氦气纯化器性能测试方法的比较

马香莲，师铜墙，刘 杨，陈志军，吕继祥，黄 卫，张苏雯

(安徽万瑞冷电科技有限公司，安徽 合肥 230088)

1 前 言

氦气是一种不可再生的稀缺性战略资源，在卫星发射、导弹武器工业、浮空器、低温超导研究、半导体生产、核磁共振成像、特种金属冶炼及气体检漏等方面具有广泛的用途。氦气在全球的储量分布非常不均匀，北美、北非及俄罗斯等地有着较为丰富的氦气资源，而我国氦气资源相对匮乏，我国的工业企业和科学试验用氦气(含液氦)基本依靠国外进口，国内的氦气价格相对较高，且供货周期很长，基于节约氦气资源，降低氦气使用成本，国内相关企业陆续开展氦气回收纯化装置的研制和生产，有效解决了废氦气的回收提纯纯化问题。氦气纯化器即为工业领域以及科学院所提供氦气回收提纯的常用设备。为保证交付氦气纯化器性能合格，在出厂前需要进行性能测试试验，如处理量大的设备做一次测试，需要大量氦气。本文结合生产实际，就两种不同性能测试方法进行了分析和比较。

2 材料和方法

2.1 原理

储存于球囊或钢瓶组的不纯氦气流经氦气纯化器吸附杂质，杂质留在纯化器，出气即为氦气高纯气体。

2.2 仪器

2.2.1纯度测量

不纯氦气的纯度采用综合分析仪进行测量；高纯氦气的纯度采用可测量氮、氧、水的多组分高纯分析仪。

2.2.2流量测量

流量计控制流经氦气纯化器的流量，多余流量采用旁通。

2.3 材料

测试所需的不纯氦气。

3 氦气纯化器测试方法

3.1 吸附总量离线测试方法

吸附总量离线测试方法是指在不采用压缩机动力源的情况下，利用钢瓶组放气的方法来测试纯化器的性能，图1为吸附总量离线测试流程。

图1 吸附总量离线测试方法流程

该测试方法流程简单，但受吸附总量Q和工作压力限制。例如需测试的氦气纯化器的设计参数为：进气纯度95%，出气纯度为99.999%，工作压力P=15 MPa，流量q=100 m3/h，工作时间t=8 h，则需要总氦气量为：Q总=q·t=100×8=800 m3。

由气体状态方程P1V1/T1=P2V2/T2可知，储存气体的压力和体积成反比。

标准大气压101 kPa=0.101 MPa，单个钢瓶的水容积为40 L，存储压力为14.5 MPa，则单个钢瓶的存贮容积为：40×14.5/0.101=5742.6 L=5.7 m3。

按照用气量800 m3计算，需要40 L的钢瓶140个，16个一组，需要钢瓶组9组，总备气量：5.7×16× 9=820.8 m3。

根据设计要求，整个测试过程工作压力应为15 MPa，钢瓶组的最高充装压力14.5 MPa，在测试的进程中，钢瓶组的压力是在逐渐降低，纯化器的吸附容量可通过测试数据进行推算，而流量、压力变化对纯化器性能的影响只能忽略不计。

3.2 压缩机在线循环测试方法

压缩机在线循环测试方法是在压缩机提供动力情况下，以纯化器实际设计参数为目标，调整符合要求的压力、流量等参数，测试时间可严格按照技术要求进行，进气则通过纯度高的氦气与杂质气体混合提供测试合适气源。该方法可有效解决吸附总量离线测试方法中存在的不足，测试流程见图2。

图2 压缩机在线循环测试方法

如设备的设计参数：进气纯度95%，出气纯度为99.999%，工作压力P=15 MPa，流量q=100 m3/h，工作时间t=8 h。

由于测试方法为氦气循环测试，则不需要准备大量的氦气，基本准备Q1>100 m3/h的气体即可。但要考虑以下几个因素，备足氦气量。

由于低温下纯化器增压到15 MPa，需富裕气体量Q2计算如下：用气体状态方程P1V1/T1=P2V2/T2可知，标准大气压101 kPa=0.101 MPa，纯化器总容积假设为120 L，工作温度为77 K，工作压力15 MPa，经计算需富裕的气体量Q2为：0.101×Q2/273= 15×120/77，Q2=63 186 L，约63 m3。

常温管道系统以及干燥系统容积假设为80 L，则求得在常温下气体增压到15 MPa所需的气体量为Q3，用气体状态方程代入0.101×Q2/273= 15×80/273，Q3=11881 L，约12 m3。

考虑球囊漏率及分析仪的浪费气体，系统回收率为98%，则所需浪费气体Q4=100×(1-98%)×8= 16 m3。

故测试用气准备95%纯度的氦气为Q1+Q2+Q3+Q4=100+63+12+16=191 m3氦气即可满足测试需要。

测试流程：测试用气充入球囊，启动压缩机，把球囊气体输送到纯化器纯化，经过纯化器的气体再流入气囊，这样气囊的纯度会越来越高，大于95%，则需向气囊中补充杂质气体，杂质气体补充量根据实际纯度来把控，低于测试进气补充高纯氦气，高于测试进气补充杂质气体，根据测试经验基本都是补充杂质气体。按照下表1记录试验数据。

表1 试验数据记录表

当设备出99.999%时间为t1，测试饱和时间t2，t2-t1即为纯化器连续工作时间。

4 讨 论

4.1 吸附总量离线测试方法

吸附总量离线测试方法流程简单，测试系统搭建也较简易，测试不需要压缩机也可以做测试，解决了无压机不测试的难题。但测试成本高，举例工况做一次测试需要准备800 m3氦气，测试成本8万左右；由于压力变化导致流量以及流速的变化，测试后需要大量的计算，推算修正，不能反映纯化器的真实性能。但在紧急情况或针对成熟产品可采用此方法。

4.2 压缩机在线循环测试方法

压缩机在线循环测试方法成本低，举例工况做一次测试需要准备191 m3氦气，测试成本2万左右；数据真实直观，测试后测试性能就能反馈出来，压力、流量、纯度、时间都真实工况模拟。

4.3 氦气纯化器进气纯度

由于本测试方法为循环测试，当综合分析仪测得进气纯度>95%时，则往球囊中补空气，空气补给量根据纯度分析仪读数，进气纯度在95%左右时，停止补气。

4.4 氦气纯化器进气流量

氦气纯化器的流量即为氦气纯化器的单位时间处理的氦气量，如果流量大于氦气的处理量，即测试进气量为q=200 m3/h，这不仅体现在饱和时间缩短一半，也有可能导致纯化器出气管道结霜，氦气纯度达不到等多种因素(本文不做详细讨论)，所以提供动力的压缩机流量大于氦气纯化器的处理量时候，则必须做旁通分流，给纯化器提供一个合适的流量。

5 总 结

综上所述，本文比较了纯化器性能测试的两种方法，吸附总量离线测试方法和压缩机在线循环测试方法两种测试方法，但第一种测试方法不推荐使用，测试成本高，测试后需要大量的计算推算，同时不能反映纯化器的真实性能；但在紧急情况或针对成熟产品可采用此方法，第二种测试方法成本低，数据真实直观，测试后测试性能就能反馈出来，压力、流量、纯度、时间都真实工况模拟，建议纯化器性能测试采用第二种方法。