路回气，以减少系统回收氦气减轻纯化负担。

移动杜瓦输液输满后，需及时关闭输液阀，并拔出输液管，以避免输液管在杜瓦内停留时间过长使液氦液面蒸发，减少液氦的损失。液氦输液示意图如图3 所示，一个500L 的液氦杜瓦输液时间大约需1.5 小时，输液效率可达75%。输液完成后，关闭移动杜瓦回气，将移动杜瓦移至杜瓦存放和发放区域，并接入回气系统。各个超导磁体实验用户在领用液氦前，需提前提交液氦申请单，做到液氦统一管理和发放。发放液氦时，需记录移动杜瓦重量，注意移动杜瓦的阀门是否关闭，增压接头是否接好，另外告知用户移动液氦杜瓦使用的注意事项。

图3 移动杜瓦输液示意图

（1）杜瓦移动过程中避免碰撞和颠簸。（2）领用的杜瓦移至用户实验室后应立即接入回气系统。（3）输液时，杜瓦增压压力不超过3psi。（4）液氦输液管需缓慢插拔。

1.3 氦气的回收与纯化

氦回收系统含有两台回收压机，回气系统回收率高，回收量大，回收系统流程具体见图4。各用户实验室均布置有回收管道并接至50m³气袋，当气袋达到60%的高度时，第一台回收压机启动，将气袋内的氦气压入高压钢瓶组内，当气袋高度上涨至75%的高度时，第二台回收压机启动，当气袋内的氦气高度降至20%时，两台压机停止工作。储存回收氦气的高压钢瓶组压力超过150bar 时，需开启纯化器进入氦气纯化流程。

图4 回收系统流程示意图

目前，共有15 个液氦用户，每个用户的回气管道都分别安装有气体流量计，运行人员每天观察总回气量，做到有问题及时发现。每周定期巡检用户回气接口，观察用户输液状态，以尽量减少不必要的氦气损失，提高回收率，近年来，氦回收系统的回收率稳步上升，目前的回收率已经超过90%，具体见图5。

图5 回收系统回收率

回到回收系统的实验用户氦气纯度约为100PPM，由于氦低温系统对氦气纯度的要求，需要通过纯化器纯化得到5PPM 的纯氦气，因此氦气纯化工作至关重要。氦气纯化器工作压力约为20bar，纯化量为100m³/h。来自高压钢瓶组的脏氦气经过减压阀减压过后进入纯化器，氦气进排气压差应控制在1bar 左右，纯化速度不能过快，以使纯化器充分的吸收氦气中的杂质。纯化器纯化2000m³的脏氦气后，需要进行纯化器的再生操作，首先放空纯化器内的液氮，用加热后的氮气将纯化筒和干燥筒吹至室温以上，使活性炭在低温下吸附的N2、O2等杂质释放出来，然后抽纯化器管路真空，将液氮重新输入纯化筒，使纯化筒冷却至液氮温度，纯化器的再生过程需要8 小时。随着实验用户液氦需求的增加，氦低温系统原有的一台纯化器无法满足纯化需求，因此，又研制了一台纯化能力相当的纯化器，以增大系统的氦气纯化能力，纯化后的氦气储存入100m³中压氦气储罐。

2 系统维护

为保证氦低系统的稳定运行，需要对氦低温系统设备进行定期维护，主要包括制冷机、氦压缩机、纯化器、管路、储气设备等的日常检查和定期维护。

2.1 制冷机的维护

氦制冷机不运行时，冷箱的真空夹层需要一直维持真空状态，目前，通过一台分子泵和一台前级机械泵24小时连续运行来保持真空夹层内的真空度，前级机械泵每年需更换润滑油。系统中液氮管路均为双层真空管，真空管段之间采用插拔口连接，每段管道可以单独抽真空，每年需开展液氮管路抽真空工作，以确保真空管路内真空度不低于1.0×10-3Pa，从而减少液氮输送过程的冷量损失。

2.2 氦压缩机除油器的维护

氦压缩机主要为制冷机提供必要的压差，其内部管路充有高纯度的氦气，与制冷机通过金属管道连接，形成封闭的系统。压缩机每运行2 个月后需注入润滑油，以降低转子摩擦阻力，提高传动效率。氦压缩机通过冷却水系统提供的冷却水冷却，冷却水系统主要包括一台闭式冷却塔和两台水泵，氦压缩机运行期间，会在线监控冷却水和压缩机润滑油温度，防止压机油温突然升高，使压机骤停，影响液氦生产。

