Криогенная система хранения и выдачи кислорода для анаэробной энергетической установки с электрохимическими генераторами
CRYOGENIC OXYGEN STORAGE AND DELIVERY SYSTEM FOR ANAEROBIC POWER PLANT WITH ELECTROCHEMICAL GENERATORS

Изобретение относится к системам хранения и выдачи кислорода на подводных аппаратах и подводных лодках с воздухонезависимыми энергетическими установками на базе электрохимических генераторов с водородно-кислородными элементами, использующих для получения водорода топливные процессоры.
Известна энергетическая установка подводного аппарата, содержащая электрохимические генераторы с водородно-кислородными топливными элементами, криогенные емкости ранения водорода и кислорода, установленные в отдельных герметичных выгородках, расположенных внутри герметичного корпуса, выполненного в виде модульного отсека подводного аппарата, при этом каждая выгородка для размещения криогенных емкостей хранения водорода представляет собой вертикально размещенную в модульном отсеке шахту, впаренную в корпус модульного отсека, с установленным на верхней крышке герметичным люком, а выгородки для криогенных емкостей кислорода размещены на разных горизонтальных уровнях модульного отсека.(см. патент РФ 2184408)
Несмотря на то, что предложенное решение в максимальной степени решает вопросы по минимизации возникновения пожаровзрывоопасных ситуаций, но оно достигается за счет существенного увеличения массы выгородок и двукратного количества криогенных емкостей, что несомненно потребует затрат мощности энергетической установки и приведет к снижению скоростной характеристики подводного аппарата.
Наиболее близким аналогом является криогенная система хранения и выдачи кислорода для анаэробной энергетической установки с электрохимическими генераторами, включающая емкость для кислорода, выполненную цилиндрической формы и установленную внутри соосно наружного вакуумного корпуса, при этом емкость снабжена дополнительным наружным корпусом, внутренняя герметичная полость которого выполнена с экранно-вакуумной изоляцией, контур наддува в виде испарителя наддува с жидкостным и газовым криогенными трубопроводами с запорно-регулирующей арматурой, соединенные с емкостью, контур подачи кислорода в электрохимический генератор, выполненный в виде испарителя кислорода, подключенного одним газожидкостным криогенным трубопроводом к трубчатому змеевику, закрепленному на внутренней поверхности дополнительного корпуса и соединенному с днищем емкости, а другим криогенным трубопроводом к жидкостному криогенному трубопроводу контура наддува, ресивера и трубопровода подачи теплого газообразного кислорода, соединенного с трубопроводом от электрохимического генератора через разъем, установленный в герметичной подводного аппарата, и два криогенных трубопровода для заполнения емкости жидким кислородом, один из которых - трубопровод подачи жидкого кислорода в емкость подсоединен к газожидкостному криогенному трубопроводу контура подачи кислорода в электрохимический генератор, а второй - к газовому трубопроводу контура наддува, при этом все технологическое оборудование системы размещено в герметичной камере, выполненной на торцевой стенке наружного вакуумного корпусами заполненной инертным газом, а кроме того система размешена в отсеке подводного аппарата, выполненного в виде съемного модуля и заполненного инертным газом. (см. патент РФ 2737960)
Основными недостатками указанной системы являются:
- увеличение массы криогенной системы и снижение объема жидкого кислорода в емкости для его хранения, обусловленные необходимостью установки дополнительного наружного корпуса для обеспечения режима безопасности;
- не устойчивостью ее работы при переходе с одного режима на другой;
- небольшой временной запас бездренажного хранения.
Целью изобретения является снижение массы криогенной системы, обеспечение стабильной подачи кислорода в энергетическую анаэробную установку и увеличение времени бездренажного хранения кислорода на всех режимах ее работы при сохранении надежности и минимального времени ремонтно-восстановительных работ.
