發(fā)射場液氮液氧保障規(guī)模及能力建設分析

楊潞鋒 軒志勇 楊曉靜 董 薇

（北京特種工程設計研究院，北京 100028）

0 引言

氮氧站是航天發(fā)射場地面設備的重要組成部分，為發(fā)射場地面系統(tǒng)所需的液氮、液氮提供生產(chǎn)保障[1]。隨著火箭發(fā)動機燃料的低溫化發(fā)展，液氧煤油、液氫液氧作為新一代火箭燃料將逐步取代傳統(tǒng)的四氧化二氮和偏二甲肼燃料，液氧將成為發(fā)射場需求量很大的一種能源。與此同時，火箭在發(fā)射前，需要在發(fā)射場做大量測試工作，測試工作需要大量的、不同壓力等級的氮氣，用于各類管線和設備的吹除、各種氣動閥門的控制用氣、火箭貯箱的增壓和置換用氣以及火箭的氣瓶充氣等。氮氣的來源為液氮氣化，因此液氮也是發(fā)射場重要的原料之一。下面就以國內(nèi)某發(fā)射場新型火箭的液氮、液氧保障規(guī)模和能力建設進行梳理和分析，為今后類似的工程建設提供借鑒和參考。

1 液氧需求分析

國內(nèi)某發(fā)射場新型火箭的液氧需求主要有低溫加注系統(tǒng)、液氧貯罐預冷、公路轉(zhuǎn)運損失、管線輸送填充和預冷、蒸發(fā)損失，以及氮氧站液氧貯罐底液和預冷損失，下面就分別進行液氧需求分析。

1.1 低溫加注系統(tǒng)需液氧

某新型火箭由芯一級、芯二級、芯三級和4 個助推構成，其中芯一級、芯二級和4 個助推為液氧煤油發(fā)動機，芯三級為液氫液氧發(fā)動機。液氧總加注量為300 m3～400 m3。考慮到液氧加注貯罐留底、加注管線填充和預冷，以及火箭貯箱預冷和置換，設置2 臺400 m3貯罐為液氧加注貯罐，另設1 臺100 m3貯罐為氣化增壓貯罐，液氧總貯量為900 m3。同時考慮加注系統(tǒng)調(diào)試用液氧約為100 m3，火箭低溫加注工作需要液氧合計約1 000 m3。

1.2 貯罐預冷需液氧

標準大氣壓下液氧的沸點為90 K，貯罐的儲存壓力一般在1.2 MPa 以下，所以貯罐在儲存液氧之前需要對貯罐進行預冷，把貯罐溫度降到93 K 以下。經(jīng)計算，400 m3貯罐進行預冷，需要約25 m3液氧，100 m3貯罐進行預冷，需要約10 m3液氧，貯罐預冷共需要約25×2+10=60m3液氧。

1.3 公路轉(zhuǎn)運損失需液氧

考慮到氮氧站離發(fā)射區(qū)液氧貯罐有一定的距離，需要配備液氧公路運輸槽車，按配備2 輛液氧運輸槽車計，每輛液氧運輸槽車預冷需要約6 m3液氧，公路轉(zhuǎn)運損失按總轉(zhuǎn)運量的10%計，則公路轉(zhuǎn)運損失需要液氧為：6×2+1000×10%=112m3液氧。

1.4 管輸填充和預冷需液氧

為了方便液氧從氮氧站到氧加注庫區(qū)的轉(zhuǎn)運，設置1 根液氧輸送管線，管線為真空絕熱管。設計輸送流量為150 m3/h，則管線填充需液氧約為25 m3，預冷損失約為30 m3，共需液氧25+30=55m3。

1.5 蒸發(fā)損失需液氧

液氧儲存在貯罐中，存在蒸發(fā)的現(xiàn)象，不同貯罐形式，不同的容量大小，其液氧的蒸發(fā)損失是不同的，具體的蒸發(fā)損失如下。1）400 m3低溫貯罐，幾何容積440 m3，靜態(tài)蒸發(fā)率0.10%/d，2 臺設備，日蒸發(fā)量為0.88 m3。2）100 m3低溫貯罐，幾何容積144 m3，靜態(tài)蒸發(fā)率0.15%/d，1 臺設備，日蒸發(fā)量為0.216 m3。3）運輸車，幾何容積89 m3，靜態(tài)蒸發(fā)率0.18%/d，2 臺設備，日蒸發(fā)量為0.32 m3。4）500 m3常壓貯罐，幾何容積550 m3，靜態(tài)蒸發(fā)率0.15%/d，2 臺設備，日蒸發(fā)量為1.65 m3；蒸發(fā)損失按照30 d 考慮，經(jīng)計算，合計需液氧約92 m3。

