一種氦氣供氣系統的改進與研究

李 準，田 鋒，施東平，劉建勛

(1.中國計量科學研究院，北京 102200;2.捷銳企業(上海)有限公司，上海 201699)

氦氣作為現在已知物質中沸點最低的特殊氣體，因為它的臨界點相當低，又最接近理想氣體，常被應用在超低溫技術、氣體溫度計、氣體激光器以及核反應堆和氦氣的光譜研究與生產等特殊行業上。中國計量科學研究院作為我國最高法定計量機構，承擔著建立、保存和維護國家計量基標準等多項科研和量傳任務。我院氦氣使用主要集中在量子計量、電磁計量、光學計量、熱工計量以及醫用和核磁共振等實驗和研究方面。近年來，由于氦氣供應嚴重短缺，液氦已成為名符其實的戰略資源，因此，足量的制備和存儲是保證以上實驗成功的先決條件。

我院根據購置的氦氣液化裝置，通過精心設計整合，搭建了一套完整的氦氣液化及回收系統，以滿足科研和實驗工作需要。其中高純氦氣供氣系統是一套重要的設備，原系統如圖1所示。該系統最大進氣壓力為30 MPa，經二級調壓后最大輸出壓力為1 MPa，工作溫度為－40℃ ～60℃，匯流排管路材質為內外拋光BA級316L不銹鋼管，切換系統主要材質為內外拋光BA級316L不銹鋼管，匯流排使用氣體為高純氦氣(99.999%)。該系統采用一側使用，一側備用設計，一側氣體使用結束后自動切換到另一側供氣，從而實現不間斷供氣;切換系統設計有吹掃閥門，在更換氣瓶后，可以開啟吹掃閥門先吹掃，保證管道系統氣體的純度符合試驗要求。所有閥門采用不銹鋼膜片閥，保證開關簡易可靠。不對氣體產生雜質，保證氣體使用的純度。配置減壓器材料采用316L，膜片材料為哈氏合金，密封材料PCTFE，不對氣體產生雜質，保證氣體純度。高壓軟管內部為316L波紋管，中間為不銹鋼編織網，外置螺旋鋼絲。

該氦氣供氣系統可以為氦氣液化裝置中的中壓緩沖罐(容積為 8 m3)提供高純氦氣(純度為99.999%)，當氦氣液化裝置大修或因故障停機導致中壓緩沖罐壓力降低至系統啟動壓力以下時，通過氦氣供氣匯流排為緩沖罐補充高純氦氣。

圖1 原氦氣供氣匯流排流程圖Fig.1 The original helium gas bus flow chart

圖2 報警器的外觀圖Fig.2 Alarm appearance

經改進的氦氣供氣系統增加高壓壓力傳感器、低壓壓力傳感器、質量流量計、數據采集箱、報警燈和不銹鋼球閥等部件，與原有供氣系統配套對接形成一個完整的氦氣供氣及監測報警系統，確保氦液化裝置能夠穩定可靠地長期運行;該裝置有以下特點:

1.供氣范圍大:可同時連接48個高壓鋼瓶，供給高純氦氣，通過接頭轉換，可連接各種容積的高壓鋼瓶(固定容積10～80 L)。

2.先進的數據傳輸系統:配備美國進口數據傳輸系統，可傳輸供氣系統的各種高低壓力信號和流量信號。

3.功能齊全的軟件:根據測量系統特點度身設計的數據處理軟件，界面友好，操作直觀，易于升級和功能擴充。

4.高精確度:依據國家標準設計，儀表精度高，測試結果準確;工況設定穩定。

5.齊全的保護措施:設有多處高低壓壓力報警、流量報警等安全措施，保證供氣系統安全運行。

1 傳感器選擇及安裝

各種數據由傳感器轉化為標準信號輸入報警器，報警器預留接口連接上位機。傳感器的選擇應考慮使用環境、測量范圍、測量精度、輸出信號、抗干擾能力、方便安裝等問題。本系統所有傳感器安裝位置如圖3所示。

圖3 改進后氦氣供氣匯流排流程圖Fig.3 The improved helium gas bus flow chart

1.1 氣體質量流量計

流量計采用精度為1.5%，工作溫度:－20～+60℃，介質溫度:－10～+55℃，供電電壓24 VDC，4～20 mA輸出。可顯示瞬時流量和累計流量，流量范圍:0.17～17 m3/h，連接后置于一級減壓器的出氣管路上。

1.2 壓力傳感器

壓力傳感器的工作溫度:－20～+85℃，精度0.5%，適合于氦氣供氣系統中各高低壓段的壓力測量，其中高壓傳感器量程:0～20 MPa，輸出信號為4～20 mA，壓力傳感器安裝選擇依照設計圖上的布置位置。

1.3 數據采集箱(報警器)

數據采集箱上每四只顯示框為一組，分別顯示匯流排左右兩側壓力、出氣壓力和瞬時流量，當高壓壓力高于20 MPa，低于1 MPa，或低壓輸出壓力高于2.35 MPa，報警燈閃爍并伴有嗡鳴聲(流量計不設上下限)。數據采集箱內預留了485通訊接口可實現并網后的遠程傳輸。

2 供氣系統報警裝置工作原理

四組氦氣匯流排，四組安裝方式相同，工作原理相同，信號接收相同。每組氦氣匯流排，分別在匯流排兩側安裝二只高壓壓力傳感器(高壓傳感器的量程0～20 MPa)，出氣端安裝了低壓壓力傳感器(低壓傳感器的量程0～2.5 MPa)，主管路上安裝一只質量流量計，在末端安裝了一只數據采集箱和一只報警燈，另由三只球閥(如圖中A、B、C所示)構成了一個支路，支路的作用在于:當對質量流量計進行檢修時不會影響匯流排的正常使用，關閉A和B閥并打開C閥即可。

當鋼瓶組左右兩側鋼瓶分別開啟或同時開啟進行充氣時，兩側的高壓壓力傳感器也相應開啟，并向數據采集箱傳送信號，相應壓力值將顯示在數據采集箱上(此組顯示的為高壓壓力)。

鋼瓶組高壓壓力調整到所需壓力，開始進行充氣，氣體經過減壓器進行減壓后進入主管道，低壓壓力傳感器同時開啟，并向數據采集箱傳送信號，相應壓力值將顯示在數據采集箱上(此組顯示的為低壓壓力)。

同時主管路內的氣體也在通過質量流量計，流量計通過氣體流動的流量向數據采集箱傳送信號，進行記錄并實現累加，相應的瞬時流量反應在數據箱上，在流量計本體瞬時流量和累計流量都可以顯示出來。

3 結論

1.通過改進現有氦氣供氣系統，極大提高了我院氦氣液化裝置及其供氣系統的運行安全性，同時實現了對各供氣匯流排的狀態遠程和集中監測，并為我院能源集中管控平臺的實施預留接口。

2.將該氦氣供氣報警裝置應用于科研和輔助運行工作，縮短故障響應時間，提高運行人員工作效率，在行業內有較大的實用意義。