发射场液氮液氧保障规模及能力建设分析

2020-11-28杨潞锋轩志勇杨晓静

中国新技术新产品 2020年2期

杨潞锋轩志勇杨晓静董薇

（北京特种工程设计研究院，北京 100028）

0 引言

氮氧站是航天发射场地面设备的重要组成部分，为发射场地面系统所需的液氮、液氮提供生产保障[1]。随着火箭发动机燃料的低温化发展，液氧煤油、液氢液氧作为新一代火箭燃料将逐步取代传统的四氧化二氮和偏二甲肼燃料，液氧将成为发射场需求量很大的一种能源。与此同时，火箭在发射前，需要在发射场做大量测试工作，测试工作需要大量的、不同压力等级的氮气，用于各类管线和设备的吹除、各种气动阀门的控制用气、火箭贮箱的增压和置换用气以及火箭的气瓶充气等。氮气的来源为液氮气化，因此液氮也是发射场重要的原料之一。下面就以国内某发射场新型火箭的液氮、液氧保障规模和能力建设进行梳理和分析，为今后类似的工程建设提供借鉴和参考。

1 液氧需求分析

国内某发射场新型火箭的液氧需求主要有低温加注系统、液氧贮罐预冷、公路转运损失、管线输送填充和预冷、蒸发损失，以及氮氧站液氧贮罐底液和预冷损失，下面就分别进行液氧需求分析。

1.1 低温加注系统需液氧

某新型火箭由芯一级、芯二级、芯三级和4 个助推构成，其中芯一级、芯二级和4 个助推为液氧煤油发动机，芯三级为液氢液氧发动机。液氧总加注量为300 m³～400 m³。考虑到液氧加注贮罐留底、加注管线填充和预冷，以及火箭贮箱预冷和置换，设置2 台400 m³贮罐为液氧加注贮罐，另设1 台100 m³贮罐为气化增压贮罐，液氧总贮量为900 m³。同时考虑加注系统调试用液氧约为100 m³，火箭低温加注工作需要液氧合计约1 000 m³。

1.2 贮罐预冷需液氧

标准大气压下液氧的沸点为90 K，贮罐的储存压力一般在1.2 MPa 以下，所以贮罐在储存液氧之前需要对贮罐进行预冷，把贮罐温度降到93 K 以下。经计算，400 m³贮罐进行预冷，需要约25 m³液氧，100 m³贮罐进行预冷，需要约10 m³液氧，贮罐预冷共需要约25×2+10=60m³液氧。

1.3 公路转运损失需液氧

考虑到氮氧站离发射区液氧贮罐有一定的距离，需要配备液氧公路运输槽车，按配备2 辆液氧运输槽车计，每辆液氧运输槽车预冷需要约6 m³液氧，公路转运损失按总转运量的10%计，则公路转运损失需要液氧为：6×2+1000×10%=112m³液氧。

1.4 管输填充和预冷需液氧

为了方便液氧从氮氧站到氧加注库区的转运，设置1 根液氧输送管线，管线为真空绝热管。设计输送流量为150 m³/h，则管线填充需液氧约为25 m³，预冷损失约为30 m³，共需液氧25+30=55m³。

1.5 蒸发损失需液氧

液氧储存在贮罐中，存在蒸发的现象，不同贮罐形式，不同的容量大小，其液氧的蒸发损失是不同的，具体的蒸发损失如下。1）400 m³低温贮罐，几何容积440 m³，静态蒸发率0.10%/d，2 台设备，日蒸发量为0.88 m³。2）100 m³低温贮罐，几何容积144 m³，静态蒸发率0.15%/d，1 台设备，日蒸发量为0.216 m³。3）运输车，几何容积89 m³，静态蒸发率0.18%/d，2 台设备，日蒸发量为0.32 m³。4）500 m³常压贮罐，几何容积550 m³，静态蒸发率0.15%/d，2 台设备，日蒸发量为1.65 m³；蒸发损失按照30 d 考虑，经计算，合计需液氧约92 m³。

1.6 氮氧站底液、预冷损失需液氧

氮氧站考虑设置液氧常压贮罐2 台500 m³，单台预冷约为20 m³，留底量按60 m³考虑，加上前期贮罐和管道系统的吹除按30 m³考虑，合计需液氧为20×2+60×2+30=190m³。

1.7 液氧需求总量

根据上述6 项，一次发射液氧最大需求量为1 509 m³。

2 液氮需求分析

某新型火箭的液氮的需求主要为：低温加注系统、贮罐预冷、煤油调温、供气系统、公路转运损失、管线输送填充和预冷、蒸发损失，以及氮氧站液氮贮罐底液和贮罐预冷损失等。

2.1 低温加注系统需液氮

低温加注系统液氮主要用于液氧过冷器和氦气换热器的液氮加注。低温加注系统设置2 台贮罐为加注液氮贮罐，另配2台液氮运输车为公路转输使用。液氮贮存按照240 m³，液氮调试按60 m³，合计约300 m³。

