一种设置有三个串联的透平膨胀机机组的氢气液化设备的制作方法

本实用新型涉及氢能利用技术领域，具体涉及一种设置有三个串联的透平膨胀机机组的氢气液化设备。

背景技术：

随着全球工业化进程不断加快，化石燃料消耗量日益增加，对环境造成的污染越来越严重，迫切需要寻找一种作为替代品的清洁燃料。氢是自然界存在最普遍的元素，构成了宇宙质量的75％，来源广泛，制取途径多样，清洁无污染、具有最高的质量能量密度，这些独特的优势使其在能源和化工领域具有广泛应用。

氢可以作为化工原料，也可以作为火箭、燃气轮机和内燃机的燃料，还可以利用燃料电池系统转化为电能应用于汽车、船舶、铁路、飞机等运输行业及储能领域。氢能技术应用面广，将大幅度地减轻环境压力，为提高能源的安全性做出贡献。

氢能利用需要解决制取、储运和应用等一系列问题，而规模化储运则是氢能应用的瓶颈和关键。液氢是目前氢气的主要储运方式之一，在远距离运输、储存等方面具有巨大的优势和经济性，在氢能利用中发挥重要的作用。

氢气的液化温度很低，所以只有将氢气冷却到一定温度以下，才能将其液化。这一过程需要耗费大量的能量。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供了一种设置有三个串联的透平膨胀机机组的氢气液化设备，能够提高液化效率，节约能耗，有助于液氢的大规模使用与推广。

本实用新型采用以下具体技术方案：

一种设置有三个串联的透平膨胀机机组的氢气液化设备，包括真空箱、氢气纯化装置、预冷装置、第一氢压缩机机组、第二氢压缩机机组、第一透平膨胀机机组、第二透平膨胀机机组、第三透平膨胀机机组、第一低温吸附器、第二低温吸附器、换热器、正仲氢转化器、调节阀、节流阀以及液氢储罐；

所述预冷装置、所述第一透平膨胀机机组、所述第二透平膨胀机机组、所述第三透平膨胀机机组、所述第一低温吸附器、所述第二低温吸附器、所述换热器、所述正仲氢转化器以及所述节流阀均安装于所述真空箱内；

所述调节阀包括第一调节阀和第二调节阀；

所述节流阀包括第一节流阀以及第二节流阀；

所述换热器包括第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器以及第五换热器；所述第一换热器内设置有第一高压氢气通道、第一中压氢气通道、第一低压氢气通道、第一原料氢气通道、液氮通道以及氮气通道；所述第二换热器内设置有第二高压氢气通道、第二中压氢气通道、第二低压氢气通道以及两个第二原料氢气通道；第三换热器内设置有第三高压氢气通道、第三中压氢气通道、第三低压氢气通道以及两个第三原料氢气通道；第四换热器内设置有第四高压氢气通道、第四中压氢气通道、第四低压氢气通道和两个第四原料氢气通道；所述第五换热器内设置有第五低压氢气通道和第五原料氢气通道；

所述预冷装置包括液氮罐，所述液氮罐设置有用于供给液氮的液氮供应管路、连通所述液氮罐底部液相空间和顶部气相空间的液氮虹吸管路、以及用于排放所述液氮罐内氮气的氮气排出管路；所述液氮虹吸管路与所述第一换热器内的所述液氮通道连通，用于通过液氮气化吸热实现所述第一换热器的冷却；所述氮气排出管路与所述第一换热器内的所述氮气通道连通；

所述正仲氢转化器包括第一正仲氢转化器、第二正仲氢转化器、第三正仲氢转化器、第四正仲氢转化器、第五正仲氢转化器以及第六正仲氢转化器；所述第六正仲氢转化器安装于所述第五换热器内；

所述氢气纯化装置用于对原料氢气进行纯化，所述氢气纯化装置的出口通过所述第一原料氢气通道与所述第一低温吸附器的入口连通，所述第一低温吸附器的出口依次连接所述第一正仲氢转化器和所述第二正仲氢转化器；

