CN107524911A - 水下工作平台的液氧加注与回收系统 - Google Patents

Abstract

水下工作平台的液氧加注与回收系统包括分别设在水面母船、水下工作平台上的管路系统及连接二者的连接单元，水面母船上的管路系统包括液氧加注管路单元和空气吹除管路单元；水下工作平台上的管路系统包括带有供入管路和排出管路的液氧储罐，且二者之间设有旁通管路；所述连接单元，包括加注软管和排气软管，用来连接水面母船上的液氧储存及回收设备与水下工作平台的液氧储罐进出口，通过液氧加注管路单元、加注软管、供入管路实现液氧供给，通过空气吹除管路单元、加注软管、旁通管路、排气软管、排气管路吹除空气，通过空气吹除管路单元、加注软管、旁通管路、排气软管、回收管路回收液氧。本发明能安全高效地向水下工作平台供给并回收液氧。

Description

水下工作平台的液氧加注与回收系统

技术领域

本发明涉及水下工作平台保障技术领域，具体涉及水下工作平台的液氧加注与回收系统。

背景技术

近年来，燃料电池技术迅猛发展，其高效节能、接近零排放的良好环境性能，使之成为当今世界能源和交通领域开发的热点，并在电动汽车、航空航天、水下装备等多领域得到较为广泛的应用。基于燃料电池作为水下动力系统可获得续航时间长、噪音低、红外信号弱等突出优势，越来越多的水下装备(如)潜艇、UUV、水下工作平台等)将以燃料电池作为动力系统的优选方案之一。就目前国内外燃料电池的使用情况及技术的成熟度来说，质子交换膜燃料电池应用比较广泛，其通过消耗氢气及氧气把化学能直接转化成电能。水下工作平台一般携带液氧作为氧源，当液氧耗尽后，就需要对其进行液氧补给。针对利用外部管道甚至长距离管道对水下工作平台进行液氧补给的，由于受液氧的物理性质的限制，即在标准大气压下，液氧的沸点为-183℃，其属于低温液化气体，液氧在常温下急剧气化成气态，1m³(标准)的液氧可以折合为标准状态下800m³的氧气，在加注完成后，管路就会残留液氧，其受热后就会汽化膨胀，从而造成管路内局部超压甚至爆破，以直径为32mm、长度为200m的加注管路保守计算，若有5％中残留的液氧蒸发，就会使液氧加注管道内的压力提高为原来的40倍。故，为确保加注操作人员的安全性和系统的可靠性，同时避免液氧的浪费，节约成本，在液氧补给完成后，还须对补给管路中残留的液氧进行回收。

对于潜艇这种载重吨较大并且空间相对富裕的水下装备主要有两种补给方法，一种是在港口或基地将液氧直接送到潜艇液氧罐中，另一种是在艇上装有制氧设备。而对于一些载重吨较小的水下工作平台，由于空间的限制及作业功能的要求，在平台上配套制氧设备是不可能的，但如果在港口、基地上进行液氧补给，由于平台的突出特点是小范围、小区域的特种作业，其续航力本来就较小，如果水下工作平台频繁地来回港口与作业区之间进行补给，就会大大降低其作业能力和作业效率。因此，前两种常用液氧补给方法均不适用于小型水下工作平台。

发明内容

本申请人针对现有技术中的上述缺点进行改进，提供一种水下工作平台的液氧加注与回收系统，其通过水面母船向水下工作平台供给和回收液氧，提高了水下工作平台液氧供给的效率，且工作安全可靠。

本发明的技术方案如下：

本发明所述水下工作平台的液氧加注与回收系统，包括：

设在水面母船上的管路系统、设在水下工作平台上的管路系统，以及用来连接两个所述管路系统的连接单元，其中：

设在水面母船上的管路系统，包括液氧加注管路单元和空气吹除管路单元，所述液氧加注管路单元包括液氧储罐一、与液氧储罐一的出口连接的输出管路，输出管路上设有液氧泵和控制阀；所述空气吹除管路单元包括高压氧气瓶、排气管路、与高压氧气瓶的出气口连接的供气管路，供气管路、排气管路均设有控制阀；

