一种高效氦气回收纯化系统及控制方法研究

黄 卫，师铜墙，吕继祥，王传喜，刘大瑞

(安徽万瑞冷电科技有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

氦气作为一种稀缺的战略性资源，广泛应用于国防军工、科学研究、航天航空、光纤制造、空调检漏等领域。氦气在空气中含量极少，目前主要依靠开采天然气，然后把氦气从天然气中分离出来，提取难度大，成本高。因此在保护有限的氦气资源，研究高效的废氦气回收和提纯技术，具有广泛的应用前景。

在光纤拉丝制造领域，除拉丝炉要用到氦气外，拉丝塔冷却管也采用氦气作为冷却气体。因此光纤企业迫切需求一种光纤冷却管用氦气循环再利用设备，在不增大纯氦用量和不影响生产工艺的前提下，将放空的氦气最大限度的回收起来，并将回收的氦气净化到合格的纯度，满足光纤生产的需要进行二次循环利用，达到降低生产成本的目的。需要说明的是，在光纤制造领域，其生产设备通常包括多个拉丝塔冷却管。如何实现多个拉丝塔冷却管进行智能化地回收和循环利用，目前缺乏相应的解决方案。

1 光纤制造氦气回收纯化设备介绍

光纤制造氦气回收纯化设备主要由采集单元、压缩纯化单元、供气单元组成。采集单元，包括进气汇流罐以及与该进气汇流罐连接的多条并联设置的采集管路，每条采集管路连接一条冷却管，每条采集管路上均设有控制阀门；压缩纯化单元，包括沿气体流向连接的压缩泵和纯化装置，接收进气汇流罐采集的富氦尾气，经压缩纯化后输出；供气单元，包括供气汇流罐，接收压缩纯化单元提供的高纯氦气，并将高纯氦气通过多条并联设置的输送管路连接冷却管，每条输送管路连接一条冷却管。图1为光纤制造氦气回收纯化设备组成框图。

图1 设备组成框图

2 高效氦气回收纯化系统及控制方法

2.1 系统流程详述

高效氦气回收纯化系统用于对N个拉丝塔冷却管中的富氦尾气进行回收。本实施例中，N为4，即共有4个拉丝塔冷却管。该拉丝塔冷却管氦气回收纯化系统包括在沿气体流动方向依次连接的采集进气单元、压缩纯化单元和供气存储单元。拉丝塔冷却管的富氦尾气输送至采集单元，供气单元的高纯氦气供至拉丝塔冷却管。图2为高效氦气回收纯化系统流程图。

采集进气单元包括进气汇流罐以及4条并联设置的采集管路，每条采集管路对应连接一个拉丝塔冷却管，所有采集管路将采集到的富氦尾气汇连至汇流罐。为了便于对采集进气进行监控，每条采集管路上设有阀门和质量流量控制器。

图2 系统流程图

压缩纯化单元包括沿气体流向连接的压缩泵和纯化装置。压缩泵运行产生的微负压效应将拉丝塔冷却管内的富氦尾气通过采集管路吸入至进气汇流罐中。压缩泵后优选地连接有冷却装置。纯化装置优选膜分离纯化装置。需要说明的是，作为上述压缩纯化单元的优选方案，压缩纯化单元由多台并联(如图2所示的第一压缩纯化装置和第二压缩纯化装置)的压缩纯化装置组成，每台压缩纯化装置包括串联连接的压缩泵和膜分离纯化装置，第一压缩纯化装置入口端设有第一开关阀门，第二压缩纯化装置入口端设有第二开关阀门。开关阀门根据拉丝生产线生产负荷进行调节，如生产负荷较小，从拉丝塔冷却管采集到的富氦尾气较少，可选择仅开启单台压缩纯化装置；如生产负荷较大，从拉丝塔冷却管采集到的富氦尾气多，可选择开启两压缩纯化装置进行并联工作。

供气储存单元用于接收压缩纯化单元提供的高纯氦气，并将氦气输送至拉丝塔冷却管。供气储存单元包括供气汇流罐，其一方面吸收压缩纯化单元提纯后的高浓度氦气并进行稳压，另一方面可将高纯氦气通过多条供气管路输送至每个拉丝塔冷却管。每条供气管路上设有单向阀门。当然，为了补充氦气在线回收纯化过程中的损耗，供气储存单元还可包括氦气气源，其与供气汇流罐共同对拉丝塔冷却管进行供气。

2.2 系统控制方法说明

为了实时获知生产线的饱和程度，高效氦气回收纯化系统还包括控制单元。控制单元通过信号线采集冷却管新鲜氦气供气端氦气质量流量控制器的模拟量信号，一般为4～20 mA电流信号或0～5 V电压信号，再根据采集到的信号判断有多少条拉丝塔冷却管正在使用。当控制单元检测到有1～2台拉丝塔冷却管在使用时，则输出当前生产负荷较小信号；当控制单元检测到有3～4台拉丝塔冷却管在使用时，则输出当前生产负荷较大信号。

另外，为了实现对冷却管氦气回收工作的智能控制，控制单元分别将采集到冷却管的新鲜氦气用量信号乘以一定系数(一般为1.5倍)得到每条冷却管抽取量信号。进一步，控制单元根据冷却管抽取量信号控制多路质量流量控制器阀门开度，以实现当冷却管新鲜氦气用量在6～10 L/min波动时，废氦气回收量在9～15 L/min自动调节。避免冷却氦管新鲜氦气用量下降时，废氦气回收量保持较大，导致抽取到的废氦气纯度过低且易造成生产线拉丝丝径波动；或冷却氦管新鲜氦气用量上升时，废氦气回收量保持较小，导致抽取到的废氦气量过少造成回收效率过低。

进一步，控制单元根据生产线的饱和程度进行自动运行操作。当拉丝生产线当前的生产负荷不足时，控制系统随机开启1#进气电磁阀、1#压缩纯化装置或2#进气电磁阀、2#压缩纯化装置，富氦尾气经单套压缩纯化设备纯化后供至供气储存单元。当拉丝生产线当前的生产负荷较满时，控制系统自动开启另外一路进气电磁阀和回收纯化装置，富氦尾气经两套压缩纯化设备纯化后供至供气储存单元。

3 系统优点

与现有技术相比，本系统存在以下技术优点：

1．根据多条冷却氦管的生产负荷程度，自动对多个压缩纯化装置进行负载合理分配，有效的避免压缩纯化装置出现低负荷或负荷过载运行且很大程度上提高了设备的稳定性和提纯效率。

2．控制系统通过采集冷却氦管的新鲜氦气用量信号，智能控制质量流量控制器阀门的开度，从而在冷却氦管的新鲜氦气用量波动的情况下，自动调节回收的废氦气量并保证较高的氦气纯度和回收效率。

3．气体检测和控制选用热式质量流量控制器，其精度高、重复性好、响应速度快、稳定可靠、工作压力范围宽，可满足对气体的质量流量进行精密测量和控制的需求。

4．将压缩纯化装置提纯后得到的高浓度氦气经多个单向阀供到所有进行废氦气回收的冷却氦管重新使用，避免出现供给冷却氦管数量较少，高纯度氦气循环供给有剩余，导致供气汇流罐出现压力偏高，生产供气压力波动，大大提高了冷却氦管供气端的稳定性。

4 结束语

本文针对光纤制造冷却管的废氦尾气首次提出多对多的在线式氦气回收纯化方案。在不影响生产工艺参数的前提下，最大限度的将废尾氦气回收起来，并智能化的将氦气提纯到99%，再供给生产线循环使用。项目达到了节能、降低生产成本的目的，将循环利用的经济效益最大化。