一个第二原料氢气通道的入口与所述第二正仲氢转化器的出口连通、且出口依次通过所述第三正仲氢转化器和另一个第二原料氢气通道连通一个第三原料氢气通道的入口；

两个所述第三原料氢气通道之间通过所述第四正仲氢转化器连通，另一个第三原料氢气通道的出口与一个第四原料氢气通道的入口连通；

两个所述第四原料氢气通道之间通过所述第五正仲氢转化器连通，另一个第四原料氢气通道的出口与所述第五原料氢气通道的入口连通；

在所述第五原料氢气通道中设置有所述第六正仲氢转化器，所述第五原料氢气通道的出口通过所述第一节流阀连通所述液氢储罐的入口；

所述第一氢压缩机机组的入口与所述第一低压氢气通道的出口连通，出口与所述第二氢压缩机机组的入口和所述第一中压氢气通道的出口均连通；所述第二氢压缩机机组的出口与所述第一高压氢气通道的入口连通；在所述第一氢压缩机机组的入口和出口之间连接有所述第一调节阀；在所述第二氢压缩机机组的入口和出口之间连接有所述第二调节阀；

在所述第一高压氢气通道的出口与所述第二高压氢气通道的入口之间连接有所述第二低温吸附器；

所述第二高压氢气通道的一个出口通过串联的所述第一透平膨胀机机组、所述第二透平膨胀机机组以及所述第三透平膨胀机机组与所述第四中压氢气通道的入口连通，另一个出口与依次连接的所述第三高压氢气通道、所述第四高压氢气通道以及所述第二节流阀连通，所述第二节流阀的出口与所述第五低压氢气通道的入口连通；

所述第四中压氢气通道、所述第三中压氢气通道、所述第二中压氢气通道以及所述第一中压氢气通道依次连通；

所述第五低压氢气通道、所述第四低压氢气通道、所述第三低压氢气通道、所述第二低压氢气通道以及所述第一低压氢气通道依次串联连接；

所述氢气纯化装置、所述第一低温吸附器、所述正仲氢转化器、所述第一节流阀、以及所述液氢储罐形成氢气降温液化系统；

所述第一氢压缩机机组、所述第二氢压缩机机组、所述第一透平膨胀机机组、所述第二透平膨胀机机组、所述第三透平膨胀机机组、所述第二低温吸附器、所述调节阀、以及所述第二节流阀形成氢气制冷循环系统，所述氢气制冷循环系统以氢气作为制冷工质。

更进一步地，所述第二正仲氢转化器安装于所述液氮罐内，且浸泡于液氮内。

更进一步地，连接于所述第一透平膨胀机机组与所述第二透平膨胀机机组之间的管路穿设于所述第三换热器内；

连接于所述第二透平膨胀机机组与所述第三透平膨胀机机组之间的管路穿设于所述第四换热器内。

更进一步地，采用lng(liquefiednaturalgas，液化天然气)、丙烷、液氨和液态二氧化碳中的至少一种替代液氮。

更进一步地，所述第一低温吸附器设置有两个，两个所述第一低温吸附器之间并联连接。

更进一步地，所述第五换热器为装有液氢的液氢罐；

所述第五低压氢气通道由所述液氢罐的内腔形成。

有益效果：

本实用新型的氢气液化设备适用于中等规模氢液化生产的需求，即，每天能够生产液化氢气5～10吨；根据氢气液化的特点，本实用新型的氢气液化设备采用三个透平膨胀机机组串联制冷，并采用与高压节流制冷并联的氢气制冷循环系统，原料氢气经过多级正仲氢转化器的转化降温液化，使得氢气能够100％被液化，仲氢含量达到95％以上；因此，上述氢气液化设备具有氢液化效率高、能耗低的优点，在液氢的社会化、民用化方面必将发挥极大的作用。

附图说明

图1为本实用新型的设氢气液化设备的一种氢气液化原理示意图；

图2为本实用新型的氢气液化设备的另一种氢气液化原理示意图。

其中，1-氢气纯化装置，2-液氮罐，3-第一氢压缩机机组，4-第二氢压缩机机组，5-第一透平膨胀机机组，6-第二透平膨胀机机组，7-第三透平膨胀机机组，8-第一低温吸附器，9-第二低温吸附器，10-液氢储罐，11-第一调节阀，12-第二调节阀，13-第一节流阀，14-第二节流阀，15-第一正仲氢转化器，16-第二正仲氢转化器，17-第三正仲氢转化器，18-第四正仲氢转化器，19-第五正仲氢转化器，20-第六正仲氢转化器，21-第一换热器，22-第二换热器，23-第三换热器，24-第四换热器，25-第五换热器，26-第一高压氢气通道，27-第一中压氢气通道，28-第一低压氢气通道，29-第一原料氢气通道，30-液氮通道，31-氮气通道，32-第二高压氢气通道，33-第二中压氢气通道，34-第二低压氢气通道，35-第二原料氢气通道，36-第三高压氢气通道，37-第三中压氢气通道，38-第三低压氢气通道，39-第三原料氢气通道，40-第四高压氢气通道，41-第四中压氢气通道，42-第四低压氢气通道，43-第四原料氢气通道，44-第五低压氢气通道，45-第五原料氢气通道，46-液氮供应管路，47-液氮虹吸管路，48-氮气排出管路

