航天低溫推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)技術(shù)在液化天然氣領(lǐng)域的應(yīng)用分析

摘 要：本文主要介紹了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)所采用的先進(jìn)低溫技術(shù)，并對(duì)LNG領(lǐng)域的低溫技術(shù)的需求情況進(jìn)行了調(diào)研，通過(guò)分析，認(rèn)為可以把航天領(lǐng)域先進(jìn)的低溫技術(shù)應(yīng)用于LNG領(lǐng)域，從而取得民用化的巨大社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：液氫 航天 LNG 低溫技術(shù)

中圖分類號(hào)：V43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）12（b）-0099-02

液氫是一種低溫（液氫在常壓下的沸點(diǎn)約為-253℃）高能的清潔燃料，在航天領(lǐng)域里被廣泛作為推進(jìn)劑使用，因此液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)的研究進(jìn)展也非?？欤步ㄔO(shè)了大量與之相配套的地面試驗(yàn)系統(tǒng)及發(fā)射系統(tǒng)，火箭氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)是由管路把閥門、渦輪泵、推力室等部件連接起來(lái)組成的有機(jī)整體[1]，是復(fù)雜的熱流體動(dòng)力系統(tǒng)。液氫有很強(qiáng)的冷卻能力，可以解決推力室的冷卻問(wèn)題，液氫液氧是當(dāng)今比沖最高的一組液體火箭推進(jìn)劑，其液氫液氧比常溫的推進(jìn)劑的比沖要高出30%～40%，以液氫液氧作為推進(jìn)劑已成為各國(guó)發(fā)展航天的必由之路，而地面試驗(yàn)是發(fā)動(dòng)機(jī)研制的一個(gè)重要組成部分，而推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)在試驗(yàn)中又起著至關(guān)重要的作用，因此集成了大量的低溫系統(tǒng)技術(shù)。

液化天然氣是氣田開(kāi)采出來(lái)的天然氣，經(jīng)過(guò)脫水、脫酸性氣體和重?zé)N類，然后壓縮、膨脹、液化而成。LNG在常壓下的沸點(diǎn)約為-162 ℃、LNG不僅是清潔能源，而且使用方便、高效、安全，我國(guó)為實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)多元化、清潔化，已經(jīng)大力發(fā)展使用天然氣，而液化天然氣的儲(chǔ)存運(yùn)輸及應(yīng)用需要強(qiáng)大的低溫系統(tǒng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，尤其是LNG碼頭接收站的建設(shè)。

1 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)低溫推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)

推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)是試驗(yàn)中為發(fā)動(dòng)機(jī)提供推進(jìn)劑的系統(tǒng)及全部設(shè)備的總稱，包括液氫供應(yīng)系統(tǒng)和液氧供應(yīng)系統(tǒng)，隨著重型運(yùn)載火箭的開(kāi)發(fā)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力也要求越來(lái)越大，這種大推力發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)使得推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)發(fā)生了階躍性變化，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中解決了液氫貯存的大型貯箱、長(zhǎng)距離液氫輸送、加注、計(jì)量、保溫、低溫放泄露，閥門控制及截?cái)嗟却罅康募夹g(shù)難題。

1.1 液氫供應(yīng)系統(tǒng)組成

由相應(yīng)的控制設(shè)備（繼電器、壓力變送器、增壓調(diào)節(jié)裝置等）、閥門、主管道、補(bǔ)償器、排液、過(guò)濾器、流量計(jì)、液氫貯箱、排氣管道及抽空系統(tǒng)等方面組合而成的就是液氫供應(yīng)系統(tǒng)。其指揮系統(tǒng)就是按照實(shí)驗(yàn)流通把上述的設(shè)備通過(guò)相應(yīng)的控制程序來(lái)進(jìn)行，這樣系統(tǒng)就可以組織成可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制上的有機(jī)整體。

1.2 液氧供應(yīng)系統(tǒng)組成

液氧供應(yīng)系統(tǒng)組成與液氫供應(yīng)系統(tǒng)組成基本相同。系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建設(shè)滿足液氧的使用要求，如密封墊禁用玻璃鋼，采用與液氧的強(qiáng)氧化性相適應(yīng)的材料等。系統(tǒng)建成至今，已經(jīng)過(guò)若干次試驗(yàn)考驗(yàn)，工作穩(wěn)定、可靠。