设在水下工作平台上的管路系统，包括液氧储罐二，液氧储罐二的进口、出口分别连接有供入管路、排出管路，供入管路和排出管路之间设有旁通管路，旁通管路上、位于旁通管路与液氧储罐二之间的供入管路管路段和排出管路管路段上均设有控制阀；

所述连接单元，包括加注软管和排气软管，加注软管用来连接输出管路与供入管路，及用来连接供气管路与供入管路；排气软管用来连接排出管路与排气管路。

其进一步技术方案为：

所述输出管路与供气管路具有共用管路，所述共用管路的一端与三通阀一的出口连接，所述共用管路的另一端用来与加注软管连接，三通阀一的两个进口分别与液氧储罐一出口、高压氧气瓶出气口通过管路连接，三通阀一与液氧储罐一出口之间的连接管路、所述共用管路二者形成输出管路2，三通阀一与高压氧气瓶出气口之间的连接管路、所述共用管路二者形成供气管路，液氧泵设在所述共用管路上，三通阀一与液氧储罐一出口之间的连接管路、三通阀一与高压氧气瓶出气口之间的连接管路、所述共用管路上均设有控制阀。

所述所述设在水面母船上的管路系统包括回收管路和排气支路，所述排气管路通过三通阀二分别与排气支路、回收管路的一端连接，排气支路的另一端设有排气口，回收管路的另一端与液氧储罐一的进口连接，回收管路和排气支路上均设有控制阀。

所述设在水面母船上的管路系统包括增压管路，增压管路的两端分别与液氧储罐一的进口、出口连接，增压管路上设有汽化器和控制阀。

所述三通阀一与高压氧气瓶出气口之间的连接管路上设有供气总阀；所述共用管路上，自液氧泵至所述共用管路另一端的管路段上依次设有单向阀一、流量计；三通阀一与高压氧气瓶出气口之间的连接管路上、液氧泵两侧的所述共用管路的管路段上均设有压力表。

所述三通阀一与所述共用管路上的控制阀之间的管路段上设有过滤器。

所述三通阀一与所述共用管路上的控制阀之间的管路段上设有加注支路，加注支路的另一端连接在单向阀一与流量计之间的管路段上，加注支路上设有单向阀二。

三通阀一与液氧储罐一出口之间的连接管路、三通阀一与高压氧气瓶出气口之间的连接管路、所述共用管路上的控制阀、排气支路上的控制阀、回收管路上的控制阀、位于旁通管路与液氧储罐二之间的供入管路管路段上的控制阀均采用截止阀；位于旁通管路与液氧储罐二之间的排出管路管路段上的控制阀为单向阀三。

自液氧储罐一的进口至其出口方向，所述增压管路上依次设有截止阀、流量调节阀、汽化器、截止阀。

所述增压管路上，靠近液氧储罐一进口的截止阀与液氧储罐一进口之间的增压管路管路段上设有单向阀四。

所述高压氧气瓶出气口与供气总阀之间的供气管路管路段上设有安全阀。

本发明的技术效果：

1、水面母船在水下工作平台的作业海域内就可以对其实现液氧的及时加注，无需水下工作平台再到港口或基地进行液氧加注，大大提高了其作业能力和作业效率，减少了水下工作平台的靠港次数和来回不必要的燃油消耗。

2、可对长距离的液氧加注管路中留存的液氧进行及时回收，保证了加注操作人员的安全性，降低了操作风险，同时，减少了液氧消耗，节约了液氧加注成本。

3、通过在液氧加注软管和排气软管间设置带有截止阀的旁通管路，保证了在管路空气吹除、管路预冷、管路液氧回收时无需经过水下工作平台上的液氧罐，不但有效降低了水下工作平台上液氧罐中混合气体和杂质的积累，而且缩短了整个加注及回收过程的时间，有效地提高了加注效率。

4、使用高压氧气吹除液氧加注管路单元中管路中的空气，保证液氧加注的纯度，防止发生污染，引发系统故障，此外，通过管路空气吹除这一过程，能够有效地对整个液氧加注管路是否连接可靠进行检测，保障液氧加注过程安全可靠，避免事故发生。

