大流量煤油加注系統(tǒng)調(diào)試

賈 晨 徐 敏 王麗榮

(西安航天動力試驗技術(shù)研究所 陜西 西安 710100)

大流量煤油加注系統(tǒng)調(diào)試

賈 晨 徐 敏 王麗榮

(西安航天動力試驗技術(shù)研究所 陜西 西安 710100)

本文主要介紹某新建發(fā)射場煤油加注回流調(diào)試過程，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、功能多樣，自動化程度高，因此調(diào)試可變因素、危險隱患較多，通過分析調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的問題及解決方法，為其他流體相關(guān)項目的調(diào)試提供寶貴經(jīng)驗。

煤油 回流 加注 屏蔽泵

21世紀以來，隨著我國航天事業(yè)的飛速發(fā)展，建設(shè)國內(nèi)一流、世界先進的航天發(fā)射場已成為必然趨勢，海南0XX工程應(yīng)運而生。為滿足我國新型大推力火箭發(fā)射需求，地面煤油加注系統(tǒng)需完成火箭煤油推進劑的加注、泄回、回流、降溫、信號聯(lián)試及其它輔助工作，其中輔助工作包括轉(zhuǎn)注、倒罐、管線放空、氣檢等項目。液氧煤油火箭發(fā)動機所需的液體推進劑煤油為XX-1型，在加注過程中容易發(fā)生震動、憋壓、泄露等故障，將直接影響火箭發(fā)射任務(wù)進程[1]。因此通過系統(tǒng)調(diào)試，固定系統(tǒng)操作流程[2]，排除可能影響系統(tǒng)正常工作的問題，為新型火箭發(fā)射提供可靠保障。

1系統(tǒng)簡介

煤油加注系統(tǒng)由加注庫房、庫房至塔上加注外管線、1XX#及2XX#塔架管路系統(tǒng)、轉(zhuǎn)注系統(tǒng)、液氮降溫系統(tǒng)等組成，可分成現(xiàn)場設(shè)備和控制系統(tǒng)兩部分。

(1)現(xiàn)場設(shè)備主要由煤油存貯系統(tǒng)、煤油輸送系統(tǒng)、供配氣系統(tǒng)、液氮降溫系統(tǒng)及現(xiàn)場測量顯示儀表等組成。其中煤油存貯系統(tǒng)主要有煤油貯罐、放空罐、集液罐等，輸送系統(tǒng)主要有加注屏蔽泵、庫房及塔上的加注管路、加注外線、各種閥門及配件等，供配氣系統(tǒng)主要有配氣臺、氣電活門箱及供配氣管路及配件等，液氮降溫系統(tǒng)主要包括換熱器及相應(yīng)的低溫閥門、管路等。

(2)控制系統(tǒng)主要設(shè)備包括技術(shù)區(qū)飛控中心控制室煤油遠控臺2組、投影顯示控制臺1組、視頻控制臺1組，發(fā)射區(qū)煤油庫房控制室控制柜3組、控制臺2組、泵控間變頻泵控柜3組，1XX#塔控制室控制柜1組，2XX#塔控制室控制柜1組，相應(yīng)控制電纜、橋架等組成。其中控制系統(tǒng)軟件包括近控PLC控制軟件1套、近控上位機監(jiān)控軟件2套、近控觸摸屏控制軟件2套、遠控上位機監(jiān)控軟件2套、遠控觸摸屏控制軟件2套、投影顯示軟件1套。

煤油回流調(diào)試主要檢驗系統(tǒng)內(nèi)屏蔽泵、泵間與罐間加注液路系統(tǒng)、閥門、儲罐、配氣系統(tǒng)、電控設(shè)備及軟件的工作質(zhì)量與工作協(xié)調(diào)性。

2加注屏蔽泵

煤油加注系統(tǒng)的工作機為6臺由合肥XX屏蔽泵有限公司生產(chǎn)的HP125-XXXX型屏蔽泵，流量調(diào)節(jié)范圍Q=18～90 m3/h，揚程H=110 m，額定功率W=55 kW。屏蔽泵簡圖[3]如圖1所示，

