發射場液氮液氧保障規模及能力建設分析

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

氮氧站是航天發射場地面設備的重要組成部分，為發射場地面系統所需的液氮、液氮提供生產保障[1]。隨著火箭發動機燃料的低溫化發展，液氧煤油、液氫液氧作為新一代火箭燃料將逐步取代傳統的四氧化二氮和偏二甲肼燃料，液氧將成為發射場需求量很大的一種能源。與此同時，火箭在發射前，需要在發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，因此液氮也是發射場重要的原料之一。下面就以國內某發射場新型火箭的液氮、液氧保障規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

國內某發射場新型火箭的液氧需求主要有低溫加注系統、液氧貯罐預冷、公路轉運損失、管線輸送填充和預冷、蒸發損失，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動機，芯三級為液氫液氧發動機。液氧總加注量為300 m3～400 m3?？紤]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。同時考慮加注系統調試用液氧約為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 公路轉運損失需液氧

考慮到氮氧站離發射區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，公路轉運損失按總轉運量的10%計，則公路轉運損失需要液氧為：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的轉運，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 蒸發損失需液氧

液氧儲存在貯罐中，存在蒸發的現象，不同貯罐形式，不同的容量大小，其液氧的蒸發損失是不同的，具體的蒸發損失如下。1）400 m3低溫貯罐，幾何容積440 m3，靜態蒸發率0.10%/d，2 臺設備，日蒸發量為0.88 m3。2）100 m3低溫貯罐，幾何容積144 m3，靜態蒸發率0.15%/d，1 臺設備，日蒸發量為0.216 m3。3）運輸車，幾何容積89 m3，靜態蒸發率0.18%/d，2 臺設備，日蒸發量為0.32 m3。4）500 m3常壓貯罐，幾何容積550 m3，靜態蒸發率0.15%/d，2 臺設備，日蒸發量為1.65 m3；蒸發損失按照30 d 考慮，經計算，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

根據上述6 項，一次發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、貯罐預冷、煤油調溫、供氣系統、公路轉運損失、管線輸送填充和預冷、蒸發損失，以及氮氧站液氮貯罐底液和貯罐預冷損失等。

2.1 低溫加注系統需液氮

低溫加注系統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輸使用。液氮貯存按照240 m3，液氮調試按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 煤油調溫需液氮

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

2.4 供氣系統需液氮

根據供氣需求，單次發射供氣系統最大用氣量約為40萬Nm3，折合液氮為615 m3液氮。

2.5 公路轉運損失需液氮

公路轉運損失按總轉運量的10%計算，煤油降溫需轉運160 m3液氮，則公路轉運損失需要液氮為：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的轉運，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 蒸發損失需液氮

液氮儲存在貯罐中，存在蒸發現象，具體的蒸發損失為：1）低溫貯罐，幾何容積144 m3，靜態蒸發率0.23%/d，2 臺設備，日蒸發量為0.66 m3。2）低溫運輸車，幾何容積89 m3，靜態蒸發率0.28%/d，2 臺設備，日蒸發量為0.50 m3。3）供氣低溫貯罐，幾何容積144 m3，靜態蒸發率0.23%/d，4 臺設備，日蒸發量為1.32 m3。4）供氣低溫貯罐，幾何容積33 m3，靜態蒸發率0.50%/d，2 臺設備，日蒸發量為0.33 m3。5）750 m3常壓貯罐，幾何容積825 m3，靜態蒸發率0.20%/d，2 臺設備，日蒸發量為3.30 m3；蒸發損失按照30 d 考慮，經計算，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

根據上述8 項，一次火箭發射任務液氮最大需求量為1 619 m3。

3 氮氧站建設規模

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）氮氧站生產時間為30 d。3）氮氧站生產的得液率為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。經計算，得到氮氧站的建設規模應為4 700 kg/h（4.12 m3/h 液氧或5.82 m3/h 液氮）?？紤]液氮和液氧不同時生產，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、串聯增壓雙膨脹、中壓空氣循環制冷、深度冷凍的雙塔精餾工藝生產液氧和液氮。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。凈化后的加工空氣與部分膨脹后復熱的空氣混和，經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，膨脹后返流空氣經主換熱器復熱后回到循環空氣壓縮機前。另一股經高低溫膨脹機兩次增壓后進入冷箱，經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，另一部經主換熱器復熱后出冷箱回到循環空氣壓縮機前；另一股空氣進入主換熱器后，被返流產品氣體冷卻后經節流進入下塔?？諝饨浵滤醪骄s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，經過液空液氮過冷器過冷后節流進入上塔不同部位。經上塔進一步精餾后，在上塔底部獲得純度為99.6%的液氧產品出冷箱送往液氧貯槽。也可抽取一部分液氮作為產品出冷箱。從上塔頂部獲得污氮氣，經過冷器、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、循環空氣透平壓縮機、原料空氣預冷系統、分子篩凈化系統、分餾塔、透平膨脹機、控制系統、液氧常壓貯罐和液氮常壓貯罐等[6]。

4 結論

該文分析了國內某發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、公路和管輸轉運損失等所有需要液氧液氮的環節，逐項加以分析計算，最終確定了氮氧站的建設規模。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。