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。

需要说明的是，在本实用新型实施例中，中等产量指的每天能够制备5～10吨液化氢气。氢为双原子分子，两个氢原子核是绕轴自转的。根据两个核自旋的相对方向，氢分子可分为正氢和仲氢。通常的氢是这两种形式氢分子的混合物，正仲氢的平衡浓度仅与温度有关，不同温度下正仲氢浓度达到稳定平衡的氢气称为平衡氢。室温以上的温度时，含正氢75％，仲氢25％。液氢饱和温度20.4k下，仲氢的平衡浓度为99.82％。氢液化过程中的正仲转化是一放热反应，转化中放出的热量与转化时的温度有关。为减少正仲氢转化放热造成的液氢储存蒸发损失，一般要求液氢产品中仲氢含量在95％以上，即液化时正氢基本上都需要催化转化为仲氢。

参考图1，本实用新型提供了一种设置有三个串联的透平膨胀机机组的氢气液化设备，包括真空箱(图中未示出)、氢气纯化装置1、预冷装置、第一氢压缩机机组3、第二氢压缩机机组4、第一透平膨胀机机组5、第二透平膨胀机机组6、第三透平膨胀机机组7、第一低温吸附器8、第二低温吸附器9、换热器、正仲氢转化器、调节阀、节流阀以及液氢储罐10；

预冷装置、第一透平膨胀机机组5、第二透平膨胀机机组6、第三透平膨胀机机组7、第一低温吸附器8、第二低温吸附器9、换热器、正仲氢转化器以及节流阀均安装于真空箱内；

本实用新型的氢气液化设备在对氢气进行液化的过程中，包括预冷工艺、氢气制冷循环工艺和氢气降温液化工艺，三个工艺部分之间的热量和冷量交换由五级换热器完成；其中，预冷工艺部分主要由液氮罐2和相应的进出口管路来实现；

氢气降温液化工艺可以采用由氢气纯化装置1、第一低温吸附器8、正仲氢转化器、第一节流阀13、液氢储罐10以及相应管路形成的氢气降温液化系统来实现；

氢气制冷循环工艺可以采用由第一氢压缩机机组3、第二氢压缩机机组4、第一透平膨胀机机组5、第二透平膨胀机机组6、第三透平膨胀机机组7、第二低温吸附器9、第一调节阀11、第二调节阀12、第二节流阀14以及相应管路形成的氢气制冷循环系统来实现；在氢气制冷循环系统中，以氢气作为制冷工质；

调节阀包括第一调节阀11和第二调节阀12；

节流阀包括第一节流阀13以及第二节流阀14；

如图1和图2结构所示，换热器包括第一换热器21、第二换热器22、第三换热器23、第四换热器24以及第五换热器25；第一换热器21内设置有第一高压氢气通道26、第一中压氢气通道27、第一低压氢气通道28、第一原料氢气通道29、液氮通道30以及氮气通道31；第二换热器22内设置有第二高压氢气通道32、第二中压氢气通道33、第二低压氢气通道34以及两个第二原料氢气通道35；第三换热器23内设置有第三高压氢气通道36、第三中压氢气通道37、第三低压氢气通道38以及两个第三原料氢气通道39；第四换热器24内设置有第四高压氢气通道40、第四中压氢气通道41、第四低压氢气通道42和两个第四原料氢气通道43；第五换热器25内设置有第五低压氢气通道44和第五原料氢气通道45；

预冷装置包括液氮罐2，液氮罐2设置有用于供给液氮的液氮供应管路46、连通液氮罐2底部液相空间和顶部气相空间的液氮虹吸管路47、以及用于排放液氮罐2内氮气的氮气排出管路48；液氮虹吸管路47与第一换热器21内的液氮通道30连通，用于通过液氮气化吸热实现第一换热器21的冷却；氮气排出管路48与第一换热器21内的氮气通道31连通；预冷装置主要用于预冷，提供氢气制冷循环之外的冷量；液氮罐2内储存有液，并通过液氮供应管路46连续提供液氮；

