黃 衛(wèi)，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(zhàn)略性資源，廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍工、科學(xué)研究、航天航空、光纖制造、空調(diào)檢漏等領(lǐng)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(hù)有限的氦氣資源，研究高效的廢氦氣回收和提純技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

在光纖拉絲制造領(lǐng)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(yè)迫切需求一種光纖冷卻管用氦氣循環(huán)再利用設(shè)備，在不增大純氦用量和不影響生產(chǎn)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(chǎn)的需要進(jìn)行二次循環(huán)利用，達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。需要說明的是，在光纖制造領(lǐng)域，其生產(chǎn)設(shè)備通常包括多個(gè)拉絲塔冷卻管。如何實(shí)現(xiàn)多個(gè)拉絲塔冷卻管進(jìn)行智能化地回收和循環(huán)利用，目前缺乏相應(yīng)的解決方案。

1 光纖制造氦氣回收純化設(shè)備介紹

光纖制造氦氣回收純化設(shè)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(jìn)氣匯流罐以及與該進(jìn)氣匯流罐連接的多條并聯(lián)設(shè)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(shè)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(jìn)氣匯流罐采集的富氦尾氣，經(jīng)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(lián)設(shè)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(shè)備組成框圖。

圖1 設(shè)備組成框圖

2 高效氦氣回收純化系統(tǒng)及控制方法

2.1 系統(tǒng)流程詳述

高效氦氣回收純化系統(tǒng)用于對(duì)N個(gè)拉絲塔冷卻管中的富氦尾氣進(jìn)行回收。本實(shí)施例中，N為4，即共有4個(gè)拉絲塔冷卻管。該拉絲塔冷卻管氦氣回收純化系統(tǒng)包括在沿氣體流動(dòng)方向依次連接的采集進(jìn)氣單元、壓縮純化單元和供氣存儲(chǔ)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(tǒng)流程圖。

采集進(jìn)氣單元包括進(jìn)氣匯流罐以及4條并聯(lián)設(shè)置的采集管路，每條采集管路對(duì)應(yīng)連接一個(gè)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(duì)采集進(jìn)氣進(jìn)行監(jiān)控，每條采集管路上設(shè)有閥門和質(zhì)量流量控制器。

圖2 系統(tǒng)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(yùn)行產(chǎn)生的微負(fù)壓效應(yīng)將拉絲塔冷卻管內(nèi)的富氦尾氣通過采集管路吸入至進(jìn)氣匯流罐中。壓縮泵后優(yōu)選地連接有冷卻裝置。純化裝置優(yōu)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(yōu)選方案，壓縮純化單元由多臺(tái)并聯(lián)(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(tái)壓縮純化裝置包括串聯(lián)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(shè)有第一開關(guān)閥門，第二壓縮純化裝置入口端設(shè)有第二開關(guān)閥門。開關(guān)閥門根據(jù)拉絲生產(chǎn)線生產(chǎn)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)，如生產(chǎn)負(fù)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(tái)壓縮純化裝置；如生產(chǎn)負(fù)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(jìn)行并聯(lián)工作。

供氣儲(chǔ)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(chǔ)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(jìn)行穩(wěn)壓，另一方面可將高純氦氣通過多條供氣管路輸送至每個(gè)拉絲塔冷卻管。每條供氣管路上設(shè)有單向閥門。當(dāng)然，為了補(bǔ)充氦氣在線回收純化過程中的損耗，供氣儲(chǔ)存單元還可包括氦氣氣源，其與供氣匯流罐共同對(duì)拉絲塔冷卻管進(jìn)行供氣。

