楊潞鋒 軒志勇 楊曉靜 董 薇

（北京特種工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100028）

0 引言

氮氧站是航天發(fā)射場(chǎng)地面設(shè)備的重要組成部分，為發(fā)射場(chǎng)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(dòng)機(jī)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(chǎng)需求量很大的一種能源。與此同時(shí)，火箭在發(fā)射前，需要在發(fā)射場(chǎng)做大量測(cè)試工作，測(cè)試工作需要大量的、不同壓力等級(jí)的氮?dú)?，用于各?lèi)管線(xiàn)和設(shè)備的吹除、各種氣動(dòng)閥門(mén)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?dú)獾膩?lái)源為液氮?dú)饣?，因此液氮也是發(fā)射場(chǎng)重要的原料之一。下面就以國(guó)內(nèi)某發(fā)射場(chǎng)新型火箭的液氮、液氧保障規(guī)模和能力建設(shè)進(jìn)行梳理和分析，為今后類(lèi)似的工程建設(shè)提供借鑒和參考。

1 液氧需求分析

國(guó)內(nèi)某發(fā)射場(chǎng)新型火箭的液氧需求主要有低溫加注系統(tǒng)、液氧貯罐預(yù)冷、公路轉(zhuǎn)運(yùn)損失、管線(xiàn)輸送填充和預(yù)冷、蒸發(fā)損失，以及氮氧站液氧貯罐底液和預(yù)冷損失，下面就分別進(jìn)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(jí)、芯二級(jí)、芯三級(jí)和4 個(gè)助推構(gòu)成，其中芯一級(jí)、芯二級(jí)和4 個(gè)助推為液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，芯三級(jí)為液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)。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(xiàn)填充和預(yù)冷，以及火箭貯箱預(yù)冷和置換，設(shè)置2 臺(tái)400 m3貯罐為液氧加注貯罐，另設(shè)1 臺(tái)100 m3貯罐為氣化增壓貯罐，液氧總貯量為900 m3。同時(shí)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(jì)約1 000 m3。

1.2 貯罐預(yù)冷需液氧

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下液氧的沸點(diǎn)為90 K，貯罐的儲(chǔ)存壓力一般在1.2 MPa 以下，所以貯罐在儲(chǔ)存液氧之前需要對(duì)貯罐進(jìn)行預(yù)冷，把貯罐溫度降到93 K 以下。經(jīng)計(jì)算，400 m3貯罐進(jìn)行預(yù)冷，需要約25 m3液氧，100 m3貯罐進(jìn)行預(yù)冷，需要約10 m3液氧，貯罐預(yù)冷共需要約25×2+10=60m3液氧。

1.3 公路轉(zhuǎn)運(yùn)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(yùn)輸槽車(chē)，按配備2 輛液氧運(yùn)輸槽車(chē)計(jì)，每輛液氧運(yùn)輸槽車(chē)預(yù)冷需要約6 m3液氧，公路轉(zhuǎn)運(yùn)損失按總轉(zhuǎn)運(yùn)量的10%計(jì)，則公路轉(zhuǎn)運(yùn)損失需要液氧為：6×2+1000×10%=112m3液氧。

1.4 管輸填充和預(yù)冷需液氧

為了方便液氧從氮氧站到氧加注庫(kù)區(qū)的轉(zhuǎn)運(yùn)，設(shè)置1 根液氧輸送管線(xiàn)，管線(xiàn)為真空絕熱管。設(shè)計(jì)輸送流量為150 m3/h，則管線(xiàn)填充需液氧約為25 m3，預(yù)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(chǔ)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(tái)設(shè)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(tái)設(shè)備，日蒸發(fā)量為0.216 m3。3）運(yùn)輸車(chē)，幾何容積89 m3，靜態(tài)蒸發(fā)率0.18%/d，2 臺(tái)設(shè)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(tái)設(shè)備，日蒸發(fā)量為1.65 m3；蒸發(fā)損失按照30 d 考慮，經(jīng)計(jì)算，合計(jì)需液氧約92 m3。

1.6 氮氧站底液、預(yù)冷損失需液氧

氮氧站考慮設(shè)置液氧常壓貯罐2 臺(tái)500 m3，單臺(tái)預(yù)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(jì)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(xiàng)，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(yù)冷、煤油調(diào)溫、供氣系統(tǒng)、公路轉(zhuǎn)運(yùn)損失、管線(xiàn)輸送填充和預(yù)冷、蒸發(fā)損失，以及氮氧站液氮貯罐底液和貯罐預(yù)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(guò)冷器和氦氣換熱器的液氮加注。低溫加注系統(tǒng)設(shè)置2 臺(tái)貯罐為加注液氮貯罐，另配2臺(tái)液氮運(yùn)輸車(chē)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(jì)約300 m3。