1.6 氮氧站底液、預冷損失需液氧

氮氧站考慮設置液氧常壓貯罐2 臺500 m3，單臺預冷約為20 m3，留底量按60 m3考慮，加上前期貯罐和管道系統(tǒng)的吹除按30 m3考慮，合計需液氧為20×2+60×2+30=190m3。

1.7 液氧需求總量

根據(jù)上述6 項，一次發(fā)射液氧最大需求量為1 509 m3。

2 液氮需求分析

某新型火箭的液氮的需求主要為：低溫加注系統(tǒng)、貯罐預冷、煤油調(diào)溫、供氣系統(tǒng)、公路轉(zhuǎn)運損失、管線輸送填充和預冷、蒸發(fā)損失，以及氮氧站液氮貯罐底液和貯罐預冷損失等。

2.1 低溫加注系統(tǒng)需液氮

低溫加注系統(tǒng)液氮主要用于液氧過冷器和氦氣換熱器的液氮加注。低溫加注系統(tǒng)設置2 臺貯罐為加注液氮貯罐，另配2臺液氮運輸車為公路轉(zhuǎn)輸使用。液氮貯存按照240 m3，液氮調(diào)試按60 m3，合計約300 m3。

2.2 貯罐預冷需液氮

標準大氣壓下液氮的沸點為77 K，貯罐的儲存壓力一般在1.2 MPa 以下，貯罐在儲存液氮之前需要對貯罐進行預冷，把貯罐溫度降到77 K 以下，經(jīng)計算，貯罐進行預冷，需要約10 m3液氮，液氧運輸車進行預冷，需要約6 m3液氮，貯罐預冷共需要約10*2+6*2=32m3液氮。

2.3 煤油調(diào)溫需液氮

煤油降溫考慮用液氮進行調(diào)溫，考慮用公路運輸車保障液氮調(diào)溫，共160 m3液氮考慮。

2.4 供氣系統(tǒng)需液氮

根據(jù)供氣需求，單次發(fā)射供氣系統(tǒng)最大用氣量約為40萬Nm3，折合液氮為615 m3液氮。

2.5 公路轉(zhuǎn)運損失需液氮

公路轉(zhuǎn)運損失按總轉(zhuǎn)運量的10%計算，煤油降溫需轉(zhuǎn)運160 m3液氮，則公路轉(zhuǎn)運損失需要液氮為：120×10%=12m3。

2.6 管輸填充和預冷需液氮

為了方便液氮從氮氧站到加注庫區(qū)的轉(zhuǎn)運，設置1 根液氮管線，管線為真空絕熱管。設計輸送流量為100 m3/h，則管線填充需液氮約為25 m3，預冷損失約為40 m3，共需液氧25+40=65m3。

2.7 蒸發(fā)損失需液氮

液氮儲存在貯罐中，存在蒸發(fā)現(xiàn)象，具體的蒸發(fā)損失為：1）低溫貯罐，幾何容積144 m3，靜態(tài)蒸發(fā)率0.23%/d，2 臺設備，日蒸發(fā)量為0.66 m3。2）低溫運輸車，幾何容積89 m3，靜態(tài)蒸發(fā)率0.28%/d，2 臺設備，日蒸發(fā)量為0.50 m3。3）供氣低溫貯罐，幾何容積144 m3，靜態(tài)蒸發(fā)率0.23%/d，4 臺設備，日蒸發(fā)量為1.32 m3。4）供氣低溫貯罐，幾何容積33 m3，靜態(tài)蒸發(fā)率0.50%/d，2 臺設備，日蒸發(fā)量為0.33 m3。5）750 m3常壓貯罐，幾何容積825 m3，靜態(tài)蒸發(fā)率0.20%/d，2 臺設備，日蒸發(fā)量為3.30 m3；蒸發(fā)損失按照30 d 考慮，經(jīng)計算，合計液氮約185 m3。

