氢液化系统的制作方法

1.本发明涉及低温制冷技术领域，特别是涉及一种氢液化系统。


背景技术：

2.液氢储氢密度高，可大幅度提高运输效率、降低储运压力和提高系统安全性，是氢远洋运输及中长距离灵活陆路运输的最佳方案，也是商业化加氢站的首选储氢方式，具有明显的能力规模和成本优势。
3.氢液化器是液氢生产的主要装置，用于将常温氢气制冷液化为液体，是航空航天、氢能储运等高技术产业的核心技术设备，现有的氢液化器通常采用氦作为循环工质，但采用此氦循环工质的氢液化器的氢液化能力往往不足，致使该氢液化器难以满足5吨/天以上的氢液化能力的产量要求。


技术实现要素：

4.基于此，本发明提供一种能够有效提升氢液化能力的氢液化系统。
5.一种氢液化系统，包括：室温压缩机组(1)、氢液化单元(200)及液氢低温容器(36)，所述室温压缩机组(1)的出口通过高压气体管路(7)和所述氢液化单元(200)的第一入口连通，所述氢液化单元(200)的第一出口和所述液氢低温容器(36)的第一入口连通，所述氢液化单元(200)的第一出口用于流出液氢，所述液氢低温容器(36)的第一出口和所述氢液化单元(200)的第二入口连通，所述液氢低温容器(36)的第一出口用于流出20k饱和氢气，所述氢液化单元(200)的第二出口通过中压气体管路(8)和所述室温压缩机组(1)的第一入口连通，所述氢液化单元(200)的第三出口通过低压气体管路(9)和所述室温压缩机组(1)的第二入口连通，所述高压气体管路(7)、所述中压气体管路(8)及所述低压气体管路(9)均贯穿于所述氢液化单元(200),所述氢液化单元(200)的第三入口用于流入原料氢气，所述氢液化单元(200)的第四出口和所述液氢低温容器(36)的第二入口连通，所述氢液化单元(200)的第四出口用于流出液氢；
6.所述室温压缩机组(1)为氢液化系统提供动力源，实现氢气从低压到中压、中压到高压的增压过程；所述氢液化单元(200)用于将所述室温压缩机组(1)输出的高压氢气降温液化成液氢，从所述氢液化单元(200)的第一出口输出的液氢能够经所述液氢低温容器(36)的第一入口进入到所述液氢低温容器(36)内储存，20k饱和氢气能够从所述液氢低温容器(36)的第一出口流入所述氢液化单元(200)的第二入口，然后从所述氢液化单元(200)的第三出口通过所述低压气体管路(9)流入所述室温压缩机组(1)的第二入口，完成整个一个循环；原料氢气能够由所述氢液化单元(200)的第三入口进入所述氢液化单元(200)，然后经过所述氢液化单元(200)冷却降温形成液氢，然后从所述氢液化单元(200)的第四出口流出并经由所述液氢低温容器(36)的第二入口进入到所述液氢低温容器(36)内储存。
7.在其中一个实施例中,还包括气体管理子系统(10)，所述气体管理子系统(10)设置在所述室温压缩机组(1)和所述氢液化单元(200)之间，所述气体管理子系统(10)包括与
所述室温压缩机组(1)并联的气动调节阀门组。
8.在其中一个实施例中,所述室温压缩机组(1)为单台单级压缩机或单台多级压缩机或串联的两台单级压缩机或串并联组合的多台单级压缩机。
9.在其中一个实施例中,所述氢液化单元(200)包括换热器组件和透平膨胀机组件的组合。
10.在其中一个实施例中,所述换热器组件内填充有正仲氢催化剂，或所述换热器组件连接有正仲氢转化器。
11.在其中一个实施例中,所述氢液化单元(200)还包括与所述换热器组件连接的低温工质预冷子系统(18)。
