液氢是一种低温 (液氢在常压下的沸点约为-253℃) 高能的清洁燃料, 在航天领域里被广泛作为推进剂使用, 因此液氢液氧发动机的研究进展也非常快, 也建设了大量与之相配套的地面试验系统及发射系统, 火箭氢氧发动机是由管路把阀门、涡轮泵、推力室等部件连接起来组成的有机整体[1], 是复杂的热流体动力系统。液氢有很强的冷却能力, 可以解决推力室的冷却问题, 液氢液氧是当今比冲最高的一组液体火箭推进剂, 其液氢液氧比常温的推进剂的比冲要高出30%～40%, 以液氢液氧作为推进剂已成为各国发展航天的必由之路, 而地面试验是发动机研制的一个重要组成部分, 而推进剂供应系统在试验中又起着至关重要的作用, 因此集成了大量的低温系统技术。
液化天然气是气田开采出来的天然气, 经过脱水、脱酸性气体和重烃类, 然后压缩、膨胀、液化而成。LNG在常压下的沸点约为-162℃、LNG不仅是清洁能源, 而且使用方便、高效、安全, 我国为实现能源结构多元化、清洁化, 已经大力发展使用天然气, 而液化天然气的储存运输及应用需要强大的低温系统技术来实现, 尤其是LNG码头接收站的建设。
推进剂供应系统是试验中为发动机提供推进剂的系统及全部设备的总称, 包括液氢供应系统和液氧供应系统, 随着重型运载火箭的开发, 火箭发动机的推力也要求越来越大, 这种大推力发动机的试验使得推进剂供应系统发生了阶跃性变化, 系统设计中解决了液氢贮存的大型贮箱、长距离液氢输送、加注、计量、保温、低温放泄露, 阀门控制及截断等大量的技术难题。
由相应的控制设备 (继电器、压力变送器、增压调节装置等) 、阀门、主管道、补偿器、排液、过滤器、流量计、液氢贮箱、排气管道及抽空系统等方面组合而成的就是液氢供应系统。其指挥系统就是按照实验流通把上述的设备通过相应的控制程序来进行, 这样系统就可以组织成可以进行远程控制上的有机整体。
液氧供应系统组成与液氢供应系统组成基本相同。系统设计及建设满足液氧的使用要求, 如密封垫禁用玻璃钢, 采用与液氧的强氧化性相适应的材料等。系统建成至今, 已经过若干次试验考验, 工作稳定、可靠。
火箭发动机试验推进剂供应系统集成了氢气生产液化、液氢储存、液氢运输、液氢管路输送、液氢低温测量测控、低温节流断流、安全、环保等技术于一身, 其中液氢的贮箱储存及供应技术, 液氢的管路输送技术是比较典型的低温技术应用过程。
由于重型火箭的推力非常大, 因此发动机试验一次需要的液氢是几百到几千立方, 而液氢的产量是有限的, 因此需要提前生产并储存大量的液氢, 试验时在转注到供发动机试验临时装载的大型低温贮箱里, 发动机试验时从这些大型的低温贮箱里用管路直接输送到发动机的推力室。由于发动机入口出对液氢的温度品质很高, 因此液氢在储存时通常采用高真空多层绝热容器, 而且为了计量的准确性, 一般采用立式的圆柱型容器, 校准试验对流量的测量精度相对较高, 而且试验次数相对其它研究性试验较多, 因此将校准试验使用的液氢贮箱设计为一个独立的标定贮箱, 相比于其它贮箱, 提高内筒体椭圆度、直线度的加工精度和内筒体的刚度, 以满足计量需要。标定贮箱内设差压式液位计和分节式液位计, 差压式液位计提供加注和试验过程中的液位测量, 分节式液位计用于稳态流量测量 (涡轮流量计提供瞬态流量) 。试验中需要临时贮存几百方液氢, 为确保试验安全, 根据相应的设计标准配置安全阀和爆破膜串联组合的超压泄放装置, 避免了大口径低温安全阀的微漏问题, 并且采用双路备份。