1.3 推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)集成了氫氣生產(chǎn)液化、液氫儲(chǔ)存、液氫運(yùn)輸、液氫管路輸送、液氫低溫測(cè)量測(cè)控、低溫節(jié)流斷流、安全、環(huán)保等技術(shù)于一身，其中液氫的貯箱儲(chǔ)存及供應(yīng)技術(shù)，液氫的管路輸送技術(shù)是比較典型的低溫技術(shù)應(yīng)用過(guò)程。

由于重型火箭的推力非常大，因此發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)一次需要的液氫是幾百到幾千立方，而液氫的產(chǎn)量是有限的，因此需要提前生產(chǎn)并儲(chǔ)存大量的液氫，試驗(yàn)時(shí)在轉(zhuǎn)注到供發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臨時(shí)裝載的大型低溫貯箱里，發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)從這些大型的低溫貯箱里用管路直接輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)的推力室。由于發(fā)動(dòng)機(jī)入口出對(duì)液氫的溫度品質(zhì)很高，因此液氫在儲(chǔ)存時(shí)通常采用高真空多層絕熱容器，而且為了計(jì)量的準(zhǔn)確性，一般采用立式的圓柱型容器，校準(zhǔn)試驗(yàn)對(duì)流量的測(cè)量精度相對(duì)較高，而且試驗(yàn)次數(shù)相對(duì)其它研究性試驗(yàn)較多，因此將校準(zhǔn)試驗(yàn)使用的液氫貯箱設(shè)計(jì)為一個(gè)獨(dú)立的標(biāo)定貯箱，相比于其它貯箱，提高內(nèi)筒體橢圓度、直線度的加工精度和內(nèi)筒體的剛度，以滿足計(jì)量需要。標(biāo)定貯箱內(nèi)設(shè)差壓式液位計(jì)和分節(jié)式液位計(jì)，差壓式液位計(jì)提供加注和試驗(yàn)過(guò)程中的液位測(cè)量，分節(jié)式液位計(jì)用于穩(wěn)態(tài)流量測(cè)量（渦輪流量計(jì)提供瞬態(tài)流量）。試驗(yàn)中需要臨時(shí)貯存幾百方液氫，為確保試驗(yàn)安全，根據(jù)相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)配置安全閥和爆破膜串聯(lián)組合的超壓泄放裝置，避免了大口徑低溫安全閥的微漏問(wèn)題，并且采用雙路備份。試驗(yàn)時(shí)，從液氫貯箱向發(fā)動(dòng)機(jī)供給液氫通常通過(guò)氣體增壓或低溫泵輸送兩種方式確保液氫穩(wěn)定流動(dòng)，采用增壓方式的話增壓氣體流量的穩(wěn)定是保證發(fā)動(dòng)機(jī)泵前壓力穩(wěn)定的基礎(chǔ)，是試驗(yàn)成功的重要保障條件之一，因此增壓技術(shù)是非常重要的一項(xiàng)技術(shù)，低溫貯箱增壓是氣態(tài)和液態(tài)界面環(huán)境中，存在熱量和質(zhì)量交換的一種復(fù)雜的物理過(guò)程，包括氣體的混合，氣體與液體界面和貯箱壁之間的傳熱傳質(zhì)，冷凝膜的形成和流動(dòng)，液面向下的移動(dòng)及液體本身的攪動(dòng)等。在重型氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，由于推進(jìn)劑流量的大幅度提高，給低溫貯箱增壓系統(tǒng)提出了更嚴(yán)格的要求。在低溫貯箱上方設(shè)置的增壓氣體分布器及出口設(shè)置防渦流裝置使液氫以穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)進(jìn)入主管道。

液氫主管道通徑為DN250～DN300，主管道上設(shè)置波紋管補(bǔ)償器、過(guò)濾器等主要設(shè)備；液氫主管路采用技術(shù)較為成熟的真空多層絕熱管，液氫主管道上所液氫應(yīng)急閥、斷流閥、流量計(jì)、溫度傳感器等低溫管路設(shè)備及元器件。