2.2 贮罐预冷需液氮

标准大气压下液氮的沸点为77 K，贮罐的储存压力一般在1.2 MPa 以下，贮罐在储存液氮之前需要对贮罐进行预冷，把贮罐温度降到77 K 以下，经计算，贮罐进行预冷，需要约10 m³液氮，液氧运输车进行预冷，需要约6 m³液氮，贮罐预冷共需要约10*2+6*2=32m³液氮。

2.3 煤油调温需液氮

煤油降温考虑用液氮进行调温，考虑用公路运输车保障液氮调温，共160 m³液氮考虑。

2.4 供气系统需液氮

根据供气需求，单次发射供气系统最大用气量约为40万Nm³，折合液氮为615 m³液氮。

2.5 公路转运损失需液氮

公路转运损失按总转运量的10%计算，煤油降温需转运160 m³液氮，则公路转运损失需要液氮为：120×10%=12m³。

2.6 管输填充和预冷需液氮

为了方便液氮从氮氧站到加注库区的转运，设置1 根液氮管线，管线为真空绝热管。设计输送流量为100 m³/h，则管线填充需液氮约为25 m³，预冷损失约为40 m³，共需液氧25+40=65m³。

2.7 蒸发损失需液氮

液氮储存在贮罐中，存在蒸发现象，具体的蒸发损失为：1）低温贮罐，几何容积144 m³，静态蒸发率0.23%/d，2 台设备，日蒸发量为0.66 m³。2）低温运输车，几何容积89 m³，静态蒸发率0.28%/d，2 台设备，日蒸发量为0.50 m³。3）供气低温贮罐，几何容积144 m³，静态蒸发率0.23%/d，4 台设备，日蒸发量为1.32 m³。4）供气低温贮罐，几何容积33 m³，静态蒸发率0.50%/d，2 台设备，日蒸发量为0.33 m³。5）750 m³常压贮罐，几何容积825 m³，静态蒸发率0.20%/d，2 台设备，日蒸发量为3.30 m³；蒸发损失按照30 d 考虑，经计算，合计液氮约185 m³。

2.8 氮氧站底液、预冷损失需液氮

氮氧站考虑设置液氮常压贮罐2 台750 m³，单台预冷约为25 m³，留底量按85 m³考虑，加上前期贮罐和管道系统的吹除按30 m³考虑，合计需液氮为25×2+85×2+30=250 m³。

2.9 液氮需求总量

根据上述8 项，一次火箭发射任务液氮最大需求量为1 619 m³。

3 氮氧站建设规模

按一次最大需求液氧1 509 m³、液氮1 619 m³计算，则氮氧站的建设规模确定如下[2-3]。1）液氮的密度取808 kg/m3，液氧的密度取1 141 kg/m3。2）氮氧站生产时间为30 d。3）氮氧站生产的得液率为0.9。计算得：液氧需求为1 722 t，液氮需求为1 308 t，共计3 030 t。经计算，得到氮氧站的建设规模应为4 700 kg/h（4.12 m³/h 液氧或5.82 m³/h 液氮）。考虑液氮和液氧不同时生产，每小时可获得3.7 m³液氧或5.2 m³液氮。同时，氮氧站贮运系统设置2 台500 m³（有效容积）液氧常压贮罐， 2 台750 m³（有效容积）液氮常压贮罐以及配套发车泵和管路。

氮氧站制液氮和液氧的工艺流程为：

采用分子筛净化、串联增压双膨胀、中压空气循环制冷、深度冷冻的双塔精馏工艺生产液氧和液氮。原料空气在空气过滤器中去除灰尘和机械杂质后，进入原料空气压缩机压缩，并由冷却器冷却；进入空气预冷机组降温后，再进入2 只相互切换使用的分子筛吸附器，吸附掉空气中的H2O、CO2、C2H2等有害杂质。净化后的加工空气与部分膨胀后复热的空气混和，经中压空气压缩机压缩，抽出一股进主换热器换热，冷却后抽出进高温膨胀机膨胀，膨胀后返流空气经主换热器复热后回到循环空气压缩机前。另一股经高低温膨胀机两次增压后进入冷箱，经主换热器冷却后的空气一股从主换热器中部抽出，进入低温膨胀机膨胀后再分为2 个部分，其中一部分送入下塔，另一部经主换热器复热后出冷箱回到循环空气压缩机前；另一股空气进入主换热器后，被返流产品气体冷却后经节流进入下塔。空气经下塔初步精馏后，在下塔获得液空、污液氮和纯液氮。从下塔抽取液空、污液氮和纯液氮，经过液空液氮过冷器过冷后节流进入上塔不同部位。经上塔进一步精馏后，在上塔底部获得纯度为99.6%的液氧产品出冷箱送往液氧贮槽。也可抽取一部分液氮作为产品出冷箱。从上塔顶部获得污氮气，经过冷器、主换热器复热后出冷箱，进入电加热器作为分子筛的再生气体，多余部分放空。氮氧站主要设备有：自洁式空气过滤器、原料空气透平压缩机、循环空气透平压缩机、原料空气预冷系统、分子筛净化系统、分馏塔、透平膨胀机、控制系统、液氧常压贮罐和液氮常压贮罐等[6]。