CN103383578A

CN103383578A - 一种冗余低温加注系统及方法

Info

Publication number: CN103383578A
Application number: CN201310286825XA
Authority: CN
Inventors: 张�杰; 唐强; 刘忠明; 王立; 张波; 章洁平; 罗强; 刘聪聪; 刘照智; 田青亚; 高靖文
Original assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Beijing Institute of Space Launch Technology
Current assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Beijing Institute of Space Launch Technology
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2033-07-09
Also published as: CN103383578B

Abstract

本发明为了克服现有技术中低温加注系统的增压方式带来的低可靠度问题，提供了一种冗余低温加注系统及方法。该冗余低温加注系统包括低温贮罐B及配套汽化器、低温贮罐A、低温真空管路和低温发泡管路、多个低温气动阀门、外气源增压截止阀21和22、两个63μ液氧过滤器、液氧过冷器、流量计Q、温度传感器、液位传感器V1～V3。该冗余低温加注系统具备了汽化器对自身贮罐增压、汽化器“一对二”给贮罐增压、外气源增压等多种增压模式的功能，同时对动作频繁的控制阀门并联了备份阀门，系统具有较强的冗余能力和较高的使用可靠性。

Description

一种冗余低温加注系统及方法

技术领域

本发明涉及一种低温介质输送系统，更具体地，涉及一种冗余低温加注系统及方法。该冗余低温加注系统及方法应用在某型号低温型火箭的液氧加注系统中，也可推广应用至其它低温介质加注系统及民用低温介质输送系统。

背景技术

国内外低温加注系统的增压方式通常为贮罐自带汽化器给自身增压或外气源增压，而外气源（氮气）挤压可能导致液氧固定罐剩余液氧品质下降的问题，贮罐自带汽化器给自身增压仅可满足对自身的增压要求。

例如，中国发明专利CN1830491A公开了一种等离子体灭菌装置过氧化氢加注系统，包括支架、储液箱、汽化器和输送管路，储液箱和汽化器上连接有气体喷头，汽化器为两级汽化筒，两级汽化筒内分别设有温度控制系统对两级汽化筒进行温度控制，这种过氧化氢加注系统，由于汽化器为两级汽化筒，两级汽化筒内分别设有温度控制系统对两级汽化筒进行温度控制，装置结构复杂，制造成本高。而申请号为CN201010191223.2的中国发明专利申请公开了一种低温等离子灭菌器过氧化氢定量加注系统,包括储液罐、加注泵、双温度汽化器和电磁阀,主要结构特点是,储液罐下端设有出液口,出液口经两个电磁阀与双温度汽化器进液口连通,两个电磁阀之间设有三通接头,三通接头分别与两个电磁阀及加注泵连通,双温度汽化器出汽口连接灭菌舱。该装置结构复杂，可靠性较低。

发明内容

一种冗余低温加注系统，包括：低温贮罐B及配套汽化器、低温贮罐A、低温真空管路和低温发泡管路、多个低温气动阀门、外气源增压截止阀21和22、两个63μ液氧过滤器、液氧过冷器、流量计Q、温度传感器、液位传感器V1～V3；所述低温贮罐A和低温贮罐B分别连接外气源增压截止阀21和外气源增压截止阀22，用于通入23MPa的氮气；低温气动阀门18和低温气动阀门13分别控制介质自低温贮罐A和低温贮罐B流出；低温贮罐A上设置有液位传感器V1，低温贮罐B上设置有液位传感器V2；低温贮罐B还通过低温气动阀门19、低温气动阀门10、温度传感器T5、低温气动阀门9、低温气动阀门24以及低温气动阀门23与低温贮罐A连接；在低温气动阀门18和低温气动阀门13旁边分别设置有温度传感器T1和温度传感器T4；低温贮罐B还通过低温气动阀门15、低温气动阀门17、并联的低温气动阀门6和低温气动阀门16与流量计Q连接，低温贮罐A与并联的低温气动阀门6和低温气动阀门16通过低温气动阀门28连接；在该低温气动阀门28旁边设置温度传感器T2；流量计Q的另一端通过低温气动阀门25和低温气动阀门8以及第一个63μ液氧过滤器连接液位传感器V2，低温气动阀门8与第一个63μ液氧过滤器之间设置有温度传感器T10，低温气动阀门8和低温气动阀门25之间设置有并联的低温气动阀门7和低温气动阀门30，且低温气动阀门7和低温气动阀门30之间有一支路连接至氧排管；低温气动阀门25两端连接液氧过冷器；低温气动阀门17和低温气动阀门15之间设置有温度传感器T3；低温气动阀门15与温度传感器T3之间设置有一支路，该支路上串接有低温气动阀门5和第二个63μ液氧过滤器；上述组件之间通过低温真空管路或低温发泡管路连接。

