CN108562111B - 氢气液化预冷装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一氢气液化预冷装置，包括：液氢储罐、液氮预冷装置、氢气液化冷箱、液氮液化冷箱、第一压缩机组和第二压缩机组；装置能很好地回收利用从液氢储罐中气化的低温气态氢，既能避免直接释放低温气态氢带来的安全隐患及能源浪费，还能为氢气液化提供冷量，同时结合液氮预冷装置，降低氢气液化所需能耗，降低成本。

Description

氢气液化预冷装置

技术领域

本发明涉及氢气液化技术，尤其涉及一种氢气液化预冷装置。

背景技术

随着工业的发展和人们物质生活水平的提高，能源的需求也与日俱增。由于煤炭、石油等化石能源在使用时不可避免地会污染环境，再加上其储量有限，人类面临着开发高效、洁净的二次能源的艰巨挑战，因而寻找可再生的绿色能源迫在眉睫。氢作为可从多种途径获取的理想能源载体，是化石能源向可再生能源过渡的重要桥梁之一，将为终端能源利用提供新的重要形式。

氢气液化技术的核心是氢气的液化部分，氢气的临界温度和转化温度低，汽化潜热小，其理论最小液化功在所有气体当中是最高的。由于氢气的液化温度很低，所以只有将氢气预冷却到一定温度以下，再节流膨胀才能产生冷效应，因而对氢气进行冷却处理的冷却效果至关重要。

发明内容

氢气液化装置包括：氢气液化冷箱和液氢液化冷箱，经净化处理后的气态氢先进入氢气液化冷箱中进行预冷及气态氢正仲转化，然后再进入液氢液化冷箱中进行预冷及液态氢正仲转化，最终得到液氢并存储于液氢储罐中。

液氢是由氢气经过降温而得到的液体，是一种无色、无味的高能低温液体燃料，是仲氢（p-H2）和正氢（o-H2）的混合物。正氢和仲氢是分子氢的两种自旋异构体，这种异构现象是由于两个氢原子的核自旋有两种可能的偶合而引起的。正氢中两个核的自旋是平行的，仲氢中两个核的自旋则是反平行的。仲氢分子的磁矩为零，正氢分子的磁矩为质子磁矩的两倍。仲氢与正氢的化学性质完全相同，而物理性质有所差异，表现为仲氢的基态能量比正氢低。在室温或高于室温时，正、仲氢的平衡组成为75:25，称为标准氢（n-H2）或正常氢。低于常温时，正仲氢的平衡组成将发生变化，仲氢所占的百分比增加。气态氢的正仲态转化在存在催化剂的情况下才能发生，而液氢则在没有催化剂的情况下自会自发地发生正仲转化，由正氢转化为仲氢。液氢的正仲转化是一放热反应，转化过程中放出的热量和转化时的温度有关。为减少正仲氢转化放热造成的液氢蒸发损失，所有液氢产品中要求仲氢含量至少在95%以上，即要求液化时将正氢基本上都催化转化为仲氢。

在实际使用过程中，仲氢含量在95%以上的液氢，虽然很大程度上减少了正仲氢转化放热造成的液氢蒸发损失，但是受外部温度等其他因素的影响，存储于液氢储罐中的液氢不可避免会有部分气化成低温气态氢。如若将气化后的低温气态氢直接释放于外部环境中，不仅浪费能量，而且还会存在安全隐患，而直接燃烧掉该低温气态氢，也是一种能量浪费现象。

本发明所需解决的技术问题是：提供一种为氢气液化提供冷量的氢气液化预冷装置，该装置能很好地回收利用从液氢储罐中气化的低温气态氢，既能避免直接释放低温气态氢带来的安全隐患及能源浪费，还能为氢气液化提供冷量，同时结合液氮预冷装置，降低氢气液化所需能耗，降低成本。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：所述的氢气液化预冷装置包括：液氢储罐、液氮预冷装置、氢气液化冷箱、液氮液化冷箱、第一压缩机组和第二压缩机组。

所述氢气液化冷箱包括：热交换器A和第一反应器；在热交换器A中设置有第一液氮通道、循环氢气通道A、第一循环氢气返回通道A、第二循环氢气返回通道A，所述的第一液氮通道、循环氢气通道A、第一循环氢气返回通道A和第二循环氢气返回通道A相互独立；在第一反应器中设置有第二液氮通道和第一循环氢气通道，所述的第二液氮通道和第一循环氢气通道相互独立。

