CN107504364B - 一种立式氢气储罐 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立式氢气储罐，其内罐和外罐间存在间隙，内罐用于充装氢气，由内罐底部向罐内伸出一直立长管，直立长管将内外罐间间隙与内罐空间联通。内罐设有氢气进口接管和氢气出口接管。氢气进口接管和氢气出口接管穿过外罐和内外罐间间隙。外罐底部设有承压液体进出口接管，外罐顶部设有填充气体进出口接管。在内外罐间间隙内灌充承压液体和填充气体。本发明储罐，内罐虽与氢气接触，但其内外压力可相抵，因此其发生氢脆的风险很小。外罐虽承受较高的内压力作用但不与氢气接触，因此不会发生氢脆。由于将氢气的腐蚀性和压力作用分散到两个罐体分别来承受，从而具有较低的氢脆失效风险，储罐使用安全、寿命长，材料成本低，经济性高。

Description

一种立式氢气储罐

技术领域

本发明涉及一种立式氢气储罐，尤其涉及一种发生氢脆失效风险低、安全性好的氢气储罐，属于氢气储氢装备技术领域。

背景技术

氢作为能源，有着无可比拟的优势：氢的燃烧热值高，每千克氢燃烧后的能量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍；氢燃烧的产物是水，对环境零污染；氢在地球的储量极其丰富（从海水制备），并可再生和重复利用。因此，氢是人类最理想的能源，得到了全世界各国的广泛关注。氢能，现已被认为是人类解决未来能源危机的终极方案，以及解决目前环境问题的最有效途径。

从氢的制取到氢的具体应用，氢的存储是必不可少环节，但由于氢是易燃易爆物质，如何安全、低廉、长时地储氢成为氢能利用的关键。氢气（特别是高压氢气）罐装储氢，充装和排放速率快、基本能耗低、储罐制造经济性高，是储氢的有效途径之一，然而，现阶段广泛使用的金属材料，特别是可用于制造高压容器的高强度材料，与氢长时接触时，都会受到氢脆的影响，即发生强度和塑性显著降低，以及低应力下的氢致滞后断裂等，一般统称为氢脆或氢损伤。氢脆风险的存在将可能导致氢气储罐发生失效，加之氢气的易燃易爆特性，极易引发火灾、爆炸甚至重大灾难。因此，氢气储氢特别是高压氢气储氢对储罐材料和制造工艺要求较高，储罐的氢脆失效风险成为限制高压氢气储罐发展的主要瓶颈之一。

目前，氢气加氢站等场所用的高压氢气储罐多为依照美国机械工程师学会（ASME）锅炉压力容器规范VIII-1册的UF篇和附录22制造，为保障罐体的安全性且使其承压能力较高，此类储罐用无缝钢管经两端锻造收口制造而成，然而限于无缝钢管的尺寸，此类储罐长径比较大，单台储罐存储容积较小，且没有从根本上解决罐体的氢脆风险。另外，采用氢渗透性较低的铝合金作内胆、碳纤维包扎缠绕式外壳的一类氢气储罐，虽承压能力更高、氢脆失效风险较低，但难以大型化且制造成本较高，现多用于气瓶。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种立式氢气储罐，能够克服传统氢气储罐的技术不足，显著降低储罐发生氢脆失效的风险，实现安全、低廉、长时地氢气储氢。

本发明采用的技术方案是：

一种立式氢气储罐，包括：外罐、内罐；所述的内罐置于外罐内，内罐和外罐间存在间隙；其特征是：由内罐底部向罐内伸出一直立长管，直立长管将内外罐间间隙与内罐空间联通；内罐设有氢气进口接管和氢气出口接管；所述的氢气进口接管和氢气出口接管穿过外罐和内外罐间间隙，前者用于向内罐内充装氢气，后者用于向内罐外排出氢气。

