3.4. Пневмогидравлические схемы криогенных заправочных систем

Пневмогидравлическая схема (ПГС) криогенной заправочной системы — это один из основных чертежных документов, отражающий облик системы в схемном решении. В ней отображаются средства хранения компонента, обвязочная схема резервуаров, пути движения потоков криогенной жидкости на заправку баков потребителя, способы подачи продукта, средства охлаждения компонента топлива, арматура, дренажные и предохра­нительные устройства, приборное обеспечение, средства пневмо- и электроуправления, то есть все необходимое для того, чтобы система заправки отвечала предъявляемым к ней требованиям.

Пневмогидравлическая схема включает в себя приборное обеспечение — датчики давления и температуры, расходомеры — в большей части дистанционно-управляемые, предназначенные для обеспечения дистанционного и автоматизированного управления технологическим процессом заправки, а также визуальные приборы.

Системы заправки криогенным горючим (жидким водородом, СПГ) снабжаются также приборами контроля качества подготовки системы к приему основного продукта с дистанционным управлением, в том числе хроматографическими.

Разработка систем заправки и, в первую очередь, ее пневмогидравлической схемы осуществляется в строгом соответствии с техническим заданием на заправочную систему и исходными данными разработчика РКН.

При разработке пневмогидравлической схемы заправочной системы обычно выде­ляют основные и вспомогательные технологические операции.

А. Основные технологические операции

К ним относятся:

- захолаживание коммуникаций, заполнение насосов и магистралей, в некоторых случаях прокачка продукта по кольцу;

- заправка на большом расходе. Операция проводится с помощью насосов или вы­теснением газом наддува под рабочим давлением через клапаны большого расхода;

- заправка на малом расходе осуществляется через клапаны малого расхода;

- термостатирование продукта в баках ракеты (при использовании охлажденного продукта), направленное на достижение и поддержание в течение заданного времени требуемых параметров жидкости (уровень, температура);

- слив продукта из коммуникаций и шлангов в сливную емкость для исключения пролива компонента перед отстыковкой;

- продувка коммуникаций;

- слив из баков РКН компонентов топлива в случае отмены пуска или возникнове­ния аварийной ситуации. Слив осуществляется в заправочный резервуар.

Б. Вспомогательные операции:

- прием компонента в резервуары системы из железнодорожных или автомобиль­ных емкостей через заправочные колонки системы;

- слив компонента из коммуникаций. Эта операция осуществляется после оконча­ния штатных операций, проводимых системой;

- передавливание продукта из сливной емкости (если для выполнения определен­ных задач такая емкость предусмотрена в системе);

- перекачивание (передавливание) компонента, при необходимости, из одной емко­сти хранилища в другую, в том числе для перемешивания продукта;

- отбор проб или выдача продукта для его анализа. Операция проводится обязатель­но перед заправкой ракеты.

Пневмогидравлической схемой должно быть предусмотрено и выполнение систе­мой эпизодических операций, таких как: выдача компонента в сторонние емкости, выдавли­вание остатков компонента, отогрев резервуаров.

При заправке баков РКН охлажденным компонентом часто вводится операция тер-мостатирования. Она выполняется, как правило, с использованием циркуляционных кон­туров систем, где в качестве расходных и приемных емкостей служат резервуары хранили­ща. Объектом термостатирования является бак ракеты, а охлаждение компонента осуще­ствляется либо заранее, либо в процессе его подачи в баки ракеты.

Для поддержания заданного уровня компонента в баке ракеты в течение необходи­мого времени система заправки должна иметь в своем составе приемный резервуар, функ­ции которого обычно выполняет один из резервуаров хранилища. Циркуляцию компонента в системе обеспечивают центробежные или струйные насосы типа «жидкость-жидкость». В ходе термостатирования для исключения подсосов воздуха в баках ракеты должно под­держиваться избыточное давление не менее 0,03 МПа.

Пневмогидравлическая схема наземной системы заправки должна быть состыкована с пневмогидравлической схемой ракеты, поскольку как гидравлические системы они пред­ставляют собой единое целое.