正仲氢转化器包括第一正仲氢转化器15、第二正仲氢转化器16、第三正仲氢转化器17、第四正仲氢转化器18、第五正仲氢转化器19以及第六正仲氢转化器20；第六正仲氢转化器20安装于第五换热器25内；其中，四个正仲氢转化器用于绝热转化、一个正仲氢转化器用于液氮等温转化、一个正仲氢转化器用于液氢等温转化；

氢气纯化装置1用于对原料氢气进行纯化，需要液化的原料氢气通过氢气纯化装置1的入口进入氢气液化设备，原料氢气通过氢气纯化装置1进行杂质去除以提高氢气的纯度，氢气纯化装置1的出口通过第一原料氢气通道29与第一低温吸附器8的入口连通，第一低温吸附器8的出口依次连接第一正仲氢转化器15和第二正仲氢转化器16；在第一原料氢气通道29的出口处设置有两个并联的第一低温吸附器8；第二正仲氢转化器16安装于第一换热器21的外部；第二正仲氢转化器16可以安装于预冷装置的液氮罐2内，并浸泡于液氮罐2内的液氮中；

一个第二原料氢气通道35的入口与第二正仲氢转化器16的出口连通、且出口依次通过第三正仲氢转化器17和另一个第二原料氢气通道35连通一个第三原料氢气通道39的入口；第三正仲氢转化器17安装于第三换热器23的外部；

两个第三原料氢气通道39之间通过第四正仲氢转化器18连通，另一个第三原料氢气通道39的出口与一个第四原料氢气通道43的入口连通；第四正仲氢转化器18安装于第三换热器23的外部；

两个第四原料氢气通道43之间通过第五正仲氢转化器19连通，另一个第四原料氢气通道43的出口与第五原料氢气通道45的入口连通；第五正仲氢转化器19安装于第四换热器24的外部；

在第五原料氢气通道45中设置有第六正仲氢转化器20，第五原料氢气通道45的出口通过第一节流阀13连通液氢储罐10的入口，原料氢气经过一系列的冷却形成液态氢气，并进入液氢储罐10内进行储存；

第一氢压缩机机组3的入口与第一低压氢气通道28的出口连通，出口与第二氢压缩机机组4的入口和第一中压氢气通道27的出口均连通；第二氢压缩机机组4的出口与第一高压氢气通道26的入口连通；在第一氢压缩机机组3的入口和出口之间连接有第一调节阀11；在第二氢压缩机机组4的入口和出口之间连接有第二调节阀12；第一调节阀11和第二调节阀12用于调节制冷循环氢气系统中氢气的流量和压力稳定，达到与氢液化用冷量相匹配的目的；

在第一高压氢气通道26的出口与第二高压氢气通道32的入口之间连接有第二低温吸附器9；

第二高压氢气通道32的一个出口通过串联的第一透平膨胀机机组5、第二透平膨胀机机组6以及第三透平膨胀机机组7与第四中压氢气通道41的入口连通，另一个出口与依次连接的第三高压氢气通道36、第四高压氢气通道40以及第二节流阀14连通，第二节流阀14的出口与第五低压氢气通道44的入口连通；

第四中压氢气通道41、第三中压氢气通道37、第二中压氢气通道33以及第一中压氢气通道27依次连通，形成中压氢气通道；

第五低压氢气通道44、第四低压氢气通道42、第三低压氢气通道38、第二低压氢气通道34以及第一低压氢气通道28依次串联连接，形成低压氢气通道；

氢气纯化装置1、第一低温吸附器8、正仲氢转化器、第一节流阀13、以及液氢储罐10形成氢气降温液化系统；

第一氢压缩机机组3、第二氢压缩机机组4、第一透平膨胀机机组5、第二透平膨胀机机组6、第三透平膨胀机机组7、第二低温吸附器9、调节阀、以及第二节流阀14形成氢气制冷循环系统，氢气制冷循环系统以氢气作为制冷工质。