所述的液氢液化冷箱包括：热交换器B、热交换器C、热交换器D、热交换器E、热交换器F、第二反应器、第二透平膨胀机组和第三透平膨胀机组；在热交换器B中设置有循环氢气通道B、第一循环氢气返回通道B和第二循环氢气返回通道B，所述的循环氢气通道B、第一循环氢气返回通道B和第二循环氢气返回通道B相互独立；在热交换器C中设置有循环氢气通道C、第一循环氢气返回通道C和第二循环氢气返回通道C，所述的循环氢气通道C、第一循环氢气返回通道C和第二循环氢气返回通道C相互独立；在热交换器D中设置有循环氢气通道D、第一循环氢气返回通道D、第二循环氢气返回通道D和氢气膨胀通道，所述的循环氢气通道D、第一循环氢气返回通道D、第二循环氢气返回通道D和氢气膨胀通道相互独立；在热交换器E中设置有循环氢气通道E、第一循环氢气返回通道E和第二循环氢气返回通道E，所述的循环氢气通道E、第一循环氢气返回通道E和第二循环氢气返回通道E相互独立；在热交换器F中设置有循环氢气通道F和第一循环氢气返回通道F，所述的循环氢气通道F和第一循环氢气返回通道F相互独立；在第二反应器中设置有第一循环氢气返回通道G。

在液氢储罐的蒸发气体出口设置有第二分支管道，第二分支管道与第一压缩机组相连接，第一压缩机组通过循环管道依次与热交换器A中的循环氢气通道A、第一反应器中的第一循环氢气通道、第二压缩机组、热交换器B中的循环氢气通道B的进气口相连接；在循环氢气通道B的出气口设置有第三分支管道和第四分支管道：

第三分支管道与热交换器C中的循环氢气通道C相连接，热交换器C中的循环氢气通道C通过第一循环管道依次与热交换器D中的循环氢气通道D、热交换器E中的循环氢气通道E、热交换器F中的循环氢气通道F与第二反应器中的第一循环氢气返回通道G的进气口相连接，第一循环氢气返回通道G的出气口通过第一循环氢气返回管道依次与热交换器F的第一循环氢气返回通道F、热交换器E的第一循环氢气返回通道E、热交换器D的第一循环氢气返回通道D、热交换器C中的第一循环氢气返回通道C、热交换器B中的第一循环氢气返回通道B、热交换器A中的第一循环氢气返回通道A后与第二分支管道汇合连接，而后与第一压缩机组相连接。

第四分支管道与第二透平膨胀机组相连接，第二透平膨胀机组通过第二循环管道依次与热交换器D中的氢气膨胀通道、第三透平膨胀机组与热交换器E中的第二循环氢气返回通道E的进气口相连接，第二循环氢气返回通道E的出气口通过第二循环氢气返回管道依次与热交换器D中的第二循环氢气返回通道D、热交换器C中的第二循环氢气返回通道C、热交换器B中的第二循环氢气返回通道B、热交换器A中的第二循环氢气返回通道A后与第二分支管道汇合连接，而后与第一压缩机组相连接。

进一步地，前述的氢气液化预冷装置，其中，所述的液氮预冷装置包括：压缩机、KT透平膨胀压缩机、第一热交换器、第二热交换器和气液分离器；在第一热交换器中设置有氮气通道和第一循环通道，氮气通道和第一循环通道相互独立；在第二热交换器中设置有液氮通道和第二循环通道，液氮通道和第二循环通道相互独立；原料氮气通过第一氮气连接管道依次与压缩机、KT透平膨胀压缩机的K回路与第一热交换器中的氮气通道的进气口相连接，在氮气通道的出气口处设置有第一分支氮气管道和第二分支氮气管道，氮气通道的出气口分别与第一分支氮气管道、第二分支氮气管道相连接，氮气通道通过第一分支氮气管道依次与第二热交换器中的液氮通道、气液分离器相连接，气液分离器的液氮出口通过第二氮气连接管道依次与氢气液化冷箱、压缩机相连接，形成第一路氮制冷循环回路；氮气通道通过第二分支氮气管道依次与KT透平膨胀压缩机的T回路、第二热交换器中的第二循环通道、第一热交换器中的第一循环通道、压缩机相连接，形成第二路氮制冷循环回路；气液分离器中的氮气出口通过第三连接氮气管道与第二热交换器中的第二循环通道的进气口相连接。

进一步地，前述的氢气液化预冷装置，其中，所述的压缩机为无油离心涡轮压缩机；在第二热交换器中的液氮通道的出气口与气液分离器之间的第一分支氮气管道上设置有第一截止阀；在气液分离器的液氮出口与氢气液化冷箱之间的第二氮气连接管道上设置有第二截止阀。

进一步地，前述的氢气液化预冷装置，其中，在气液分离器的液氮出口与氢气液化冷箱之间的第二氮气连接管道上还设置有第三分支氮气管道，第三分支氮气管道与至少一个液氮储罐相连接。

进一步地，前述的氢气液化预冷装置，其中，所述的第一压缩机组由第一低压压缩机和第一高压压缩机构成；第二分支管道依次与第一低压压缩机、第一高压压缩机相连接；所述的第二压缩机组由第二低压压缩机和第二高压压缩机构成；循环管道依次与热交换器A中的循环氢气通道A、第一反应器中的第一循环氢气通道、第二低压压缩机、第二高压压缩机相连接。