Отстыковка наполнительных соединений от РКН должна осуществляться автомати­чески при пуске или заранее, если есть возможность слива компонента при несостоявшемся пуске, например по подпиточной линии.

В качестве иллюстрации ниже приводится упрощенная принципиальная схема за­правки жидким водородом II ступени РН «Энергия» (рис. 3.4.1) как наиболее современ­ная. Она предусматривает возможность обеспечения заправки этой ступени жидким ох­лажденным водородом в количестве 104 т при расходе до 100 т/ч и температуре 18 К.; термостатирования жидкого водорода в баке ракеты при расходе подачи 70 т/ч и температу­ре 17 К; подачи в ракету газообразных азота, водорода, гелия; безопасного дренирования паров водорода; подготовку системы заправки и бака ракеты к безопасному приему жидкого водорода; слива продукта из бака ракеты при несостоявшемся пуске; получения нейтраль­ной среды в баке ракеты и в наземной системе.

Для обеспечения термостатирования продукта в баке РН в систему заправки вве­ден циркуляционный контур, представляющий собой совокупность двух магистралей: по одной продукт подается в РН, по другой — одновременно сливается, т.е. продукт циркули­рует по контуру «бак РН — один из магистральных трубопроводов — блок охлаждения .

Рис.3.4.1. Упрощенная принципиальная схема системы заправки РН «Энергия» жидким водородом: 1 — резервуар хранилища; 2 — блок клапанов хранилища; 3 — блок испарителей хранилища; 4 — рекуперативный теплообменник; 5, 6 — охладители жидкого водорода; 7 — струйный насос; 8 — эжектор; 9 — площадка дожигания водорода; 10 — магистральные трубопроводы; 11 — блоки клапанов с фильтрами; 12 — заправочный трубопровод; 13 — трубопровод слива; 14 — трубопровод термостатирования; 15 — дренажный трубопровод; 16-18 — трубопроводы подачи газифицированного водорода второй из магистральных трубопроводов — бак РН». Контур циркулирования служит также для поддержания магистральных трубопроводов в охлажденном состоянии при времен­ных прекращениях заправки, термостатирования или слива.

Система заправки жидким водородом состоит из:

- хранилища, где размещено четыре сферических резервуара с соответствующей обвязкой трубопроводами и арматурой; 32 воздушных испарителя для получения необхо­димого для различных целей газообразного водорода давлением не более 1,0 МПа;

- магистральных криогенных трубопроводов диаметром 200-400 мм; газовых тру­бопроводов диаметром 250 мм;

- блока охлаждения, включающего в себя два резервуара жидкого водорода объемом 125 м³ каждый с встроенными теплообменниками, имеющими капиллярно-пористое покры­тие; эжекторы и струйный насос с соответствующей обвязкой трубопроводами и арматурой;

- концевых блоков арматуры с фильтрами и узлами стыковки с РН;

- оборудования дренажной площадки, включающего в себя дренажные трубопрово­ды, газовые затворы, предотвращающие проникновение пламени в дренажные трубопро­воды, горелки дежурных водородных факелов для поджига дренируемых газов;

- средств подачи газов для технологических (гелий, азот), регламентных работ (азот, воздух) и управляющего газа (азот), состоящих из трубопроводов, редукторов, арматуры, фильтров;

- средств вакуумирования теплоизоляционных полостей — вакуумных насосов, арматуры, трубопроводов;

- средств контроля параметров: дискретных и аналоговых датчиков давления, уровня и температуры, установленных на технологическом оборудовании;

- средств газоаналитического контроля чистоты подготовки бака РН и оборудова­ния системы: газоанализаторов, определяющих концентрации кислорода в азоте, кислорода в водороде, азота в водороде;

- системы дистанционного управления, позволяющей управлять системой заправки в ручном или автоматизированном режимах.

Ниже приводится описание технологии работы системы.