Поставленная цель достигается тем, что в криогенной системе хранения и выдачи кислорода для анаэробной энергетической установки с электрохимическими генераторами, включающей емкость для кислорода, выполненную цилиндрической формы и установленную внутри соосно наружного вакуумного корпуса, при этом емкость снабжена дополнительным наружным корпусом, внутренняя герметичная полость которого выполнена с экранно-вакуумной изоляцией, контур наддува в виде испарителя наддува с жидкостным и газовым криогенными трубопроводами с запорно-регулирующей арматурой, соединенные с емкостью, контура подачи кислорода в электрохимический генератор, выполненный в виде испарителя кислорода, подключенного одним газожидкостным криогенным трубопроводом к трубчатому змеевику, закрепленному на внутренней поверхности дополнительного корпуса и соединенному с днищем емкости, а другим криогенным трубопроводом к жидкостному криогенному трубопроводу контура наддува, ресивера и трубопровода подачи теплого газообразного кислорода, соединенного с трубопроводом от электрохимического генератора через разъем, установленный в герметичной перегородке подводного аппарата, и два криогенных трубопровода для заполнения емкости жидким кислородом, один из которых - трубопровод подачи жидкого кислорода в емкость подсоединен к газожидкостному криогенному трубопроводу контура подачи кислорода в электрохимический генератор, а второй - к газовому трубопроводу контура наддува, при этом все технологическое оборудование системы размещено в герметичной камере, выполненной на торцевой стенке наружного вакуумного корпуса и заполненной инертным газом, а кроме того система размешана в отсеке подводного аппарата, выполненного в виде съемного модуля и заполненного инертным газом, она снабжена контуром подачи кислорода к топливному процессору в составе криостата, который по жидкости и газу подключен криогенными трубопроводами к емкости и в котором установлены рабочий и резервный насосы погружного типа с регулируемой производительностью, трубчатого теплообменника, закрепленное на внутренней поверхности дополнительного корпуса, нагревателя кислорода, ресивера и теплого трубопровода подучи кислорода к топливному процессору, при этом трубчатый теплообменник, одним концом криогенного трубопровода соединен с выходов из насосов, а другим - криогенным трубопроводом с нагревателем кислорода, а после испарителя наддува установлен нагреватель кислорода, подключенный к ресиверу подачи кислорода в электрохимический генератор, а риогенный трубопровод подачи жидкого кислорода в емкость соединен непосредственно с трубчатым змеевиком, и кроме того емкость с дополнительным наружным корпусом установлены в вакуумном отсеке, выполненном из двух герметичных перегородок и наружного корпуса подводного аппарата, а технологическое оборудование в составе криостата нагревателем кислорода, испарителя кислорода, ресиверов, теплых и криогенных трубопроводов с запорно-регулирующими клапанами - в герметичном отсеке, заполненном инертным газом и расположенном между одной из герметичных перегородок и корпусом подводного аппарата со съемной торцевой крышкой, а кроме того вакуумный отсек выполнен в вике съемного модуля, при этом стыковка теплых кислородных трубопроводов от системы к электрохимическому генератору и топливному процессору выполнена с помощью разъемов вне корпуса подводного аппарата.
На фиг. 1 дана принципиальная конструктивная схема криогенной системы хранения и выдачи кислорода для анаэробной энергетической установки с электрохимическими генераторами, поясняющая сущность предлагаемого технического решения.
