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
5kW45K氦制冷系统除油及纯化装置设计研究聚变堆总体研究室.pptx
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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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图 1 KSTAR 回收压缩机
图 5 IPR 纯化器
图 7 EAST 氦气储罐
系统组成概况
图 2 LHC 压缩机站系统图
图 3 Mycom 喷油螺杆压缩机
图 8 系统的工艺流程框图
图 4 KSTAR 除油系统
图 6 LHC 干燥器
图 9 KSTAR 氦气回收气袋
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除油系统与氦气回收纯化系统
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表 1 压缩机站除油系统除油等级要求
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)
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；
外纯化吸附 计算及筒体 设计与分 析；
P&ID 工艺流 程设计 。
图 10 压机站除油系统
图 11 氦气回收纯化系统
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滤油器选型及计算
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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：
- η 1= 0.15ppm~0.25ppm ；
二级滤油器的油分效率为：
- η 2= 0.0225ppm~0.0625ppm ；
采用两级原因：滤纸孔径一大一小 。
图 12 西安四星的微米级滤芯
图 13 油分效率与流速关系
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滤油器实验
图 14 实验工艺流程图
图 16 光纤传感器
图 17 读取信号调理器数据
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 )。
图 15 现场仪表及传感器安装
图 18 两级滤油器
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测试数据
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 1.850MPa 换热器后折光率 图 23 1.850MPa 一级滤油后折光率 图 24 1.85~0MPa 二级滤油后折光率
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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常温下活性炭除油概述
表 2 油吸附器初始参数及设计要求
物理吸附 与化学吸附；
吸附剂 —3 号活性炭 (EAST) ；
| 吸附剂—3号活性炭(EAST)； | 参数 | 数值 |
|---|---|---|
| 固定床吸附四点前提： | 工作压力_P_（bar） 工作温度_T_（K） |
20 303 |
| (1)气相中吸附质浓度低(0.5ppm)； | 工质(氦气)密度_ρ_He（kg/m3） | 3.149 |
| (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； |
工质(氦气)体积流量_q_1 (m3/h) 工质(氦气)质量流量_G_1（g/h） |
731.32 2325.6 |
| 工质(氦气)进口含油量_C_im（ppm） | 0.5 | |
| (4)床层长度比传质区足够高(>2)。 | 工质(氦气)出口含油量_C_out（ppb） | 10 |
| 连续使用时间_t_S（h） | 8000 | |
| 吸附剂量计算： | 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 |
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表 3 油吸附床层计算结果
| 其中，_a_取20mg/g； 直 |
参数 吸附床高度_H_2（m） |
数值 2.8 |
|---|---|---|
| 床层径计算： | 吸附床直径_d_1 (m) | 0.9288 |
| 吸附床高径比 | 3.015 | |
| 活性炭体积_V_2（m3） | 1.896 | |
| 空床流速_v_1取0.3m/s | 活性炭质量_m_2（kg） 实际可用时间_t_实（h） |
948.01 13588 |
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吸附容量工艺参数测试研究
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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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