外罐底部设有承压液体进出口接管，外罐顶部设有填充气体进出口接管。

进一步地，在外罐顶部设压力表接管和安全阀接管。

在内外罐间间隙内灌充承压液体和填充气体，重力作用下，承压液体自然处于内外罐间间隙下部，填充气体处于内外罐间间隙上部；

在所述内外罐间设支架，所述支架置于外罐底部，支撑内罐保持稳固，并保持内外罐间存在间隙。

所述直立长管的高度优选大于內罐高度的1/2。

所述直立长管底端不封闭或部分封闭开有通孔，其顶端也不封闭或部分封闭开有通孔或封闭但在靠近顶端的侧面开有通孔，使内罐内空间、接管内空间和内外罐间间隙空间三者保持连通。

所述的填充气体优选惰性气体，如氮气、二氧化碳、氦气、氖气、氩气或其混合气。

所述的承压液体为氢溶解度极低的液体，优选水、丙三醇或液压油等。

所述的承压液体灌充在内外罐之间间隙空间的下部以及接管内，由此液体的截面形状近似成“山”字形，其在直立长管内的液面受内罐内氢气的压力作用，在内外罐间间隙内的液面受填充气体的压力作用。承压液体将内罐内的氢气和内外罐间间隙内的惰性气体隔离开，并传递两者的压力，两者的压力差等于承压液体在直立长管内的液面和在内外罐间间隙内的液面的高度差引起的液柱静压力。承压液体在直立长管内的液面距离直立长管最顶端具有一定距离，不溢出直立长管。

在储罐充装氢气前，所述承压液体在直立长管内的体积大于内外罐间间隙上部的填充气体3的体积，以使储罐在充装高压氢气后，液体在接管内的液面受压下降后仍能留有一定高度的液面，使氢气不进入内外罐间间隙与外罐接触。

所述的内罐和直立长管由氢渗透速度低的材料制成，优选奥氏体不锈钢、铝合金或镍基合金。

所述的外罐由强度较高的钢制成，以承受较高的压力。

所述的氢气储罐的工作状态为：

a．储罐未充装氢气前或氢气使用完时，内罐内压力较低，承压液体在直立长管内的液面高度和其在内外罐间间隙内的液面高度相等或相当，填充气体的压力和内罐内的压力相等或相当。

b．储罐充装氢气时，氢气的压力升高，承压液体在直立长管内的液面受压下降，由于承压液体的压缩性可忽略，承压液体在内外罐间间隙内的液面上升，填充气体被压缩体积减小压力升高。充装完毕后，氢气的压力越高，承压液体在直立长管内的液面越低，在内外罐间间隙内的液面越高，填充气体的体积被压缩得越小压力越高，承压液体将氢气和惰性气体3隔开并传递两者的压力。

本发明的有益效果为：

内罐虽与氢气接触，但由于其内外压力可相抵，其承受的压力较低（理论上最大值仅为承压液体液面高度所能引起的液柱静压力），因此其发生氢脆的风险很小。即使采用价格较高的氢渗透性较低的材料时，由于壁厚较薄，因此材料成本较低。

外罐虽承受较高的内压力作用但不与氢气接触，因此其发生氢脆的风险也很小。虽壁厚较厚但可采用价格低廉的碳钢或低合金钢制造，因此材料成本也较低。

因此，本发明所提供的氢气储罐，将氢气的腐蚀性和压力作用分散到两个罐体分别来承受，从而具有较低的氢脆失效风险，储罐使用安全、寿命长，且材料成本低，经济性高。

附图说明

图1为本发明提供的一种立式氢气储罐结构及工作示意图（剖视，充装氢气前或氢气使用完后）。

图2为图1的局部放大图。

图3：为本发明提供的一种立式氢气储罐结构及工作示意图（剖视，充装着高压氢气）。

图4为图3局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图1和2和具体的实施例对本发明做进一步详细的说明。

实施例：

一种立式氢气储罐，以存储10 m³ 15 MPa氢气为例，其剖视图如图1所示，结构包括：外罐1；内罐2；填充气体3；承压液体4；从内罐2底部向内罐内伸出的直立长管5；存储的氢气6；支座7；氢气进口接管8；承压液体进出口接管9；氢气出口接管10；支架11；填充气体进出口接管12；压力表接管13；安全阀接管14。