进一步地，所述低温气动阀门25的两端并联有连接液氧过冷器的两个支路，一条支路连接液氧过冷器的低温气动阀门27-1和低温气动阀门27-2，该支路设置有温度传感器T7；另一条支路连接低温气动阀门29-1和低温气动阀门29-2，低温气动阀门29-1与液氧过冷器之间设置有温度传感器T8，低温气动阀门29-2与液氧过冷器之间设置有温度传感器T9；低温气动阀门27-1与低温气动阀门29-1分别连接液氧过冷器的一组换热管，低温气动阀门27-2与低温气动阀门29-2分别连接液氧过冷器的另一组换热管。

进一步地，所述冗余低温加注系统还包括多个压力传感器，低温贮罐A上设置有压力传感器P1，低温贮罐B上设置有压力传感器P4，在该低温气动阀，门28旁边设置有压力传感器P2，所述液位传感器V2上设置有压力传感器P9，低温气动阀门8与第一个63μ液氧过滤器之间设置有压力传感器P8，低温气动阀门25两端还并联有两个支路，其中一个支路设置有压力传感器P7,低温气动阀门17和低温气动阀门15之间设置有压力传感器P3。

根据本发明的另一方面，还提供了一种冗余低温加注方法，包括如下步骤：

a)作为主加注贮罐的低温贮罐A不含汽化器，保留外气源增压作为备份增压加注方式；

b)在关键的低温气动阀门——低温气动阀门16设置并联冗余备份的低温气动阀门6，实现低温气动阀门6与低温气动阀门16阀的在线备份；

c)采用汽化器增压方式进行加注；将低温气动阀门开度控制与汽化器出口温度结合，采用系统自动控制和适时人工干预的综合控制方法进行贮罐增压。

进一步地，所述步骤a）中的增压加注方式包括：汽化器给低温贮罐B单独增压完成加注；低温贮罐B汽化器同时给低温贮罐A、B增压完成加注；外气源给低温贮罐A或B单独增压完成加注。

进一步地，所述外气源为氮气源。

进一步地，所述步骤b）包括：正常加注过程中（预冷、大流量加注、补加加注等），低温气动阀门17为常开状态，低温气动阀门16作为加注过程主控制阀门，控制加注过程的开始和停止，低温气动阀门6作为备份加注控制阀门。加注过程中一旦低温气动阀门16无法正常打开，系统将启用备份加注通道，即低温气动阀门6所在通道，打开低温气动阀门6继续加注；而一旦低温气动阀门16无法正常关闭，系统将启用备份低温气动阀门17，通过关闭低温气动阀门17停止加注。

进一步地，所述步骤c）包括：正常情况下，贮罐按照分段逐级增压的方式自动控制增压，即每5min增压0.05MPa，直至压力满足要求，低温气动阀门开度根据增压速度进行自动调节；同时人工实时在线监测汽化器出口温度，当汽化器出口温度低于118K，即液氧设计压力下饱和温度的时候，适时进行人工干预，减小低温气动阀门开度，确保贮罐增压效果。

本发明的有益效果是：该系统具备了汽化器对自身贮罐增压、汽化器“一对二”给贮罐增压、外气源增压等多种增压模式的功能，同时对动作频繁的控制阀门并联了备份阀门，系统具有较强的冗余能力和较高的使用可靠性。该低温加注系统经过XX-3A系列火箭共11次加注发射任务考核，低温贮罐气枕压力控制稳定，加注流量及液氧品质满足总体技术指标要求。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施例的低温加注系统结构图。

