Anlage zur Rückgewinnung und Verflüssigung von Helium

Abstract: Die Anlage zur Herstellung und Bevorratung von flüssigem Helium (LHe) basiert auf einem Standardverflüssiger (Grundkapazität 44 ltr./Std.) und einen 5000 l – Speicherdewar. Als Besonderheiten sind ein kalter Ejektor am Verflüssigerausgang sowie eine halbautomatische Schnellabfüllung mit kalter LHe-Förderpumpe und Kaltgasrückgewinnung integriert. Vervollständigt wird die Anlage durch ein Rückgewinnungsnetz für warmes, gasförmiges Helium aus den Laboren, Hochdruckkompressoren und ein Hochdruckdepot zur Speicherung des Gases. Der Bereich Forschungstechnik entwickelte für alle Komponenten der Gesamtanlage eine übergeordnete speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) sowie ein datenbankgestütztes Managementsystem zur Verfolgung der Heliummengen und Verluste im gesamten System. Die LHe-Verbuchung erfolgt über eine RFID-Codierung und Wägung sämtlicher ein- und ausgehender Laborkannen. Zur Füllstandsmessung wurde ein Teil Labor-Dewarkannen mit supraleitenden Sonden und einer selbstentwickelten Auswerteelektronik ausgestattet. Ziel dieses Maßnahmenpaktes ist die Herstellung maximaler Verfügbarkeit von flüssigem Helium für die Wissenschaft bei gleichzeitig hoher Effizienz und Prozesskontrolle für Hinsichtlich des spezifischen Energieverbrauchs pro Liter bereitgestelltem LHe stellt die so realisierte Konstellation derzeit die weltweit effizienteste He-Verflüssigungsanlage dieser Größenklasse dar. Ihr hoher Automatisierungsgrad minimiert zudem den Personaleinsatz.  

 

Keywords: Heliumverflüssigung, Flüssigheliumversorgung, Heliumabrechnungssystem,  

 

Beschreibung: In den Jahren 2008 - 2009 ist die Heliumanlage des IFW Dresden um wesentliche Bestandteile erweitert worden. Diese sind eine Coldbox mit zugehörigen Aggregaten zur Verflüssigung gasförmigen Heliums, seiner Lagerung in einem 5000 l fassendem stationären Dewarbehälter und die Wiederabfüllung in Laborkannen mittels einer speziellen, im Dewar integrierten LHe-Pumpe. Zusätzlich wurde das Rückgewinnungssystem erweitert, welches gasförmiges Helium aus den Laboren und dem Umfüllbetrieb bei niedrigem Druck auffängt und mittels Kompressoren bei max. 200 bar in ein Hochdruckdepot mit 25 m3 Volumen einspeichert. Das Schema der Gesamtanlage  ist in Abb. 1 dargestellt.

 

Abb. 1: Helium-Gesamtanlage am IFW Dresden. Diese umfasst eine bereits früher installierte Rückgewinnungs­anlage(links im Bild, blau gezeichnet), eine Erweiterung der Rückgewinnungskapazität mit zweiter Sammelblase, Kannenbahnhöfen, Verteilpanel und 10 stationären Hochdrucktanks sowie der Verflüssigungs- und Abfüllanlage (rechts, schwarz gezeichnet) (Quelle: Ch. Haberstroh, TU Dresden)

 

Die Anlage ist auf einen Jahresumsatz von 130.000 l LHe dimensioniert. Dabei sind zu den bekannten Wartungsarbeiten reguläre Betriebs- und Stillstandszeiten einkalkuliert, so dass die Kernanlage, bestehend aus Coldbox, Mitteldruck-Reinstgasspeicher (Buffer) und 90 kW - Kreislaufkompressor, mit einer nominellen Leistung von 44 l/h @ 4,2 K bemessen wurde. Der Einsatz eines kalten Ejektors am Verflüssigerausgang erlaubt gleichzeitig die Abgabe des verflüssigten Heliums im Bereich des Umgebungsdrucks, also auf der Siedelinie bei ca. 1 barabs. / 4,2 K.

Der spezifische Energieverbrauch der gesamten Verflüssigungsanlage (inkl. Abfüllung, s.u.) liegt bei 2 kWh / l LHe. Soweit bekannt, ist dies derzeit der weltweit beste Wert für Anlagen dieser Größenordnung.

Die Abfüllung von LHe aus dem Speicher-Dewar in die Laborkannen ist für einen wesentlichen Teil der Energieeffizienz des Gesamtprozesses verantwortlich. Umfüllen mittels eines U-förmigen Hebers unter Druckbeaufschlagung des Vorratsgefäßes ist eine etablierte und sichere Technik. Ein Nachteil besteht jedoch darin, dass oft bis zu 30 % der abgefüllten Heliummenge in Form von Heliumkaltgas als Überfüllverlust anfallen. Dieses sog. Flash-Gas ist hochrein und enthält noch einen Großteil der ursprünglichen Kühlkapazität. Standardmäßig wird das Flash-Gas aufgewärmt, gesammelt, und erneut in die Hochdruckspeicher verdichtet. Beim späteren erneuten Verflüssigen wird zudem die vorgeschaltete Reinigungsstufe ein zweites Mal durchlaufen. All dies reduziert die Gesamteffizienz der Rückverflüssigungsanlage erheblich.

