5kW@4.5K 氦制冷系统除油及纯化装置设计研究

郝德松2014年 5 月 21 日

主要内容

研究背景及系统概况

研究内容：

除油系统油气分离设计研究

除油系统后级干燥及除尘设计

低温吸附器设计计算及外纯化系统 P&ID工艺流程设计

内容总结

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研究背景

CFETR是中国聚变工程实验堆简称，氦制冷系统是其主要辅助系统之一，为超导磁体、冷屏、低温真空泵、中性注入、弹丸注入等低温用户提供冷源。 5kW/4.5K氦制冷系统为 CFETR聚变堆超导磁体 R&D的低温测试提供冷源，为建造 CFETR低温系统做重要预研。

系统中的杂质会降低热交换器的效率，冲击点蚀透平，造成系统的不稳定，需将氦气中的杂质降到合理范围内。我国天然气资源中氦的含量仅为 0.03%-0.16%，氦气资源相对匮乏，价格十分昂贵，应配备氦气回收及纯化系统。

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系统组成概况Page 3

图 1 KSTAR 回收压缩机

图 7 EAST 氦气储罐

图 2 LHC 压缩机站系统图 图 3 Mycom 喷油螺杆压缩机 图 4 KSTAR 除油系统

图 6 LHC 干燥器

图 9 KSTAR 氦气回收气袋

图 5 IPR 纯化器

图 8 系统的工艺流程框图

除油系统与氦气回收纯化系统

除油系统设计计算；

滤油器实验； 活性炭吸附

曲线测试实验方案设计；

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图 11 氦气回收纯化系统

图 10 压机站除油系统

外纯化吸附计算及筒体设计与分析；

P&ID 工艺流程设计。

除油净化系统 压机出口 一级滤油 二级滤油 油吸附器

含油量 <100ppm(w) <10 ppm(w) <0.5 ppm(w) <10ppb(w)

表 1 压缩机站除油系统除油等级要求

滤油器选型及计算

油滴： 1~50μm最多，最小0.01μm， 0.5μm的最难分离；

机械碰撞法 (>1μm)和亲和聚结法 (<1μm)

，可降到 0.1ppm； 选用 SLX系列 A型与 D型滤芯 (美国进口的玻纤滤纸， 0.1μm)；

SLXA系列油分的分油效率为：η=99.75%~99.85%；

一级滤油器的油分效率为： η1= 0.15ppm~0.25ppm； 二级滤油器的油分效率为： η2= 0.0225ppm~0.0625ppm； 采用两级原因：滤纸孔径一大一小。

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图 12 西安四星的微米级滤芯

图 13 油分效率与流速关系

滤油器实验

测试二级滤油器后、一级滤油器后和换热器后的油含量，每个点测试四组数据，稳态两组，变压两组，稳态压力为 18.5bar ，变压压力从 18.5bar到 0bar( 表压 ) 。

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图 14 实验工艺流程图

图 18 两级滤油器

图 15 现场仪表及传感器安装

图 17 读取信号调理器数据图 16 光纤传感器

测试数据

经过两级滤油器后，折光率变大，油含量降低。换热器后、一级滤油后、二级滤油后分析仪的折光率变大，油含量有变小趋势。随着压力的变小，折光率变小。建议后续的实验采用更高灵敏度的油分析仪。

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图 19 1.85MPa 换热器后折光率 图 20 1.85MPa 一级滤油后折光率 图 21 1.85MPa 二级滤油后折光率

图 22 1.85~0MPa 换热器后折光率 图 23 1.85~0MPa 一级滤油后折光率 图 24 1.85~0MPa 二级滤油后折光率

常温下活性炭除油概述

物理吸附与化学吸附； 吸附剂— 3 号活性炭 (EAST) ； 固定床吸附四点前提：(1) 气相中吸附质浓度低 (0.5ppm) ；(2) 等温吸附，吸附热小 (646g/s) ；(3) 在吸附过程中传质层高度不变；(4) 床层长度比传质区足够高 (>2) 。