5、使用液氧预冷，相对于其他可以用来预冷的介质，液氧贮存、回收可使用已有的液氧加注储存和回收设备，而且无需排放液氧，减少了加注工序。

附图说明

图1为本发明所述水下工作平台的液氧加注与回收系统的结构原理图，图中双点划线为加注软管和排气软管。

其中：1、液氧储罐一；2、输出管路；3、液氧泵；4、高压氧气瓶；5、排气管路；6、供气管路；7、液氧储罐二；8、供入管路；9、排出管路；10、旁通管路；11、加注软管；12、排气软管；13、三通阀一；14、增压管路；15、汽化器；16、三通阀二；17、排气口；18、供气总阀；19、单向阀一；20、流量计；21、压力表；22、过滤器；23、加注支路；24、单向阀二；25、截止阀；26、单向阀三；27、流量调节阀；28、单向阀四；29、安全阀；30、气瓶阀；31、充气口；32、快速接头；33、回收管路；34、排气支路。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

见图1，本发明所述水下工作平台的液氧加注与回收系统包括：

设在水面母船上的管路系统、设在水下工作平台上的管路系统，以及用来连接两个管路系统的连接单元，其中：

设在水面母船上的管路系统，包括液氧加注管路单元和空气吹除管路单元，所述液氧加注管路单元包括液氧储罐一1、与液氧储罐一1的出口连接的输出管路2，输出管路2上设有液氧泵3和控制阀；所述空气吹除管路单元包括高压氧气瓶4、排气管路5、与高压氧气瓶4的出气口连接的供气管路6，供气管路6、排气管路5均设有控制阀；

设在水下工作平台上的管路系统，包括液氧储罐二7，液氧储罐二7的进口、出口分别连接有供入管路8、排出管路9，供入管路8和排出管路9之间设有旁通管路10，旁通管路10上、位于旁通管路10与液氧储罐二7之间的供入管路8管路段和排出管路9管路段上均设有控制阀；

所述连接单元，包括加注软管11和排气软管12，加注软管11用来连接输出管路2与供入管路8，及用来连接供气管路6与供入管路8；排气软管12用来连接排出管路9与排气管路5。

进一步地，简化管路系统，使输出管路2与供气管路6具有共用管路，使用一根加注软管11连接所述共用管路和供入管路8，即可实现输出管路2与供入管路8的连接和供气管路6与供入管路8的连接，具体地，所述共用管路的一端与三通阀一13的出口连接，所述共用管路的另一端用来与加注软管11连接，三通阀一13的两个进口分别与液氧储罐一1出口、高压氧气瓶4出气口通过管路连接，三通阀一13与液氧储罐一1出口之间的连接管路、所述共用管路二者通过三通阀一13形成输出管路2，三通阀一13与高压氧气瓶4出气口之间的连接管路、所述共用管路二者通过三通阀一13形成供气管路6，液氧泵3设在所述共用管路上，三通阀一13与液氧储罐一1出口之间的连接管路、三通阀一13与高压氧气瓶4出气口之间的连接管路、所述共用管路上均设有控制阀

为了回收液氧和简化管路系统，本发明所述设在水面母船上的管路系统包括回收管路33和排气支路34，所述排气管路5通过三通阀二16分别与排气支路34、回收管路33的一端连接，排气支路34的另一端设有排气口17，回收管路33的另一端与液氧储罐一1的进口连接，回收管路33和排气支路34上均设有控制阀

为了进一步确保液氧加注过程的安全可靠，避免事故发生，本发明设有预冷单元，具体地，所述设在水面母船上的管路系统还包括增压管路14，增压管路14的两端分别与液氧储罐一1的进口、出口连接，增压管路14上设有汽化器15和控制阀；具体地，自液氧储罐一1的进口至其出口方向，增压管路14上依次设有截止阀25、流量调节阀27、汽化器15、截止阀25，增压管路14上，靠近液氧储罐一1进口的截止阀25与液氧储罐一1进口之间的增压管路14管路段上设有单向阀四28。其中，汽化器15是与液氧发生热交换的设备，低温液氧流入汽化器15后，在汽化器15内发生热交换，将低温液氧气化为气体，流量调节阀27用于调节液氧的流量从而来保持液氧储罐一1中的增压压力的稳定，单向阀四28用于液氧储罐一1的高压单向手动排放，防止气体回流。