内罐2，其筒体部分内径为1800 mm壁厚为10 mm高度为2800 mm，与对应尺寸的球形封头通过焊接相连，内罐2置于外罐1内，依靠固定在外罐1下封头弧面上具有和封头同样曲率半径的八块均布的方形圆弧垫板支架11支撑保持稳固，并使内外罐间间隙为20 mm。

内罐2在底部开孔，通过焊接与直立长管5相连接，直立长管5中空，外径为219 mm，壁厚为6 mm，长度为4200 mm，直立于内罐2内。

直立长管5底端与顶端均不封闭，使内罐2内空间、直立长管5内空间和内外罐间间隙空间三者保持连通。

填充气体3为氮气，填充在内外罐间间隙空间的上部。

承压液体4为丙三醇，灌充在内外罐间间隙空间的下部以及直立长管5内，由此承压液体4的截面形状近似成“山”字形，其在直立长管5内的液面受内罐2内氢气6的压力作用，在内外罐间间隙内的液面受填充气体3的压力作用。

承压液体4将内罐2内的氢气6和内外罐间间隙内的惰性气体3隔离开，并传递两者的压力，两者的压力差等于承压液体4在直立长管5内的液面和在内外罐间间隙内的液面的高度差引起的液柱静压力。

承压液体4在储罐充装氢气6前在接管5内的液面高度为3700 mm，不溢出接管5，如图1所示。在向储罐内充装高压氢气6时，承压液体4在直立长管5内的液面受压下降，当氢气6压力达到15 MPa时，忽略承压液体的压缩性，液面高度下降为530 mm，此时承压液体4在直立长管5内仍有一定液面高度，即使承压液体4也受到压缩，仍能保证承压液体4在直立长管5内具有一定液面高度，使得氢气6不进入内外罐间间隙与外罐1接触，如图3所示。

内罐2和直立长管5由氢渗透速度低的316L奥氏体不锈钢制造。

外罐1由低合金高强钢Q690制造，筒体内径为1860 mm，壁厚依据GB150-2011设计为65 mm，用于承受15 MPa高压。

支座7为腿式支座，支撑储罐保持直立。

氢气进口接管8和出口接管10穿透外罐1壁厚接入内罐2，前者与气源相接用于向罐内充装氢气6，后者用于向罐外排出氢气6。

承压液体进出口接管9和填充气体进出口接管12接入外罐1，联通内外罐间间隙，前者位于外罐底部，用于向内外罐间间隙内输入或向罐外排放承压液体4，后者位于外罐顶部，用于向内外罐间间隙内输入或向罐外排放气体3。

外罐体顶部设置的压力表接管13与压力表相接，用于测量外罐1内压力。

外罐体顶部设置的安全阀接管14与安全阀相接，用于超压时泄压，确保容器安全。

储罐初次使用时的充装方法：

a. 通过氢气出口接管10对储罐进行抽真空处理，并充入氢气再次抽真空，循环多次将罐内助燃气体空气排尽。

b. 通过承压液体进出口接管9向罐内输入承压液体4，承压液体4进入直立长管5内及内外罐间间隙空间，保证承压液体4在直立长管5内的体积大于内外罐间间隙上部的空余空间体积，且不从直立长管5顶端溢出。

c. 通过氢气进口接管8向储罐内充入氢气6，此时氢气6压力较低，如为常压，承压液体4在直立长管5内的液面受压下降，其在内外罐间间隙空间内的液面上升。

d. 通过填充气体进出口接管12向内外罐间间隙空余空间内输入惰性气体，承压液体4在内外罐间间隙内液面降低，直至填充气体压力与内罐2内氢气6的压力相等或相当时，承压液体4在直立长管5内的液面高度和其在内外罐间间隙内的液面高度相等或相当。

e. c和d两过程可同时进行。

f. 通过氢气进口接管8向储罐内充入大量氢气6，直至达到要求的储存压力，此时承压液体4在直立长管5内的液面受压大幅下降，其在内外罐间间隙内的液面大幅上升压缩填充气体3使填充气体3提交减小压力升高，最终填充气体3的压力等于氢气6的压力减去承压液体4在直立长管5内和内外罐间间隙内液面高度差引起的液柱静压力。

g. 氢气6达到要求的存储压力后，由于充装大量氢气6前，承压液体4在直立长管5内的体积大于填充气体的体积，在充装大量氢气后，承压液体4在直立长管5内仍保有一定高度的液面，隔断氢气6与外罐1接触，同时传递压力给内外罐间间隙及填充气体3，使内罐2的内外压力相抵。

h. 储存结束，保持罐体直立。

后续使用时的充装方法：

i. 同f至g。

后续使用时的排放方法：

j. 通过氢气出口接管10向外排放氢气6，氢气6压力下降，承压液体4在直立长管5内的液面上高，在内外罐间间隙内液面下降，气体3体积增加压力降低，当氢气6排放至压力较低时如接近常压，承压液体4在直立长管5内的液面高度和其在内外罐间间隙内液面高度相当，罐内氢气6排放接近完毕。

该储氢容器的制造工序如下：

（1）内罐2筒体与下封头通过焊接相连，并在下封头相应位置开与氢气进口接管8、出口接管10和直立长管5相对应的接管孔。

（2）外罐1筒体与下封头通过焊接相连，并在下封头相应位置开与氢气进口接管8、出口接管10和承压液体进出口接管9相对应的接管孔。

（3）在外罐1下封头上放置或焊接支架11。

（4）将内罐2放置于外罐1内的支架11上，并确保各接管孔位置对齐以便于焊接各接管。

（5）将氢气进口接管8、出口接管10插入内外罐上对应接管孔并装配好。

（6）通过在内罐2内焊接，将氢气进口接管8、出口接管10及直立长管5与内罐2下封头相连接。

（7）通过在外罐1外焊接，将氢气进口接管8、出口接管10及承压液体进出口接管9与外罐1下封头连接。

（8）通过焊接，将内罐2上封头与内罐2筒体相连。

（9）在外罐1的上封头上开孔，并通过焊接将其与外罐1筒体相连。

（10）通过焊接，将填充气体进出口接管12、压力表接管13和安全阀接管14与外罐1上封头相连。

（11）通过焊接，将支座11与储罐相连。

（12）安装压力表及安全阀。

上述的具体实施例仅是对本发明的构思作举例说明，本发明可有多种实施方式，凡在本发明基础上实施替换或类似的修改、组合变换均落在本发明要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种立式氢气储罐，包括：外罐（1）、内罐（2）；所述的内罐（2）置于外罐（1）内，内罐和外罐间存在间隙；其特征是：由内罐（2）底部向罐内伸出一直立长管（5），直立长管将内外罐间间隙与内罐空间联通；内罐设有氢气进口接管（8）和氢气出口接管（10）；所述的氢气进口接管和氢气出口接管穿过外罐和内外罐间间隙；

外罐底部设有承压液体进出口接管（9），外罐顶部设有填充气体进出口接管（12）；在内外罐间间隙内灌充承压液体（4）和填充气体（3），重力作用下，承压液体（4）自然处于内外罐间间隙下部。

2.根据权利要求1所述一种立式氢气储罐，其特征是：在外罐顶部设压力表接管（13）和安全阀接管（14），压力表接管（13）接压力表，安全阀接管（14）接安全阀。

3.根据权利要求1所述一种立式氢气储罐，其特征是：在所述内外罐间设支架（11），所述支架置于外罐（1）底部。

4.根据权利要求1所述一种立式氢气储罐，其特征是：所述直立长管（5）的高度大于內罐高度的二分之一。

5.根据权利要求1所述一种立式氢气储罐，其特征是：所述的填充气体（3）为惰性气体。

6.根据权利要求1所述一种立式氢气储罐，其特征是：所述的承压液体（4）为水、甘油或液压油。

7.根据权利要求1所述一种立式氢气储罐，其特征是：在储罐充装氢气（6）前，所述承压液体（4）在直立长管（5）内的体积大于内外罐间间隙上部的空余空间气体（3）的体积。

8.根据权利要求1所述一种立式氢气储罐，其特征是：所述的内罐（2）和直立长管（5）为奥氏体不锈钢、铝合金或镍基合金材质。