一种基于防冻结控制的液甲烷深度过冷与加注系统及方法

技术领域

本发明涉及低温火箭发射场液甲烷过冷度获取与加注技术领域，具体涉及一种基于防冻结控制的液甲烷深度过冷与加注系统及方法。

背景技术

随着宇航技术的发展，低温运载火箭逐渐迈向商业化，低温推进剂由最热门的液氢/液氧和液氧/煤油组合向更有商业应用前景的液甲烷/液氧组合过渡，所以液甲烷作为一种新型推进燃料越来越受到重视。采用液甲烷/液氧作为低温火箭燃料存在诸多优势：1.液化温度(111.7K)高于氢，容易液化，生产储存成本低，且液甲烷与液氧的温差相对于液氢与液氧的温差小很多；2.液甲烷的密度(422.36kg/m

虽然液甲烷/液氧作为低温燃料应用优势明显，但由于历史原因其在航天历史中尚未有实际应用的案例，不过近期国内外关于液甲烷/液氧发动机的研制已相继成功。在国外，Raptor“猛禽”液甲烷/液氧发动机在点火实验中室压已达300bar，而BE-4液甲烷/液氧发动机也在2019年实现了100％推力测试，推力达到了240吨级；在国内，“天鹊”液甲烷/液氧发动机是目前推力最大的双低温液体火箭发动机，也是世界第三台完成全系统试车考核的大推力液甲烷/液氧火箭发动机，推力达到了80吨。

从上述公开的文献报道可知，液甲烷应用沿用液氢和液氧的发展路线，其作为推进燃料仍然采用常沸点状态。虽然该状态会使低温火箭发射系统相对简单，但液甲烷热力学性能相对不足，不能将其优势充分利用。因此，为了进一步提升液甲烷的品质，申请人提出采用过冷的方式来改善液甲烷的热力学性能，增加自身密度、单位体积显冷量、粘度，降低饱和压力，从而提升低温运载火箭的有效载荷、提高发射系统的容错性、延长深空探测的周期。比如，将液甲烷从常沸点状态(111.67K)过冷至三相点状态(90.694K)，密度可提高6.7％，单位体积显冷量(指单位体积低温推进剂从过冷状态上升至标准沸点状态所需热量)增加了31.9KJ，应用价值相当可观。

针对深度过冷液甲烷作为低温火箭燃料来说，国内外尚未有成熟的应用先例，且常沸点液氢或液氧的加注方案已不适合直接继承应用于深度过冷液态甲烷。因此，亟需开发一套能够用于深度过冷液甲烷的加注系统，为深度过冷液甲烷的应用提供技术支持。

目前，液甲烷深度过冷度的获取主要有四种方法：①采用大型氦制冷机冷却技术；②液甲烷抽空减压冷却技术；③氦气鼓泡冷却技术；④77K液氮换热冷却技术。经过计算分析，得出采用77K液氮换热冷却技术获取深度过冷液态甲烷是最经济、简单、可靠的方法，然而该方法应用于低温火箭发射场加注系统之中仍存在以下技术难点：1.深度过冷液甲烷的防冻结问题。当采用77K液氮进行冷却时，很容易将液态甲烷固化，因为液甲烷的凝固点较高(90.694K)，这样在发射场加注时，如果不按设计的流量进行操作或停止加注后，液甲烷就会在过冷器中冻结，堵塞加注管路，存在加注延迟，影响发射的可能性，且过冷器一旦设计好，就很难调节加注流量和液甲烷过冷度，使整个低温火箭加注系统的灵活性和操作性变得很差。2.深度过冷液甲烷对于加注管路、发动机和火箭箭上贮箱的预冷问题。对于常沸点液甲烷来说，可通过自身的相变吸热气化方式带走固体部位的热量，气体从火箭贮箱顶部或管道预留排空口引出，从而达到预冷的目的，但深度过冷液态甲烷则无法采用上述方式进行预冷，因为如果直接通入深度过冷液态甲烷进行预冷，深度过冷液态甲烷会先释放自身显冷量，将自身温度升至饱和状态，再由饱和状态释放潜冷量，转变成气态，但在预冷后期，存在饱和液甲烷留在火箭贮箱与深度过冷液甲烷相混合的情况，这样会造成深度过冷液甲烷的过冷度减小，品质降低，不能充分利用深度过冷后的热力学性能，所以深度过冷液态甲烷预冷需要重新考虑。3.如何维持火箭贮箱内的微正压环境。因为液甲烷在91K时对应的饱和压力为12.16kPa，相比饱和状态压力降低了88％，处于负压状态，此时外界空气会很容易进入贮箱导致液甲烷的污染，且箭上贮箱的结构也无法承受过大的负压差，如强制采用负压状态使用，会使箭上贮箱的壁厚增加，无形中抵消了液甲烷过冷带来的优势，故对于深度过冷液甲烷在箭上贮箱加注时要想办法尽量维持贮箱内微正压的环境。