總之，液氫供應(yīng)系統(tǒng)集成了最先進(jìn)的低溫系統(tǒng)技術(shù)。

2 LNG接收站系統(tǒng)技術(shù)

2.1 LNG接收站工藝系統(tǒng)[2]

LNG利用是一項(xiàng)投資十分巨大、上下游各環(huán)節(jié)聯(lián)系十分緊密的鏈狀系統(tǒng)工程，由天然氣開(kāi)采、天然氣液化、LNG運(yùn)輸、LNG接收與汽化、天然氣外輸管線、天然氣最終用戶六個(gè)環(huán)節(jié)組成，其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都將使整個(gè)系統(tǒng)停車，而且必須對(duì)上下游環(huán)節(jié)作出巨額賠償。因此LNG利用系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的工藝及設(shè)備必須安全可靠，LNG站是其中重要環(huán)節(jié)之一，要求更為嚴(yán)格。卸料臂現(xiàn)行LNG站工藝大致可分為兩種：一種是BOG再冷凝工藝，另一種是BOG直接壓縮工藝。兩種工藝并無(wú)本質(zhì)上的區(qū)別，僅在蒸發(fā)氣體（BOG）的處理上有所不同，現(xiàn)以BOG再冷凝工藝為例介紹LNG站工藝流程，LNG站的簡(jiǎn)要方框流程見(jiàn)圖1。

從流程看LNG站工藝并不復(fù)雜，但其中卻包含有許多高科技知識(shí)。LNG在常壓下的沸點(diǎn)約為-162 ℃，而LNG站正是在常壓下儲(chǔ)存LNG，因此LNG站在汽化之前的所有設(shè)備都是在-162 ℃的溫度下長(zhǎng)期低溫運(yùn)行，這對(duì)設(shè)備的保冷、材質(zhì)、防泄漏諸方面要求極高。另外LNG站的儲(chǔ)罐容積一般都在10×104 m3以上、直徑達(dá)70多米，數(shù)量至少2個(gè)，站內(nèi)儲(chǔ)存如此大量的極易汽化、燃燒的LNG，因此LNG站的安全性極其重要。一旦出現(xiàn)事故不但站內(nèi)人身安全、財(cái)產(chǎn)受到極大威脅，而且停產(chǎn)將要對(duì)上游LNG供應(yīng)商和下游燃?xì)庥脩糇鞒鼍揞~賠償，因?yàn)長(zhǎng)NG行業(yè)實(shí)行的是照付不議合同。

2.2 LNG接收站主要設(shè)備及測(cè)控系統(tǒng)

LNG站主要設(shè)備臺(tái)數(shù)并不算多，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、要求高且大型，關(guān)鍵設(shè)備有LNG儲(chǔ)罐、汽化器、LNG泵、LNG各種閥、LNG卸料臂、LNG裝車撬等，LNG測(cè)控系統(tǒng)主要是需要開(kāi)發(fā)出適用于低溫的測(cè)控的儀器儀表、傳感器等元器件。下面簡(jiǎn)單介紹幾種LNG站設(shè)備。

LNG儲(chǔ)罐均為雙層金屬罐，與LNG接觸的內(nèi)層為含9%Ni低溫鋼，外層為碳鋼，中間絕熱層為膨脹珍珠巖，罐底絕熱層為泡沫玻璃。

LNG裝車撬圖2是指將每一個(gè)LNG裝車鶴位內(nèi)的儀表和設(shè)備集成在一個(gè)專用的框架結(jié)構(gòu)內(nèi)，儀表和設(shè)備包括裝車鶴管、流量計(jì)、靜電報(bào)警控制器、壓力變送器、裝車流量控制閥、緊急切斷閥，裝車泵、批量控制器等；LNG裝車撬在生產(chǎn)廠家進(jìn)行儀表及設(shè)備安裝、電氣連接，完成系統(tǒng)強(qiáng)度和氣密測(cè)試，系統(tǒng)功能測(cè)試，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，系統(tǒng)測(cè)試合格后方可出廠，生產(chǎn)廠家出具系統(tǒng)合格證；裝車撬到達(dá)用戶裝車現(xiàn)場(chǎng)后，連接地角螺栓，連接工藝管線、供電線路和通訊線路后，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的調(diào)試就可以直接投入使用；和控制系統(tǒng)就地組裝比較，可以節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工量，縮短項(xiàng)目工期，同時(shí)提高了裝車控制系統(tǒng)品質(zhì)。

2.3 現(xiàn)階段LNG接收站所需設(shè)備供貨

LNG接收站的工藝設(shè)備多為低溫設(shè)備，由于我國(guó)LNG工業(yè)處于起步晚，很多設(shè)備國(guó)內(nèi)還沒(méi)有制造廠，如LNG卸料臂、LNG儲(chǔ)罐、BOG壓縮機(jī)、LNG輸送泵、氣化器、工藝海水泵、LNG車系統(tǒng)、低溫儀表、低溫閥門、低溫測(cè)控傳感器等絕大部分設(shè)備目前還是以國(guó)外進(jìn)口為主，小部分有國(guó)內(nèi)廠家研制，但是品質(zhì)與進(jìn)口產(chǎn)品比還是有不小的差距，因此很難獲得LNG站建設(shè)項(xiàng)目的采購(gòu)訂單。