进一步地，前述的氢气液化预冷装置，其中，在位于第一反应器中的第一循环氢气通道的出气口与第二压缩机组之间的循环管道上设置有第一吸附器。

进一步地，前述的氢气液化预冷装置，其中，在位于第一反应器中的第一循环氢气通道的出气口与第二压缩机组之间的循环管道上设置有低温二重单元转换吸附器，所述的低温二重单元转换吸附器由第一吸附器和第二吸附器组成，第一吸附器和第二吸附器中的吸附剂均能热力再生；低温二重单元转换吸附器在正常工作时，若第一吸附器正常工作，则第二吸附器热力再生；若第二吸附器正常工作，则第一吸附器热力再生。

进一步地，前述的氢气液化预冷装置，其中，在位于低温二重单元转换吸附器进气口端的循环管道上设置过滤器。

进一步地，前述的氢气液化预冷装置，其中，所述的过滤器为机械过滤器，机械过滤器中的金属滤芯的过滤精度不超过40微米，且机械过滤器可以通过加温或预冷方式再生进行自我净化。

进一步地，前述的氢气液化预冷装置，其中，在热交换器A、第一反应器、热交换器B、热交换器C、热交换器D、热交换器E、热交换器F、第二反应器中均分别设置有温度传感器、压力传感器和流量传感器；在氢气液化环境中设置有氢安全传感器和烟雾传感器，氢安全传感器和烟雾传感器分别与控制氢气液化装置的控制装置相连接。

本发明的有益效果是：该装置既能回收利用从液氢储罐中汽化的低温气态氢，还能有效降低液氮的消耗量，相比传统液氮预冷装置消耗量减少30%左右，降低成本。

附图说明

图1是氢气液化预冷装置的结构示意图。

图2是图1中液氮预冷装置与氢气液化冷箱的连接结构示意图。

图3是图1中氢气液化冷箱的结构示意图。

图4是图1中液氮预冷装置的结构示意图。

图5是图1中液氢液化冷箱的结构示意图。

图6是图5中热交换器B、热交换器C与第二透平膨胀机组的连接结构示意图。

图7是图5中热交换器D、热交换器E与第三透平膨胀机组的连接结构示意图。

图8是图5中热交换器F与第二反应器的连接结构示意图。

实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明所述的技术方案作进一步详细的说明。

氢气液化预冷装置属于氢气液化装置中的一部分，用于为氢气液化提供足够的冷量。如图1所示，所述的氢气液化装置包括：氢气液化冷箱和液氢液化冷箱，经净化处理后的气态氢先进入氢气液化冷箱中进行预冷及气态氢正仲转化，然后再进入液氢液化冷箱中进行预冷及液态氢正仲转化，最终得到液氢并存储于液氢储罐中。受外部温度等因素的影响，存储于液氢储罐中的液氢不可避免会有部分液氢气化成低温气态氢，如若将气化后的低温气态氢直接释放于外部环境中，不仅浪费能量，而且还会存在安全隐患，而直接燃烧掉该低温气态氢，也是一种能量浪费现象。因而本申请对低温气态氢进行了回收处理：将低温气态氢重新送入氢气液化冷箱、液氢液化冷箱中，为氢气液化冷箱及液氢液化冷箱提供冷量。本发明通过液氮预冷和循环氢气预冷双级预冷为氢气液化装置中氢气液化提供足够的冷量。

如图1所示，本发明所述的氢气液化预冷装置包括：液氢储罐、液氮预冷装置、氢气液化冷箱、液氮液化冷箱、第一压缩机组和第二压缩机组。

所述的第一压缩机组包括：第一低压压缩机和第一高压压缩机，其中第一低压压缩机可以采用低压机组-螺旋充油压缩机或低压干活塞多级压缩机，第一高压压缩机可以采用高压机组-干活塞多级压缩机。

所述的第二压缩机组包括：第二低压压缩机和第二高压压缩机，其中第二低压压缩机可以采用低压机组-螺旋充油压缩机或低压干活塞多级压缩机，第二高压压缩机可以采用高压机组-干活塞多级压缩机。

如图2和图3所示，所述的氢气液化冷箱101包括：热交换器A1和第一反应器2。在热交换器A1中设置有氢气通道A11、第一液氮通道12、循环氢气通道A13、第一循环氢气返回通道A14、第二循环氢气返回通道A，所述的氢气通道A11、第一液氮通道12、循环氢气通道A13、第一循环氢气返回通道A14和第二循环氢气返回通道A相互独立、互不干涉。在第一反应器2中设置有第二液氮通道、第一氢气通道21、第一正仲转化通道22、第一液氢通道23、第一循环氢气通道24，所述的第二液氮通道、第一氢气通道21、第一正仲转化通道22、第一液氢通道23和第一循环氢气通道24相互独立、互不干涉。