发明内容

为克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种基于防冻结控制的液甲烷深度过冷与加注系统及方法，加注时采用边过冷边加注的方式，并采取基于压力控制和基于液位控制的复合调节来灵活控制加注的流量和过冷度，以防止过冷液甲烷冻结，确保过冷换热器出口液甲烷的流动性；一旦检测到过冷液甲烷冻结信号，立即切换管路，采用高压氮气进行快速复温融化处理；同时，实现箭上液甲烷贮箱气枕区的压力以及液甲烷过冷度的维持。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于防冻结控制的液甲烷深度过冷与加注系统，包括地面液甲烷储罐1、立式液氮浴式换热器17和箭上液甲烷贮箱25，地面液甲烷储罐1通过第一阀2与增压气体连通，地面液甲烷储罐1设有第一安全阀3；地面液甲烷储罐1的出口a通过第二阀4、第三阀5、第四阀7与立式液氮浴式换热器17的入口b连接，第三阀5和液甲烷泵6并联；

立式液氮浴式换热器17的入口b通过第五阀8、减压阀9和氮气瓶组10出口连接；立式液氮浴式换热器17的入口c通过第一调节阀15、第六阀12和液氮槽车11的出口连接；立式液氮浴式换热器17的出口d通过第四调节阀16排液；第六阀12的出口通过气化换热器13、第二调节阀14与立式液氮浴式换热器17的入口g连接，立式液氮浴式换热器17的出口f通过第三调节阀20排气，立式液氮浴式换热器17设有第二安全阀19；立式液氮浴式换热器17的出口e通过流量计30、过滤器22、第七阀23与箭上液甲烷贮箱25的入口i连接；过滤器22和第七阀23之间的管路通过第八阀24连接排液排气口；立式液氮浴式换热器17的出口e设有温度压差传感器18，用于控制第一调节阀15、第二调节阀14、第三调节阀20和第四调节阀16的开度；

气化换热器13的出口通过第九阀21与箭上液甲烷贮箱25的底部入口h连接，气化换热器13的出口通过第五调节阀26与箭上液甲烷贮箱25的顶部入口j连接，箭上液甲烷贮箱25的出口k通过第六调节阀28排气，箭上液甲烷贮箱25设有压力传感器27，控制第五调节阀26和第六调节阀28的开度，箭上液甲烷贮箱25设有第三安全阀29，箭上液甲烷贮箱25设有液位传感器31。