具体实施方式

下面将结合图1详细说明本发明的实施例。

如图1所示的冗余低温加注系统，包括：低温贮罐B及配套汽化器、低温贮罐A、低温真空管路和低温发泡管路、多个低温气动阀门、外气源增压截止阀21和22、两个63μ液氧过滤器、液氧过冷器、流量计Q、温度传感器、液位传感器V1～V3；所述低温贮罐A和低温贮罐B分别连接外气源增压截止阀21和外气源增压截止阀22，用于通入23MPa的氮气；低温气动阀门18和低温气动阀门13分别控制介质自低温贮罐A和低温贮罐B流出；低温贮罐A上设置有液位传感器V1，低温贮罐B上设置有液位传感器V2；低温贮罐B还通过低温气动阀门19、低温气动阀门10、温度传感器T5、低温气动阀门9、低温气动阀门24以及低温气动阀门23与低温贮罐A连接；在低温气动阀门18和低温气动阀门13旁边分别设置有温度传感器T1和温度传感器T4；低温贮罐B还通过低温气动阀门15、低温气动阀门17、并联的低温气动阀门6和低温气动阀门16与流量计Q连接，低温贮罐A与并联的低温气动阀门6和低温气动阀门16通过低温气动阀门28连接；在该低温气动阀门28旁边设置温度传感器T2；流量计Q的另一端通过低温气动阀门25和低温气动阀门8以及第一个63μ液氧过滤器连接液位传感器V2，低温气动阀门8与第一个63μ液氧过滤器之间设置有温度传感器T10，低温气动阀门8和低温气动阀门25之间设置有并联的低温气动阀门7和低温气动阀门30，且低温气动阀门7和低温气动阀门30之间有一支路连接至氧排管；低温气动阀门25两端连接液氧过冷器；低温气动阀门17和低温气动阀门15之间设置有温度传感器T3；低温气动阀门15与温度传感器T3之间设置有一支路，该支路上串接有低温气动阀门5和第二个63μ液氧过滤器；上述组件之间通过低温真空管路或低温发泡管路连接。

所述低温气动阀门25的两端并联有连接液氧过冷器的两个支路，一条支路连接液氧过冷器的低温气动阀门27-1和低温气动阀门27-2，该支路设置有温度传感器T7；另一条支路连接低温气动阀门29-1和低温气动阀门29-2，低温气动阀门29-1与液氧过冷器之间设置有温度传感器T8，低温气动阀门29-2与液氧过冷器之间设置有温度传感器T9；低温气动阀门27-1与低温气动阀门29-1分别连接液氧过冷器的一组换热管，低温气动阀门27-2与低温气动阀门29-2分别连接液氧过冷器的另一组换热管。

所述冗余低温加注系统还包括多个压力传感器，低温贮罐A上设置有压力传感器P1，低温贮罐B上设置有压力传感器P4，在该低温气动阀，门28旁边设置有压力传感器P2，所述液位传感器V2上设置有压力传感器P9，低温气动阀门8与第一个63μ液氧过滤器之间设置有压力传感器P8，低温气动阀门25两端还并联有两个支路，其中一个支路设置有压力传感器P7,低温气动阀门17和低温气动阀门15之间设置有压力传感器P3。

根据另一个实施例，一种冗余低温加注方法，包括如下步骤：

所述步骤a）中的增压加注方式包括：

（1）汽化器给低温贮罐B单独增压完成加注。在系统正常加注过程中（预冷、大流量加注、补加加注等），打开低温气动阀门19、15、9、17、6（或16）、25（或27-1、27-2、29-1、29-2）、8、10，关闭低温气动阀门5、7、13、24、30，低温液体经汽化器汽化后对低温贮罐B进行增压，对低温贮罐B进行挤压完成低温推进剂加注。

（2）汽化器同时给低温贮罐A、B增压完成加注。在系统正常加注过程中（预冷、大流量加注、补加加注等），打开低温气动阀门19、15（或28）、9、23、24、17、6（或16）、25（或27-1、27-2、29-1、29-2）、8、10，关闭低温气动阀门5、7、13、18、30、28（或15），低温液体经汽化器汽化后对低温贮罐A和B同时进行增压，对低温贮罐A或B进行挤压完成低温推进剂加注。