如图5、图6、图7和图8所示，所述的液氢液化冷箱102包括：热交换器B3、热交换器C4、热交换器D5、热交换器E6、热交换器F7、第二反应器8、第二透平膨胀机组和第三透平膨胀机组。在热交换器B3中设置有液氢通道B31、循环氢气通道B32、第一循环氢气返回通道B33和第二循环氢气返回通道B，所述的液氢通道B31、循环氢气通道B32、第一循环氢气返回通道B33和第二循环氢气返回通道B相互独立、互不干涉。在热交换器C4中设置有液氢通道C41、循环氢气通道C42、第一循环氢气返回通道C43和第二循环氢气返回通道C，所述的液氢通道C41、循环氢气通道C42、第一循环氢气返回通道C43和第二循环氢气返回通道C相互独立、互不干涉。在热交换器D5中设置有液氢通道D51、循环氢气通道D52、第一循环氢气返回通道D53、第二循环氢气返回通道D和氢气膨胀通道54，所述的液氢通道D51、循环氢气通道D52、第一循环氢气返回通道D53、第二循环氢气返回通道D和氢气膨胀通道54相互独立、互不干涉。在热交换器E6中设置有液氢通道E61、循环氢气通道E62、第一循环氢气返回通道E63和第二循环氢气返回通道E，所述的液氢通道E61、循环氢气通道E62、第一循环氢气返回通道E63和第二循环氢气返回通道E相互独立、互不干涉。在热交换器F7中设置有液氢通道F71、循环氢气通道F72和第一循环氢气返回通道F，所述的液氢通道F71、循环氢气通道F72和第一循环氢气返回通道F相互独立、互不干涉。在第二反应器8中设置有第二液氢通道81、第二正仲转化通道82、第三液氢通道83和第一循环氢气返回通道G，所述的第二液氢通道81、第二正仲转化通道82、第三液氢通道83和第一循环氢气返回通道G相互独立、互不干涉。

如图4所示，所述的液氮预冷装置包括：压缩机601和氮气液化冷箱600。所述的氮气液化冷箱600包括：KT透平膨胀压缩机602、第一热交换器603、第二热交换器604和气液分离器605。这里压缩机601可以采用无油离心涡轮压缩机。

在第一热交换器603中设置有氮气通道和第一循环通道，氮气通道和第一循环通道相互独立、互不干涉。在第二热交换器604中设置有液氮通道和第二循环通道，液氮通道和第二循环通道相互独立、互不干涉。

原料氮气通过第一氮气连接管道701依次与压缩机601、KT透平膨胀压缩机602的K回路与第一热交换器603中的氮气通道的进气口相连接，在氮气通道的出气口处设置有第一分支氮气管道702和第二分支氮气管道703，氮气通道分别与第一分支氮气管道702、第二分支氮气管道703相连接，从第一热交换器603中的氮气通道输出的气液混合物分两路进入后续工艺，其中一路是：氮气通道中液化的液氮通过第一分支氮气管道702依次与第二热交换器604中的液氮通道、气液分离器605相连接，气液分离器605的液氮出口通过第二氮气连接管道704依次与氢气液化冷箱101、压缩机601相连接，形成第一路氮制冷循环回路。另外一路是：氮气通道中未液化的气态氮通过第二分支氮气管道703依次与KT透平膨胀压缩机602的T回路、第二热交换器604中的第二循环通道、第一热交换器603中的第一循环通道、压缩机601相连接，形成第二路氮制冷循环回路。在实际使用过程中，从气液分离器605中气化分离的气态氮也回收利用于液氮预冷装置中，气液分离器605中的氮气出口通过第三连接氮气管道705与第二热交换器604中的第二循环通道的进气口相连接。

在实际使用过程中，为便于控制液氮预冷装置，在第二热交换器604中的液氮通道的出气口与气液分离器605之间的第一分支氮气管道702上设置有第一截止阀606，第一截止阀606用于调节流量、切断液氮通道与气液分离器5之间的第一分支氮气管道702等。在气液分离器605的液氮出口与氢气液化冷箱101之间的第二连接氮气管道704上设置有第二截止阀607，第二截止阀607可用于调节流量、切断气液分离器605的液氮出口与氢气液化冷箱101之间的第二连接氮气管道704等。

在实际使用过程中，在气液分离器605的液氮出口与氢气液化冷箱101之间的第二连接氮气管道704上还设置有第三分支氮气管道，第三分支氮气管道与至少一个液氮储罐相连接（图中未示出），各液氮储罐可采用并列方式与第三分支氮气管道相连接，这样即便液氮预冷装置短暂停工也能保证为氢气液化冷箱提供足够的冷却介质——液氮。