试验时, 从液氢贮箱向发动机供给液氢通常通过气体增压或低温泵输送两种方式确保液氢稳定流动, 采用增压方式的话增压气体流量的稳定是保证发动机泵前压力稳定的基础, 是试验成功的重要保障条件之一, 因此增压技术是非常重要的一项技术, 低温贮箱增压是气态和液态界面环境中, 存在热量和质量交换的一种复杂的物理过程, 包括气体的混合, 气体与液体界面和贮箱壁之间的传热传质, 冷凝膜的形成和流动, 液面向下的移动及液体本身的搅动等。在重型氢氧发动机试验中, 由于推进剂流量的大幅度提高, 给低温贮箱增压系统提出了更严格的要求。在低温贮箱上方设置的增压气体分布器及出口设置防涡流装置使液氢以稳态流场进入主管道。
液氢主管道通径为DN250～DN300, 主管道上设置波纹管补偿器、过滤器等主要设备;液氢主管路采用技术较为成熟的真空多层绝热管, 液氢主管道上所液氢应急阀、断流阀、流量计、温度传感器等低温管路设备及元器件。
总之, 液氢供应系统集成了最先进的低温系统技术。
LNG利用是一项投资十分巨大、上下游各环节联系十分紧密的链状系统工程, 由天然气开采、天然气液化、LNG运输、LNG接收与汽化、天然气外输管线、天然气最终用户六个环节组成, 其中任何一个环节出现问题都将使整个系统停车, 而且必须对上下游环节作出巨额赔偿。因此LNG利用系统各环节的工艺及设备必须安全可靠, LNG站是其中重要环节之一, 要求更为严格。卸料臂现行LNG站工艺大致可分为两种:一种是BOG再冷凝工艺, 另一种是BOG直接压缩工艺。两种工艺并无本质上的区别, 仅在蒸发气体 (BOG) 的处理上有所不同, 现以BOG再冷凝工艺为例介绍LNG站工艺流程, LNG站的简要方框流程见图1。
从流程看LNG站工艺并不复杂, 但其中却包含有许多高科技知识。LNG在常压下的沸点约为-162℃, 而LNG站正是在常压下储存LNG, 因此LNG站在汽化之前的所有设备都是在-162℃的温度下长期低温运行, 这对设备的保冷、材质、防泄漏诸方面要求极高。另外LNG站的储罐容积一般都在10×104 m3以上、直径达70多米, 数量至少2个, 站内储存如此大量的极易汽化、燃烧的LNG, 因此LNG站的安全性极其重要。一旦出现事故不但站内人身安全、财产受到极大威胁, 而且停产将要对上游LNG供应商和下游燃气用户作出巨额赔偿, 因为LNG行业实行的是照付不议合同。
LNG站主要设备台数并不算多, 但结构复杂、要求高且大型, 关键设备有LNG储罐、汽化器、LNG泵、LNG各种阀、LNG卸料臂、LNG装车撬等, LNG测控系统主要是需要开发出适用于低温的测控的仪器仪表、传感器等元器件。下面简单介绍几种LNG站设备。
LNG储罐均为双层金属罐, 与LNG接触的内层为含9%Ni低温钢, 外层为碳钢, 中间绝热层为膨胀珍珠岩, 罐底绝热层为泡沫玻璃。
LNG装车撬图2是指将每一个LNG装车鹤位内的仪表和设备集成在一个专用的框架结构内, 仪表和设备包括装车鹤管、流量计、静电报警控制器、压力变送器、装车流量控制阀、紧急切断阀, 装车泵、批量控制器等;LNG装车撬在生产厂家进行仪表及设备安装、电气连接, 完成系统强度和气密测试, 系统功能测试, 记录测试数据, 系统测试合格后方可出厂, 生产厂家出具系统合格证;装车撬到达用户装车现场后, 连接地角螺栓, 连接工艺管线、供电线路和通讯线路后, 经过简单的调试就可以直接投入使用;和控制系统就地组装比较, 可以节省现场设计和现场施工量, 缩短项目工期, 同时提高了装车控制系统品质。