Шаровые резервуары хранилища (каждый объемом 1400 м³ с экранно-вакуумной изоляцией) заполняются жидким водородом из железнодорожных цистерн ЖВЦ-100, подстыкованных с помощью металлорукавов к колонкам сливного перрона системы. Перед сливом жидкого водорода воздушная среда на стыковочных участках ЖВЦ-100 и заправоч­ных колонках заменяется сначала на азотную, а затем на водородную (газ) путем продувки их замещающим газом в течение определенного времени. Продувка азотом заканчивается при получении концентрации кислорода в азоте не более 2,5 % об., продувка водородом заканчивается при получении концентрации кислорода в водороде не более 2 х 10⁴ % об.

Для обеспечения слива жидкого водорода агрегаты ЖВЦ-100 наддуваются до давле­ния 0,25 МПа газообразным водородом, подаваемым от испарителей системы заправки. В процессе заполнения резервуаров хранилища в них поддерживается избыточное давле­ние не ниже 0,015 МПа, контролируются уровень и давление в железнодорожных цистернах и сферических резервуарах. По окончании слива стыковочные участки ЖВЦ-100 и заправочные колонки отогреваются до температуры не ниже 100 К путем продувки их газообразным водородом, затем водородная среда в этих участках заменяется на азотную, с концентрацией водорода в азоте не выше 1% и далее на воздушную, с концентрацией кислорода в воздухе не менее 19 % об. Железнодорожные цистерны отстыковываются от заправочных колонок и отводятся.

При хранении жидкого водорода в резервуарах хранилища производится периоди­ческий газосброс при давлении 0,01-0,2 МПа. Перед началом работ на СК проверяется кондиционность жидкого водорода путем отбора проб из каждого резервуара и проведе­ния их анализа.

За сутки до начала заправки давление в резервуарах хранилища сбрасывается до 0,0015 МПа (изб.) и поддерживается на этом уровне, что позволяет охладить водород до температуры кипения, соответствующей указанному давлению, и тем самым понизить тепловую нагрузку на охладители при заправке и термостатировании.

Работа по заправке начинается с проведения азотной подготовки системы.

Азотная подготовка системы (трубопроводов и охладителей) и азотная подготовка бака РН проводятся путем продувки и «полоскания» (наддув — сброс). Операции закан­чиваются проведением газоанализа среды в магистральных трубопроводах и охладителях системы, а также в баке РН при достижении концентрации кислорода в азоте не более 1,5 % об. Затем проводится водородная подготовка.

Водородная подготовка системы и водородная подготовка бака ракеты проводятся аналогично азотной подготовке. Один из резервуаров хранилища наддувается до давле­ния 1,0 МПа за счет газификации жидкости в блоке испарителей системы, что обеспечи­вает подачу газообразного водорода на нужды заправочной системы и РН в течение всего времени работы. После замены азотной среды на водородную в магистральном трубо­проводе подачи газа в РН на площадке дожигания водорода, куда дренируется водород из системы и бака РН, зажигаются дежурные факелы. Далее обе операции проходят парал­лельно и заканчиваются при достижении концентрации кислорода в водороде не более 2 х 10⁴ % об. в магистралях и охладителях системы и баке РН.

Охлаждение и заполнение заправочных магистралей и охладителей системы жидким водородом начинается с наддува второго резервуара хранилища до давления 0,25 МПа и выдачи из него жидкого водорода одновременно в две магистрали, соединяющие храни­лище с блоком охлаждения. В блоке охлаждения оба потока объединяются, проходят после­довательно теплообменники охладителей, магистральный трубопровод до блока клапа­нов на заправочном трубопроводе, магистральные трубопроводы до блока охлаждения, затем поступают в резервуары охладителей и через эжекторы сбрасываются на площадку дожигания водорода. Из этого же резервуара начинается выдача жидкого водорода на за­правку РН. Направление движения потока жидкого водорода от хранилища до блока клапа­нов на заправочном трубопроводе при заправке такое же, как и при охлаждении системы. Далее поток делится на три части. Основная часть по заправочному трубопроводу поступает в РН для заправки бака; вторая часть (8-10 %) через второй магистральный трубопровод поступает на подпитку охладителей; третья часть, самая маленькая, подается в трубопро­вод термостатирования, поддерживая его в охлажденном состоянии, и далее на дренаж­ную площадку. Вакуумирование охладителей осуществляется с помощью эжекторов. Выхо­дящий из блока охлаждения жидкий водород имеет температуру 17-17,5 К.