2.2 貯罐預(yù)冷需液氮

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下液氮的沸點(diǎn)為77 K，貯罐的儲(chǔ)存壓力一般在1.2 MPa 以下，貯罐在儲(chǔ)存液氮之前需要對(duì)貯罐進(jìn)行預(yù)冷，把貯罐溫度降到77 K 以下，經(jīng)計(jì)算，貯罐進(jìn)行預(yù)冷，需要約10 m3液氮，液氧運(yùn)輸車(chē)進(jìn)行預(yù)冷，需要約6 m3液氮，貯罐預(yù)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(jìn)行調(diào)溫，考慮用公路運(yùn)輸車(chē)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(wàn)Nm3，折合液氮為615 m3液氮。

2.5 公路轉(zhuǎn)運(yùn)損失需液氮

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

2.6 管輸填充和預(yù)冷需液氮

為了方便液氮從氮氧站到加注庫(kù)區(qū)的轉(zhuǎn)運(yùn)，設(shè)置1 根液氮管線(xiàn)，管線(xiàn)為真空絕熱管。設(shè)計(jì)輸送流量為100 m3/h，則管線(xiàn)填充需液氮約為25 m3，預(yù)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(chǔ)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(tái)設(shè)備，日蒸發(fā)量為0.66 m3。2）低溫運(yùn)輸車(chē)，幾何容積89 m3，靜態(tài)蒸發(fā)率0.28%/d，2 臺(tái)設(shè)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(tái)設(shè)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(tái)設(shè)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(tái)設(shè)備，日蒸發(fā)量為3.30 m3；蒸發(fā)損失按照30 d 考慮，經(jīng)計(jì)算，合計(jì)液氮約185 m3。

2.8 氮氧站底液、預(yù)冷損失需液氮

氮氧站考慮設(shè)置液氮常壓貯罐2 臺(tái)750 m3，單臺(tái)預(yù)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(jì)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(xiàng)，一次火箭發(fā)射任務(wù)液氮最大需求量為1 619 m3。

3 氮氧站建設(shè)規(guī)模

按一次最大需求液氧1 509 m3、液氮1 619 m3計(jì)算，則氮氧站的建設(shè)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(shí)間為30 d。3）氮氧站生產(chǎn)的得液率為0.9。計(jì)算得：液氧需求為1 722 t，液氮需求為1 308 t，共計(jì)3 030 t。經(jīng)計(jì)算，得到氮氧站的建設(shè)規(guī)模應(yīng)為4 700 kg/h（4.12 m3/h 液氧或5.82 m3/h 液氮）?？紤]液氮和液氧不同時(shí)生產(chǎn)，每小時(shí)可獲得3.7 m3液氧或5.2 m3液氮。同時(shí)，氮氧站貯運(yùn)系統(tǒng)設(shè)置2 臺(tái)500 m3（有效容積）液氧常壓貯罐， 2 臺(tái)750 m3（有效容積）液氮常壓貯罐以及配套發(fā)車(chē)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(guò)濾器中去除灰塵和機(jī)械雜質(zhì)后，進(jìn)入原料空氣壓縮機(jī)壓縮，并由冷卻器冷卻；進(jìn)入空氣預(yù)冷機(jī)組降溫后，再進(jìn)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(fù)熱的空氣混和，經(jīng)中壓空氣壓縮機(jī)壓縮，抽出一股進(jìn)主換熱器換熱，冷卻后抽出進(jìn)高溫膨脹機(jī)膨脹，膨脹后返流空氣經(jīng)主換熱器復(fù)熱后回到循環(huán)空氣壓縮機(jī)前。另一股經(jīng)高低溫膨脹機(jī)兩次增壓后進(jìn)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(jìn)入低溫膨脹機(jī)膨脹后再分為2 個(gè)部分，其中一部分送入下塔，另一部經(jīng)主換熱器復(fù)熱后出冷箱回到循環(huán)空氣壓縮機(jī)前；另一股空氣進(jìn)入主換熱器后，被返流產(chǎn)品氣體冷卻后經(jīng)節(jié)流進(jìn)入下塔?？諝饨?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(guò)液空液氮過(guò)冷器過(guò)冷后節(jié)流進(jìn)入上塔不同部位。經(jīng)上塔進(jìn)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?dú)猓?jīng)過(guò)冷器、主換熱器復(fù)熱后出冷箱，進(jìn)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(shè)備有：自潔式空氣過(guò)濾器、原料空氣透平壓縮機(jī)、循環(huán)空氣透平壓縮機(jī)、原料空氣預(yù)冷系統(tǒng)、分子篩凈化系統(tǒng)、分餾塔、透平膨脹機(jī)、控制系統(tǒng)、液氧常壓貯罐和液氮常壓貯罐等[6]。

4 結(jié)論

該文分析了國(guó)內(nèi)某發(fā)射場(chǎng)新型火箭的液氮、液氧需求，梳理了包括低溫加注、貯箱預(yù)冷、公路和管輸轉(zhuǎn)運(yùn)損失等所有需要液氧液氮的環(huán)節(jié)，逐項(xiàng)加以分析計(jì)算，最終確定了氮氧站的建設(shè)規(guī)模。同時(shí)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(shè)備，可為今后類(lèi)似的工程建設(shè)提供借鑒和參考。