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参数 数值

工作压力 P（ bar ） 20

工作温度 T（ K ） 303

工质 ( 氦气 ) 密度 ρHe（ kg/m3 ） 3.149

工质 ( 氦气 ) 体积流量 q1 (m3/h) 731.32

工质 ( 氦气 ) 质量流量 G1（ g/h ） 2325.6

工质 ( 氦气 ) 进口含油量 Cim（ ppm ） 0.5

工质 ( 氦气 ) 出口含油量 Cout（ ppb ） 10

连续使用时间 tS（ h ） 8000

3 号活性炭比表面积（ m2/g ） 1050

3 号活性炭堆重比 σ（ t/m3 ） 0.5

吸附剂量计算：

其中， a取 20mg/g ； 床层直径计算：

空床流速 v1取 0.3m/s

参数 数值

吸附床高度 H2（m ） 2.8

吸附床直径 d1 (m) 0.9288

吸附床高径比 3.015

活性炭体积 V2（m3 ） 1.896

活性炭质量 m2（ kg ） 948.01

实际可用时间 t 实（ h ） 13588

a

CtGm imS1

1

1000

1

11 3600

4

v

qd

表 2 油吸附器初始参数及设计要求

表 3 油吸附床层计算结果

吸附容量工艺参数测试研究

三号活性炭对压缩机润滑油的吸附容量未知，该值

是设计活性炭油吸附器的关键参数；

为低温下杂质吸附容量测试的研究提供帮助；

先测量经过二级滤油器后的气体含油量，经过二级

滤油器后气体含油量小于 0.5ppm；

方案分为吸附柱进气口油含量测试和活性炭吸附曲

线测试。

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吸附容量测试理论基础 (1)

理想吸附负荷曲线与实际吸附负荷曲线；

吸附剂中的吸附质的含量不易直接测得，用床层中混合气体的杂质含量来替代；

很难测得床层中各点混合气体的杂质含量，用床层出口处混合气体中杂质含量来替代；

穿透曲线的曲线部分斜率大，则传质层短，吸附过程快，床层的吸附能力比较强。

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图 25 吸附负荷曲线

图 26 穿透曲线随时间 t变化

吸附容量测试理论基础 (2)

• 传质区形成以后，其移动一个本身长度所需时间 tD 为：

其中， W 为流经吸附柱的工质总质量； G 为氦气的质量流量；• 传质区长度 Z 为：

其中， H 为吸附柱床层长度； 吸附传质区形成时间

tF=（ 1- φ） tD ；• 未饱和分率 φ 为：

其中， C0 为进气口油含量浓度；• 求得传质区长度 Z 为：

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图 27 穿透曲线随质量 W变化

G

WW

G

W abdD

t

Htt

tZ

FB

D

0

0

)(

)(

CWW

dWCC

ab

W

W

b

a

Htt

ttZ

AB

AB

)1(

• 吸附床的饱和度 η 饱和度为：

• 吸附容量 Nd 可以由穿透曲线求得：

• 求得吸附床对油的吸附容量 N 床为：

H

Z 1饱和度

柱HS

dWCCN

J

W

d

b

0 0 )(

柱饱和度床 HS

dWCC

H

Z

CWW

dWCCNN

J

W

ab

W

Wd

bb

a

0 0

0

0 )(]

)(

)(1[

吸附容量测试方案设计

控制阀流量QC，

记录温度 T1和压力 P1，流量、质量；

A、B点完整的穿透吸附曲线；

到 0.45ppm时，结束。

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图 28 活性炭对油吸附实验工艺流程

图 29 实验吸附器

活性炭油吸附器设计研究

伯哈特和亚当斯通过实验发现：

其中， tA(h)为穿透时间； Nd(kg/m3)为吸附容量； H(m)为吸附床高； C0(kg/m3)为进气口杂质含量； v(m/h)为空床流速； K为比例系数，单位为 m3/(kg·h)； CA(kg/m3)为穿透时吸附床出气口中的杂质含量；

即：

其中 B为斜率， A为截距；

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)1ln(1 0

00

A

dA C

C

KCH

vC

Nt

ABHtA

绘制 tA-H线； 根据穿透曲线做求得的吸附容量 Nd

来求得 B，可求得吸附器设计高度HS为：

当 tA=0时，床层高度 H0即为传质区高度 ZS，即：

若 HS≥2ZS，则满足吸附设计要求； 若 2ZS>HS≥ZS ，经济性不达标； 若 ZS>HS ，吸附床层高小于传质层

高，进气即穿透，需重新选取空床流速进行设计。

B

AtH S

S

dS N

vAC

B

AHZ 0

0

吸附柱进气口油含量测试方案设计

A组先通高纯气体，再通二级滤油后的气体； B组先通二级滤油后的气体，再通高纯气体； 压力 (P)随时间 (t)的变化； 温度 (T)随时间 (t)的变化； A组用高纯氦气冲洗混合室，测得 λ1； 压力从 18bar到 20bar时，测得 λ2； B组用二级滤油后气体冲洗混合室，压力从 2bar到 20bar时，测得 λ2；

