一種高效氦氣回收純化系統及控制方法研究

黃 衛，師銅墻，呂繼祥，王傳喜，劉大瑞

(安徽萬瑞冷電科技有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

氦氣作為一種稀缺的戰略性資源，廣泛應用于國防軍工、科學研究、航天航空、光纖制造、空調檢漏等領域。氦氣在空氣中含量極少，目前主要依靠開采天然氣，然后把氦氣從天然氣中分離出來，提取難度大，成本高。因此在保護有限的氦氣資源，研究高效的廢氦氣回收和提純技術，具有廣泛的應用前景。

在光纖拉絲制造領域，除拉絲爐要用到氦氣外，拉絲塔冷卻管也采用氦氣作為冷卻氣體。因此光纖企業迫切需求一種光纖冷卻管用氦氣循環再利用設備，在不增大純氦用量和不影響生產工藝的前提下，將放空的氦氣最大限度的回收起來，并將回收的氦氣凈化到合格的純度，滿足光纖生產的需要進行二次循環利用，達到降低生產成本的目的。需要說明的是，在光纖制造領域，其生產設備通常包括多個拉絲塔冷卻管。如何實現多個拉絲塔冷卻管進行智能化地回收和循環利用，目前缺乏相應的解決方案。

1 光纖制造氦氣回收純化設備介紹

光纖制造氦氣回收純化設備主要由采集單元、壓縮純化單元、供氣單元組成。采集單元，包括進氣匯流罐以及與該進氣匯流罐連接的多條并聯設置的采集管路，每條采集管路連接一條冷卻管，每條采集管路上均設有控制閥門；壓縮純化單元，包括沿氣體流向連接的壓縮泵和純化裝置，接收進氣匯流罐采集的富氦尾氣，經壓縮純化后輸出；供氣單元，包括供氣匯流罐，接收壓縮純化單元提供的高純氦氣，并將高純氦氣通過多條并聯設置的輸送管路連接冷卻管，每條輸送管路連接一條冷卻管。圖1為光纖制造氦氣回收純化設備組成框圖。

圖1 設備組成框圖

2 高效氦氣回收純化系統及控制方法

2.1 系統流程詳述

高效氦氣回收純化系統用于對N個拉絲塔冷卻管中的富氦尾氣進行回收。本實施例中，N為4，即共有4個拉絲塔冷卻管。該拉絲塔冷卻管氦氣回收純化系統包括在沿氣體流動方向依次連接的采集進氣單元、壓縮純化單元和供氣存儲單元。拉絲塔冷卻管的富氦尾氣輸送至采集單元，供氣單元的高純氦氣供至拉絲塔冷卻管。圖2為高效氦氣回收純化系統流程圖。

采集進氣單元包括進氣匯流罐以及4條并聯設置的采集管路，每條采集管路對應連接一個拉絲塔冷卻管，所有采集管路將采集到的富氦尾氣匯連至匯流罐。為了便于對采集進氣進行監控，每條采集管路上設有閥門和質量流量控制器。

圖2 系統流程圖

壓縮純化單元包括沿氣體流向連接的壓縮泵和純化裝置。壓縮泵運行產生的微負壓效應將拉絲塔冷卻管內的富氦尾氣通過采集管路吸入至進氣匯流罐中。壓縮泵后優選地連接有冷卻裝置。純化裝置優選膜分離純化裝置。需要說明的是，作為上述壓縮純化單元的優選方案，壓縮純化單元由多臺并聯(如圖2所示的第一壓縮純化裝置和第二壓縮純化裝置)的壓縮純化裝置組成，每臺壓縮純化裝置包括串聯連接的壓縮泵和膜分離純化裝置，第一壓縮純化裝置入口端設有第一開關閥門，第二壓縮純化裝置入口端設有第二開關閥門。開關閥門根據拉絲生產線生產負荷進行調節，如生產負荷較小，從拉絲塔冷卻管采集到的富氦尾氣較少，可選擇僅開啟單臺壓縮純化裝置；如生產負荷較大，從拉絲塔冷卻管采集到的富氦尾氣多，可選擇開啟兩壓縮純化裝置進行并聯工作。