参见图1所示，氢气液化装置中氢气液化流程如下：原料氢气通过氢气输送管道201依次与第三压缩机组、净化装置、热交换器A1中的氢气通道A11、第一反应器2中的第一氢气管道21的进气口相连接，第一氢气管道21的出气口通过第一连接管道202与第一正仲转化通道22的进气口相连接，第一正仲转通道22的出气口通过第二连接管道203与第一液氢通道23的进气口相连接，第一液氢通道23的出气口依次通过液氢输送管道204与热交换器B3中的液氢通道B31、热交换器C4中的液氢通道C41、热交换器D5中的液氢通道D51、热交换器E6中的液氢通道E61、热交换器F7中的液氢通道F71、节流膨胀阀、第二反应器8中的第二液氢通道81的进气口相连接，第二液氢通道81的出气口通过第三连接管道205与第二正仲转化通道82的进气口相连接，第二正仲转化通道82的出气口通过第四连接管道206与第三液氢通道83的进气口相连接，第三液氢通道83的出气口通过第五连接管道207与液氢储罐相连接。

在液氢储罐的蒸发气体出口设置有第一分支管道401和第二分支管道402，第一分支管道401与节流膨胀阀相连接，液氢储罐中汽化的低温气态氢分两路进入前续工艺：第一路低温气态氢通过第一分支管道401进入节流膨胀阀中，与进入节流膨胀阀的混合液氢汇合。这里的混合液氢指的是：从热交换器F7中的液氢通道F71中输出的混合液氢。

第二分支管道402与第二低压压缩机相连接，第二低压压缩机通过循环管道403依次与第二高压压缩机、热交换器A1中的循环氢气通道A13、第一反应器2中的第一循环氢气通道24、第二低压压缩机、第二高压压缩机、热交换器B3中的循环氢气通道B32的进气口相连接。在循环氢气通道B32的出气口设置有第三分支管道404和第四分支管道405：

第三分支管道404与热交换器C4中的循环氢气通道C42相连接，热交换器C4中的循环氢气通道C42通过第一循环管道406依次与热交换器D5中的循环氢气通道D52、热交换器E6中的循环氢气通道E62、热交换器F7中的循环氢气通道F72与第二反应器8中的第一循环氢气返回通道G的进气口相连接，第一循环氢气返回通道G的出气口通过第一循环氢气返回管道407依次与热交换器F7的第一循环氢气返回通道F、热交换器E6的第一循环氢气返回通道E63、热交换器D5的第一循环氢气返回通道D53、热交换器C4中的第一循环氢气返回通道C43、热交换器B3中的第一循环氢气返回通道B33、热交换器A1中的第一循环氢气返回通道A14后与第二分支管道402汇合连接，而后与第一压缩机组相连接。

第四分支管道405与第二透平膨胀机组相连接，第二透平膨胀机组通过第二循环管道408依次与热交换器D5中的氢气膨胀通道54、第三透平膨胀机组与热交换器E6中的第二循环氢气返回通道E的进气口相连接，第二循环氢气返回通道E的出气口通过第二循环氢气返回管道409依次与热交换器D5中的第二循环氢气返回通道D、热交换器C4中的第二循环氢气返回通道C、热交换器B3中的第二循环氢气返回通道B、热交换器A1中的第二循环氢气返回通道A后与第二分支管道402汇合连接，而后与第一压缩机组相连接。

液氢储罐中汽化的低温气态氢分两路进入前续工艺：第二路低温气态氢通过第一低压压缩机、第一高压压缩机、热交换器A1中的循环氢气通道A13、第一反应器2中的第一循环氢气通道24、第二低压压缩机、第二高压压缩机进入热交换器B3中的循环氢气通道B32中，从循环氢气通道B32的出气口输出的低温气态氢分两路循环氢气循环：

一路循环氢气通过热交换器C4中的循环氢气通道C42、热交换器D5中的循环氢气通道D52、热交换器E6中的循环氢气通道E62、热交换器F7中的循环氢气通道F72进入第二反应器8中的第一循环氢气返回通道G中，然后从第一循环氢气返回通道G的出气口依次通过热交换器F7的第一循环氢气返回通道F、热交换器E6的第一循环氢气返回通道E63、热交换器D5的第一循环氢气返回通道D53、热交换器C4中的第一循环氢气返回通道C43、热交换器B3中的第一循环氢气返回通道B33、热交换器A1中的第一循环氢气返回通道A14后与第二分支管道402中的第二路低温气态氢汇合后再次进入第一压缩机组中形成第一路循环氢气预冷循环回路。

另一路循环氢气通过第二透平膨胀机组、热交换器D5中的氢气膨胀通道、第三透平膨胀机组进入热交换器E6中的第二循环氢气返回通道E中，然后从第二循环氢气返回通道E的出气口依次通过热交换器D5中的第二循环氢气返回通道D、热交换器C4中的第二循环氢气返回通道C、热交换器B3中的第二循环氢气返回通道B、热交换器A1中的第二循环氢气返回通道A后与第二分支管道402中的第二路低温气态氢汇合后再次进入第一压缩机组中形成第二路循环氢气预冷循环回路。

将第一路循环氢气预冷循环回路中循环的气体和第二路循环氢气预冷循环回路中循环的气体均定义为循环氢气。当氢气液化装置处于正常、稳定工作后，第一路循环氢气预冷循环回路中的循环氢气、第二路循环氢气预冷循环回路中的循环氢气和第二路低温液态氢汇合后进入第一压缩机组中。

