降低加注及回收阶段液氢损耗的操作工艺

1.引言

据统计，在某型号氢氧发动机试验台上相同型号的氢氧发动机试验相同工况，从试验前液氢加注开始至试验后回收结束，除去正常发动机点火使用量，其损耗的液氢相差 1～8m³ ，按目前国内液氢的市场价 2 万元 /m³ ，对于一次使用量近 24m³ 的发动机试验，其损耗量也相当可观，带来的试验成本最多相差16 万元。可见，使操作工艺规范化、科学化，其意义不仅表现在减少液氢损耗，提高液氢的利用率，减少试验成本，增强操作人员的精细操作、科学操作的意识。

2.液氢加注及回收的影响因素分析

根据资料[1，2]液氢在大气压下的沸点为- 253‰ ,密度为 70kg/m³ ，无色无味，易燃易爆，易扩散；液氢 20K 时的汽化潜热 448.6kJ/kg 。

液氢从某试验台的 30m³ 贮箱到液氢罐区的贮罐间的加注管长约 140m ，管道内径 80mm ，管道绝大部分为多层真空绝热，局部法兰连接为聚氨酯发泡。从加注开始至回收结束这期间，液氢消耗主要在以下几个方面：

1）液氢加注阶段，冷却液氢加注管路、主管路以及液氢贮箱，部分液氢吸热气化成低温氢气排入大气；

2）从程序预冷开始至发动机点火结束，程序预冷发动机需消耗一部分液氢，发动机预冷消耗大部分液氢。这个过程发动机消耗液氢的量每次试验相差不大，前提是试验工况相同或差别不大的情况下。

3）从加注结束至回收开始期间，加注管一直处于没有液体流动阶段，因真空度有限和法兰漏热，加注管温度小幅上升，管内存留的液氢部分吸热气化，导致液氢损失。

4）回收液氢时，贮罐放气阀打开放空，加注管内的低温氢气夹带液氢从放气阀排出，液氢也会损失。

分析上述液氢发生消耗的各个阶段，由于发动机试验工况相同，即试验时间和液氢流量相同；此外，管道长度及规格始终不变。因此，2)和3）两项消耗的液氢可认为是每次试验都相同，没有大变化，属于试验正常使用。导致液氢损耗不同的阶段在 1）、4）两个阶段，即液氢加注及回收阶段，液氢预冷管道及容器其预冷量是可变的。

液氢吸热包括汽化潜热和显热，其中潜热是定值，虽液氢温度变化而变化，潜热随着介质温度的升高而降低，液氢温度一般在 20K 左右，其潜热值为468.6kJ/kg 。设备在预冷过程中，由于吸收显热多少难以衡量，因此，具体消耗液氢多少无法准确计算，但能够计算消耗液氢的最大量及最小量,参考《液体火箭发动机试验》式（1）、（2）得：

在预冷过程中，液态低温介质吸热气化产生低温蒸汽，低温蒸汽又与设备发生充分的热交换，从而使冷却消耗的介质量最少。若仅依靠低温介质的汽化潜热预冷设备，则消耗的介质量最大。因此液氢预冷量的控制关键在于低温蒸汽显热的利用。在实际操作中，液氢加注及回收阶段，均由岗位人员手动操作，随意性强，挤压压力及阀门开度每次都不一样，使得预冷加注时间及流量差别大，最终

导致损耗液氢量存在较大差别。

对于一套 30m³ 的液氢容器和 1m³ 管道，都填充满需要液氢的容积为 31m³ ，不考虑液氢加注贮罐液位计量误差，在加注过程中液氢的损耗占总损耗的大部分，损耗从 0.5 至 6m³ ，加注压力为 0.2MPa 时，液氢损耗约为 5m³ ；而加注压力为 0.1MPa 时，液氢损耗约为 2.5m³ 。因此，液氢的消耗加注压力越大，阀门开度越大，挤压速度越快，则液氢的损耗也越大。

