УСТАНОВКА И СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЖИДКОГО ГЕЛИЯ
UNIT AND METHOD OF PRODUCING LIQUID HELIUM

Настоящее изобретение относится к установке и способу производства гелия.
Изобретение относится, в частности, к установке производства жидкого гелия, содержащей устройство охлаждения/сжижения; причем устройство охлаждения/сжижения содержит контур полезной нагрузки, в котором рабочее вещество, обогащенное гелием, проходит термодинамический цикл для производства жидкого гелия; причем контур содержит, по меньшей мере, один механизм сжатия рабочего вещества и множество теплообменников для охлаждения/нагревания жидкого вещества до заданных уровней температуры в течение цикла; причем установка содержит множество трубопроводов рекуперации жидкого вещества, которые содержат соответствующие передние концы, предназначенные для соединения, избирательно, с соответствующими резервуарами для перемещения жидкого вещества из резервуаров к устройству охлаждения/сжижения; причем установка содержит первый коллектор, который содержит передний конец, соединенный с трубопроводами рекуперации, и задний конец, соединенный с приемником, способный снабжать контур полезной нагрузки рабочим веществом.
Изобретение относится, в частности, к производству и распределению жидкого гелия. Гелий, инертный газ, образуется, как правило, из природного газа в установках, в которых природный газ очищается (обогащается гелием), затем сжижается в устройстве охлаждения и/или сжижения.
Распределение гелия требует, как правило, охлаждения гелия при температуре ниже 4,5 K (жидкое состояние), затем его перемещения и распределения в подвижных резервуарах, например в полуприцепах. Эти резервуары, которые могут быть изолированы от азота, должны поддерживаться при температуре, не превышающей 50-60 K. По этой причине не рекомендуется полностью опорожнять эти резервуары от содержащегося в них гелия.
На практике после поставки эти «опорожненные» резервуары возвращаются на заправочные станции при температурах порядка 150 K и более. Таким образом, когда резервуар возвращается после поставки клиенту и перед его заполнением гелием, необходимо его охладить до 4,5 K, поскольку в противном случае накачиваемый жидкий гелий будет испаряться.
Обычно содержимое, оставшееся в этих резервуарах, повторно вводится под давлением в установку по производству гелия для того, чтобы не допустить потерь этого дорогого газа.
Охлаждение резервуаров обычно осуществляется на заправочных станциях путем циркуляции (по кругу) гелия, подаваемого из станции, через охлаждаемый резервуар для понижения, таким образом, температуры.
В связи с возможным испарением иногда необходимо очищать этот газ и его повторно сжижать.
Такая рекуперация относительно горячего газа, его возможное очищение и сжижение требуют большого потребления энергии.
Кроме того, газообразный гелий, производимый в случае необходимости во время охлаждения, может превышать производительность установок сжижения гелия, которыми оснащена установка.
Для некоторых ожижителей и/или охладителей гелия возвращенные «горячие» газы из резервуаров (т.е. при температуре, которая выше номинальной температуры производства жидкого вещества) вновь направляются в охладитель/ожижитель на различных уровнях в охладителе/ожижителе. Например, эти рекуперированные горячие газы вновь вводятся под давлением в заданные места в контуре полезной нагрузки устройства охлаждения/сжижения между «холодным» и «горячим» концами, т.е. на заданных уровнях температур гелия в контуре полезной нагрузки.
Кроме того, когда жидкое вещество, содержащееся в резервуарах, имеет большое процентное содержание примесей, представляется необходимым его заранее очищать в системе рекуперации и очистки установки.
Таким образом, жидкое вещество из различных резервуаров или направляется в систему рекуперации и очистки установки (когда в нем содержатся примеси), или аккумулируется в общем сборнике перед повторным введением под давлением в контур полезной нагрузки ожижителя/охладителя (когда жидкое вещество является относительно чистым). Эта смесь чистых жидких веществ, аккумулированных в различных рассматриваемых резервуарах, направляется в контур полезной нагрузки на уровне давления/температуры, соответствующем уровню температуры смеси жидких веществ.
Эти известные способы требуют значительного энергопотребления для обеспечения производства жидкого гелия, рекуперируя при этом более или менее горячие жидкие вещества, поступающие из пустых резервуаров.