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图 30 吸附柱进气口油含量测试工艺流程 图 31 气体混合室 P1、 T1下，气体质量为 m1， P2、 T2下，气体质量为 m2： A组中，混合室中的气体含油质量为 m3：

可得等式：

可求得吸附柱进气口油含量 λ3为：

B组得到同样的等式。

113 mm

3121122 ）（ mmmm

12

11223

除油系统后级干燥器设计

• 分子筛的用量M为：

其中， C0为进气口含水量；

QHe为体积流量； t为维护时间； a为吸附值；• 高径比一般取 2~3

• 分子筛实际用量为：

其中， HS为设计高度；

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参数 数值分子筛的体积（ m3 ） 4.71

分子筛的质量（ kg ） 3297

吸附床的直径（ mm ） 2300

吸附床高度（ mm ） 4650

吸附床传质区高度（ mm ） 21.6

传质区占吸附床层比例 0.47%

吸附床高径比 2.0

参数 数值工作压力（ bar ） 20

工作温度（ K ） 303

工质 ( 氦气 ) 密度（ kg/m3 ） 3.149

分子筛直径 (mm) 3.2

分子筛吸附值 8%

分子筛堆积密度（ kg/m3 ） 700

工质 ( 氦气 ) 质量流量（ g/s ） 646

工质 ( 氦气 ) 体积流量（ m3/

h ）738.52

干燥器进口含水量（ ppm ） 5

干燥器出口含水量（ ppm ） 1

每级最大压降（ bar ） 0.1

维护时间（ h ） 5000

表 4 干燥器初始参数及设计要求

表 6 干燥器吸附床设计结果

传质区的高度 HZ为：

其中， RS为相对湿度； A为吸附常数； Wm空床流速； qF为水负荷； 校核转效时间 θb：

吸附容量校核； 用欧根公式校核压降。

参数 数值 参数 数值工况下吸附容量（ m3/kg ） 5.6×10-3 相对湿度 0.2356%

分子筛计算用量（ kg ） 3297 水负荷（ kg/(h·m2) ） 0.0127

空床流速（ m/s ） 0.05 转校时间（ h ） 20504

床层计算直径（ mm ） 2300 压降（ bar ） 0.0018

床层计算高度（ mm ） 1134 吸附值校核 aS 8.02%

表 5 干燥器设计计算过程数值

a

tQCM He0

4

2HeS

S

HdM

Sm

FZ

RW

qAH 5506.0

7895.0

41.1

F

Sb q

Ha 分

除油系统后级粉尘过滤器设计

用 EAST低温系统运行数据求解滤管的比阻力为：

比阻为：

27根。

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19

11

51

1 1015.410

mu

PRm

211

1

11 1097.6 m

L

Rr

m

mm

参数 数值

粉尘过滤器圆筒外径（ mm ） 288

粉尘过滤器圆筒内径（ mm ） 280

粉尘过滤器圆筒名义厚度（ mm ） 4

粉尘过滤器圆筒有效厚度（ mm ） 3.2

粉尘过滤器圆筒高度（ mm ） 900

粉尘过滤器圆筒许用工作压力（ MPa ） 2.63

参数 数值

粉尘过滤器封头外径（ mm ） 288

粉尘过滤器封头内径（ mm ） 280

粉尘过滤器封头名义厚度（ mm ） 4

粉尘过滤器封头有效厚度（ mm ） 3.2

粉尘过滤器封头直边长度（ mm ） 26

粉尘过滤器封头许用工作压力（ MPa ） 2.65

表 7 粉尘过滤器封头设计参数 表 8 粉尘过滤器筒体设计参数

图 32 EAST 干燥器与粉尘过滤器

低温下杂质的清除及吸附再生

• Kidnay和 Hiza 的实验；• 降压再生， x1-x2 ；• 升温再生， x1-x3 ；• 两种方式结合， x1-x4 ；

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He-99.8%杂质 -0.2%

N2,H2-90%

其它 -10%

N2

O2、 CxHyCO2、 Ar

H2

Ne

• 活性炭对非极性分子吸附能力强；• 分子筛对非极性分子吸附能力弱；• 硅胶干燥高湿气体，水、甲醇等；• 深度纯化低温气体用活性炭；

图 33 氦气中的杂质比例 图 34 降压再生与升温再生

78K低温吸附器设计计算 (1)

氦气中的杂质占氦气比例分别为：

其中， c0,N2、 c0,H2 分别为杂质分配到氮氢组分的体积浓度；

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参数 数值

氦气流量 Q0（ Nm3/h ） 300

压力 P0（ bar ） 18

吸附温度 T0（ K ） 78

待纯化气体杂质含量 c0 0.2%

吸附器工作时间 t（ h ） 24

吸附器再生时间 tZ（ h ） 8

3,0,00 102

22

HN ccc''