此外，在回收过程中，贮箱的挤压压力与液氢消耗存在较大关系，如贮箱压力为 0.2MPa 时，液氢的损耗量为 4m³ 和 5.6m³,0.15MPa 对应的损耗为 1.8m³ ，箱压 0.1MPa 时损耗为 1m³ ，挤压压力越高，液氢的挤压速度越快，因气流快速排放夹带贮罐内液氢放空引起的损耗量越大。因此，回收液氢时，导致液氢大量损耗的主要原因是贮箱挤压压力较高，加注管内的液氢和气氢流速快，气氢从贮罐底部串升至顶部从放空阀排出，除部分液氢气化损耗之外，快速流动的气体夹带液氢排出，也造成液氢损失。

3.降低液氢损耗的操作工艺

鉴于上述分析，从发动机加注开始至推进剂回收结束的整个过程，决定液氢损耗存在差别的根本原因是低温蒸汽的显热利用，显热利用越充分则液氢损耗越少。而显热的利用具体体现在预冷加注速度上，预冷初始阶段，加注速度一定慢，加注管冷透后，加注速度应逐步提高，而快到贮箱上液位时加注速度又应逐步减小，否则速度过快，容易大量溢出导致浪费。对于预冷加注速度的控制，在操作上就是控制挤压压力以及加注阀的开度。

根据上述理论分析以及实际操作摸索，对于氢氧发动机试验台液氢加注及回收，总结出降低液氢损耗的操作工艺如下：

（1）预冷初始阶段，小流量慢速预冷，预冷流量不应大于 0.1m³/min 。根据加注管道长度，贮罐挤压压力不应大于 0.15MPa（表压），贮罐出液阀开度应尽量小，同时被加注贮箱打开大放气阀放空。

（2）待贮箱见下液位后，表明加注管已基本冷透，可以实施贮箱大流量加注，此时阀门开度可适当增大，加注流量不应大于 1m³ 。

（3）加注期间操作人员每隔一段时间（约 5 分钟）记录贮罐下降液位及贮箱上升液位，掌握加注流量。此外，由于加注时环境温度不同，相同加注速度，预冷效果也不一样，应观察贮箱排气口的排气声音及蒸汽流速。声音大、排气流速快，则应适当减小加注流量，关小点阀门。

（4）随着加注进行，贮箱接近上液位时，应减小加注速度，防止容器快速加满导致大量液氢溢出。阀门开度关小一半，使加注流量降至 0.5m³/min 以下。同时贮箱附近的岗位操作人员关注容器排气口的排气情况，若发现排气声音变小而且蒸汽变浓，则表明容器已加满溢出。此时应关闭加注阀，停止加注。

（5）试验结束后，液氢回收时，应首先降低贮箱的挤压压力，应不高于贮罐压力 0.1MPa ，回收流量不高于 0.5m³/min ，将液氢回收。

（6）加注和回收时，应每隔一段时间记录贮箱、贮罐液位，便于掌握数据分析，从而进一步改善操作工艺。

按实施上述操作工艺后，液氢损耗量大大减少，表 2 为实施改进工艺后，液氢回收情况，液氢回收量比以前增多至少 1m³ ，液氢损耗大大减少，达到回收比例的 20% 。

表2 实施对策后的回收结果

4.结论

本文分析了氢氧发动机试验过程中液氢消耗的影响因素，找到了在加注及回收过程决定液氢损耗的最主要原因是低温蒸汽的有效利用。得出了在实际操作过程中，通过控制挤压压力和阀门开度实现控制预冷加注或回收液氢的流量。根据理论分析和反复实践，总结并制定了合理的预冷加注及回收操作工艺，结果表明

液氢损耗量至少减少 20% 。

参考文献

[1]张起源.液氢的危险性综合分析（J）.导弹与航天运载技术，1983（7）.

[2]符锡理编译.液氢的技术参数,AD684491.

[3]张正等.液体火箭发动机试验(M).北京， 1996