Задачей настоящего изобретения является устранение, полностью или частично, недостатков, присущих известному уровню техники, которые упоминались выше.
Для решения задачи предлагается установка согласно изобретению, имеющая вышеприведенные признаки прототипа и отличающаяся тем, что содержит, по меньшей мере, второй и третий аккумулирующие трубопроводы, каждый из которых содержит передний конец, соединенный с трубопроводами рекуперации, и задний конец, соединенный с контуром полезной нагрузки; причем задние концы второго и третьего аккумулирующих трубопроводов соединены с заданными различными положениями контура полезной нагрузки, которые соответствуют, соответственно, различным уровням температуры рабочего вещества в контуре полезной нагрузки.
Таким образом, удаляя смесь чистых жидких веществ перед введением в контур полезной нагрузки охладителя/ожижителя, заявитель констатировал существенное повышение энергоэффективности установки.
Действительно, пары, которые поступают из различных резервуаров, не имеют одну и ту же температуру, а их смесь дает среднюю температуру. Дифференцированная рекуперация «не грязных» (чистых) паров в соответствии с их температурой позволяет как можно лучше использовать холодную энергию, транспортируемую рекуперированным жидким веществом.
Кроме того, варианты практической реализации изобретения могут содержать одну или множество из следующих характеристик:
- по меньшей мере, задний конец одного аккумулирующего трубопровода содержит обводную линию для того, чтобы рассматриваемый аккумулирующий трубопровод, избирательно, был соединен, по меньшей мере, с двумя различными заданными положениями контура полезной нагрузки, соответствующими, соответственно, различным уровням температуры рабочего вещества в контуре полезной нагрузки;
- каждый трубопровод рекуперации содержит передний конец, соединенный с резервуаром, и множество задних концов, параллельно соединенных с передним концом; причем упомянутые задние концы соединены, соответственно, с различными аккумулирующими трубопроводами; причем задние концы трубопроводов рекуперации оснащены соответствующими вентилями для избирательного распределения жидкого вещества из резервуара к аккумулирующему трубопроводу или аккумулирующим трубопроводам;
- установка содержит трубопровод аккумулирования рабочего вещества, который имеет передний конец, соединенный, по меньшей мере, с одним источником жидкого вещества, и задний конец, соединенный с контуром полезной нагрузки; причем подающий трубопровод содержит, по меньшей мере, одно устройство очистки для обогащения гелием жидкого вещества, поступающего из источника или источников, для снабжения контура рабочим веществом, обогащенным гелием; причем приемник расположен перед устройством очистки и представляет собой источник жидкого вещества;
- установка содержит трубопровод подачи жидкого гелия, который имеет передний конец, соединенный с контуром полезной нагрузки, и, по меньшей мере, один задний конец, избирательно соединенный, по меньшей мере, с одной емкостью, предназначенной для снабжения жидким гелием, избирательно, по меньшей мере, одного резервуара;
- установка содержит осушитель влажного пара, соединенный, избирательно, с контуром полезной нагрузки, для хранения рабочего вещества; причем осушитель влажного пара соединен, кроме того, с трубопроводом промывки, который избирательно соединен, по меньшей мере, с одним резервуаром.
Изобретение также относится к способу производства жидкого гелия посредством установки, содержащей устройство охлаждения/сжижения; причем устройство охлаждения/сжижения содержит контур полезной нагрузки, который подвергает рабочее вещество, обогащенное гелием, термодинамическому циклу для производства жидкого гелия; причем контур содержит, по меньшей мере, одно устройство сжатия рабочего вещества и множество теплообменников для охлаждения/нагревания жидкого вещества до заданных уровней температуры во время цикла; причем установка содержит множество трубопроводов рекуперации, которые имеют соответствующие передние концы, предназначенные для соединения, избирательно, с соответствующими резервуарами для перемещения жидкого вещества из резервуаров к контуру; причем способ содержит:
- этап соединения множества резервуаров на уровне передних концов соответствующих трубопроводов рекуперации;
- этап перемещения жидкого вещества, содержащегося в резервуарах, к устройству охлаждения/сжижения; причем способ характеризуется тем, что:
жидкие вещества различных резервуаров перемещаются независимо друг от друга в контуре полезной нагрузки при соответствующих заданных уровнях температуры в зависимости от соответствующих температур жидкого вещества в рассматриваемых резервуарах.