1-泵體 2-葉輪 3-軸 4-轉(zhuǎn)子 5-底座 6-軸承 7-循環(huán)管 8-過濾器1-pump 2-impeller 3-axis 4-rotor 5-base 6-bearing 7-cycle tube 8-filter圖1 屏蔽泵結(jié)構(gòu)簡圖Fig 1 Schematic diagram ofshielded pump structure

介質(zhì)由泵入口經(jīng)過葉輪帶動由出口輸出，其中泵送介質(zhì)一部分從泵體出口經(jīng)過濾器、循環(huán)管、后軸承座、后軸承軸套間隙、定子屏蔽套和轉(zhuǎn)子屏蔽套之間間隙、前軸承與軸套間隙到葉輪平衡孔流到葉輪入口低壓處，為內(nèi)部提供潤滑作用。

3調(diào)試過程

3.1 調(diào)試前準備工作

(1)系統(tǒng)吹除介質(zhì)為高純氮氣，氣路系統(tǒng)管路用最高工作壓力的氣源進行吹除，吹除時間至少為3 min。煤油液路系統(tǒng)管路用3 MPa左右的氣源進行吹除(煤油管路的直徑主要為DN50，DN100，DN125，DN150，DN200)，吹除時間約為5 min左右。系統(tǒng)管路吹除時按照吹除壓力進行脈動式吹除，按照吹除壓力和時間在吹除管路的末端用過濾器進行收集，無可見多余物為合格[4]。收集過濾器精度為20 μm。

系統(tǒng)吹掃過程中需注意問題：① 管道吹除前應(yīng)仔細檢查管道支吊架的牢固程度，對松動部位應(yīng)進行加固；② 管道吹除前可用手電筒及干凈的白綢布肉眼檢查管道內(nèi)壁的潔凈程度；③ 對不允許吹除的設(shè)備及管道，應(yīng)進行隔離；④ 管道吹除前應(yīng)將系統(tǒng)內(nèi)的儀表、濾網(wǎng)、節(jié)流閥、調(diào)節(jié)閥、流量計、安全閥、止回閥等管道組成件暫時拆除(必須拆除的元器件包括流量計、安全閥、過濾器、壓力表及傳感器)，并應(yīng)以模擬體或臨時短管替代，待管道吹洗合格后應(yīng)重新復位；⑤ 系統(tǒng)吹除的順序應(yīng)按主管、支管、疏排管依次進行。吹除出的臟物不得進入已吹除合格的管道；⑥ 為管道吹除安裝的臨時供氣管道及排放管道，應(yīng)預先吹掃與清洗干凈后再使用；⑦ 管道吹除時應(yīng)設(shè)置禁區(qū)和警戒線，并應(yīng)掛警示牌；⑧ 管道吹除合格后，除規(guī)定的檢查和恢復工作外，不得再進行其它影響管內(nèi)清潔的作業(yè)。

(2)系統(tǒng)氣密性試驗介質(zhì)為高純氮氣，系統(tǒng)氣密性試驗壓力為最高工作壓力。氣密試驗前進行預試驗，預試驗的壓力在0.1～0.5 MPa之間，穩(wěn)壓進行檢查，采用中性發(fā)泡劑檢漏，無泄漏、目測無變形再繼續(xù)緩慢逐級升壓，至試驗壓力的50%時穩(wěn)壓進行全面檢查，未發(fā)現(xiàn)異狀或泄漏，繼續(xù)按試驗壓力的10%逐級升壓，每級穩(wěn)壓3 min，直至試驗壓力后，進行全面檢查，對法蘭、焊縫、閥門等易泄漏點涂刷中性發(fā)泡劑進行檢查，不泄漏為合格。