氦压缩机机头润滑油、油气分离筒芯、机油滤芯和空滤需要每年更换。每年需开展冷却塔清扫、冷却水管道除水垢等工作。每2 年开展1 次除油器活性炭更换和除油器再生（出口温度80℃，露点温度低于-60℃）。

2.3 纯化器的维护

各个实验室磁体回收的氦气，会由于外界空气和水混入而被污染，如果直接使用会造成系统内管路的堵塞、制冷效率降低甚至发生故障。混入的杂质气体主要有氮气、氧气等，氦纯化器用来将混入系统的氮气、氧气和水等杂质去除，从而保证制冷机系统安全、稳定、长效地运行。

纯化器吸附剂饱和后，吸附能力会下降，需对纯化器进行再生处理。分别通入270K 和350K 的氮气，使纯化器内吸附装置重新恢复吸附能力，然后将纯化器内氮气抽空并重新加入液氮冷却，即可开始继续纯化氦气。纯化器还需定期打压检漏。

2.4 氦气管路及储气设备的维护

氦气管路犹如人体的“血管”连接氦低温系统各个设备，储气设备也存在泄漏、超压等潜在危险。因此，对氦气管路及储气设备的日常维护非常重要。氦气管路和储气设备的日常维护主要包括以下内容：（1）对氦气管路和接口进行检漏；（2）检查所有阀门是否处于正常启闭状态；（3）检查仪表（液位计、压力表等）工作是否正常，采集界面显示参数与现场仪表是否一致；（4）储槽压力是否正常。

3 系统运行中出现的问题

3.1 冷箱真空度不达标

存在的问题：冷箱最初采用油扩散泵与前级机械泵组合抽真空，其中油扩散泵是利用低压、高速和定向流动的油蒸气射流抽气的真空泵，其极限真空为10-4～10-5Pa，优点是价格便宜、方便维护，缺点是扩散泵容易返油蒸汽至真空夹层内，污染真空室及真空测量设备，油扩散泵见图6 左边设备。

图6 扩散泵（左）和分子泵（右）

解决方案：将油扩散泵更换为可以取得更高真空度的真空分子泵，分子泵抽气速度快，既缩短了系统的抽气时间，又可获得无油污染的清洁真空环境。

3.2 回收氦气油含量过高

存在的问题：经过长时间的运行，发现回收氦气中的水和油的含量偏高，影响纯化器纯化量。后来发现是由于不少极低温实验装置用户的液氦腔体采用油泵抽取以实现减压降温，因此导致回收的氦气油含量增高。

解决方案：在每台磁体回气接口处安装了油过滤器，以减少回收氦气中的油含量。并在纯化器前安装了一台油水过滤器，尽可能地提高进入纯化器前的氦气纯度，使纯化器能纯化更多的氦气，延长运行时间。

3.3 回收管道发生氦气泄漏

存在的问题：由于整体的氦回收管道很长并且连接有多个阀门，可能存在阀门未关管道泄漏等情况，不容易及时发现，导致氦气损失。

解决方案：在回收管路上加装了回气报警装置，当有大量的氦气排空时，管道压力会下降，报警装置启动，便于及时发现，及时处理。

3.4 磁体失超对回收系统造成冲击

存在的问题：回收系统含有两台25m³/h 回收能力的回收压缩机，在各个实验室正常工作状态下，足以完成氦气回收工作。但个别超导磁体需要在失超条件下测量数据，超导磁体失超会导致液氦大量蒸发，氦气压力上升，氦气回收不及时会对回收气袋以及其他超导磁体产生冲击。

解决方案：在可能发生失超的超导磁体实验室内安装了泄放装置，在氦气压力超过极限状态后泄放装置会起跳，大量的蒸发的氦气会从泄放装置排出，以保证气袋和其他超导磁体的安全。

4 结语

本文对强磁场下氦低温系统流程，氦低温系统运行和维护，以及系统运维过程中遇到的问题和解决方案进行了阐述，可为大型氦低温系统的运行、维护和优化提供重要的工程经验。精准的运行操作，积极的风险预防，合理及时的日常检查和维护，可将系统设备的故障和隐患减少到最低，是保障氦低温系统正常工作的有效途径，进而也可以保障SHMFF 40T 混合磁体外超导磁体及其他超导磁体的长期安全稳定运行。