（3）外气源给低温贮罐A或B单独增压完成加注。加注过程中一旦汽化器增压失效，可打开增压截止阀22，采用外气源（氮气）对液氧固定罐B增压进行加注；当液氧固定罐B也同时失效时，可打开增压截止阀21，采用外气源（氮气）对液氧固定罐A增压进行加注。改进后在主加注方案之外另外预备2套备份加注方案，有效保证系统按时、定量完成液氧加注任务，提高系统工作可靠性。

所述外气源为氮气源。

所述步骤b）包括：正常加注过程中（预冷、大流量加注、补加加注等），低温气动阀门17为常开状态，低温气动阀门16作为加注过程主控制阀门，控制加注过程的开始和停止，低温气动阀门6作为备份加注控制阀门。加注过程中一旦低温气动阀门16无法正常打开，系统将启用备份加注通道，即低温气动阀门6所在通道，打开低温气动阀门6继续加注；而一旦低温气动阀门16无法正常关闭，系统将启用备份低温气动阀门17，通过关闭低温气动阀门17停止加注。

所述步骤c）包括：正常情况下，贮罐按照分段逐级增压的方式自动控制增压，即每5min增压0.05MPa，直至压力满足要求，低温气动阀门开度根据增压速度进行自动调节；同时人工实时在线监测汽化器出口温度，当汽化器出口温度低于118K，即液氧设计压力下饱和温度的时候，人工干预调低低温气动阀门19的开度，减少汽化器进液量，提高汽化器出口温度值。通过以上控制策略保障贮罐气枕压力的精确控制，进而满足系统对加注流量的要求，确保贮罐增压效果。

在一个优选的实施例中，步骤c）包括：当低温贮罐压力P1低于设计要求时，系统自动调大低温气动阀门19开度，增加汽化器进液流量，提高贮罐压力P1至要求值，反之则调小低温气动阀门19开度；当汽化器出口温度T5低于118K（液氧设计压力下饱和温度）时，人工干预调低低温气动阀门19的开度，减少汽化器进液量，提高汽化器出口温度值。通过以上控制策略保障贮罐气枕压力的精确控制，进而满足系统对加注流量的要求。

在一个优选的实施例中，步骤b）采取如下方案：正常加注过程中（预冷、大流量加注、补加加注等），低温气动阀门17为常开状态，低温气动阀门16作为加注过程主控制阀门，控制加注过程的开始和停止，低温气动阀门6作为备份加注控制阀门。加注过程中一旦低温气动阀门16无法正常打开，系统将启用备份加注通道，即低温气动阀门6所在通道，打开低温气动阀门6继续加注；而一旦低温气动阀门16无法正常关闭，系统将启用备份低温气动阀门17，通过关闭低温气动阀门17停止加注。通过以上改进明显提高低温推进剂加注系统的冗余性和可靠性，保证系统在无人值守阶段（射前补加加注阶段）顺利完成加注任务。

在一个优选的实施例中，步骤c）为了确保低温推进剂品质方面，还包括：（1）优先采用汽化器增压方式进行加注。该增压方案采用同种介质进行增压，避免因外气源（氮气）增压造成液氧品质下降；（2）在系统中设置液氧过冷器。在补加加注过程中，系统关闭低温气动阀门25，打开低温气动阀门27-1、29-1（或27-2、29-2），低温推进剂（液氧）经液氧过冷器进行降温，降低低温推进剂（液氧）中气态氧的含量，从而提高推进剂品质。