参见图1和图2所示，在位于第一反应器2中的第一循环氢气通道24的出气口与第二低压压缩机之间的循环管道403上设置有能清除杂质的第一吸附器303，由于低温循环氢气中的杂质数量有限，所以第一吸附器303在再生时，位于第一反应器2中的第一循环氢气通道24的出气口与第二低压压缩机之间的循环管道403断开，第一吸附器303再生结束后，位于第一反应器2中的第一循环氢气通道24的出气口与第二低压压缩机之间的循环管道403畅通无阻。当然，在实际使用过程中，也可采用低温二重单元转换吸附器来替换单一的第一吸附器303，该低温二重单元转换吸附器由能清除杂质的第一吸附器303和能清除杂质的第二吸附器组成，第一吸附器303和第二吸附器中吸附剂为能热力再生的细孔沸石；低温二重单元转换吸附器在正常工作时，若第一吸附器303正常工作，则第二吸附器热力再生；反之，若第二吸附器正常工作，则第一吸附器303热力再生。第一吸附器303和第二吸附器可以采用供应热载体的套筒结构，为了提高第一吸附器303和第二吸附器中的吸附剂的再生强度，可采用热真空再生，如使用独立的高真空护罩或多层真空屏蔽绝缘护罩。在实际使用过程中，为保证第一吸附器303和第二吸附器中的吸附剂不受吸附剂机械破坏物质的影响，通常在位于低温二重单元转换吸附器进气口端的循环管道403上设置机械过滤器（图中未示出），机械过滤器中的金属滤芯的过滤精度不超过40微米，一般也可采用过滤精度不超过10微米的滤芯。所述的机械过滤器可以通过加温/预冷方式再生进行自我净化。

对无油离心压缩机、第一压缩机组、第二压缩机组和第三压缩机组均分别进行水冷或空冷散热。

在实际使用过程中，为监测氢气液化装置各组成部分之间的工作状况，通常在热交换器A1、第一反应器2、热交换器B3、热交换器C4、热交换器D5、热交换器E6、热交换器F7、第二反应器8中均分别设置有温度传感器、压力传感器和流量传感器；在氢气液化工艺环境中设置有氢安全传感器和烟雾传感器，氢安全传感器和烟雾传感器分别与控制氢气液化装置的控制装置相连接。控制氢气液化工艺流程可以通过在氢气液化装置各重要部位设置截止阀等控制元器件，如：在位于第三压缩机组进气口端的氢气输送管道201上设置第四截止阀，在位于第一压缩机组进气口端的第二分支管道402上设置第三截止阀，第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第四截止阀等控制元器件由控制装置控制，一旦各温度传感器、压力传感器、流量传感器、氢安全传感器、烟雾传感器中至少一个元件监测异常，都可以通过控制装置调控，当氢气液化装置发生氢气泄漏、火灾等问题时能及时发现并处理，降低损失。

配套该氢气液化预冷装置的氢气液化预冷工艺，包括液氮预冷工艺和循环氢气预冷工艺，通过液氮预冷和循环氢气预冷双级预冷为氢气液化提供冷量。

所述的液氮预冷工艺的具体步骤如下：

（1）使原料氮气通过压缩机601初步增压至压力为0.9MPa、温度为300K～313K的气态氮；这里所述的压缩机601可以采用无油离心涡轮压缩机；

（2）将初步增压后的气态氮输送至KT透平膨胀压缩机602中的K回路内进行二次增压、膨胀节流降温，得到压力为0.128～0.13MPa、温度为120K±5K的气态氮；

（3）将经二次增压、膨胀节流降温后的气态氮送入第一热交换器603内进行第一次冷却液化处理，得到温度为79.2K±2K的气态氮和液氮混合的气液混合物；将气液混合物中未液化的气态氮输送至KT透平膨胀压缩机602中的T回路内进行膨胀节流降温后、与气液分离器605中分离出去的气态氮汇合，作为第一热交换器603和第二热交换器604的冷却介质，然后依次输送至第二热交换器604、第一热交换器603中，为第二热交换器604和第一热交换器603提供冷量后重新回到压缩机601内进行初步增压；将气液混合物中液化的液氮输送至第二热交换器604中进行第二次冷却液化处理后、输送至气液分离器605中进行气液分离，得到压力为0.123～0.128MPa、温度为70K～79.2K的液氮；

（4）将经气液分离后得到的液氮输送至氢气液化装置中的氢气液化冷箱内，液氮作为氢气液化冷箱的冷去介质，为氢气液化冷箱提供冷量后重新回到压缩机内进行初步增压；其中所述的氢气液化冷箱包括：热交换器A和第一反应器，将经气液分离后得到的液氮依次输送至第一反应器、热交换器A中，为第一反应器和热交换器A提供冷量；其中进入氢气液化冷箱内的液氮温度为70K～79.2K；