Криогенная система хранения и выдачи кислорода для анаэробной энергетической установки с электрохимическими генераторами включает емкость 1 для хранения и выдачи кислорода, которая снабжена дополнительным наружным корпусом 2, внутренняя герметичная полость которого выполнена с экранно-вакуумной изоляцией, при этом на внутренней поверхности корпуса 2 закреплены трубчатый теплообменник 3 и трубчатый змеевик 4, соединенный с днищем емкости 1 и криогенным трубопроводом 5 подачи жидкого кислорода в емкость 1. Емкость 1 и дополнительный наружный корпус 2 установлены в вакуумном отсеке, выполненном в виде съемного модуля и состоящим из корпуса 6 подводного аппарата, который теперь служит для емкости 1 вакуумным наружным корпусом, что и позволяет существенно уменьшить массу криогенной системы, а также - первой герметичной перегородки 7 для прохода трубопроводов и второй - глухой герметичной перегородки 8, отделяющей вакуумный отсек от соседнего отсека подводного аппарата. Все остальное технологическое оборудование криогенной системы расположено в другом герметичном отсеке, заполненным инертным газом и размещено между первой перегородкой 7 и корпусом 6 подводного аппарата со съемной торцевой крышкой 9. По своему функциональному назначению технологическое оборудование криогенной системы состоит из трех контуров, а именно:
- контура наддува емкости 1, состоящего из испарителя 10 кислорода, жидкостного криогенного трубопровода 11 с запорно-регулирующим клапаном 12 и газового криогенного трубопровода 13, подключенных к испарителю 10 и емкости 1;
- контура подачи кислорода к топливному процессору в составе криостата 14, который по жидкости и газу подключен криогенными трубопроводами 15 и 16 к емкости 1 и в котором установлены рабочий насос 17 и резервный насос 18 погружного типа с регулируемой производительностью, трубчатого теплообменника 3, закрепленного на внутренней поверхности дополнительного корпуса 2, нагревателя кислорода 19, ресивера 20, теплого трубопровода 21 подачи кислорода к топливному процессору и разъема 22, выполненного вне корпуса подводного аппарата для стыковки с трубопроводом 23, расположенным в другом отсеке подводного аппарата, при этом трубчатый теплообменник 3 одним концом криогенного трубопровода 24 соединен с выходом из насосов, а другим - криогенным трубопроводом 25 с нагревателем кислорода 19;
- контур подачи кислорода в электрохимический генератор, выполненный в виде нагревателей кислорода 26, подключенного криогенными трубопроводом 27 к контуру наддува и трубопроводом 28 с запорно-регулирующим клапаном 29 к ресиверу 30, теплого трубопровода 31 подачи кислорода к электрохимическому генератору и разъема 32, выполненного вне корпуса подводного аппарата для стыковки с трубопроводом 33, расположенном в другом отсеке подводного аппарата.
Сброс паров кислорода, образующихся в процессе заправки емкости 1 выполняется с помощью криогенного трубопровода 34, подключенного к контуру наддува.
Для контроля рабочих параметров криогенная система оснащена датчиками контроля давления 35 и уровня 36 жидкого кислорода в емкости 1, датчиком 37 контроля давления инертного газа, установленного в герметичном отсеке с технологическим оборудованием, датчиками 38 и 39 контроля вакуума, установленных соответственно в объеме вакуумного отсека с емкостью 1 и в объеме дополнительного наружного корпуса 2, а также датчиками давления 40 и 41 соответственно в ресиверах 20 и 30 газообразного кислорода, датчиками 42 и 43; контроля температур кислорода соответственно после нагревателей 19 и 26, датчиком 44 расхода кислорода в контуре подачи в топливный процессор. Для выполнения режимов заправки и слива жидкого кислорода из емкости 1 на криогенных трубопроводах 5 и 34 установлены герметичные заглушки 45 и 46 соответственно. Для повышения надежности теплые трубопроводы 21, 28 и 31 заключены в герметичные кожуха, которые не показаны с целью упрощения чертежа. С той же целью на чертеже не показаны коммуникации подачи теплоносителя к испарителю кислорода 10 и нагревателям кислорода 19 и 26.
Работа криогенной системы поясняется с помощью принципиальной схемы показанной на фиг. 1, где отражен функциональный состав оборудования и взаимосвязь криогенной системы с электрохимическим генератором топливным процессором, которые на чертеже не показаны.
Работа криогенной системы складывается из режима подготовки и штатного режима.