以上的各实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进（例如，构成本发明的试验平台的各组成部分的布局或位置），均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种冗余低温加注系统，其特征在于，包括：低温贮罐B及配套汽化器、低温贮罐A、低温真空管路和低温发泡管路、多个低温气动阀门、外气源增压截止阀21和22、两个63μ液氧过滤器、液氧过冷器、流量计Q、温度传感器、液位传感器V1～V3；所述低温贮罐A和低温贮罐B分别连接外气源增压截止阀21和外气源增压截止阀22，用于通入23MPa的氮气；低温气动阀门18和低温气动阀门13分别控制介质自低温贮罐A和低温贮罐B流出；低温贮罐A上设置有液位传感器V1，低温贮罐B上设置有液位传感器V2；低温贮罐B还通过低温气动阀门19、低温气动阀门10、温度传感器T5、低温气动阀门9、低温气动阀门24以及低温气动阀门23与低温贮罐A连接；在低温气动阀门18和低温气动阀门13旁边分别设置有温度传感器T1和温度传感器T4；低温贮罐B还通过低温气动阀门15、低温气动阀门17、并联的低温气动阀门6和低温气动阀门16与流量计Q连接，低温贮罐A与并联的低温气动阀门6和低温气动阀门16通过低温气动阀门28连接；在该低温气动阀门28旁边设置温度传感器T2；流量计Q的另一端通过低温气动阀门25和低温气动阀门8以及第一个63μ液氧过滤器连接液位传感器V2，低温气动阀门8与第一个63μ液氧过滤器之间设置有温度传感器T10，低温气动阀门8和低温气动阀门25之间设置有并联的低温气动阀门7和低温气动阀门30，且低温气动阀门7和低温气动阀门30之间有一支路连接至氧排管；低温气动阀门25两端连接液氧过冷器；低温气动阀门17和低温气动阀门15之间设置有温度传感器T3；低温气动阀门15与温度传感器T3之间设置有一支路，该支路上串接有低温气动阀门5和第二个63μ液氧过滤器；上述组件之间通过低温真空管路或低温发泡管路连接。

2.根据权利要求1所述的冗余低温加注系统，其特征在于，所述低温气动阀门25的两端并联有连接液氧过冷器的两个支路，一条支路连接液氧过冷器的低温气动阀门27-1和低温气动阀门27-2，该支路设置有温度传感器T7；另一条支路连接低温气动阀门29-1和低温气动阀门29-2，低温气动阀门29-1与液氧过冷器之间设置有温度传感器T8，低温气动阀门29-2与液氧过冷器之间设置有温度传感器T9；低温气动阀门27-1与低温气动阀门29-1分别连接液氧过冷器的一组换热管，低温气动阀门27-2与低温气动阀门29-2分别连接液氧过冷器的另一组换热管。

3.根据权利要求1或2所述的冗余低温加注系统，其特征在于，所述冗余低温加注系统还包括多个压力传感器，低温贮罐A上设置有压力传感器P1，低温贮罐B上设置有压力传感器P4，在该低温气动阀，门28旁边设置有压力传感器P2，所述液位传感器V2上设置有压力传感器P9，低温气动阀门8与第一个63μ液氧过滤器之间设置有压力传感器P8，低温气动阀门25两端还并联有两个支路，其中一个支路设置有压力传感器P7,低温气动阀门17和低温气动阀门15之间设置有压力传感器P3。

4.一种冗余低温加注方法，其特征在于，包括如下步骤：

b)在关键的低温气动阀门--低温气动阀门16设置并联冗余备份的低温气动阀门6，实现低温气动阀门6与低温气动阀门16阀的在线备份；

5.根据权利要求4所述的冗余低温加注方法，其特征在于，所述步骤a）中的增压加注方式包括：汽化器给低温贮罐B单独增压完成加注；低温贮罐B汽化器同时给低温贮罐A、B增压完成加注；外气源给低温贮罐A或B单独增压完成加注。

6.根据权利要求4所述的冗余低温加注方法，其特征在于，所述外气源为氮气源。

7.根据权利要求4所述的冗余低温加注方法，其特征在于，所述步骤b）包括：正常加注过程中，低温气动阀门17为常开状态，低温气动阀门16作为加注过程主控制阀门，控制加注过程的开始和停止，低温气动阀门6作为备份加注控制阀门；加注过程中一旦低温气动阀门16无法正常打开，系统将启用备份加注通道，即低温气动阀门6所在通道，打开低温气动阀门6继续加注；而一旦低温气动阀门16无法正常关闭，系统将启用备份低温气动阀门17，通过关闭低温气动阀门17停止加注。

8.根据权利要求4所述的冗余低温加注方法，其特征在于，所述步骤c）包括：正常情况下，贮罐按照分段逐级增压的方式自动控制增压，即每5min增压0.05MPa，直至压力满足要求，低温气动阀门开度根据增压速度进行自动调节；同时人工实时在线监测汽化器出口温度，当汽化器出口温度低于118K，即液氧设计压力下饱和温度的时候，适时进行人工干预，减小低温气动阀门开度，确保贮罐增压效果。