所述的连接采用的管道均为高真空多层绝热或聚氨脂发泡绝热。

所述的第一阀2、第二阀4、第三阀5、第四阀7、第六阀12、第七阀23、第八阀24、第九阀21为低温截止阀。

所述的第五阀8为常温截止阀。

所述的第一调节阀15、第二调节阀14、第三调节阀20、第四调节阀16、第五调节阀26、第六调节阀28为带PID控制的低温调节阀。

所述的第一安全阀3、第二安全阀19、第三安全阀29为低温安全角阀。

所述的液甲烷泵6为低温液体泵。

所述的氮气瓶组10为高压氮气瓶组。

所述的地面液甲烷储罐1为高真空多层绝热低温储罐。

所述的立式液氮浴式换热器17为低温耐压浴式换热器，壳侧冷却介质为液氮和氮气。

所述的箭上液甲烷贮箱25为发泡材料绝热的低温贮箱。

所述的过滤器22为低温流体过滤器。

所述的流量计30为低温流体流量计。

所述的液位传感器31为电容式液位传感器。

利用一种基于防冻结控制的液甲烷深度过冷与加注系统的方法，包括以下步骤：

第一步，对箭上液甲烷贮箱25和加注管路系统内气体置换：打开减压阀9、第五阀8、第七阀23，通过氮气吹除，对箭上液甲烷贮箱25和加注管路系统内的气体进行置换；

第二步，对箭上液甲烷贮箱25预冷：打开第六阀12、第九阀21，压力传感器27控制第六调节阀28开启，气化后的低温氮气进入箭上液甲烷贮箱25，预冷箭上液甲烷贮箱25至95K温区，预冷完成后关闭第六阀12、第九阀21，关闭第六调节阀28；

第三步，对液甲烷流量及过冷度进行调节：打开第一阀2、第二阀4、第三阀5、第四阀7、第八阀24，通过挤压将液甲烷输入管路，温度压差传感器18监测立式液氮浴式换热器17的出口e的甲烷温度，控制第一调节阀15、第二调节阀14、第三调节阀20、第四调节阀16的开度状态，使得从立式液氮浴式换热器17出来的液甲烷达到加注所需过冷度而不发生冻结；当液甲烷所需过冷度以及加注流量发生变化时，需要再次进行流量和过冷度调节；

第四步，对过冷液甲烷进行箭上加注：第三步工况稳定后关闭第八阀24，开启第七阀23和第六调节阀28，进行挤压加注；关闭第三阀5、开启液甲烷泵6，能够进行泵压式大流量加注；加注过程中，箭上液甲烷贮箱25的压力传感器27，控制第五调节阀26和第六调节阀28的开度，第五调节阀26用于向箭上液甲烷贮箱25气枕区注入氮气，增加气枕区压力；第六调节阀28用于排气，降低气枕区压力；维持箭上液甲烷贮箱25气枕区的微正压环境；

第五步，管道冻结紧急处理：当温度压差传感器18检测到冻结后，立即关闭第四阀7和第七阀23，同时打开减压阀9、第五阀8、第八阀24，通过常温氮气对加注管路进行强制吹除和复温融化；

第六步，对管道残余气体吹除：液位传感器31用于监测箭上液甲烷贮箱25的液位，达到所需液位后加注完成，关闭第二阀4、第四阀7、第七阀23，关闭液甲烷泵6；开启第五阀8、第八阀24，高压氮气通过减压阀9降压后吹除管路中的残余液甲烷和甲烷气体，吹除完成后关闭第五阀8和第八阀24；

第七步，液甲烷过冷度维持：加注完成后的停放期间，开启第六阀12、第九阀21，向箭上液甲烷贮箱25注入氮气，利用甲烷在氮气泡内和液甲烷中的浓度差进行过冷，维持箭上液甲烷贮箱25的过冷度。

所述的第三步中再次进行流量和过冷度调节方法为：当需要立式液氮浴式换热器17出口过冷度降低时，第二调节阀14开启注入氮气，增大气枕区压力，饱和温度随之升高，进行压力控制，第四调节阀16开启排出部分液氮，降低立式液氮浴式换热器液位，增大气枕高度，使氮气与气枕换热面积增加，液体换热面积减少，降低整体传热量，使液甲烷出口过冷度减小，实现液位控制；当立式液氮浴式换热器17出口温度高时，液甲烷无法达到所需过冷度，第三调节阀20开启排放氮气，降低气枕区压力，使液氮饱和温度随之降低，实现压力控制；同时，当需要立式液氮浴式换热器17出口过冷度增加时，第一调节阀15开启注入液氮，升高立式液氮浴式换热器液位，使得立式液氮浴式换热器17的换热管路暴露在气体中的部分减少，增加传热量，实现液位控制；加注过程中温度压差传感器18始终监测立式液氮浴式换热器17的出口e的甲烷温度与压差，控制第一调节阀15、第二调节阀14、第三调节阀20、第四调节阀16的开度状态，使得从立式液氮浴式换热器17出来的液甲烷达到加注所需过冷度和流量而不发生冻结。