Согласно другим возможным особенностям:
- установка содержит трубопровод подачи рабочего вещества, имеющий передний конец, соединенный, по меньшей мере, с одним источником жидкого вещества, и задний конец, соединенный с контуром полезной нагрузки; причем трубопровод подачи содержит, по меньшей мере, одно устройство очистки для обогащения жидкого вещества гелием, поступающего, по меньшей мере, из одного источника, и снабжения контура рабочим веществом, обогащенным гелием, когда жидкое вещество одного или множества резервуаров имеет определенную концентрацию примесей, превышающую пороговую величину; причем содержимое рассматриваемых резервуаров перемещается к источнику перед устройством очистки;
- когда жидкое вещество одного или множества резервуаров имеет концентрацию гелия, которая ниже пороговой величины, содержимое рассматриваемых резервуаров перемещается к источнику перед устройством очистки, а когда жидкое вещество одного или множества резервуаров имеет температуру, которая выше первой заданной пороговой величины, содержимое рассматриваемых резервуаров перемещается на уровне, по меньшей мере, первого положения контура полезной нагрузки, соответствующего первым уровням температуры; когда жидкое вещество одного или множества резервуаров имеет температуру, которая ниже упомянутой первой заданной пороговой величины, содержимое рассматриваемых резервуаров перемещается на уровне, по меньшей мере, второго положения контура полезной нагрузки, соответствующего вторым уровням температуры;
- когда жидкое вещество одного или множества резервуаров имеет концентрацию гелия, которая ниже пороговой величины, содержимое рассматриваемых резервуаров перемещается к источнику перед устройством очистки; когда жидкое вещество одного или множества резервуаров имеет температуру, которая выше первой заданной пороговой величины, содержимое рассматриваемых резервуаров перемещается на уровне, по меньшей мере, первого положения контура полезной нагрузки, соответствующего первым уровням температуры; когда жидкое вещество одного или множества резервуаров имеет температуру, которая ниже упомянутой первой заданной пороговой величины, содержимое рассматриваемых резервуаров перемещается на уровне, по меньшей мере, второго положения контура полезной нагрузки, соответствующего вторым уровням температуры;
- этап перемещения жидкого вещества, содержащегося в резервуаре (6), к установке содержит, по меньшей мере, один из следующих этапов:
- этап сброса давления в резервуаре путем перемещения газа под давлением, содержащегося в резервуаре, к установке;
- этап охлаждения содержимого упомянутого резервуара путем циркуляции гелия, поступающего из устройства охлаждения/сжижения, к резервуару, а затем возвращения этого гелия к устройству охлаждения/сжижения;
- этап заполнения охлажденного резервуара гелием, поступающим из устройства охлаждения/сжижения.
Изобретение может также относиться ко всем устройствам и любым альтернативным способам, содержащим любые сочетания выше- или нижеприведенных характеристик.
Другие особенности и преимущества проявятся при чтении нижеследующего описания, приведенного со ссылкой на единственную фигуру чертежа, которая изображает схематический и частичный вид, иллюстрирующий конструкцию и функционирование установки согласно примеру практической реализации изобретения.
Установка по производству жидкого гелия, изображенная на фигуре чертежа, как правило, содержит устройство охлаждения/сжижения 1, т.е. аппарат, который способен охлаждать и/или сжижать гелий до очень низкой температуры, например до 4-5 K или ниже.
Устройство охлаждения/сжижения 1 содержит, таким образом, контур 2 полезной нагрузки, который подвергает рабочее вещество, обогащенное гелием, термодинамическому циклу для производства жидкого гелия. В связи с этим контур 2 полезной нагрузки содержит, по меньшей мере, одно устройство 3 сжатия рабочего вещества, такое как компрессоры, и множество теплообменников 4 для охлаждения/нагревания жидкого вещества до заданных уровней температуры в течение цикла.
Контур 2 полезной нагрузки, как правило, также может содержать одно или множество устройств снижения давления жидкого вещества, таких как турбины (в целях упрощения не представлены).
Рабочее вещество (обычно гелий) подвержено, таким образом, циклу в контуре полезной нагрузки между горячим концом (сжатие) и холодным концом, где оно сжижается (путем снижения давления и охлаждения).