-2
-3
Режим подготовки, заключается в последовательном захолаживании и заполнении емкости 1 жидким кислородом. Режим может быть осуществлен как от транспортного заправщика кислорода, так и от стационарной емкости берегового комплекса (на черт. не показаны). До начала режима по датчикам 39 и 38 проверяют давление во внутренней полости корпуса 2 и во внутренней полости вакуумного отсека, которое должно быть в пределах 1×10-1×10 мм рт.ст. Для захолаживания и заполнения емкости 1 закрывают запорно-регулирующие клапаны 12 и 29, снимают герметичные заглушки 45 и 46 и с помощью специальных узлов стыковки (на черт. не показаны) осуществляют соединение криогенного трубопровода 5 подачи жидкого кислорода, например, от заправщика кислорода (на черт. не показан), а криогенного трубопровода 34, исходя из требования пожаробезопасности, - с трубопроводом сброса в свечу (на черт. не показаны) газообразного кислорода из емкости 1. Далее жидкий кислород от заправщика поступает в емкость 1 через криогенный трубопровод 5 в трубчатый змеевик 4, закрепленный на внутренней поверхности дополнительного наружного корпуса 2, окружающего емкость 1 для кислорода. Из трубчатого змеевика 4, подключенного к нижнему днищу емкости 1, вначале кислород поступает в виде газа, так как за счет испарения жидкого кислорода происходит захолаживание дополнительного наружного корпуса 2. Из емкости 1 газообразный кислород по криогенному трубопроводу 34 отводится в свечу. Темп подачи жидкого кислорода контролируют и регулируют по показанию датчика контроля давления 35. После захолаживания дополнительного наружного корпуса 2 и емкости 1 ниже 95К в емкости 1 начинает появляться жидкий кислород, процесс накопления которого контролируется с помощью уровнемера 36. После достижения номинального уровня жидкого кислорода в емкости 1 подача жидкого кислорода от заправщика прекращается, производится часовая выдержка для температурной стабилизации жидкого кислорода в емкости 1 и дополнительного наружного корпуса 2. После часовой выдержки по датчику 36 контролируют падение уровня жидкого кислорода в емкости 1 и производят дозаправку жидкого кислорода до номинального значения. Одновременно с процессом захолаживания и заполнения жидким кислородом емкости 1 происходит захолаживание и заполнение жидким кислородом криостата 14, который соединен с емкостью 1 жидкостным криогенным трубопроводом 15 и газовым криогенным трубопроводом 16, при этом криостат 14 установлен ниже емкости 1.
-4
-5
Режим захолаживания и заполнения считается завершенным, если уровень жидкого кислорода в емкости 1 стабилизировался на номинальном значении, вакуум в теплоизоляционных полостях, контролируемый с помощью датчиков 38 и 39, достиг значения порядка 1×10-1×10 мм рт.ст., а давление инертного газа в герметичном отсеке с технологическим оборудованием, контролируемое с помощью датчика давления 37, должно быть не выше 0,03 МПа. При выполнении этих условий производят отсоединение криогенной системы от кислородного заправщика и устанавливают герметичные заглушки 45 и 46 на криогенные трубопроводы 5 и 34. В том случае, если выход на штатный режим работы криогенной системы откладывается, то такой режим подготовки криогенной системы позволяет максимально увеличить срок бездренажного хранения кислорода в емкости 1, так как внешний теплоприток будет восприниматься массой дополнительного наружного корпуса 2, выполняющего в данном случае роль теплового аккумулятора.