本发明的有益效果：

结合低温火箭发射场实际可能发生的各种情况，本发明在加注前用饱和液氮气化后的冷氮气预冷箭上液甲烷贮箱25、加注管路及发动机等部件，解决了深度过冷液甲烷直接预冷造成的品质下降问题。

加注时采用边过冷边加注的方式，利用立式液氮浴式换热器17过冷液甲烷后加注于箭上液甲烷贮箱25；为防止过冷液甲烷冻结，采取基于压力控制和基于液位控制相结合的复合PID控制，灵活控制加注时中的流量和过冷度，从而精确可靠地保障立式液氮浴式换热器17在不同的加注流量与设定目标温区下工作。同时，考虑了过冷液甲烷冻结检测与融化复温系统，一旦检测到冻结信号，立即切换管路，采用高压氮气吹除，保障过冷液甲烷顺利快速加注。

采用冷氮气控制气枕区的压力，确保箭上液甲烷贮箱25内始终维持着微正压的环境，减少外界气体渗入污染液甲烷的风险；氮气在加注完成后通过底部入口注入箭上液甲烷贮箱25内，还具有利用浓度差过冷维持箭上液甲烷贮箱25液甲烷过冷度的作用。

同时，考虑到了加注完成后管路内液甲烷的处理问题，为除去加注完成后管路中残留的液甲烷，采用高压氮气瓶吹除的方式，在加注完成后通过阀门的切换，快速吹除管路及系统中残留的液甲烷和甲烷气体，保障系统与人员安全性。

此外，采用液甲烷全过冷加注可以取消现行饱和加注的补加阶段，实现快速加注的目的，加注系统可提前脱落，提供充分的检查调试时间，降低意外情况对运载火箭发射的影响，提高了低温火箭发射系统的容错性。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来进一步说明本发明的技术方案。

参照图1，一种基于防冻结控制的液甲烷深度过冷与加注系统，包括地面液甲烷储罐1、立式液氮浴式换热器17和箭上液甲烷贮箱25，地面液甲烷储罐1通过第一阀2与增压气体连通，利用增压气体进行挤压加注；地面液甲烷储罐1设有第一安全阀3，防止地面液甲烷储罐1过压；

地面液甲烷储罐1的出口a通过第二阀4、第三阀5、第四阀7与立式液氮浴式换热器17的入口b连接，形成挤压加注管路；第三阀5和液甲烷泵6并联，地面液甲烷储罐1的出口a通过第二阀4、液甲烷泵6、第四阀7与立式液氮浴式换热器17的入口b连接，形成大流量泵压式加注管路；

立式液氮浴式换热器17的入口b通过第五阀8、减压阀9和氮气瓶组10出口连接，用于加注完成后管道和系统中液甲烷、甲烷气体的吹除和一旦检查到过冷甲烷冻结信号后进行管内快速复温融化的加注紧急处理；

立式液氮浴式换热器17的入口c通过第一调节阀15、第六阀12和液氮槽车11的出口连接，用于向立式液氮浴式换热器17中灌入液氮；立式液氮浴式换热器17的出口d通过第四调节阀16排液，用于排出立式液氮浴式换热器17中的液氮，实现液位控制；

第六阀12的出口通过气化换热器13、第二调节阀14与立式液氮浴式换热器17的入口g连接，通过液氮槽车11向立式液氮浴式换热器17中增加氮气，控制气枕区的压力；立式液氮浴式换热器17的出口f通过第三调节阀20排气，调节气枕区的压力，实现压力控制；立式液氮浴式换热器17设有第二安全阀19，防止立式液氮浴式换热器17过压；

立式液氮浴式换热器17的出口e通过流量计30、过滤器22、第七阀23与箭上液甲烷贮箱25的入口i连接，用于深度过冷液甲烷加注；过滤器22和第七阀23之间的管路通过第八阀24连接排液排气口，立式液氮浴式换热器17的出口e和过滤器22、流量计30、第七阀23、第八阀24形成的管路，用于加注前的调试阶段和加注后排出管路中多余液甲烷及甲烷气体，以及出现冻结现象时采用高压氮气进行快速融化复温处理的排放；过滤器22用于过滤液甲烷，流量计30用于监测深度过冷液甲烷的加注流量；