上述氢气液化设备在对氢气进行液化的过程中，采用五级换热器对氢气进行热交换，在换热器中设置有用于氢气制冷循环的低压氢气通道、中压氢气通道和高压氢气通道，采用两级氢压缩机机组和三级氢透平膨胀机机组实现氢气制冷，为原料氢气的降温液化提供冷量，并采用六级正仲氢转化器转化降温液化工艺，使得原料氢气能够100％被液化，仲氢含量达到95％以上，还能减少能耗，采用上述氢气液化设备具有氢液化工艺效率高、能耗低等优点，而且能够满足5～10吨/天的液氢生产需求。

如图1和图2所示，第二正仲氢转化器16安装于液氮罐2内，且浸泡于液氮内。

如图1和图2所示，连接于第一透平膨胀机机组5与第二透平膨胀机机组6之间的管路穿设于第三换热器23内；连接于第二透平膨胀机机组6与第三透平膨胀机机组7之间的管路穿设于第四换热器24内。

在上述预冷装置的液氮罐2中，不仅可以采用液氮气化吸收热量为第一换热器21提供冷量以对原料氢气进行预冷，还可以采用lng、丙烷、液氨和液态二氧化碳中的至少一种替代液氮进行预冷。

如图1和图2所示，第一低温吸附器8设置有两个，两个第一低温吸附器8之间并联连接；第一低温吸附器8用于纯化氢气并去除可固化杂质。

如图2所示，第五换热器25为装有液氢的液氢罐；第五低压氢气通道44由液氢罐的内腔形成；第六正仲氢转化器20安装于液氢罐内，并被液氢罐内的液氢包围。

在上述氢气液化设备中，氢气制冷循环系统的主要作用是产生氢气液化所需要的冷量，为封闭循环系统，与原料氢气液化的氢路是分开的；氢气制冷循环系统的主要制冷循环过程为：

从真空箱内出来的0.1mpa低压氢气经过第一氢压缩机机组3压缩至0.3mpa，与真空箱内出来的0.3mpa的中压氢气汇合，经第二氢压缩机机组4压缩至2.4mpa高压氢气，进入第一换热器21，返回的低压氢气、中压氢气和液氮冷却至80k，进入第二低温吸附器9纯化、去除可固化杂质，再进一步进入第二换热器22，被低压氢气、中压氢气冷却至71k，之后分为两股高压氢气；

其中一股高压氢气由第二换热器22中部引出进入第一透平膨胀机机组5膨胀至1.4mpa，进入第三换热器23冷却至55k，之后进入第二透平膨胀机机组6膨胀至0.8mpa，进入第四换热器24冷却40.5k，进入第三透平膨胀机机组7膨胀至中压压力0.3mpa后，沿着第四换热器24-第一换热器21流动，在提供冷量的同时，自身恢复至常温，出真空箱与第一氢压缩机机组3出口氢气汇合，进入第二氢压缩机机组4，完成一个中压制冷循环，需要注意的是氢气中压制冷循环过程主要是有三个氢气透平膨胀机串联膨胀降温产生冷量；

另一股高压氢气则沿着第二换热器22-第四换热器24被冷却至23k，节流至0.1mpa后温度降至20.3k，之后沿着第五换热器25-第一换热器21流动，在提供冷量的同时，自身恢复至常温，出真空箱进入第一氢压缩机机组3，完成一个低压制冷循环；低压制冷循环和中压制冷循环合在一起完成整个氢制冷循环过程；

第一氢压缩机机组3的进、出口由第一调节阀11连通，第二氢压缩机机组4的进、出口由第二调节阀12连通，用以调节各自压缩机的进出口压力稳定。

在上述氢气液化设备中，氢气降温液化系统的具体工艺流程为：

氢气降温液化系统的主要作用是将原料气沿着第一换热器21-第五换热器25一路降温，在降温的同时完成正仲氢转化过程，最终降温至21k以下，产生液氢，经第一节流阀13进入到液氢储罐10中。图1中，原料氢气首先进入氢气纯化装置1除去水等杂质，经过第一换热器21降低到液氮温度后进入第一低温吸附器8除去氧氮等杂质，之后采用六级正仲氢转化器实现转化过程，其中液氮温度级正仲氢转化器和液氢温度级正仲氢转化器均采用等温转化，即正仲氢转化器浸泡在相应温度的液体中；其他四级正仲氢转化器均采用绝热转化，第一级绝热转化后由液氮进行冷却，其他三级每次转化后返回到本级换热器以除去正仲氢转化产生的热量，最终得到仲氢95％以上的液氢。

综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。