前述各管路上的控制阀均采用一个截止阀25，用来控制相应管路的通断，具体地，三通阀一13与液氧储罐一1出口之间的连接管路、三通阀一13与高压氧气瓶4出气口之间的连接管路、所述共用管路上的控制阀、排气支路34上的控制阀、回收管路33上的控制阀、位于旁通管路10与液氧储罐二7之间的供入管路8管路段上的控制阀均采用截止阀25；位于旁通管路10与液氧储罐二7之间的排出管路9管路段上的控制阀为单向阀三26。

对供气管路6、输出管路2以及二者的所述共用管路上的阀门等附件进行了具体设置，在三通阀一13与高压氧气瓶4出气口之间的连接管路上设有供气总阀18；所述共用管路上，自液氧泵3至所述共用管路另一端的管路段上依次设有单向阀一19、流量计20；三通阀一13与高压氧气瓶4出气口之间的连接管路上、液氧泵3两侧的所述共用管路的管路段上均设有压力表21，三个压力表21分别用来检测高压氧气瓶4中的气体压力、液氧泵3的入口压力和出口压力，流量计20用来测量所述共用管路中液氧的流量，单向阀一19设在液氧泵3与加注软管11之间的所述共用管路的管路段上，用于防止液氧回流。高压氧气瓶4出气口与供气总阀18之间的供气管路6管路段上设有安全阀29，当压力超过安全值时，安全阀29阀门自动打开并排放氧气，从而对高压氧气瓶4起到超压保护作用。高压氧气瓶4的出气口通常带有气瓶阀30和充气口21,，通过气瓶阀30和充气口31能够箱高压氧气瓶4补充高压氧气。

进一步地，在三通阀一13与所述共用管路上的控制阀之间的管路段上设有过滤器22，用于过滤液氧中的固体颗粒，进一步确保液氧加注的可靠性。

三通阀一13与所述共用管路上的控制阀之间的管路段上连接有加注支路23，过滤器22优选设在三通阀一13与所述共用管路上的控制阀二者之间，加注支路23的一端连接在三通阀一13与所述共用管路上的控制阀之间的管路段上，加注支路23从前述管路段连出后，加注支路23的另一端连接在单向阀一19与流量计20之间的管路段上，加注支路23上设有单向阀二24，加注支路23用于旁通液氧泵3，同时单向阀一19可防止液氧回流。

当水下工作平台需要加注液氧时，水面母船行驶至水下工作平台的作业区域内，使水下工作平台漂浮于水面，采用水面母船拖带水下工作平台的方式，首先用加注软管11将供入管路8与所述共用管路实现连接形成回路，用排气软管12将排出管路9与排气管路5连接，可在加注软管11和排气软管12的两端分别连接一快速接头32，用于实现快速连接。将水面母船与水下工作平台连接后，本发明运行方式如下：

管路吹除空气：由于管路较长，因此，管路中存在的空气会污染液氧的纯度，所以在液氧加注前，需要对管路中的空气进行吹除，依次打开供气总阀18、三通阀一13与高压氧气瓶4之间的连接管路上的截止阀25、三通阀一13(见图1，由F到E方向)、过滤器22与液氧泵3之间的管路段上的截止阀25、单向阀一19(或单向阀二24)、旁通管路10上的截止阀25、三通阀二16(见图1，由A到C方向)、排气支路34上的截止阀25，高压氧气瓶4中的高压氧气通过供气管路6、加注软管11、旁通管路10、排气软管12、排气管路5、三通阀二16进入排气支路34，并最终从排气口17排出，从而将整个流经管路中的空气通过排气口17进行吹除排放，吹除完毕后，关闭供气总阀18、三通阀一13与高压氧气瓶4之间的连接管路上的截止阀25、旁通管路10上的截止阀25以及排气支路34上的截止阀25。

加注准备：为了对液氧加注管路单元预冷提供一定的挤压压头，同时为液氧泵3提供压头，使液氧泵3在加注过程中不发生气蚀，通过汽化器15对液氧储罐一1引出一部分液氧加热，实现液氧储罐一1的自身增压.具体操作为：打开增压管路14上的两个截止阀25，引出的这一部分液氧沿着液氧储罐一1出口处的截止阀25、流量调节阀27流经气化器15，经过加热升压为氧气后通过液氧储罐一1进口处的截止阀25进入液氧储罐一1实现增压。通过控制流量调节阀27的开度来维持增压压力在一定范围内。