立式液氮浴式换热器17的出口e设有温度压差传感器18，用于控制第一调节阀15、第二调节阀14、第三调节阀20和第四调节阀16的开度，实现基于液位和基于压力相结合的复合PID过冷度和流量控制；

气化换热器13的出口通过第九阀21与箭上液甲烷贮箱25的底部入口h连接，液氮槽车11和第六阀12、气化换热器13、第九阀21形成的管路，用于向箭上液甲烷贮箱25增加氮气，加注前具有预冷作用，加注时具有浓度差过冷以维持箭上贮箱内液甲烷过冷度的作用；

气化换热器13的出口通过第五调节阀26与箭上液甲烷贮箱25的顶部入口j连接，液氮槽车11和第六阀12、气化换热器13、第五调节阀26形成的管路，用于向箭上液甲烷贮箱25气枕区增加氮气，调节气枕区压力；箭上液甲烷贮箱25的出口k通过第六调节阀28排气，用于降低气枕区压力；箭上液甲烷贮箱25设有压力传感器27，控制第五调节阀26和第六调节阀28的开度，维持箭上深度过冷液甲烷贮箱25气枕区的微正压环境；

箭上液甲烷贮箱25设有第三安全阀29，防止箭上液甲烷贮箱过压；箭上液甲烷贮箱25设有液位传感器31。

所述的连接采用的管道均为高真空多层绝热或聚氨脂发泡绝热。

所述的第一阀2、第二阀4、第三阀5、第四阀7、第六阀12、第七阀23、第八阀24、第九阀21为低温截止阀。

所述的第五阀8为常温截止阀。

所述的第一调节阀15、第二调节阀14、第三调节阀20、第四调节阀16、第五调节阀26、第六调节阀28为带PID控制的低温调节阀。

所述的第一安全阀3、第二安全阀19、第三安全阀29为低温安全角阀。

所述的液甲烷泵6为低温液体泵，具有系统大流量加注功能。

所述的氮气瓶组10为高压氮气瓶组。

所述的地面液甲烷储罐1为高真空多层绝热低温储罐。

所述的立式液氮浴式换热器17为低温耐压浴式换热器，壳侧冷却介质为液氮和氮气，具有液甲烷过冷度获取和流量调节功能。

所述的箭上液甲烷贮箱25为发泡材料绝热的低温贮箱，具有微正压动态调节，液甲烷过冷度维持功能。

所述的过滤器22为低温流体过滤器。

所述的流量计30为低温流体流量计。

所述的液位传感器31为电容式液位传感器。

利用一种基于防冻结控制的液甲烷深度过冷与加注系统的方法，包括以下步骤：

第一步，对箭上液甲烷贮箱25和加注管路系统内气体置换：打开减压阀9、第五阀8、第七阀23，通过氮气吹除，对箭上液甲烷贮箱25和加注管路系统内的气体进行置换；

第二步，对箭上液甲烷贮箱25预冷：打开第六阀12、第九阀21，压力传感器27控制第六调节阀28开启，气化后的低温氮气进入箭上液甲烷贮箱25，预冷箭上液甲烷贮箱25至95K温区，预冷完成后关闭第六阀12、第九阀21，关闭第六调节阀28；

第三步，对液甲烷流量及过冷度进行调节：打开第一阀2、第二阀4、第三阀5、第四阀7、第八阀24，通过挤压将液甲烷输入管路，温度压差传感器18监测立式液氮浴式换热器17的出口e的甲烷温度，控制第一调节阀15、第二调节阀14、第三调节阀20、第四调节阀16的开度状态，使得从立式液氮浴式换热器17出来的液甲烷达到加注所需过冷度而不发生冻结；当液甲烷所需过冷度以及加注流量发生变化时，需要再次进行流量和过冷度调节，