Aus diesen Überlegungen heraus hat sich das IFW Dresden für die Verwendung eines Transfersystems entschieden, das die Lagerung im Tank und in den Kannen sowie den Umfüllvorgang annähernd bei Umgebungsdruck ermöglicht. Beim Abfüllvorgang wird das LHe mittels einer kryogenen Tauchpumpe vom Speicher-Dewar in die Kannen befördert. Parallel wird das in der Zielkanne verdrängte Kaltgas quasi im Gegenstrom in den Speicherdewar geleitet (Abb. 1, gestrichelte Linie bei Abfüllstation). Entspannungsverluste entfallen fast vollkommen, lediglich minimale Abgasmengen in Höhe von ca. 1 … 2 % der abgefüllten Heliummenge (Einkühlverluste etc.) müssen an die Rückgewinnung abgegeben werden. Weder der Kälteinhalt noch die vorhandene hohe Reinheit des aus der Zielkanne verdrängten He-Kaltgases gehen verloren. In Abb. 2 ist die Aufstellung von Coldbox, stationärem Speicherdewar (5000 l) und Abfüllstation in der Heliumhalle des IFW Dresden zu sehen.  

 

Abb. 2: Blick auf die Heliumverflüssigungs- und LHe-Abfüllanlage in dem hierfür errichteten neuen Gebäudetrakt des IFW 

 

Das Bild zeigt eine typische Situation beim Abfüllen, unmittelbar vor dem Anschluss der Kanne an das Transfersystem. Zu diesem Zweck wird der Hubtisch angehoben, Kanne und Tranfersystem mittels Bajonettverschluss gasdicht miteinander verbunden, dann der Hubtisch so weit hochgefahren, bis LHe-Vorlauf- und Kaltgas-Rückleitungen bis in den Innenbehälter der Kanne hineinragen.  

Die in den vorhandenen Gebäudebestand des IFW nachträglich eingebrachte Rückgewinnungs- und Verflüssigungsanlage brachte zwangsweise eine dezentrale Anordnung der Komponenten mit sich. Das Gleiche trifft auf die Orte der Nutzung, also der Labore mit Heliumkryostaten, zu. Die Erfassung und Zuordnung der Heliummengen in Laboren sowie in flüssiger oder gasförmiger Form gespeicherter Mengen in der Rückgewinnungsanlage sind für den Betrieb unverzichtbare Daten. Diesem, aus Betreibersicht nachvollziehbaren, Kontrollanspruch steht die uneingeschränkte Verfügbarkeit gefüllter LHe-Behälter für die Wissenschaft gegenüber. Eine übergeordneten Steuerung der Gesamtanlage und der Aufbau einer Datenbank für das Management des Heliumumschlags erfüllen den Anspruch der beteiligten Parteien. Sowohl die Steuerung der Gesamtanlage als auch das Heliummanagement wurden am IFW Dresden selbst entwickelt. Die Steuerung basiert auf einer SPS, die in der Heliumhalle untergebracht ist (Schaltschrank in Abb. 2) und die der Anlagenbetreiber über einen touch-Monitor bedienen kann. In der SPS laufen aus den dezentral angeordneten Anlagenteilen alle die relevanten Mess- und Zustandssignale  auf, werden in Steuer- und Regelalgorithmen verarbeitet und lösen entsprechende Betriebsabläufe in der Anlage aus. Aus Sicherheitsgründen ist die Steuerung nicht über das allgemeine Datennetz erreichbar. Sie sendet lediglich Störungs- und Havariesignale, die auch per Mobilnetz außerhalb des Instituts empfangen werden können.

Im Falle des Heliummanagements ist die Situation demgegenüber nahezu konträr. Hierauf soll jeder potentielle Nutzer von Flüssighelium und somit jeder Mitarbeiter des IFW, im Rahmen seiner Rechte, auf die für ihn bestimmten Informationen zugreifen können. Die Grundlage des Heliummanagements bildet eine Datenbank, deren Inhalte sich aus verschiedenen Quellen speist. Neben den mit Systemkonstanten, wie z.B. den individuellen Kanneneigenschaften oder ausgefüllten statischen Tabellen, gehen sowohl permanente Betriebsdaten aus der SPS wie auch per Hand vorgenommene Nutzereingaben darin ein. Die Heliumnutzer bzw. deren Vorgesetzte haben zudem Zugriff auf die für sie relevanten Informationen, wie z.B. den LHe-Verbrauch in einem bestimmten Betrachtungszeitraum. Das front-end dieses Systems wird durch eine web-Anwendung dargestellt, die durch das IFW-Intranet erreichbar ist. Die Abb. 3 zeigt stark vereinfacht das Zusammenspiel von Steuerung, Datenbank, Anlagenbetreiber und LHe-Nutzer.  

Abb.3