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

5kW4.5K氦制冷系统除油及纯化装置设计研究郝德松2014年5月21日主要内容主要内容研究背景及系统概况研究背景及系统概况研究内容：研究内容：除油系统油气分离设计研究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低温吸附器设计计算及外纯化系统P&ID工艺流程设计工艺流程设计内容总结内容总结Page 1研究背景研究背景 CFETR是中国聚变工程实验堆简称是中国聚变工程实验堆简称，氦制冷系统是氦制冷系统是其其主要辅助系统之一，主要辅助系统之一，为为超导磁体、冷屏、低温真空泵、中超导磁体、冷屏、低温真空泵、中性注入、弹丸注入等低温用户提供冷源性注入、弹丸注入等低温用户提供冷源。5kW/4.5K氦制冷氦制冷系统为系统为CFETR聚变堆超导磁体聚变堆超导磁体R&D的低温测试提供冷源，的低温测试提供冷源，为建造为建造CFETR低温系统做重要预研。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，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。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我国天然气资源中氦的含量仅为0.03%-0.16%，氦气资源，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。相对匮乏，价格十分昂贵，应配备氦气回收及纯化系统。Page 2系统组成概况系统组成概况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；Page 4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)1m)和亲和聚结法(2)。Page 8参数数值工作压力P（bar）20工作温度T（K）303工质(氦气)密度He（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）80003号活性炭比表面积（m2/g）10503号活性炭堆重比（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吸附柱进气口油含量测试和活性炭吸附曲活性炭吸附曲线测试线测试。Page 9吸附容量测试理论基础吸附容量测试理论基础(1)(1)理想吸附负荷曲线与实际吸附负荷曲线；吸附剂中的吸附质吸附剂中的吸附质的含量不易直接测得，用床层中混合床层中混合气体的杂质含量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，用床层出口床层出口处混合气体中杂质含量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，则传质层传质层短，吸附过程快，床层的吸附能力比较强。Page 10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吸附容量测试理论基础(2)(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-）tD；未饱和分率为：其中，C0为进气口油含量浓度；求得传质区长度Z为：Page 11图27穿透曲线随质量W变化吸附床的饱和度饱和度为：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：吸附容量测试方案设计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。Page 12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活性炭油吸附器设计研究l伯哈特和亚当斯通过实验发现：l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/(kgh)；CA(kg/m3)为穿透时吸附床出气口中的杂质含量；l即：l其中B为斜率，A为截距；Page 13l绘制tA-H线；l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：l当tA=0时，床层高度H0即为传质区高度ZS，即：l若HS2ZS，则满足吸附设计要求；若2ZSHSZS，经济性不达标；若ZSHS，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。吸附柱进气口油含量测试方案设计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1；压力从18bar到20bar时，测得2；B组用二级滤油后气体冲洗混合室，压力从2bar到20bar时，测得2；Page 14图30 吸附柱进气口油含量测试工艺流程图31 气体混合室lP1、T1下，气体质量为m1，lP2、T2下，气体质量为m2：lA组中，混合室中的气体含油质量为m3：l可得等式：l可求得吸附柱进气口油含量3为：lB组得到同样的等式。除油系统后级干燥器设计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23分子筛实际用量为：其中，HS为设计高度；Page 15参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l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；l校核转效时间b：l吸附容量校核；l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）5.610-3相对湿度0.2356%分子筛计算用量（kg）3297水负荷（kg/(hm2)）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aS8.02%表5 干燥器设计计算过程数值除油系统后级粉尘过滤器设计除油系统后级粉尘过滤器设计l用EAST低温系统运行数据求解滤管的比阻力为：l比阻为：l27根。Page 16参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；Page 17He-99.8%杂质-0.2%N2,H2-90%其它-10%N2O2、CxHyCO2、ArH2Ne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低温吸附器设计计算(1)(1)l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；Page 18参数数值氦气流量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c00.2%吸附器工作时间t（h）24吸附器再生时间tZ（h）8l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。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低温吸附器设计计算(2)(2)颗粒半径为1mm，容积速率wv取为0.5m/min，确定0为370 1/min。Page 19图35 动力性传质系数0=f(WV,dm)曲线吸附计算结果及分析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。Page 20参数数值对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外纯化系统干燥工艺流程设计Page 22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外纯化系统纯化器流程设计Page 23图43 纯化器工艺流程及操作转换总结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。Page 24 谢 谢！