Для проведения штатного режима работы криогенной системы в первую очередь необходимо поднять в контуре наддува давление кислорода в емкости 1 до значении порядка 1,0-1,2 МПа, необходимых для работы электрохимического генератора. Повышение давления в емкости 1 осуществляют за счет газификации жидкого кислорода, подаваемого по криогенному трубопроводу 11 из емкости 1 на испаритель наддува 10 с помощью запорно-регулирующего клапана 12. В испарителе наддува 10 в результате теплообмена с теплоносителем, например с водой, кислород нагревается до температуры 230K-250K и по криогенному трубопроводу 13 поступает в газовую подушку емкости 1. При достижении заданного давления в газовой подушке, контролируемого с помощью датчика контроля давления 35, в последующей работе криогенной системы в штатном режиме выдачи кислорода для работы электрохимического генератора давление в емкости 1 поддерживается автоматически с помощью запорно-регулирующего клапана 12 по сигналу от датчика 35 контроля давления в емкости 1. Далее в работу задействуется контур подачи кислорода в электрохимический генератор, для этого в нагреватель кислорода 26 подают теплоноситель (например, туже воду) с температурой и расходом, обеспечивающие температуру кислорода после нагревателя 26 в интервале от 5°С до 15°С, открывают клапан 29, а рабочее значение расхода кислорода создают средствами электрохимического генератора. В результате кислород из газовой подушки емкости 1 под давлением 1,0-1,2 МПа через криогенный трубопровод 25 поступает в нагреватель кислорода 26, где нагревается до температура от 5°С до 15°С, которая контролируется датчиком 43. Далее кислород по теплому трубопроводу 28 поступает в ресивер 30, где его давление контролируется датчиком 41. После ресивера 30 кислород по теплому трубопроводу 31 через внешний разъем 32 поступает в трубопровод 33, подключенный к электрохимическому генератору. В последующем рабочий режим криогенной системы выдачи кислорода в электрохимический генератор заключается только в поддержании давления в газовой подушке емкости 1 в интервале 1,0-1,2 МПа с помощью контура наддува. Параллельно с включением штатного режима подачи кислорода в электрохимический генератор происходит включение штатного режима подачи кислорода в топливный процессор. Для этого производят пуск рабочего поршневого насоса 17, производительность и давление выдачи которого могут автоматически меняться в зависимости от программы топливного процессора и корректироваться по показаниям датчика давления 40 и датчика расхода 44, установленных в контуре подачи кислорода в топливный процессор. Сразу же после пуска рабочего насоса 17 жидкий кислород из полости криостата 14, взаимосвязанного криогенными; трубопроводами 15 и 16 с емкостью 1, забирается рабочим насосом 17 и после насоса 17 по криогенному трубопроводу 24 подается в трубчатый теплообменник 3, установленный на внутренней поверхности корпуса 2, проходя через который жидкий кислород воспринимает внешний теплоприток в виде теплового излучения, исходящий от корпуса 6 и герметичных перегородок 7 и 8, образующих вакуумный отсек, а также теплоприток от тепловых опор, соединяющих емкость 1 с корпусом 2 (на черт. не показаны). Далее кислород по криогенному трубопроводу 25 подается в нагреватель кислорода 19, где он газифицируется и нагревается теплоносителем (например, водой) до температуры 120°С-150°С, контролируемой по датчику 42, затем поступает в ресивер 20, где установлен датчик 40 контроля давления, а далее - в теплый трубопровод 21 с датчиком 44 контроля расхода кислорода через и через внешний разъем 22 в трубопровод 23, подключенный к топливному процессору. В последующем рабочий режим криогенном системы выдачи кислорода в топливный процессор заключается только в поддержании давления и расхода кислорода с помощью рабочего насоса 17 в зависимости от режима работы топливного процессора. В том случае, если работающий насос 17 в процессе работы криогенной системы не стал обеспечивать требуемые параметры, то автоматически производится пуск резервного насоса 18 и останов насос 17, в котором произошел сбой или отказ в работе. В тоже время в процессе работы подводного аппарата может сложиться ситуация, которая потребует прекращение выдачи кислорода в энергетическую установку и перехода криогенной системы к длительному бездренажному хранению кислорода в емкости 1. В этом случае период бездренажного хранения кислорода, как об этом говорилось ранее, удается увеличить за счет дополнительного наружного корпуса 2, выполняющего роль теплового аккумулятора, вполне понятно, что при длительном. бездренажном хранении давление кислорода в емкости 1, хотя и с замедленным темпом, будет возрастать относительно рабочего значения 1,0-1,2 МПа, требующегося для заботы электрохимического генератора, поэтому в этот период клапан 29 находится в закрытом положении, а на контур выдачи кислорода в топливный процессор рост давления, происходящий в емкости 1, в этом случае не оказывает влияние, так как оба, насоса 17 и 18 не работают. В том случае, если прошла команда на продолжение работы криогенной системы с энергетической установкой, то производится пуск насоса 17 (или 18) и выход его на требуемые параметры для топливного процессора, а требуемое давление кислорода 1,0-1,2 МПа для работы электрохимического генератора будет в этом случае автоматически поддерживаться клапаном 29. В процессе выдачи кислорода будут постепенно снижаться температура корпуса 2, так как через трубчатый теплообменник 3 вновь возобновиться циркуляция кислорода от насоса 17 или 18, и давление кислорода в емкости 1. При достижении его рабочего интервала 1,0-1,2 МПа в емкости криогенная система вернется в штатный режим работы.