2.2 系統(tǒng)控制方法說明

為了實(shí)時(shí)獲知生產(chǎn)線的飽和程度，高效氦氣回收純化系統(tǒng)還包括控制單元?？刂茊卧ㄟ^信號(hào)線采集冷卻管新鮮氦氣供氣端氦氣質(zhì)量流量控制器的模擬量信號(hào)，一般為4～20 mA電流信號(hào)或0～5 V電壓信號(hào)，再根據(jù)采集到的信號(hào)判斷有多少條拉絲塔冷卻管正在使用。當(dāng)控制單元檢測(cè)到有1～2臺(tái)拉絲塔冷卻管在使用時(shí)，則輸出當(dāng)前生產(chǎn)負(fù)荷較小信號(hào)；當(dāng)控制單元檢測(cè)到有3～4臺(tái)拉絲塔冷卻管在使用時(shí)，則輸出當(dāng)前生產(chǎn)負(fù)荷較大信號(hào)。

另外，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)乘以一定系數(shù)(一般為1.5倍)得到每條冷卻管抽取量信號(hào)。進(jìn)一步，控制單元根據(jù)冷卻管抽取量信號(hào)控制多路質(zhì)量流量控制器閥門開度，以實(shí)現(xiàn)當(dāng)冷卻管新鮮氦氣用量在6～10 L/min波動(dòng)時(shí)，廢氦氣回收量在9～15 L/min自動(dòng)調(diào)節(jié)。避免冷卻氦管新鮮氦氣用量下降時(shí)，廢氦氣回收量保持較大，導(dǎo)致抽取到的廢氦氣純度過低且易造成生產(chǎn)線拉絲絲徑波動(dòng)；或冷卻氦管新鮮氦氣用量上升時(shí)，廢氦氣回收量保持較小，導(dǎo)致抽取到的廢氦氣量過少造成回收效率過低。

進(jìn)一步，控制單元根據(jù)生產(chǎn)線的飽和程度進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行操作。當(dāng)拉絲生產(chǎn)線當(dāng)前的生產(chǎn)負(fù)荷不足時(shí)，控制系統(tǒng)隨機(jī)開啟1#進(jìn)氣電磁閥、1#壓縮純化裝置或2#進(jìn)氣電磁閥、2#壓縮純化裝置，富氦尾氣經(jīng)單套壓縮純化設(shè)備純化后供至供氣儲(chǔ)存單元。當(dāng)拉絲生產(chǎn)線當(dāng)前的生產(chǎn)負(fù)荷較滿時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)開啟另外一路進(jìn)氣電磁閥和回收純化裝置，富氦尾氣經(jīng)兩套壓縮純化設(shè)備純化后供至供氣儲(chǔ)存單元。

3 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本系統(tǒng)存在以下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

1．根據(jù)多條冷卻氦管的生產(chǎn)負(fù)荷程度，自動(dòng)對(duì)多個(gè)壓縮純化裝置進(jìn)行負(fù)載合理分配，有效的避免壓縮純化裝置出現(xiàn)低負(fù)荷或負(fù)荷過載運(yùn)行且很大程度上提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和提純效率。

2．控制系統(tǒng)通過采集冷卻氦管的新鮮氦氣用量信號(hào)，智能控制質(zhì)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(dòng)的情況下，自動(dòng)調(diào)節(jié)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(cè)和控制選用熱式質(zhì)量流量控制器，其精度高、重復(fù)性好、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定可靠、工作壓力范圍寬，可滿足對(duì)氣體的質(zhì)量流量進(jìn)行精密測(cè)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(jīng)多個(gè)單向閥供到所有進(jìn)行廢氦氣回收的冷卻氦管重新使用，避免出現(xiàn)供給冷卻氦管數(shù)量較少，高純度氦氣循環(huán)供給有剩余，導(dǎo)致供氣匯流罐出現(xiàn)壓力偏高，生產(chǎn)供氣壓力波動(dòng)，大大提高了冷卻氦管供氣端的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)光纖制造冷卻管的廢氦尾氣首次提出多對(duì)多的在線式氦氣回收純化方案。在不影響生產(chǎn)工藝參數(shù)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(chǎn)線循環(huán)使用。項(xiàng)目達(dá)到了節(jié)能、降低生產(chǎn)成本的目的，將循環(huán)利用的經(jīng)濟(jì)效益最大化。