在LNG接收站的建設(shè)中，國(guó)內(nèi)供貨的僅限于外圍的如電氣設(shè)備、消防設(shè)備、低溫非標(biāo)容器、制氮設(shè)備、壓縮空氣及儀表空氣設(shè)備、生產(chǎn)及生活水設(shè)備、污水處理設(shè)備、火炬設(shè)施、保冷材料產(chǎn)品等。

2.4 LNG接收站經(jīng)市場(chǎng)前景及濟(jì)性分析

LNG不僅是清潔能源，而且使用方便、高效、安全。特別是近年來(lái)大型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)取得了重大突破，采用燃?xì)廨啓C(jī)與蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)的天然氣發(fā)電廠，發(fā)電機(jī)組熱效率突破了汽輪機(jī)發(fā)電熱效率為40%的高限而達(dá)56%左右，使天然氣成為最經(jīng)濟(jì)的發(fā)電能源之一，東南沿海廣東、福建、江蘇、浙江和上海五省市是我國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)，經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)帶來(lái)能源需求的不斷上升國(guó)家資源平衡和運(yùn)輸能力均難以完全滿足五省市的需求，環(huán)境容量也要求燃煤再不能在該地區(qū)無(wú)限制發(fā)展。在加快核電建設(shè)的同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)多元化、清潔化，大力發(fā)展使用天然氣是一條現(xiàn)實(shí)可行之路。但東南沿海地區(qū)并無(wú)大量天然氣資源，近期也不會(huì)向廣東和福建敷設(shè)天然氣管線，因而使得進(jìn)口LNG成為首選方案。根據(jù)市場(chǎng)需求和地域分布，國(guó)家有關(guān)部門已在廣東、福建和上海三地積極開(kāi)展LNG的接收與利用前期研究工作待試點(diǎn)獲得經(jīng)驗(yàn)后再全面推廣，LNG接收站在我國(guó)沿海地區(qū)將會(huì)大量建設(shè)，因此急需相應(yīng)的低溫系統(tǒng)技術(shù)來(lái)支持。

LNG的最大用戶是發(fā)電廠，當(dāng)發(fā)電廠的進(jìn)氣價(jià)格為5美元/百萬(wàn)英熱單位時(shí)，電廠的經(jīng)濟(jì)效益會(huì)怎么樣呢？由于燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電熱效率的不斷提高，在我國(guó)東南沿海某一地區(qū)同等條件下與其它發(fā)電方式相比己具有相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)力。經(jīng)算：LNG電廠的單位成本為0.35元/kWh（人民幣，下同）、同一地區(qū)規(guī)劃的燃煤電廠成本為0.25元/kWh、水電為0.31元/kWh、油電為0.4元/kWh、核電為0.44元/kWh，LNG處于中間水平。

由此可見(jiàn)，導(dǎo)入LNG不僅可為投資者帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益，更重要的是改善了環(huán)境，增加了能源供給，保證了經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，提高了居民生活質(zhì)量。因此發(fā)展建設(shè)LNG項(xiàng)目意義重大，市場(chǎng)空間廣闊。

3 結(jié)語(yǔ)

從前述情況可以看出，LNG利用是一項(xiàng)投資十分巨大、上下游各環(huán)節(jié)聯(lián)系十分緊密的鏈狀系統(tǒng)工程，在我國(guó)也還是剛進(jìn)入初級(jí)階段，我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速的發(fā)展及環(huán)保的要求，使得進(jìn)口LNG作為清潔能源是解決能源緊張最好的方法，因此LNG接收站是一個(gè)有著很大前景的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，而建設(shè)中需要進(jìn)口解決的的低溫系統(tǒng)集成技術(shù)及各種低溫設(shè)備在我國(guó)的航天低溫推進(jìn)領(lǐng)域有著深厚的技術(shù)及運(yùn)用基礎(chǔ)，如果把這些技術(shù)、設(shè)備轉(zhuǎn)化為民用，航天低溫推進(jìn)供應(yīng)系統(tǒng)技術(shù)將會(huì)帶來(lái)巨大的社會(huì)效益。

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