12.在其中一个实施例中,所述氢液化单元(200)为基于克劳德循环的氢液化单元，所述换热器组件包括依次并联的第一低温换热器(15)、第二低温换热器(20)、第三低温换热器(25)、第四低温换热器(28)、第五低温换热器(29)、第六低温换热器(31)及第七低温换热器(32)，所述第五低温换热器(29)上设置有低温工质气体进口和低温工质气体出口，所述透平膨胀机组件包括第一级氢透平膨胀机(11)和第二级氢透平膨胀机(12)，所述第一级氢透平膨胀机(11)的入口设置于所述第三低温换热器(25)至所述第四低温换热器(28)的供给管路上，所述第一级氢透平膨胀机(11)的出口与所述第五低温换热器(29)的低温工质气体进口连通，所述第二级氢透平膨胀机(12)的入口与所述第五低温换热器(29)的低温工质气体出口连通，所述第二级氢透平膨胀机(12)的出口设置于所述第六低温换热器(31)至所述室温压缩机组(1)的第二入口的回流管路上。
13.在其中一个实施例中,所述氢液化单元(200)为基于柯林斯循环的氢液化单元，所述换热器组件包括依次并联的第一低温换热器(15)、第二低温换热器(20)、第三低温换热器(25)、第四低温换热器(28)、第五低温换热器(29)、第六低温换热器(31)及第七低温换热器(32)，所述透平膨胀机组件包括第一级氢透平膨胀机(11)和第二级氢透平膨胀机(12)，所述第一级氢透平膨胀机(11)的入口设置于所述第三低温换热器(25)至所述第四低温换热器(28)的供给管路上，所述第一级氢透平膨胀机(11)的出口设置于所述第五低温换热器(29)至所述第四低温换热器(28)回流至所述室温压缩机组(1)的第二入口的管路上，所述第二级氢透平膨胀机(12)的入口设置于所述第五低温换热器(29)至所述第六低温换热器(31)的供给管路上，所述第二级氢透平膨胀机(12)的出口设置于所述第六低温换热器(31)至所述室温压缩机组(1)的第二入口的回流管路上。
14.在其中一个实施例中,还包括第一快速降温管路(41)和/或第二快速降温管路(43)，所述第一快速降温管路(41)连接在所述换热器组件上，所述第二快速降温管路(43)连接在所述换热器组件和所述液氢低温容器(36)上。
15.在其中一个实施例中,所述液氢低温容器(36)内设置有加热器。
16.本技术提供的氢液化系统，通过设置氢气循环管路并采用氢气作为循环工质，该氢气循环管路相较于氦气作为循环工质的管路，能够与该氢液化系统的氢气液化管路一并产生液氢，从而可以大幅度地提升该氢液化系统的氢液化能力，满足5吨/天以上氢液化能力的产量要求。
附图说明
17.图1为一实施例中的氢液化系统的结构示意图；
18.图2为另一实施例中的氢液化系统的结构示意图；
19.图3为另一实施例中的氢液化系统的结构示意图；
20.图4为另一实施例中的氢液化系统的结构示意图。
具体实施方式
21.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
22.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
23.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
24.如图1所示，一实施例中的氢液化系统包括室温压缩机组1、氢液化单元200及液氢低温容器36，室温压缩机组1的出口通过高压气体管路7和氢液化单元200的第一入口连通，氢液化单元200的第一出口和液氢低温容器36的第一入口连通，氢液化单元200的第一出口用于流出液氢，液氢低温容器36的第一出口和氢液化单元200的第二入口连通，液氢低温容器36的第一出口用于流出20k饱和氢气，氢液化单元200的第二出口通过中压气体管路8和室温压缩机组1的第一入口连通，氢液化单元200的第三出口通过低压气体管路9和室温压缩机组1的第二入口连通，氢液化单元200的第三入口用于流入原料氢气，氢液化单元200的第四出口和液氢低温容器36的第二入口连通，氢液化单元200的第四出口用于流出液氢。