LNG接收站的工艺设备多为低温设备, 由于我国LNG工业处于起步晚, 很多设备国内还没有制造厂, 如LNG卸料臂、LNG储罐、BOG压缩机、LNG输送泵、气化器、工艺海水泵、LNG车系统、低温仪表、低温阀门、低温测控传感器等绝大部分设备目前还是以国外进口为主, 小部分有国内厂家研制, 但是品质与进口产品比还是有不小的差距, 因此很难获得LNG站建设项目的采购订单。
在LNG接收站的建设中, 国内供货的仅限于外围的如电气设备、消防设备、低温非标容器、制氮设备、压缩空气及仪表空气设备、生产及生活水设备、污水处理设备、火炬设施、保冷材料产品等。
LNG不仅是清洁能源, 而且使用方便、高效、安全。特别是近年来大型燃气轮机技术取得了重大突破, 采用燃气轮机与蒸汽轮机联合循环的天然气发电厂, 发电机组热效率突破了汽轮机发电热效率为40%的高限而达56%左右, 使天然气成为最经济的发电能源之一, 东南沿海广东、福建、江苏、浙江和上海五省市是我国经济最发达的地区, 经济的高速增长带来能源需求的不断上升国家资源平衡和运输能力均难以完全满足五省市的需求, 环境容量也要求燃煤再不能在该地区无限制发展。在加快核电建设的同时, 为了实现能源结构多元化、清洁化, 大力发展使用天然气是一条现实可行之路。但东南沿海地区并无大量天然气资源, 近期也不会向广东和福建敷设天然气管线, 因而使得进口LNG成为首选方案。根据市场需求和地域分布, 国家有关部门已在广东、福建和上海三地积极开展LNG的接收与利用前期研究工作待试点获得经验后再全面推广, LNG接收站在我国沿海地区将会大量建设, 因此急需相应的低温系统技术来支持。
LNG的最大用户是发电厂, 当发电厂的进气价格为5美元/百万英热单位时, 电厂的经济效益会怎么样呢?由于燃气蒸汽联合循环发电热效率的不断提高, 在我国东南沿海某一地区同等条件下与其它发电方式相比己具有相当的竞争力。经算:LNG电厂的单位成本为0.35元/kWh (人民币, 下同) 、同一地区规划的燃煤电厂成本为0.25元/k Wh、水电为0.31元/k Wh、油电为0.4元/k Wh、核电为0.44元/k Wh, LNG处于中间水平。
由此可见, 导入LNG不仅可为投资者带来良好的经济效益, 更重要的是改善了环境, 增加了能源供给, 保证了经济持续发展, 提高了居民生活质量。因此发展建设LNG项目意义重大, 市场空间广阔。
从前述情况可以看出, LNG利用是一项投资十分巨大、上下游各环节联系十分紧密的链状系统工程, 在我国也还是刚进入初级阶段, 我国经济高速的发展及环保的要求, 使得进口LNG作为清洁能源是解决能源紧张最好的方法, 因此LNG接收站是一个有着很大前景的朝阳产业, 而建设中需要进口解决的的低温系统集成技术及各种低温设备在我国的航天低温推进领域有着深厚的技术及运用基础, 如果把这些技术、设备转化为民用, 航天低温推进供应系统技术将会带来巨大的社会效益。
摘要：本文主要介绍了火箭发动机试验推进剂供应系统所采用的先进低温技术, 并对LNG领域的低温技术的需求情况进行了调研, 通过分析, 认为可以把航天领域先进的低温技术应用于LNG领域, 从而取得民用化的巨大社会效益。
关键词：液氢,航天,LNG,低温技术
[1] 冷力强, 侯宇葵.未来空间技术展望[J].航天器工程, 2007 (1) .
[2] 刘利.LNG站的设计技术[J].石油化工建设, 2005 (4) .