2.8 氮氧站底液、預冷損失需液氮

氮氧站考慮設置液氮常壓貯罐2 臺750 m3，單臺預冷約為25 m3，留底量按85 m3考慮，加上前期貯罐和管道系統(tǒng)的吹除按30 m3考慮，合計需液氮為25×2+85×2+30=250 m3。

2.9 液氮需求總量

根據(jù)上述8 項，一次火箭發(fā)射任務液氮最大需求量為1 619 m3。

3 氮氧站建設規(guī)模

按一次最大需求液氧1 509 m3、液氮1 619 m3計算，則氮氧站的建設規(guī)模確定如下[2-3]。1）液氮的密度取808 kg/m3，液氧的密度取1 141 kg/m3。2）氮氧站生產(chǎn)時間為30 d。3）氮氧站生產(chǎn)的得液率為0.9。計算得：液氧需求為1 722 t，液氮需求為1 308 t，共計3 030 t。經(jīng)計算，得到氮氧站的建設規(guī)模應為4 700 kg/h（4.12 m3/h 液氧或5.82 m3/h 液氮）。考慮液氮和液氧不同時生產(chǎn)，每小時可獲得3.7 m3液氧或5.2 m3液氮。同時，氮氧站貯運系統(tǒng)設置2 臺500 m3（有效容積）液氧常壓貯罐， 2 臺750 m3（有效容積）液氮常壓貯罐以及配套發(fā)車泵和管路。

氮氧站制液氮和液氧的工藝流程為：

采用分子篩凈化、串聯(lián)增壓雙膨脹、中壓空氣循環(huán)制冷、深度冷凍的雙塔精餾工藝生產(chǎn)液氧和液氮。原料空氣在空氣過濾器中去除灰塵和機械雜質(zhì)后，進入原料空氣壓縮機壓縮，并由冷卻器冷卻；進入空氣預冷機組降溫后，再進入2 只相互切換使用的分子篩吸附器，吸附掉空氣中的H2O、CO2、C2H2等有害雜質(zhì)。凈化后的加工空氣與部分膨脹后復熱的空氣混和，經(jīng)中壓空氣壓縮機壓縮，抽出一股進主換熱器換熱，冷卻后抽出進高溫膨脹機膨脹，膨脹后返流空氣經(jīng)主換熱器復熱后回到循環(huán)空氣壓縮機前。另一股經(jīng)高低溫膨脹機兩次增壓后進入冷箱，經(jīng)主換熱器冷卻后的空氣一股從主換熱器中部抽出，進入低溫膨脹機膨脹后再分為2 個部分，其中一部分送入下塔，另一部經(jīng)主換熱器復熱后出冷箱回到循環(huán)空氣壓縮機前；另一股空氣進入主換熱器后，被返流產(chǎn)品氣體冷卻后經(jīng)節(jié)流進入下塔。空氣經(jīng)下塔初步精餾后，在下塔獲得液空、污液氮和純液氮。從下塔抽取液空、污液氮和純液氮，經(jīng)過液空液氮過冷器過冷后節(jié)流進入上塔不同部位。經(jīng)上塔進一步精餾后，在上塔底部獲得純度為99.6%的液氧產(chǎn)品出冷箱送往液氧貯槽。也可抽取一部分液氮作為產(chǎn)品出冷箱。從上塔頂部獲得污氮氣，經(jīng)過冷器、主換熱器復熱后出冷箱，進入電加熱器作為分子篩的再生氣體，多余部分放空。氮氧站主要設備有：自潔式空氣過濾器、原料空氣透平壓縮機、循環(huán)空氣透平壓縮機、原料空氣預冷系統(tǒng)、分子篩凈化系統(tǒng)、分餾塔、透平膨脹機、控制系統(tǒng)、液氧常壓貯罐和液氮常壓貯罐等[6]。

4 結論

該文分析了國內(nèi)某發(fā)射場新型火箭的液氮、液氧需求，梳理了包括低溫加注、貯箱預冷、公路和管輸轉(zhuǎn)運損失等所有需要液氧液氮的環(huán)節(jié)，逐項加以分析計算，最終確定了氮氧站的建設規(guī)模。同時介紹了氮氧站空分裝置制氮制氧的工藝流程，列出了主要設備，可為今后類似的工程建設提供借鑒和參考。