系统预冷：打开三通阀一13与液氧储罐一1出口之间的连接管路上的截止阀25，液氧储罐一1中的液氧在挤压压力的作用下，对液氧加注管路单元中的过滤器22、过滤器22与液氧泵3之间的管路段上的截止阀25、液氧泵3、单向阀一19(或单向阀二24)、加注软管11及其两端快速接头32、供入管路8上的截止阀25进行预冷加注，同时打开排出管路9上的单向阀三26、三通阀二16(见图1，由A到B)、回收管路33上的截止阀25，将预冷产生的氧气沿着单向阀三26、排气软管12、排气管路5、三通阀二16、回收管路33进入液氧储罐一1中，预冷一段时间。

液氧加注：预冷完成后，就要进行液氧加注，本发明所述液氧加注与回收系统的加注方法有两种：一种是挤压法，另一种是泵压法。泵压法加注说明：由于在预冷准备时，液氧加注管路单元的阀门已经打开，当使用泵压法加注时，启动液氧泵3进行加注即可实现加注，即三通阀一13与液氧储罐一1出口之间的连接管路上的截止阀25、三通阀一13(见图1，由D到E方向)、过滤器22与液氧泵3之间的管路段上的截止阀25、单向阀一19、供入管路8上的截止阀25均处于打开状态，启动液氧泵3，液氧储罐一1中的液氧通过输出管路2、加注软管11、供入管路8进入液氧储罐二7，当加注完成后，停止液氧泵3，关闭单向阀一19、过滤器22与液氧泵3之间的管路段上的截止阀25；挤压法加注说明：打开三通阀一13与液氧储罐一1出口之间的连接管路上的截止阀25、三通阀一13(见图1，由D到E方向)、单向阀二24、供入管路8上的截止阀25，打开增压管路14上的截止阀25，使增压管路14与液氧储罐一1的进出口连通，通过汽化器15对液氧储罐一1的部分液氧加热，实现液氧储罐一1的增压产生挤压压头，在挤压压头的作用下，液氧储罐一1中的液氧通过液氧储罐一1出口与三通阀一13之间的连接管路、加注支路23、加注软管11、供入管路8进入液氧储罐二7，完成加注后，关闭液氧储罐一1出口与三通阀一13之间的连接管路上的截止阀25，关闭供入管路8上的截止阀25和排出管路9上的单向阀三26.

液氧回收：加注完成后，此时，液氧留存在液氧加注管路单元的管路内，打开供气总阀18、三通阀一13与高压氧气瓶4之间的连接管路上的截止阀25、三通阀一13(见图1，由F到E方向)、过滤器22与液氧泵3之间的管路段上的截止阀25、单向阀一19(或单向阀二24)、旁通管路10上的截止阀25、三通阀二16(见图1，由A到B方向)、回收管路33上的截止阀25，高压氧气瓶4中的高压氧气通过供气管路6、加注软管11、旁通管路10、排气软管12、排气管路5、三通阀二16、回收管路33回收至液氧储罐一1中。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.水下工作平台的液氧加注与回收系统，其特征在于：包括设在水面母船上的管路系统、设在水下工作平台上的管路系统，以及用来连接两个所述管路系统的连接单元，其中：

设在水面母船上的管路系统，包括液氧加注管路单元和空气吹除管路单元，所述液氧加注管路单元包括液氧储罐一(1)、与液氧储罐一(1)的出口连接的输出管路(2)，输出管路(2)上设有液氧泵(3)和控制阀；所述空气吹除管路单元包括高压氧气瓶(4)、排气管路(5)、与高压氧气瓶(4)的出气口连接的供气管路(6)，供气管路(6)、排气管路(5)均设有控制阀；

设在水下工作平台上的管路系统，包括液氧储罐二(7)，液氧储罐二(7)的进口、出口分别连接有供入管路(8)、排出管路(9)，供入管路(8)和排出管路(9)之间设有旁通管路(10)，旁通管路(10)上、位于旁通管路(10)与液氧储罐二(7)之间的供入管路(8)管路段和排出管路(9)管路段上均设有控制阀；