,0',0

',0

'N,0 ,0222,02 ArmnN

cccccc COHCo

3'0

',0,0 1065.0

22

NeHH ccc

31035.1

用朗格缪尔方程法计算吸附剂对混合杂质的吸附容量 ad ：

其中， aN2、 aH2为分别为对H2、 N2的吸附容量；

PN2、 PH2分别为 H2、 N2分压；

a0,N2、 a0,H2分别为当 T=78K和 t=24h时，活性炭吸附 N2

和 H2的最大吸附值； KN2、 KH2为朗格缪尔方程式中的分压常数。

2

2

2

2

0

,0

0

,0da H

HN

N ac

ca

c

c

2222

222

2 1a ,0

NHHNN

NNN

PKPK

PKa

2222

222

2 1a ,0

HNNHH

HHH

PKPK

PKa

表 9 纯化器工况及气体初始参数

• 吸附床层最小高度为：

• 吸附器有确定的极限值 clim, 纯化的纵坐标截距为：

• 待纯化氦气中杂质分子数为 N0 ：

• 吸附剂层高度为：

• 对比 Had与 Hmin 大小。

78K低温吸附器设计计算 (2)

• 颗粒半径为 1mm ，容积速率wv 取为 0.5m/min ，确定 β0为370 1/min 。

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tNc

clglglg 0

0

lim

25000 10687.2 tcQN

0

lim

0

min

lg3.2

β

c

cu

HV

图 35 动力性传质系数 β0=f(WV,dm) 曲线

ad

ad

S

GH

ad

吸附计算结果及分析

在 78K 温度下，随着氦气杂质中氮含量的增加，活性炭对混合杂质的吸附容量增大；随着氦气杂质中氢含量的增加，活性炭对混合杂质的吸附容量减小。

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参数 数值对 N2 的吸附容量（ cm3/g ） 250.57

对 H2 的吸附容量（ cm3/g ） 7.78

对混合杂质的吸附容量（ cm3/g ） 171.66

所需活性炭的体积（ m3 ） 0.1951

所需活性炭的质量（ kg ） 83.90

吸附床的直径（ mm ） 431.26

吸附传质区高度（ mm ） 81.45

吸附床最小高度（ mm ） 814.51

吸附床高度（ mm ） 1336.18

吸附床与传质区高比 16.40

吸附床高径比 3.10

表 10 低温吸附设计计算结果

图 36 氮、氢比例对吸附容量的影响

传质区高 81.45mm

饱和区

未传质区

吸附床高 1336mm

图 37 吸附柱比例

吸附筒设计结果与应力分析Page 21

参数 数值

封头外径（mm） 450

封头内径（mm） 438

封头名义厚度（mm） 6.0

封头有效厚度（mm） 5.2

封头直边长度（mm） 50

封头许用工作压力（MPa） 2.75

参数 数值

筒体外径（mm） 450

筒体内径（mm） 438

筒体名义厚度（mm） 6

筒体有效厚度（mm） 5.2

筒体高度（mm） 1500

筒体许用工作压力（MPa） 2.73

表 11 吸附器筒体设计参数

表 12 吸附器封头设计参数图 38 不锈钢弹性模量随温度变化 图 39 不锈钢泊松比随温度变化

图 40 78K 下吸附筒应力场分布 图 41 最大应力随温度变化

外纯化系统干燥工艺流程设计Page 22

切换干燥器

正常工作

干燥筒泄压

通Hot N2

反吹干燥筒

停止加热抽真空

用干净氦气回压

待切换

图 42 干燥器工艺流程及操作转换

外纯化系统纯化器流程设计Page 23

切换纯化器

正常工作

吸附筒泄压排LN2

通Hot N2

反吹吸附筒

停止加热抽真空

用干净氦气回压

充LN2冷却吸附筒

待切换

图 43 纯化器工艺流程及操作转换

总结

完成滤油器选型计算及实验；完成吸附柱进气口油含量测试和活性炭对油

吸附容量测试两个实验的方案设计；完成活性炭油吸附器设计研究；完成除油系统后级干燥器与粉尘过滤器设计；完成 78K 温度下活性炭对混合杂质气体吸附

计算，并进一步设计吸附器；完成纯化器吸附筒结构设计及应力分析；完成外纯化系统 P&ID 工艺流程设计。

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谢 谢！