再次进行流量和过冷度调节方法为：当需要立式液氮浴式换热器17出口过冷度降低时，第二调节阀14开启注入氮气，增大气枕区压力，饱和温度随之升高，进行压力控制，第四调节阀16开启排出部分液氮，降低立式液氮浴式换热器液位，增大气枕高度，使氮气与气枕换热面积增加，液体换热面积减少，降低整体传热量，使液甲烷出口过冷度减小，实现液位控制；当立式液氮浴式换热器17出口温度高时，液甲烷无法达到所需过冷度，第三调节阀20开启排放氮气，降低气枕区压力，使液氮饱和温度随之降低，实现压力控制；同时，当需要立式液氮浴式换热器17出口过冷度增加时，第一调节阀15开启注入液氮，升高立式液氮浴式换热器液位，使得立式液氮浴式换热器17的换热管路暴露在气体中的部分减少，增加传热量，实现液位控制；加注过程中温度压差传感器18始终监测立式液氮浴式换热器17的出口e的甲烷温度与压差，控制第一调节阀15、第二调节阀14、第三调节阀20、第四调节阀16的开度状态，使得从立式液氮浴式换热器17出来的液甲烷达到加注所需过冷度和流量而不发生冻结；

第四步，对过冷液甲烷进行箭上加注：第三步工况稳定后关闭第八阀24，开启第七阀23和第六调节阀28，进行挤压加注；关闭第三阀5、开启液甲烷泵6，能够进行泵压式大流量加注；加注过程中，箭上液甲烷贮箱25的压力传感器27，控制第五调节阀26和第六调节阀28的开度，第五调节阀26用于向箭上液甲烷贮箱25气枕区注入氮气，增加气枕区压力；第六调节阀28用于排气，降低气枕区压力；维持箭上液甲烷贮箱25气枕区的微正压环境；

第五步，管道冻结紧急处理：当温度压差传感器18检测到冻结后，立即关闭第四阀门7和第七阀23，同时打开减压阀9、第五阀8、第八阀24，通过常温氮气对加注管路进行强制吹除和复温融化；

第六步，对管道残余气体吹除：液位传感器31用于监测箭上液甲烷贮箱25的液位，达到所需液位后加注完成，关闭第二阀4、第四阀7、第七阀23，关闭液甲烷泵6；开启第五阀8、第八阀24，高压氮气通过减压阀9降压后吹除管路中的残余液甲烷和甲烷气体，吹除完成后关闭第五阀8和第八阀24；

第七步，液甲烷过冷度维持：加注完成后的停放期间，开启第六阀12、第九阀21，向箭上液甲烷贮箱25注入氮气，利用甲烷在氮气泡内和液甲烷中的浓度差进行过冷，维持箭上液甲烷贮箱25的过冷度。

通过上述原理分析，本发明优势在于：①在加注前采用饱和液氮气化后的冷氮气预冷，解决了利用饱和液甲烷预冷无法达到所需预冷温区，而利用过冷液甲烷预冷会造成液甲烷过冷度减小品质降低的问题；②为防止过冷液甲烷冻结，采取基于压力控制和基于液位控制相结合的PID复合控制，灵活控制加注系统中的流量和过冷度，更加精确可靠地保障过冷换热器在不同的加注流量与设定目标温区下工作；③加注时采用氮气控制气枕区的压力，确保箭上液甲烷贮箱25内始终维持着微正压的环境，减少外界气体渗入污染液甲烷的风险；加注完成后通过箭上液甲烷贮箱25底部注入氮气，利用浓度差过冷维持箭上液甲烷贮箱25过冷度的作用；④采用高压氮气瓶吹除的方式，在加注完成后通过阀门的切换，快速吹除管路及系统中残留的液甲烷和甲烷气体，保障系统与人员安全性，以及一旦检测到过冷液甲烷冻结信号，立即切换管路，可进行快速复温融化处理，实现过冷液甲烷快速成功加注；。⑤取消了饱和加注的补加阶段，可实现深度过冷液甲烷快速加注，且会使加注系统可提前脱落，提供充分的检查调试时间，降低意外情况对运载火箭发射的影响。

以上实施例只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述事例限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。