25.本技术提供的氢液化系统，室温压缩机组1为氢液化系统提供动力源，实现氢气从低压到中压、中压到高压的增压过程；氢液化单元200将室温压缩机组1输出的高压氢气降温液化成液氢，从氢液化单元200的第一出口输出的液氢经液氢低温容器36的第一入口进入到液氢低温容器36内储存。20k饱和氢气从液氢低温容器36的第一出口流入氢液化单元200的第二入口，然后从氢液化单元200的第三出口通过低压气体管路9流入室温压缩机组1的第二入口，完成整个一个循环；与此同时，原料氢气由氢液化单元200的第三入口进入氢液化单元200，然后经过氢液化单元200冷却降温形成液氢，然后从氢液化单元200的第四出口流出并经由液氢低温容器36的第二入口进入到液氢低温容器36内储存。
26.本技术提供的氢液化系统，通过设置氢气循环管路并采用氢气作为循环工质，该氢气循环管路相较于氦气作为循环工质的管路，能够与该氢液化系统的氢气液化管路一并产生液氢，从而可以大幅度地提升该氢液化系统的氢液化能力，满足5吨/天以上氢液化能力的使用需求。
27.在一实施例中，室温压缩机组1为单台单级压缩机或单台多级压缩机或串联的两台单级压缩机或串并联组合的多台单级压缩机。具体地，该单级压缩机和多级压缩机均可
以采用往复式活塞压缩机、双螺杆氢压缩机或离心式压缩机。
28.如图1所示，在一具体实施例中，室温压缩机组1包括串联的第一压缩机01和第二压缩机02。具体地，第一压缩机01的出口和第二压缩机02的入口连通，第二压缩机02的出口通过高压气体管路7和氢液化单元200的第一入口连通，氢液化单元200的第二出口通过中压气体管路8连接在第一压缩机01和第二压缩机02之间。氢液化单元200的第三出口通过低压气体管路9和第一压缩机01的入口连通。
29.在一实施例中，上述氢液化系统还包括气体管理子系统10，气体管理子系统10设置在室温压缩机组1和氢液化单元200之间，气体管理子系统10包括与室温压缩机组1并联的气动调节阀门组。气体管理子系统10通过控制程序有效控制自身的各阀门的开度，从而稳定室温压缩机组1和氢液化单元200之间的高压气体管路7、中压气体管路8和低压气体管路9的氢气压力。
30.如图1所示，当室温压缩机组1为第一压缩机01和第二压缩机02串联的组合时，气体管理子系统10包括与第一压缩机01的出口和第二压缩机02的入口并联的第一管路，与第一压缩机01出口和第一压缩机01入口并联的第二管路，以及与第一压缩机01的出口和第二压缩机02的入口并联的第三管路，第一管路上设有第一阀门2，第二管路上设有第二阀门3，第三管路上设有第三阀门4、第四阀门5以及设于第三阀门4和第四阀门5之间的氢气缓冲储罐6。
31.具体地，气体管理子系统10通过控制程序有效控制第一阀门2、第二阀门3、第三阀门4及第四阀门5的开度，从而稳定室温压缩机组1和氢液化单元200之间的高压气体管路7、中压气体管路8和低压气体管路9的氢气压力。
32.在一实施例中，氢液化单元200包括换热器组件和透平膨胀机组件的组合。具体地，室温压缩机组1输出的高压氢气通过换热器组件的换热降温，并结合透平膨胀机组件的绝热膨胀制冷降温从而形成液氢。
33.如图1及图2所示，具体地，在一实施例中，氢液化单元200为基于克劳德循环的氢液化单元，换热器组件包括依次并联的第一低温换热器15、第二低温换热器20、第三低温换热器25、第四低温换热器28、第五低温换热器29、第六低温换热器31及第七低温换热器32，第五低温换热器29上设置有低温工质气体进口和低温工质气体出口，透平膨胀机组件包括第一级氢透平膨胀机11和第二级氢透平膨胀机12，第一级氢透平膨胀机11的入口设置于第三低温换热器25至第四低温换热器28的供给管路上，第一级氢透平膨胀机11的出口与第五低温换热器29的低温工质气体进口连通，第二级氢透平膨胀机12的入口与第五低温换热器29的低温工质气体出口连通，第二级氢透平膨胀机12的出口设置于第六低温换热器31至室温压缩机组1的第二入口的回流管路上。