Для рекуперации жидкого вещества, оставшегося в резервуарах 6, которые возвращены после подачи, установка содержит множество трубопроводов 5 рекуперации жидкого вещества.
Каждый трубопровод 5 рекуперации жидкого вещества содержит передний конец, предназначенный для соединения, избирательно, с одним резервуаром 6 или местом подачи жидкого вещества.
Установка также содержит первый аккумулирующий трубопровод 7 жидкого вещества, содержащий передний конец, соединенный с трубопроводами 5 рекуперации, и задний конец, соединенный с приемником 8, который способен выполнять функцию хранения газа для обеспечения снабжения контура 2 полезной нагрузки рабочим веществом.
Установка содержит второй аккумулирующий трубопровод 9 и третий аккумулирующий трубопровод 10, каждый передний конец которого соединен с трубопроводами 5 рекуперации.
Задний конец второго аккумулирующего трубопровода 9 соединен с заданным положением контура 2 полезной нагрузки, который соответствует, соответственно, первому уровню заданной температуры рабочего вещества в контуре 2 полезной нагрузки.
Задний конец третьего аккумулирующего трубопровода 10 соединен с заданным положением контура 2 полезной нагрузки, соответствующим, соответственно, второму уровню заданной температуры рабочего вещества в контуре 2 полезной нагрузки.
Например, задний конец третьего аккумулирующего трубопровода 10 соединен с контуром 2 полезной нагрузки в относительно более горячем месте контура 2 полезной нагрузки, чем задний конец второго аккумулирующего трубопровода 9.
Это означает, что второй 9 и третий 10 аккумулирующие трубопроводы соединены жидким телом с различными местами рабочего цикла, т.е. с местами контура 2 полезной нагрузки, в котором рабочее вещество имеет различные термодинамические условия, в частности, что касается температуры.
Содержимое каждого резервуара 6 может быть избирательно соединено или с приемным устройством 8, или со вторым аккумулирующим трубопроводом 9, или с третьим аккумулирующим трубопроводом 10.
Таким образом, содержимое каждого резервуара 6 может быть соединено, независимо от других резервуаров 6, с различными контурами 2 полезной нагрузки, в частности с уровнем температуры цикла, приспособленной к температуре жидкого вещества резервуара 6. Это означает, что когда жидкое вещество резервуара 6 является более или менее «горячим», оно вновь вводится под давлением на более или менее горячих уровнях контура 2 полезной нагрузки для создания наименьших помех для коэффициента полезного действия упомянутого контура 2 полезной нагрузки.
Как показано на чертежах, задний конец второго и третьего аккумулирующих трубопроводов 9, 10 может содержать обводные линии 110, 109 таким образом, что каждый рассматриваемый аккумулирующий трубопровод 9, 10, избирательно, соединен со множеством различных заданных положений контура 2 полезной нагрузки. Таким образом, установка 5 позволяет увеличить возможности ввода под давлением в контур 2 полезной нагрузки (и увеличить, таким образом, уровни температуры цикла). С этой целью второй и третий аккумулирующие трубопроводы 9, 10 могут содержать соответствующие распределительные вентили.
Также каждый трубопровод 5 рекуперации содержит передний конец, соединенный с резервуаром 6, и множество задних концов, параллельно соединенных с передним концом. Задние концы каждого трубопровода 5 рекуперации соединены, соответственно, с различными аккумулирующими трубопроводами 7, 9, 10, например, посредством соответствующих вентилей 11.
Как это изображено на фигуре чертежа, контур 2 полезной нагрузки может снабжаться рабочим жидким веществом, обогащенным гелием, по трубопроводу 13 подачи рабочего вещества, передний конец которого соединен, по меньшей мере, с одним источником 8, 14 жидкого вещества, а задний конец соединен с контуром 2 полезной нагрузки. Сзади источников 8, 14 подающий трубопровод 13 может содержать, по меньшей мере, одно устройство 12 очистки для обогащения гелием жидкого вещества, подаваемого из одного источника или из источников 8, 14. Источник 14 может содержать, например, снабжение обработанным природным газом. Другой источник 8 может, например, хранить нечистый газ, рекуперированный из резервуаров 6 через первый аккумулирующий трубопровод 7. Газ, поступающий из одного или из двух источников 8, 14, может быть сжат (компрессор 21), затем очищен в устройстве 12 очистки (например, типа абсорбирования) для снабжения гелием контура 2 полезной нагрузки.