所述连接单元，包括加注软管(11)和排气软管(12)，加注软管(11)用来连接输出管路(2)与供入管路(8)，及用来连接供气管路(6)与供入管路(8)；排气软管(12)用来连接排出管路(9)与排气管路(5)。

2.按权利要求1所述的水下工作平台的液氧加注与回收系统，其特征在于：所述输出管路(2)与供气管路(6)具有共用管路，所述共用管路的一端与三通阀一(13)的出口连接，所述共用管路的另一端用来与加注软管(11)连接，三通阀一(13)的两个进口分别与液氧储罐一(1)出口、高压氧气瓶(4)出气口通过管路连接，三通阀一(13)与液氧储罐一(1)出口之间的连接管路、所述共用管路二者形成输出管路(2)，三通阀一(13)与高压氧气瓶(4)出气口之间的连接管路、所述共用管路二者形成供气管路(6)，液氧泵(3)设在所述共用管路上，三通阀一(13)与液氧储罐一(1)出口之间的连接管路、三通阀一(13)与高压氧气瓶(4)出气口之间的连接管路、所述共用管路上均设有控制阀。

3.按权利要求2所述的水下工作平台的液氧加注与回收系统，其特征在于：所述设在水面母船上的管路系统包括回收管路(33)和排气支路(34)，所述排气管路(5)通过三通阀二(16)分别与排气支路(34)、回收管路(33)的一端连接，排气支路(34)的另一端设有排气口(17)，回收管路(33)的另一端与液氧储罐一(1)的进口连接，回收管路(33)和排气支路(34)上均设有控制阀。

4.按权利要求3所述的水下工作平台的液氧加注与回收系统，其特征在于：所述设在水面母船上的管路系统包括增压管路(14)，增压管路(14)的两端分别与液氧储罐一(1)的进口、出口连接，增压管路(14)上设有汽化器(15)和控制阀。

5.按权利要求2所述的水下工作平台的液氧加注与回收系统，其特征在于：所述三通阀一(13)与高压氧气瓶(4)出气口之间的连接管路上设有供气总阀(18)；所述共用管路上，自液氧泵(3)至所述共用管路另一端的管路段上依次设有单向阀一(19)、流量计(20)；三通阀一(13)与高压氧气瓶(4)出气口之间的连接管路上、液氧泵(3)两侧的所述共用管路的管路段上均设有压力表(21)。

6.按权利要求2所述的水下工作平台的液氧加注与回收系统，其特征在于：所述三通阀一(13)与所述共用管路上的控制阀之间的管路段上设有过滤器(22)。

7.按权利要求5所述的水下工作平台的液氧加注与回收系统，其特征在于：所述三通阀一(13)与所述共用管路上的控制阀之间的管路段上设有加注支路(23)，加注支路(23)另一端连接在单向阀一(19)与流量计(20)之间的管路段上，加注支路(23)上设有单向阀二(24)。

8.按权利要求3所述的水下工作平台的液氧加注与回收系统，其特征在于：三通阀一(13)与液氧储罐一(1)出口之间的连接管路、三通阀一(13)与高压氧气瓶(4)出气口之间的连接管路、所述共用管路上的控制阀、排气支路(34)上的控制阀、回收管路(33)上的控制阀、位于旁通管路(10)与液氧储罐二(7)之间的供入管路(8)管路段上的控制阀均采用截止阀(25)；位于旁通管路(10)与液氧储罐二(7)之间的排出管路(9)管路段上的控制阀为单向阀三(26)。

9.按权利要求4所述的水下工作平台的液氧加注与回收系统，其特征在于：自液氧储罐一(1)的进口至其出口方向，所述增压管路(14)上依次设有截止阀(25)、流量调节阀(27)、汽化器(15)、截止阀(25)。

10.按权利要求9所述的水下工作平台的液氧加注与回收系统，其特征在于：所述增压管路(14)上，靠近液氧储罐一(1)进口的截止阀(25)与液氧储罐一(1)进口之间的增压管路(14)管路段上设有单向阀四(28)。