34.如图3及图4所示，在一实施例中，氢液化单元200为基于柯林斯循环的氢液化单元，换热器组件包括依次并联的第一低温换热器15、第二低温换热器20、第三低温换热器25、第四低温换热器28、第五低温换热器29、第六低温换热器31及第七低温换热器32，透平膨胀机组件包括第一级氢透平膨胀机11和第二级氢透平膨胀机12，第一级氢透平膨胀机11的入口设置于第三低温换热器25至第四低温换热器28的供给管路上，第一级氢透平膨胀机11的出口设置于第五低温换热器29至第四低温换热器28回流至室温压缩机组1的第二入口的管路上，第二级氢透平膨胀机12的入口设置于第五低温换热器29至第六低温换热器31的
供给管路上，第二级氢透平膨胀机12的出口设置于第六低温换热器31至室温压缩机组1的第二入口的回流管路上。
35.在一实施例中，第一低温换热器15可以采用铝制板翅式换热器，可以理解，第二低温换热器20、第三低温换热器25、第四低温换热器28、第五低温换热器29、第六低温换热器31及第七低温换热器32也可以均采用铝制板翅式换热器。
36.在一实施例中，换热器组件内填充有正仲氢催化剂，或换热器组件连接有正仲氢转化器。具体地，原料氢气经过换热器组件的换热降温后，并通过换热器组件内填充的正仲氢催化剂的连续型正仲氢转换或通过正仲氢转化器的绝热型正仲氢转换，成为仲氢浓度不小于99％的高纯度液氢。
37.如图1及图2所示，具体地，当氢液化单元200为基于克劳德循环的氢液化单元时，第二低温换热器20、第四低温换热器28、第六低温换热器31及第七低温换热器32内均填充有正仲氢催化剂。
38.如图3及图4所示，具体地，当氢液化单元200为基于柯林斯循环的氢液化单元时，第二低温换热器20至第三低温换热器25的供给管路、第四低温换热器28至第五低温换热器29的供给管路、第六低温换热器31至第七低温换热器32的供给管路以及第七低温换热器32至液氢低温容器36的第二入口的供给管路上分别设置有第一正仲氢转化器44、第二正仲氢转化器45、第三正仲氢转化器46及第四正仲氢转化器47。
39.如图1所示，在一实施例中，第一级氢透平膨胀机11的入口前端设置有透平路调节阀门26。
40.参考图1至图4，在一实施例中，氢液化单元200还包括与换热器组件连接的低温工质预冷子系统18，低温工质预冷子系统18用于对原料氢气和室温压缩机组1输出的高压氢气进行预冷却。在一实施例中，低温工质可以采用液氮、混合工质。
41.在一实施例中，低温工质预冷子系统18的第一入口用于流入低温工质,低温工质预冷子系统18的第一出口与第一低温换热器15的低温工质入口连通，第一低温换热器15的低温工质出口用于流出低温工质，低温工质预冷子系统18的第二出口与第二低温换热器20的低温工质入口连通，第二低温换热器20的低温工质出口与低温工质预冷子系统18的第二入口连通。
42.在一实施例中，氢液化单元200还包括冷箱34，换热器组件和透平膨胀机组件均设置在冷箱34内，具体地，冷箱34为具有真空夹层的低温容器，冷箱34可以采用直线型卧式冷箱或l型卧式冷箱。
43.在一实施例中，上述氢液化系统还包括第一低温工质传输管线17，第一低温工质传输管线17连接在低温工质预冷子系统18的第一入口上。进一步地，第一低温工质传输管线17上设置有第一调控阀16，第一调控阀16用于控制第一低温工质传输管线17的通断。在一实施例中，上述氢液化系统还包括第二低温工质传输管线21，第二低温工质传输管线21连接在第一低温换热器15的低温工质出口上。
44.进一步地，上述氢液化系统还包括第三低温工质传输管线，低温工质预冷子系统18的第二出口通过第三低温工质传输管线与第二低温换热器20的低温工质入口连通，第三低温工质传输管线上设置有第二调控阀19，第二调控阀19用于控制第三低温工质传输管线的通断。