（5）循环上述各步骤。

所述的循环氢气预冷工艺的具体步骤如下：

（1）使液氢储罐中汽化的低温气态氢通过第一压缩机组增压至压力为2.5±0.25MPa的循环氢气；这里所述的第一压缩机组由第一低压压缩机和第一高压压缩机构成，液氢储罐中汽化的低温气态氢经第一低压压缩机增压至压力为0.29±0.029MPa的循环氢气，然后经第一高压压缩机增压至压力为2.5±0.25MPa的循环氢气。这里第一低压压缩机可以采用低压机组-螺旋充油压缩机或低压干活塞多级压缩机，第一高压压缩机可以采用高压机组-干活塞多级压缩机。

（2）将增压后的循环氢气依次输送至氢气液化装置中的氢气液化冷箱、液氢液化冷箱内，为氢气液化冷箱、液氢液化冷箱提供冷量；

（3）将从液氢液化冷箱输出的循环氢气重新依次输送至液氢液化冷箱、氢气液化冷箱内，二次为液氢液化冷箱、氢气液化冷箱提供冷量后重新回到第一压缩机组内进行增压；

（4）循环上述各步骤。

在实际使用过程中，液氮预冷工艺的步骤（2）中从第二热交换器中输出的液氮经第一截止阀606后进入气液分离器605中进行气液分离。液氮预冷工艺的步骤（4）中从气液分离器605输出的液氮经第二截止阀607后进入氢气液化冷箱101内，为氢气液化冷箱101提供冷量后重新回到压缩机内进行初步增压。

循环氢气预冷工艺的步骤（2）中所述的液氢液化冷箱102包括：热交换器B3、热交换器C4、热交换器D5、热交换器E6、热交换器F7、第二反应器8、第二透平膨胀机组和第三透平膨胀机组。将增压后的循环氢气依次输送至热交换器A1、第一反应器2、第二压缩机组、热交换器B3后分两路循环氢气：一路循环氢气依次输送至热交换器C4、热交换器D5、热交换器E6、热交换器F7、第二反应器8，为热交换器C4、热交换器D5、热交换器E6、热交换器F7、第二反应器8提供冷量后返回热交换器F7中，然后依次输送至热交换器E6、热交换器D5、热交换器C4、热交换器B3、热交换器A1中，为热交换器F7、热交换器E6、热交换器D5、热交换器C4、热交换器B3、热交换器A1二次提供冷量后重新回到第一压缩机组中，形成第一路循环氢气预冷循环回路。另一路循环氢气经第二透平膨胀机组压缩、膨胀节流降温后进入热交换器D5，为热交换器D5提供冷量后经第三透平膨胀机组压缩、膨胀节流降温后进入热交换器E6，为热交换器E6提供冷量后依次输送至热交换器D5、热交换器C4、热交换器B3、热交换器A1，为热交换器D5、热交换器C4、热交换器B3、热交换器A1提供冷量后重新回到第一压缩机组中，形成第二路循环氢气预冷循环回路。所述第二透平膨胀机组的膨胀压力为1.58MPaA，所述第三透平膨胀机组的膨胀压力为0.25MPaA。

所述的第二压缩机组由第二低压压缩机和第二高压压缩机构成，从第一反应器2输出的循环氢气经第二低压压缩机增压至压力为0.29±0.029MPa的循环氢气，然后经第二高压压缩机增压至压力为2.5±0.25MPa的循环氢气。这里第二低压压缩机可以采用低压机组-螺旋充油压缩机或低压干活塞多级压缩机，第二高压压缩机可以采用高压机组-干活塞多级压缩机。

为进一步提高氢气液化装置运行的可靠性，在循环氢气预冷的过程中还可以设置净化元器件对循环氢气进行净化处理。如：设置第一吸附器303，从第一反应器2输出的循环氢气经第一吸附器303吸附处理后进入第二压缩机组中。在实际使用过程中，也可采用低温二重单元转换吸附器来替换单一的第一吸附器303，该低温二重单元转换吸附器由能清除杂质的第一吸附器303和能清除杂质的第二吸附器组成，第一吸附器303和第二吸附器中吸附剂为能热力再生的细孔沸石；低温二重单元转换吸附器在正常工作时，若第一吸附器303正常工作，则第二吸附器热力再生；反之，若第二吸附器正常工作，则第一吸附器303热力再生。第一吸附器303和第二吸附器可以采用供应热载体的套筒结构，为了提高第一吸附器303和第二吸附器中的吸附剂的再生强度，可采用热真空再生，如使用独立的高真空护罩或多层真空屏蔽绝缘护罩。在实际使用过程中，为保证第一吸附器303和第二吸附器中的吸附剂不受吸附剂机械破坏物质的影响，通常在位于低温二重单元转换吸附器进气口端的循环管道403上设置机械过滤器（图中未示出），机械过滤器中的金属滤芯的过滤精度不超过40微米，一般也可采用过滤精度不超过10微米的滤芯。所述的机械过滤器可以通过加温/预冷方式再生进行自我净化。