系統(tǒng)氣密性試驗過程中需注意問題：① 當試驗過程中發(fā)現(xiàn)泄漏時，不得帶壓處理，泄壓、消除缺陷后，再重新進行試驗；② 試壓結(jié)束后，應(yīng)及時拆除堵蓋、堵帽等輔助裝備，完全泄壓后對系統(tǒng)進行復位。

(3)系統(tǒng)閥門狀態(tài)檢查，首先對氣動閥門進行單點調(diào)試，確保各閥門狀態(tài)良好，電磁閥動作靈活，信號反饋正常。其次檢查電動調(diào)節(jié)閥，保證開啟關(guān)閉控制準確，開度反饋準確。最后進行手動閥門狀態(tài)檢查，各閥門狀態(tài)良好，動作靈活無泄漏。

3.2 系統(tǒng)調(diào)試

(1)單泵在線系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)內(nèi)煤油儲罐狀態(tài)：壓力0.18 MPa，液位高度1 112 mm，煤油容積29 949 L。首先，對六臺屏蔽泵進行逐一灌泵，保證容器出液口至泵吸入口之間管道及泵體內(nèi)部充滿介質(zhì)，灌泵與管道填充使用煤油約7 000 L。其次，使用變頻柜和軟件交替點動六臺泵，檢測系統(tǒng)內(nèi)屏蔽泵、流量計、電磁閥、變頻柜、工控機等電控設(shè)備接線是否良好。最后，保持吸入壓力0.2 MPa，單獨啟動各泵，檢查系統(tǒng)單泵在線條件下各管路設(shè)備運行狀態(tài)，固定泵頻率50 Hz的條件下，調(diào)節(jié)泵入口電動調(diào)閥開度，記錄流量、揚程、電流參數(shù)變化，如圖2所示，隨著電動調(diào)節(jié)閥開度增大，流量及電流大幅提升，開度為50%時基本達到泵最大流量，同時屏蔽泵揚程略微下降，但仍在110 m以上。

圖2 屏蔽泵在50Hz條件下特性曲線Fig 2 characteristics curve of the shield pump under the 50Hz conditions

電動調(diào)節(jié)閥開度固定為50%，測試不同頻率下各泵參數(shù)變化，數(shù)據(jù)繪制圖3。由圖可知各泵性能相似，特性曲線較為線性，依據(jù)本曲線可精確估計各頻率下流量變化，為各泵小流量精確加注提供理論依據(jù)。

圖3 屏蔽泵頻率與流量特性曲線Fig 3 frequency and flowcharacteristics curve of the shield pump

(2)雙泵并聯(lián)系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)內(nèi)煤油儲罐狀態(tài)：壓力0.18 MPa，液位高度801 mm，煤油容積19 002 L。

將六臺泵分為三組(1/6號、2/5號、3/4號)，兩臺泵逐一啟動，在屏蔽泵運行頻率50 Hz，前端電動調(diào)節(jié)閥開度為50%條件下記錄各參數(shù)，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯觯p泵并聯(lián)時系統(tǒng)大流量運行穩(wěn)定，平均累積流量達152.46 m3/h，可滿足快速加注要求。

(3)系統(tǒng)低吸入壓性能調(diào)試

系統(tǒng)內(nèi)煤油儲罐狀態(tài)：壓力0.014 MPa，液位高度808 mm，煤油容積19 008 L。

隨機抽取1號泵進行低吸入壓調(diào)試，使用軟件啟動，運行頻率50 Hz，調(diào)節(jié)泵前端電動調(diào)節(jié)閥開度，記錄不同開度下電流、流量等參數(shù)。在泵進口壓力為0 MPa的極端條件下，屏蔽泵并未出現(xiàn)異常，從而保證煤油儲罐在低液位條件下，泵不發(fā)生汽蝕，系統(tǒng)依舊可穩(wěn)定工作。如表2所示，注：HPB為軸承監(jiān)視器，綠色為正常，黃色為異常，紅色代表損壞。