Вместе с тем в процессе эксплуатации в работе криогенной системы могут возникать внештатные ситуации. Рассмотрим работу криогенной системы в случае потери вакуума, контролируемого датчиком 38 в полости отсека, где размещена емкость 1 и корпус 2. Работа криогенной системы в этом случае будет продолжаться даже, если температура наружного корпуса 2 через некоторое время примет температуру, равную температуре корпуса 6 подводного аппарата, так в этой ситуации сохраняется вакуум в полости с экранно-вакуумной изоляцией, контролируемый датчиком 39, при этом в трубчатом теплообменнике 3 жидкий кислород может частично или полностью газифицироваться, что приведет к снижению тепловой нагрузки на нагреватель кислорода 19. В тоже время, несмотря на то, что криогенная система продолжает штатный режим работы, отдатчика 38 поступает сигнал о потере вакуума в указанном отсеке, по которому можно спокойно оценить возникшую ситуацию для принятия решения о регламенте дальнейшей работы подводного аппарата.
Рассмотрим работу криогенной системы в случае сохранения вакуума в полости отсека, контролируемого датчиком 38, и аварийной потери вакуума в полости дополнительного наружного корпуса 2. В случае потери вакуума в полости дополнительного наружного корпуса 2 работа криогенной системы также будет продолжаться в штатном режиме, так как сохраняется вакуум в полости указанного отсека, при этом потеря вакуума будет зафиксирована с помощью датчика 39 и передана информация в бортовую систему контроля и управления о нарушении вакуума, по корой может быть скорректирован алгоритм дальнейшей работы подводного аппарата. Для повышения пожаровзрывобезопасности и надежности криогенной системы и подводного аппарата технологическое оборудование криогенной системы расположено в герметичном отсеке, заполненным инертным газом и расположенным между первой перегородкой 7 и корпусом 6 подводного аппарата со съемкой торцевой крышкой 9, в котором установлен датчик давления 37, по показаниям которого можно получить информацию о концентрации кислорода в образовавшейся газовой смеси в отсеке в случае появления течей в технологическом оборудовании. Для того чтобы обеспечить минимальное время готовности подводного аппарата к выполнению рабочих функций в случае проведения ремонтно-восстановительных работ с оборудованием криогенной системы, удобствапроведения самих ремонтных работ с более низкими затратами отсек, где, смонтировано технологическое оборудование криогенной системы, выполнен со съемкой торцевой крышкой 9, что позволяет оперативно и высококачественно выполнить текущие ремонтные работы, предусмотренные регламентом, на самом подводном аппарате, а в случае проведения капитально-восстановительных работ, вакуумный отсек, с, установленной в нем емкостью 1, выполнен в виде съемного модуля, что позволяет высококачественно выполнить ремонтные работы уже не на самом подводном аппарате, а в заводских условиях. В этом случае необходимо отсоединить разъемы 22, 32 и разъединить корпус, где расположены электрохимический генератор и топливный процессор от корпуса подводного аппарата, где установлена криогенная емкость 1.
Таким образом, предложенные технические решения позволяют выполнить поставленную цель, а именно, снизить массу криогенной системы, обеспечить стабильную подачу кислорода в энергетическую анаэробную. установку на всех режимах ее работы и увеличить время бездренажного хранения кислорода при сохранении надежности и минимального времени ремонтно-восстановительных работ.
Сравнение существенных признаков предлагаемого и уже известных решении дает основание считать, что предлагаемое техническое решение отвечает критериям «изобретательский уровень» и «ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНЯЕМОСТЬ».