CN107940895A - 气体液化系统 - Google Patents

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Abstract

一种气体液化系统，包括压缩机组、预冷换热器、多级中间透平预冷单元、第一换热器、末级透平膨胀机、第二换热器、节流阀和低温液体储罐。第二换热器设于节流阀和低温液体储罐之间。该气体液化系统包括待液化气体路、制冷工质循环过程和预冷工质循环回路。上述气体液化系统，在同样的系统耗功下，通过改变低温端的液化流程形式，使得末级透平膨胀机在高温下膨胀，获得更大冷量，与传统的氦制冷氢液化系统相比，在节流阀节流之后再增加一级第二换热器可以进一步将液化后的气体的干度降为0，保证第二换热器的出口管路为全液相运行，安全，节约设备成本；整个气体液化系统的最低温度提高，有助于提高系统效率，节约能源。

Description

气体液化系统
技术领域
本发明涉及液化技术领域，尤其涉及一种气体液化系统。
背景技术
由于满足当前世界能源需求的化石燃料几近枯竭，而且其燃烧产物会对环境造成污染，因此寻求新能源成为世界瞩目的重大课题。氢的资源丰富，来源多样，作为一种二次能源，它具有燃烧热值高、清洁环保、可储存、可再生等优点。且氢能可以同时满足资源、环境和可持续发展的要求，所以被称作人类未来的能源。
氢气通常是正氢和仲氢的平衡混合物。氢气的平衡浓度随温度的不同而有显著的变化。当温度降低时，具有高能量基态的正氢自发地向低能态的仲氢转化，直到不能转化，成为该温度下的平衡氢。室温热平衡态下，氢气大约由75％正氢和25％仲氢组成，此称为正常氢。气态氢的正-仲态转化在存在催化剂的情况下才能发生，而液态氢则在没有催化剂的情况下也能自发地发生正-仲转化。但是转换速率较慢。氢的正仲转化是一放热反应，在液氢存储过程中，为了避免转化热引起液氢产品的汽化，减少再液化的能耗，对于大型氢液化装置，产品中仲氢含量应超过95％。
液氢作为目前最重要的储运方式之一，在长距离运输，储存等方面具有巨大的经济性，在氢能利用中发挥重要的作用。氢气液化的过程(包括正仲转化热)大约需要耗费17kWh/kgLH2，因此，提高整机效率，节约能耗，有助于液氢的大规模使用与推广。
传统的利用氦气作为制冷剂，进行氢气液化的流程形式如图1所示。其主要包括一套封闭的氦制冷循环，液氮预冷，以及氢路。具体的，包括氦压缩机20，氦透平膨胀机30，氢压缩机40，四个换热器50、60、70、80，100m3液氢贮罐90，氢气源22，管路24和管路26。液氮从管路24进入，换热后，液氮变成氮气从管路26流出。氢路经低温氦气冷却后，经过节流阀进入液氢储罐。如果节流阀前的过冷度足够大，则节流后全部为液氢；如果过冷度不够，则节流后有闪蒸气，则通过氢压缩机回收。
针对该传统流程，一种方法是节流后气液两相的流体直接进入液体储罐，将气体回热后经氢压缩机升高压力，回收使用，此工艺流程复杂，且氢为易燃易爆气体，存在安全、成本等一系列问题；第二种方法则可以通过降低节流阀前温度的方式，保证其一定的过冷度，使得节流后的气体仍然处于全液相的状态，这种情况下会造成系统效率的下降。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种安全、能够提高制冷效率，节约能源的气体液化系统。
一种气体液化系统，包括压缩机组、预冷换热器、多级中间透平预冷单元、第一换热器、末级透平膨胀机、第二换热器、节流阀和低温液体储罐；
所述压缩机组的出口和所述预冷换热器的高压侧制冷工质入口连通，所述预冷换热器的高压侧制冷工质出口和所述多级中间透平预冷单元的高压侧制冷工质入口连通，所述多级中间透平预冷单元的高压侧制冷工质出口和所述第一换热器的高压侧制冷工质入口连通，所述第一换热器的高压侧制冷工质出口和所述末级透平膨胀机的入口连通，所述末级透平膨胀机的出口和所述第二换热器的制冷工质入口连通，所述第二换热器的制冷工质出口和所述第一换热器的低压侧制冷工质入口连通，所述第一换热器的低压侧制冷工质出口和所述多级中间透平预冷单元的低压侧制冷工质入口连通，所述多级中间透平预冷单元的低压侧制冷工质出口和所述预冷换热器的低压侧制冷工质入口连通，所述预冷换热器的低压侧制冷工质出口和所述压缩机组的入口连通；
所述预冷换热器还包括待液化气体入口和待液化气体出口，所述预冷换热器的待液化气体出口和所述多级中间透平预冷单元的待液化气体入口连通，所述多级中间透平预冷单元的待液化气体出口和所述第一换热器的待液化气体入口连通，所述第一换热器的待液化气体出口和所述节流阀的入口连通，所述节流阀的出口和所述第二换热器的待液化气体入口连通，所述第二换热器的待液化气体出口和所述低温液体储罐连通；
所述预冷换热器还包括预冷工质入口和预冷工质出口。
在一个实施例中，还包括预冷工质单元，所述预冷工质单元的出口和所述预冷换热器的预冷工质入口连通，所述预冷换热器的预冷工质出口和所述预冷工质单元的入口连通。
在一个实施例中，所述多级中间透平预冷单元为换热器和透平膨胀机的组合。
在一个实施例中，所述多级中间透平预冷单元为基于克劳德制冷循环或柯林斯制冷循环的换热器和透平膨胀机的组合。
在一个实施例中，所述待液化气体为氢气，所述预冷换热器的待液化气体入口还设有氢过滤装置和氢纯化装置。
在一个实施例中，所述待液化气体为氢气，所述预冷换热器、所述多级中间透平预冷单元内的换热器和所述第一换热器中的氢气通道内均充装有正仲氢转化剂。
在一个实施例中，所述第一换热器的待液化气体出口，仲氢浓度大于等于95％。
上述气体液化系统，在同样的系统耗功下，通过改变低温端的液化流程形式，使得末级透平膨胀机在高温下膨胀，获得更大冷量，与传统的氦制冷氢液化系统相比，在节流阀节流之后再增加一级第二换热器可以进一步将液化后的气体的干度降为0，保证第二换热器的出口管路为全液相运行，相比方案一，安全，可以节约设备成本；相比方案二，整个气体液化系统的最低温度提高，有助于提高系统效率，节约能源。
附图说明
图1为传统的氦制冷氢液化系统的结构示意图；
图2为一实施方式的气体液化系统的结构示意图；
图3为末端流程采用常规的流程结构的气体液化系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图2所示，一实施方式的气体液化系统10，包括压缩机组1、预冷换热器8、多级中间透平预冷单元3、第一换热器4、末级透平膨胀机5、第二换热器9、节流阀6和低温液体储罐7。
压缩机组1的出口和预冷换热器8的高压侧制冷工质入口连通，预冷换热器8的高压侧制冷工质出口和多级中间透平预冷单元3的高压侧制冷工质入口连通，多级中间透平预冷单元3的高压侧制冷工质出口和第一换热器4的高压侧制冷工质入口连通，第一换热器4的高压侧制冷工质出口和末级透平膨胀机5的入口连通，末级透平膨胀机5的出口和第二换热器9的制冷工质入口连通，第二换热器9的制冷工质出口和第一换热器4的低压侧制冷工质入口连通，第一换热器4的低压侧制冷工质出口和多级中间透平预冷单元3的低压侧制冷工质入口连通，多级中间透平预冷单元3的低压侧制冷工质出口和预冷换热器8的低压侧制冷工质入口连通，预冷换热器8的低压侧制冷工质出口和压缩机组1的入口连通。
预冷换热器8还包括待液化气体入口和待液化气体出口，预冷换热器8的待液化气体出口和多级中间透平预冷单元3的待液化气体入口连通，多级中间透平预冷单元3的待液化气体出口和第一换热器4的待液化气体入口连通，第一换热器4的待液化气体出口和节流阀6的入口连通，节流阀6的出口和第二换热器9的待液化气体入口连通，第二换热器9的待液化气体出口和低温液体储罐7连通。
预冷换热器8还包括预冷工质入口和预冷工质出口。
气体液化系统10还包括预冷工质单元，预冷工质单元2的出口和预冷换热器8的预冷工质入口连通，预冷换热器8的预冷工质出口和预冷工质单元2的入口连通。预冷工质可以为液氮。可以理解，预冷工质不限于液氮。
多级中间透平预冷单元3为换热器和透平膨胀机的组合。进一步的，多级中间透平预冷单元3为基于克劳德制冷循环或柯林斯制冷循环的换热器和透平膨胀机的组合。换热器和透平膨胀机的数量和排列形式可以根据实际需要进行设置。
在一个实施例中，待液化气体为氢气，预冷换热器8的待液化气体入口还设有氢过滤装置(图未示)和氢纯化装置(图未示)。待液化气体不限于氢气。
在一个实施例中，待液化气体为氢气，预冷换热器8的氢气通道内充装有正仲氢转化剂。预冷换热器8的待液化气体出口，仲氢浓度约为45％。第一换热器4的氢气通道内装有正仲氢转化剂。第一换热器4的待液化气体出口，仲氢浓度大于等于95％。多级中间透平预冷单元3内的换热器的氢气通道内也充装有正仲氢转化剂。
在一个实施例中，制冷工质为氦气，可以理解，制冷工质不限于氦气。
上述气体液化系统10中，待液化气体路100为单向通路，其入口一般为高压气体。此处以待液化气体为氢气进行说明。从安全方面考虑，为防止氢气中杂质尤其是固氧沉积，造成爆炸性事故，来源氢气纯度需满足国标规定的99.999％级别，如果不满足要求，则需要进行过滤、纯化。满足指标要求后，再进入冷箱中，通过预冷换热器8降温，同时在预冷换热器8内充装有正仲氢转化剂，经过转化之后，其仲氢浓度约为45％，然后进入多级中间透平预冷系统3中的换热器，以及第一换热器4后温度降低且进一步经过多级正仲转化之后，仲氢浓度约达到98％，通过节流阀6降压，其出口为气液两相流体，经过第二换热器9之后，被低于其沸点温度的制冷工质冷却，被完全液化后进入低温液体储罐7内，制得仲氢浓度大于95％的液氢产品。
制冷工质循环回路200如下：首先制冷工质经过压缩机组1压缩后气体压力升高，经预冷换热器8预冷以及多级中间透平预冷单元3预冷后，温度降低，进入第一换热器4，经过末级透平膨胀机5降温降压后，其温度低于被液化气体氢气沸点后依次经过第二换热器9、第一换热器4以及多级膨胀机预冷系统3内的换热器复温，进入液氮预冷换热器8复温到常温，再进入压缩机组1，重新进行压缩，形成完整的制冷工质闭式循环。
预冷工质循环回路300如下：从预冷工质单元2流出的预冷工质进入预冷换热器8，预冷工质将热量传递给制冷工质以及待液化气体后，从预冷换热器8流回预冷工质单元2，形成一个循环。
气体液化系统10以氦制冷氢液化为例进行说明，对于其他气体液化同样适用；预冷形式包括但不仅限于液氮。
仿真表明该气体液化系统10实用有效。下面通过具体的计算说明该气体液化系统10的流程形式的有效性。为方便证明该气体液化系统10的有效性，只计算最末端流程，常规的氦制冷氢液化系统的简化的流程形式如图3中虚线所示，其中，图3中201、202、203、204、301、302、303均对应相应的连接管路。本申请的气体液化系统10的简化的流程形式如图2中虚线框内所示，其中，图2中201、202’、203’、204、205、301、302’、303’、303均对应中相应的连接管路。
为了保证有同样的初始条件，固定第一换热器4的边界温度、压力以及制冷剂气体的流量，从而计算最大可达到的被液化气体的液化量。以常用的计算温度区间为例，进行两种流程形式的性能比较，
计算边界条件如下表1所示：
表1 传统的氦制冷氢液化系统的流程形式边界条件
(T201,P201) P204 (T301，P301) P303
单位 (K，bar) bar (K，bar) bar
数值 (45,12) 1.5 (45,20) 1.05
表2 传统的氦制冷氢液化系统的流程形式假设条件
如图3所示，为了保证通过节流阀8节流后的液体为全液相，则T302必须保证一定的过冷度，本例中，T302的温度确定为19K，则节流后的温度20.95K，在1.5bar的压力，能保证为全液相。其余流程内的第一换热器4压降，流量，透平效率等假设参数根据经验设置见表2所示。
此外，第一换热器4中，氢进行正仲转化，转化热通过低温氦气冷量带走。假设第一换热器4加工能够达到极限最小温差0.2K的要求，因此，T203与T302温差设置为0.2K,即T203为18.8K。通过以上假设，在流程计算中，每个设备可以提供一个守恒方程，每个物流有3个变量且同一物流存在质量守恒。通过以上的假设条件，可以得到目前的未知变量为T202，T204，m301，T303。其中总共有3个设备(第一换热器4、末级透平膨胀机5和节流阀6)，3个守恒方程，总共3个方程，方程可以有无数组解，调整m301使得T204低于入口温度T201≥0.2K。在上述的假设条件下，获得氢气液化量m301最大液化量为21.02g/s。
按照上述分析步骤，计算图2所示虚线框内的流程参数。为保证两种流程的进出口条件保持一致，此次分析中，液氢出口温度T303固定为传统的氦制冷氢液化系统的流程一样的温度为20.95K。计算边界条件如下表3所示。
表3 改进流程形式的边界条件
(T201,P201) P204 (T301，P301) P303 T303
单位 (K，bar) bar (K，bar) bar K
数值 (45,12) 1.5 (45,20) 1.05 20.95
表4 改进流程形式的假设条件
在图2所示的流程形式中，相比图3，增加第二换热器9，下面来分析其整个流程计算方程组闭合的条件。22K时，氢中的仲氢的平衡浓度已经到达98％，因此，本算例中假设T302’的温度为22K。同样，T203’根据换热器加工要求设为20.75K，则通过以上假定之后，未知变量如下：T303’，T205，T202’，T204，m301。类似以上的分析，5个未知数，正好有4个设备(第一换热器4、末级透平膨胀机5、节流阀6和第二换热器9)组成4个方程，方程数小于未知数个数，方程无数解。按照上述条件，调整m301的流量，使得T204等于原流程计算得到的出口温度44.8K，得到氢气的最大液化量为：22.78g/s。
通过以上的对比分析，在同样的进出口边界条件下，本申请改进的流程形式(图2所示)透平膨胀机入口温度T202’为36.28K，原流程(图3)T202为33.22K，由于末级透平膨胀机5在高温下膨胀，其带来的冷量更多，在本例中，改进流程透平膨胀机冷量为16.26kW，原有流程透平膨胀机冷量14.99kW，相比原流程，液化量由21.02g/s增大到22.78g/s。且从原理上讲，此方案形式不因假设条件的设定而影响定性分析结果。
上述气体液化系统10，在同样的系统耗功下，通过改变低温端的液化流程形式，使得末级透平膨胀机5在高温下膨胀，获得更大冷量，与传统的氦制冷氢液化系统相比，在节流阀6节流之后再增加一级第二换热器9可以进一步将液化后的气体的干度降为0，保证第二换热器9的出口管路为全液相运行，相比方案一，安全，可以节约设备成本；相比方案二，整个气体液化系统10的最低温度提高，有助于提高系统效率，节约能源。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种气体液化系统，其特征在于，包括压缩机组、预冷换热器、多级中间透平预冷单元、第一换热器、末级透平膨胀机、第二换热器、节流阀和低温液体储罐；
所述压缩机组的出口和所述预冷换热器的高压侧制冷工质入口连通，所述预冷换热器的高压侧制冷工质出口和所述多级中间透平预冷单元的高压侧制冷工质入口连通，所述多级中间透平预冷单元的高压侧制冷工质出口和所述第一换热器的高压侧制冷工质入口连通，所述第一换热器的高压侧制冷工质出口和所述末级透平膨胀机的入口连通，所述末级透平膨胀机的出口和所述第二换热器的制冷工质入口连通，所述第二换热器的制冷工质出口和所述第一换热器的低压侧制冷工质入口连通，所述第一换热器的低压侧制冷工质出口和所述多级中间透平预冷单元的低压侧制冷工质入口连通，所述多级中间透平预冷单元的低压侧制冷工质出口和所述预冷换热器的低压侧制冷工质入口连通，所述预冷换热器的低压侧制冷工质出口和所述压缩机组的入口连通；
所述预冷换热器还包括待液化气体入口和待液化气体出口，所述预冷换热器的待液化气体出口和所述多级中间透平预冷单元的待液化气体入口连通，所述多级中间透平预冷单元的待液化气体出口和所述第一换热器的待液化气体入口连通，所述第一换热器的待液化气体出口和所述节流阀的入口连通，所述节流阀的出口和所述第二换热器的待液化气体入口连通，所述第二换热器的待液化气体出口和所述低温液体储罐连通；
所述预冷换热器还包括预冷工质入口和预冷工质出口。
2.如权利要求1所述的气体液化系统，其特征在于，还包括预冷工质单元，所述预冷工质单元的出口和所述预冷换热器的预冷工质入口连通，所述预冷换热器的预冷工质出口和所述预冷工质单元的入口连通。
3.如权利要求1所述的气体液化系统，其特征在于，所述多级中间透平预冷单元为换热器和透平膨胀机的组合。
4.如权利要求3所述的气体液化系统，其特征在于，所述多级中间透平预冷单元为基于克劳德制冷循环或柯林斯制冷循环的换热器和透平膨胀机的组合。
5.如权利要求1所述的气体液化系统，其特征在于，所述待液化气体为氢气，所述预冷换热器的待液化气体入口还设有氢过滤装置和氢纯化装置。
6.如权利要求1所述的气体液化系统，其特征在于，所述待液化气体为氢气，所述预冷换热器、所述多级中间透平预冷单元内的换热器和所述第一换热器中的氢气通道内均充装有正仲氢转化剂。
7.如权利要求6所述的气体液化系统，其特征在于，所述第一换热器的待液化气体出口，仲氢浓度大于等于95％。
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