(4)系統(tǒng)調(diào)試撤收

調(diào)試完成，吹掃管道，將殘液擠壓回放空罐，恢復系統(tǒng)閥門狀態(tài)，系統(tǒng)儲罐狀態(tài)：儲罐壓力0.050 MPa，液位高度807 mm；放空罐壓力0.039 MPa，液位高度593 mm。

整個系統(tǒng)調(diào)試過程中需時刻注意管路內(nèi)部溫度變化，因介質(zhì)在泵、管道、閥門內(nèi)流動，摩擦使內(nèi)能增加，如高于35℃時必須停泵降溫，以防止放生危險情況。

表1 并泵運行參數(shù)Table 1 Parallel pump operating parameters

表2 低吸入壓力泵運行參數(shù)Table 2 Low suction pressure pump operating parameters

3.3 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

從以上試驗結(jié)果可以得出：

(1)系統(tǒng)內(nèi)屏蔽泵50 Hz性能試驗，流量、揚程性能滿足設(shè)計要求，工作電流在額定電流以下，軸承監(jiān)測器指示在正常范圍內(nèi)，泵工作平穩(wěn)。

(2)系統(tǒng)內(nèi)屏蔽泵35 Hz～50 Hz變頻試驗，泵流量、揚程與頻率變化成正比關(guān)系，泵工作正常，通過線性曲線，可確保系統(tǒng)加注能力。

(3)三組泵并聯(lián)調(diào)試，考驗系統(tǒng)最大流量，并聯(lián)泵流量揚程合格，無異常振動噪聲情況發(fā)生，滿足并泵工況要求。

(4)系統(tǒng)低吸入壓性能調(diào)試考查泵的極限性能，試驗結(jié)果可以看出泵性能與入口有壓情況性能一致，說明泵抗汽蝕性能良好，泵在較低吸入壓力下也能正常工作。

(5)泵間與罐間加注液路系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)施工安裝正確，閥門、儀器儀表狀態(tài)良好，各儲罐滿足使用要求，電控設(shè)備、軟件與工藝系統(tǒng)工作協(xié)調(diào)性良好。

4結(jié) 論

從本次調(diào)試可以看出，影響煤油加注系統(tǒng)工作特性的主要因素有泵前電動調(diào)節(jié)閥開度、屏蔽泵工作頻率，通過采取適當?shù)拇胧?，控制參?shù)，便可根據(jù)不同需求精確調(diào)節(jié)加注流量。經(jīng)過調(diào)試摸索，固定系統(tǒng)操作流程，降低可能產(chǎn)生的震動、泄露、憋壓、汽蝕等故障風險，保證加注過程穩(wěn)定、高效。

[1] 馬瀚英．航天煤油[M]．北京：中國宇航出版社，2003(01).

[2] 王正偉．流體機械基礎(chǔ)[M]．北京：清華大學出版社，2006(12).

[3] 甘樹坤，周國良，孟新.屏蔽泵運行過程中斷液或流量不足的危害與預防監(jiān)控[J].化工自動化及儀表，2014(10)：1 208～1 210.

[4] QJ 2850-96《航天產(chǎn)品多余物預防和控制》[S].

LargeFlowKeroseneFillingSystemDebugging

Jia Chen Xu Min Wang Lirong

(Xian Aerospace Propulsion Test Technology Institute， Shanxi Xian 710100)

The debugging process of kerosene refueling in a new launch site was introclued. The system was complex in structure, diverse in function and high in automation. Therefore, there ware variable factors and the hidden dangers in the debugging process. By analyzing the problems and solutions found in the debugging process, It could can provide the valuable experience to other fluid-related projects.

kerosene refluxing refuel canned motor pump

10.16597/j.cnki.issn.1002-154x.2017.11.013

2017-08-09

賈晨(1987～)，男，碩士，工程師，研究方向為高壓低溫系統(tǒng)設(shè)備集成及材料加工工程。E-mail:jchen165@163.com.