供氣儲存單元用于接收壓縮純化單元提供的高純氦氣，并將氦氣輸送至拉絲塔冷卻管。供氣儲存單元包括供氣匯流罐，其一方面吸收壓縮純化單元提純后的高濃度氦氣并進行穩壓，另一方面可將高純氦氣通過多條供氣管路輸送至每個拉絲塔冷卻管。每條供氣管路上設有單向閥門。當然，為了補充氦氣在線回收純化過程中的損耗，供氣儲存單元還可包括氦氣氣源，其與供氣匯流罐共同對拉絲塔冷卻管進行供氣。

2.2 系統控制方法說明

為了實時獲知生產線的飽和程度，高效氦氣回收純化系統還包括控制單元。控制單元通過信號線采集冷卻管新鮮氦氣供氣端氦氣質量流量控制器的模擬量信號，一般為4～20 mA電流信號或0～5 V電壓信號，再根據采集到的信號判斷有多少條拉絲塔冷卻管正在使用。當控制單元檢測到有1～2臺拉絲塔冷卻管在使用時，則輸出當前生產負荷較小信號；當控制單元檢測到有3～4臺拉絲塔冷卻管在使用時，則輸出當前生產負荷較大信號。

另外，為了實現對冷卻管氦氣回收工作的智能控制，控制單元分別將采集到冷卻管的新鮮氦氣用量信號乘以一定系數(一般為1.5倍)得到每條冷卻管抽取量信號。進一步，控制單元根據冷卻管抽取量信號控制多路質量流量控制器閥門開度，以實現當冷卻管新鮮氦氣用量在6～10 L/min波動時，廢氦氣回收量在9～15 L/min自動調節。避免冷卻氦管新鮮氦氣用量下降時，廢氦氣回收量保持較大，導致抽取到的廢氦氣純度過低且易造成生產線拉絲絲徑波動；或冷卻氦管新鮮氦氣用量上升時，廢氦氣回收量保持較小，導致抽取到的廢氦氣量過少造成回收效率過低。

進一步，控制單元根據生產線的飽和程度進行自動運行操作。當拉絲生產線當前的生產負荷不足時，控制系統隨機開啟1#進氣電磁閥、1#壓縮純化裝置或2#進氣電磁閥、2#壓縮純化裝置，富氦尾氣經單套壓縮純化設備純化后供至供氣儲存單元。當拉絲生產線當前的生產負荷較滿時，控制系統自動開啟另外一路進氣電磁閥和回收純化裝置，富氦尾氣經兩套壓縮純化設備純化后供至供氣儲存單元。

3 系統優點

與現有技術相比，本系統存在以下技術優點：

1．根據多條冷卻氦管的生產負荷程度，自動對多個壓縮純化裝置進行負載合理分配，有效的避免壓縮純化裝置出現低負荷或負荷過載運行且很大程度上提高了設備的穩定性和提純效率。

2．控制系統通過采集冷卻氦管的新鮮氦氣用量信號，智能控制質量流量控制器閥門的開度，從而在冷卻氦管的新鮮氦氣用量波動的情況下，自動調節回收的廢氦氣量并保證較高的氦氣純度和回收效率。

3．氣體檢測和控制選用熱式質量流量控制器，其精度高、重復性好、響應速度快、穩定可靠、工作壓力范圍寬，可滿足對氣體的質量流量進行精密測量和控制的需求。

4．將壓縮純化裝置提純后得到的高濃度氦氣經多個單向閥供到所有進行廢氦氣回收的冷卻氦管重新使用，避免出現供給冷卻氦管數量較少，高純度氦氣循環供給有剩余，導致供氣匯流罐出現壓力偏高，生產供氣壓力波動，大大提高了冷卻氦管供氣端的穩定性。

4 結束語

本文針對光纖制造冷卻管的廢氦尾氣首次提出多對多的在線式氦氣回收純化方案。在不影響生產工藝參數的前提下，最大限度的將廢尾氦氣回收起來，并智能化的將氦氣提純到99%，再供給生產線循環使用。項目達到了節能、降低生產成本的目的，將循環利用的經濟效益最大化。