45.在一实施例中，上述氢液化系统还包括第一液氢低温传输管线35和第二液氢低温传输管线37，氢液化单元200的第一出口通过第一液氢低温传输管线35和液氢低温容器36的第一入口连通，氢液化单元200的第四出口通过第二液氢低温传输管线37和液氢低温容器36的第二入口连通。
46.在一实施例中，上述氢液化系统还包括20k饱和氢气回气管线，液氢低温容器36的第一出口通过20k饱和氢气回气管线和氢液化单元200的第二入口连通。具体地，在一实施例中，上述氢液化系统还包括调节阀39，调节阀39设置于20k饱和氢气回气管线上，调节阀39用于控制20k饱和氢气回气管线的通断。
47.在一实施例中，上述氢液化系统还包括原料氢气传输管线13，原料氢气传输管线13连接在氢液化单元200的第三入口上。进一步地，原料氢气传输管线13上设置有原料氢气传输气路开关阀14，原料氢气传输气路开关阀14用于控制原料氢气传输管线13的通断。
48.在一实施例中，上述氢液化系统还包括第一节流阀33和第二节流阀38，第一节流阀33设置于第七低温换热器32至液氢低温容器36的第一入口的供给管路上，第一节流阀33用于对第七低温换热器32传输的高压氢气进行绝热节流以形成液氢。第二节流阀38设置于第七低温换热器32至液氢低温容器36的第二入口的供给管路上，第二节流阀38用于对第七低温换热器32传输的原料氢气进行绝热节流以形成液氢。
49.在一实施例中，上述氢液化系统还包括第一快速降温管路41，第一快速降温管路41连接在换热器组件上，以加快换热器组件的降温速率。具体地，第一快速降温管路41的入口设置在第六低温换热器31至第七低温换热器32的供给管路上，第一快速降温管路41的出口设置在液氢低温容器36的第一出口至第七低温换热器32的回流管路上。
50.在一实施例中，上述氢液化系统还包括第二快速降温管路43，第二快速降温管路43连接在换热器组件和液氢低温容器36上，以加快换热器组件和液氢低温容器36的降温速率。具体地，第二快速降温管路43的入口连接在液氢低温容器36的第二出口上，第二快速降温管路43的出口连接在第三低温换热器25至第一低温换热器15回流至室温压缩机组1的第三入口的管路上。
51.在一实施例中，上述氢液化系统还包括第一快速降温管路调节阀门40和第二快速降温管路调节阀门42，第一快速降温管路调节阀门40设置于第一快速降温管路41上，第一快速降温管路调节阀门40用于控制第一快速降温管路41的通断，第二快速降温管路调节阀门42设置于第二快速降温管路43上，第二快速降温管路调节阀门42用于控制第二快速降温管路43的通断。
52.在一实施例中，上述氢液化系统还包括第一吸附器22和第二吸附器23，第一吸附器22和第二吸附器23并联设置于第二低温换热器20至第三低温换热器25的供给管路上，第一吸附器22和第二吸附器23用于去除原料氢气中的杂质。并且，第一吸附器22和第二吸附器23可以实现在线再生以及相互切换工作，当第一吸附器22工作时，第二吸附器23可以在线再生，当第一吸附器22无法继续吸附杂质切换至第二吸附器23工作时，第一吸附器22可以进行在线再生。
53.在一实施例中，上述氢液化系统还包括第三吸附器24，第三吸附器24设置于第一低温换热器15至第二低温换热器20的供给管路上，第三吸附器24用于去除高压氢气中的杂质。
54.在一实施例中，液氢低温容器36可以为立式、卧式或者球型液氢储罐，在一实施例中，该液氢低温容器36内设置有加热器，加热器能够对液氢低温容器36内储存的液氢进行加热，以实现对该液氢向20k饱和氢气的转化，从而以实现对该20k饱和氢气的回流量的有效控制。
55.进一步地，上述氢液化系统还包括气液分离器，气液分离器设置于氢液化单元200的第一出口至液氢低温容器36的第一入口的供给管路上，如此，气液分离器分离的液氢可进一步传输至液氢低温容器36，而气液分离器分离的未液化的氢气则可回输至氢液化单元200进行进一步冷却液化，避免氢液化单元200存在气液混合的可能性，有效提高换热效率。具体地，气液分离器设置于第七低温换热器32至液氢低温容器36的第一入口的供给管路上。