Для обеспечения предварительного опорожнения резервуаров 6 перед их охлаждением и заполнением установка может содержать осушитель 17 влажного пара, избирательно соединенный с контуром 2 полезной нагрузки для хранения рабочего жидкого вещества, поступающего из компрессорной станции (горячий конец контура 2 полезной нагрузки). Этот осушитель 17 влажного пара соединен с трубопроводом 117 опорожнения, избирательно соединенным, по меньшей мере, с резервуаром 6 (на фигуре первый левый резервуар находится в положении опорожнения).
Для обеспечения охлаждения и заполнения резервуаров 6 холодным жидким гелием (например, 4-5 K) установка может также содержать трубопровод 16 подачи жидкого гелия, передний конец которого соединен с холодным концом контура 2 полезной нагрузки, и, по меньшей мере, один задний конец, соединенный, избирательно, по меньшей мере, с одной емкостью 15. Емкости 15 для жидкости предназначены для снабжения жидким гелием одного или множества резервуаров 6. Как это показано на фигуре чертежа, третий резервуар 6 (слева направо) схематически изображен в положении охлаждения: циркуляция гелия осуществляется из емкости 15 к резервуару 6, затем этот гелий вновь вводится под давлением в контур полезной нагрузки через третий аккумулирующий трубопровод 10 (на относительно «горячем» уровне температуры, см. стрелки, изображенные сплошными линиями).
Как это изображено на фигуре чертежа, четвертый резервуар 6 (слева направо) схематически изображен в положении заполнения: цикл циркуляции гелия осуществляется от контура 2 полезной нагрузки к емкости 15, затем к резервуару 6 (см. стрелки, изображенные сплошными линиями). Избыточный гелий резервуара 6 вновь вводится под давлением в контур полезной нагрузки через второй аккумулирующий трубопровод 9 (на относительно «холодном» уровне температуры).
Как это изображено на фигуре чертежа, второй резервуар 6 (слева направо) схематически изображен в положении перемещения газа из резервуара 6 к источнику 8 по первому аккумулирующему трубопроводу 7 (см. стрелки, изображенные сплошными линиями).
Установка согласно изобретению позволяет, таким образом, соединять пары, содержащиеся в «пустых» резервуарах 6, избирательно и независимо друг от друга, в трех аккумулирующих трубопроводах:
- в первом 7 для направления нечистых и относительно горячих паров в переднюю часть устройства 12 очистки;
- во втором 9 для направления чистых и относительно горячих паров в относительно холодную зону контура 2 полезной нагрузки для повторного сжижения этих паров;
- в третьем 10 для направления чистых, относительно горячих паров в относительно горячую зону контура 2 полезной нагрузки для повторного сжижения этих паров.
Такое распределение паров осуществляется в зависимости от свойств и, в частности, температуры паров, содержащихся в каждом из резервуаров 6.
Заявителем было установлено, что путем независимой обработки различного содержимого резервуаров 6 (без смешения содержимого резервуаров 6 при различных температурах перед введением под давлением в контур 2 полезной нагрузки) имеется возможность оптимизировать рекуперацию фригорий паров в устройстве охлаждения/сжижения. Это повышает эффективность последнего и его коэффициент полезного действия, в частности, по сравнению с его потреблением энергии.
Изобретение не ограничивается примером, описание которого приведено выше. Также, например, количество трубопроводов 5 рекуперации, которые могут быть соединены с резервуарами 6, не ограничено 4, но может быть меньше или больше 4.
Также количество аккумулирующих трубопроводов может быть меньше или больше количества трубопроводов 7, 9, 10, описание которых приведено выше.
Также рекуперированные пары из резервуаров могут поступать из стационарных установок, которые используют жидкий гелий для охлаждения (например, для охлаждения сверхпроводящих кабелей). В этом случае подвижный резервуар или подвижные резервуары 6, представленные на фигуре чертежа, заменены жидкой связью, обеспечивающей подачу гелия, который произвел теплообмен с охлаждаемым наложением.