В начале заправки, для охлаждения бака ракеты, и в конце заправки, для наиболее точного измерения уровня, жидкий водород подается в бак сначала с малым расходом, а затем с дальнейшим переходом на большой.

При опорожнении резервуара хранилища, из которого производилась заправка, вы­дача продукта в процессе заправки производится из третьего резервуара. В свободном от продукта резервуаре давление сбрасывается до 0,3 МПа (изб.) для подготовки к сливу в него жидкого водорода при термостатировании. При заправке дренажный клапан и кла­пан термостатирования бака ракеты открыты, пары сбрасываются на дренажную площадку дожигания. При достижении заданного уровня заправка заканчивается и начинается термо-статирование жидкого водорода. Эта операция предназначена для получения определен­ной (заданной) среднемассовой температуры и соответствующей ей плотности жидкого водорода. При термостатировании подача водорода в бак ракеты производится по заправоч­ному трубопроводу, слив — по трубопроводу термостатирования. За полчаса до оконча­ния операции направление потока меняется: подача осуществляется по трубопроводу тер­мостатирования, слив — по заправочному трубопроводу. Это позволяет выровнять средне-массовую температуру по длине бака ракеты за счет перемешивания, а также понизить среднемассовую температуру продукта в баке без изменения температуры подаваемого продукта и продолжительности операций.

Сливаемый из бака ракеты жидкий водород поступает по магистральному трубо­проводу в блок клапанов блока охлаждения, где разделяется на три потока: -75% расхода поступает через первый теплообменник охладителя в струйный насос в качестве пассивно­го потока; ~10% расхода поступает на подпитку охладителей; -15% расхода возвращается в хранилище и сливается в пустой резервуар. Одновременно из рабочего резервуара выдается жидкий водород давлением 1,0 МПа и расходом, равным сумме двух последних составляющих расхода сливаемого из бака. Этот поток проходит через рекуперативный теплообменник, где предварительно охлаждается за счет теплообмена с возвращаемым в хранилище потоком, и далее через второй теплообменник охладителя поступает в струй­ный насос в качестве активного потока. Объединенный поток проходит через охладитель и по магистральному трубопроводу подается к соответствующему блоку клапанов и далее в бак ракеты. В процессе заправки и термостатирования в бак ракеты подается газообраз­ный водород для поддержания заданного давления в газовой подушке. Термостатирова-ние заканчивается за 2-3 минуты до пуска ракеты. Перед отстыковкой концевые участки всех водородных трубопроводов, подстыкованных к ракете, освобождаются от водорода путем продувки их гелием. Гелий поступает в трубопроводы со стороны ракеты, а удаляе­мый из трубопроводов водород сбрасывается на площадку дожигания через открытые дренажные клапаны блоков клапанов на соответствующих трубопроводах. Отстыковка коммуникаций от ракеты при пуске автоматическая. В случае отмены пуска жидкий водород из бака ракеты сливается по трубопроводу слива и магистральному трубопроводу в резервуар хранилища. Отогревается бак ракеты до температуры -100 К газообразным водородом, после чего водородная среда в баке заменяется на азотную до содержания водорода в азоте не выше 1 % об., а затем — на воздушную до содержания кислорода в азоте не менее 19 % об. Технология проведения этих операций ана­логична технологии проведения азотной и водородной подготовки бака перед заправкой. Ана­логичные операции проводятся для магистральных трубопроводов и охладителей системы.

Обеспечение заправки жидким водородом II ступени РН «Энергия» потребовало создания сложной и многофункциональной системы заправки. Это вызвано повышен­ными требованиями со стороны разработчика РН, а также осуществлением на стартовой площадке впервые в мировой практике заправки баков РН охлажденным жидким водоро­дом, с термостатированием баков этим продуктом.