56.上述氢液化系统的整体工作过程如下：
57.室温压缩机组1为氢液化系统提供动力源，实现氢气从低压到中压、中压到高压的增压过程；气体管理子系统10通过控制程序有效控制第一阀门2、第二阀门3、第三阀门4及第四阀门5的开度，从而稳定室温压缩机组1和氢液化单元200之间的高压气体管路7、中压气体管路8和低压气体管路9的氢气压力。
58.在氢液化系统内的氢气纯度达到要求的情况下，开启低温工质预冷子系统18，通过低温工质预冷子系统18对原料氢气和室温压缩机组1输出的高压氢气进行预冷降温，当第一低温换热器15的高压气体管路7出口温度达到低温工质温度时，完成该原料氢气和高压氢气的一级预冷。
59.打开透平路调节阀门26，开启第一级氢透平膨胀机11和第二级氢透平膨胀机12，一级预冷后的高压氢气一部分通过高压气体管路7沿程经过第四低温换热器28、第五低温换热器29和第六低温换热器31，另一部分高压通过透平路调节阀门26进入第一级氢透平膨胀机11和第二级氢透平膨胀机12内进行膨胀制冷降温，并返回到中压气体管路8。
60.在氢液化单元200的降温阶段，打开第一快速降温管路调节阀门40和第二快速降温管路调节阀门42，以导通第一快速降温管路41和第二快速降温管路43，从而以加快换热器组件包含的各换热器和液氢低温容器36的降温速率。
61.关闭第一快速降温管路调节阀门40和第二快速降温管路调节阀门42，以断开第一快速降温管路41和第二快速降温管路43，第七低温换热器32传输的高压氢气通过第一节流阀33节流降温产生的液氮经过第一液氢低温传输管线35进入到液氢低温容器36储存，20k饱和氢气经过20k饱和氢气回气管线且依次经过第七低温换热器32、第六低温换热器31、第五低温换热器29、第四低温换热器28、第三低温换热器25、第一低温换热器15并经由低压气体管路9回流至室温压缩机组1的第二入口(低压吸气端)，完成整个一个循环。
62.与此同时，原料氢气依次经过第一低温换热器15、第二低温换热器20、第三低温换热器25、第四低温换热器28、第五低温换热器29、第六低温换热器31及第七低温换热器32换热降温，并通过第二节流阀38节流降温，且通过对应换热器内填充的正仲氢催化剂的连续型正仲氢转换或之后的各级正仲氢转化器的绝热型正仲氢转换，最终成为仲氢浓度不小于99％的高纯度液氢，然后通过第二液氢低温传输管线37进入到液氢低温容器36储存。
63.与现有技术相比，本技术提供的氢液化系统通过采用带低温工质预冷的克劳德循环或柯林斯循环和正仲氢连续或绝热转换氢液化循环相结合的形式，同时采用快速降温管
路，本技术的优势在于：
64.1)通过设置氢气循环管路并采用氢气作为循环工质，该氢气循环管路相较于氦气作为循环工质的管路，能够与该氢液化系统的氢气液化管路一并产生液氢，从而可以大幅度地提升该氢液化系统的氢液化能力，满足5吨/天以上的氢液化能力的产量要求；
65.2)冷箱34内各级换热器全部为气体,并且可避免第七低温换热器32存在气液混合的可能性，有效提高换热效率；
66.3)设置快速降温管路，可以实现冷箱34内各级换热器和液氢低温容器36的快速降温，有效降低系统能耗，提高运行经济性；
67.4)回收氢气无需重新压缩,不额外增加回收氢气造成的压缩机功耗，可大幅度降低氢气液化所需能耗，降低成本，同时可以得到仲氢浓度不小于99％的高纯度液氢。
68.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
69.以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。