以上所述仅是本发明的较佳实施例，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明要求保护的范围。

本发明的优点是：该装置采用双极预冷方式，既能回收利用从液氢储罐中汽化的低温气态氢，还能有效降低液氮的消耗量，相比传统液氮预冷装置消耗量减少30%左右，降低成本。

Claims (10)

1.氢气液化预冷装置，其特征在于：包括：液氢储罐、液氮预冷装置、氢气液化冷箱、液氢液化冷箱、第一压缩机组和第二压缩机组；

所述氢气液化冷箱包括：热交换器A和第一反应器；在热交换器A中设置有第一液氮通道、循环氢气通道A、第一循环氢气返回通道A、第二循环氢气返回通道A，所述的第一液氮通道、循环氢气通道A、第一循环氢气返回通道A和第二循环氢气返回通道A相互独立；在第一反应器中设置有第二液氮通道和第一循环氢气通道，所述的第二液氮通道和第一循环氢气通道相互独立；

所述的液氢液化冷箱包括：热交换器B、热交换器C、热交换器D、热交换器E、热交换器F、第二反应器、第二透平膨胀机组和第三透平膨胀机组；在热交换器B中设置有循环氢气通道B、第一循环氢气返回通道B和第二循环氢气返回通道B，所述的循环氢气通道B、第一循环氢气返回通道B和第二循环氢气返回通道B相互独立；在热交换器C中设置有循环氢气通道C、第一循环氢气返回通道C和第二循环氢气返回通道C，所述的循环氢气通道C、第一循环氢气返回通道C和第二循环氢气返回通道C相互独立；在热交换器D中设置有循环氢气通道D、第一循环氢气返回通道D、第二循环氢气返回通道D和氢气膨胀通道，所述的循环氢气通道D、第一循环氢气返回通道D、第二循环氢气返回通道D和氢气膨胀通道相互独立；在热交换器E中设置有循环氢气通道E、第一循环氢气返回通道E和第二循环氢气返回通道E，所述的循环氢气通道E、第一循环氢气返回通道E和第二循环氢气返回通道E相互独立；在热交换器F中设置有循环氢气通道F和第一循环氢气返回通道F，所述的循环氢气通道F和第一循环氢气返回通道F相互独立；在第二反应器中设置有第一循环氢气返回通道G；

在液氢储罐的蒸发气体出口设置有第二分支管道，第二分支管道与第一压缩机组相连接，第一压缩机组通过循环管道依次与热交换器A中的循环氢气通道A、第一反应器中的第一循环氢气通道、第二压缩机组、热交换器B中的循环氢气通道B的进气口相连接；在循环氢气通道B的出气口设置有第三分支管道和第四分支管道：

第三分支管道与热交换器C中的循环氢气通道C相连接，热交换器C中的循环氢气通道C通过第一循环管道依次与热交换器D中的循环氢气通道D、热交换器E中的循环氢气通道E、热交换器F中的循环氢气通道F与第二反应器中的第一循环氢气返回通道G的进气口相连接，第一循环氢气返回通道G的出气口通过第一循环氢气返回管道依次与热交换器F的第一循环氢气返回通道F、热交换器E的第一循环氢气返回通道E、热交换器D的第一循环氢气返回通道D、热交换器C中的第一循环氢气返回通道C、热交换器B中的第一循环氢气返回通道B、热交换器A中的第一循环氢气返回通道A后与第二分支管道汇合连接，而后与第一压缩机组相连接；

第四分支管道与第二透平膨胀机组相连接，第二透平膨胀机组通过第二循环管道依次与热交换器D中的氢气膨胀通道、第三透平膨胀机组与热交换器E中的第二循环氢气返回通道E的进气口相连接，第二循环氢气返回通道E的出气口通过第二循环氢气返回管道依次与热交换器D中的第二循环氢气返回通道D、热交换器C中的第二循环氢气返回通道C、热交换器B中的第二循环氢气返回通道B、热交换器A中的第二循环氢气返回通道A后与第二分支管道汇合连接，而后与第一压缩机组相连接。

2.按照权利要求1所述的氢气液化预冷装置，其特征在于：所述的液氮预冷装置包括：压缩机、KT透平膨胀压缩机、第一热交换器、第二热交换器和气液分离器；在第一热交换器中设置有氮气通道和第一循环通道，氮气通道和第一循环通道相互独立；在第二热交换器中设置有液氮通道和第二循环通道，液氮通道和第二循环通道相互独立；原料氮气通过第一氮气连接管道依次与压缩机、KT透平膨胀压缩机的K回路与第一热交换器中的氮气通道的进气口相连接，在氮气通道的出气口处设置有第一分支氮气管道和第二分支氮气管道，氮气通道的出气口分别与第一分支氮气管道、第二分支氮气管道相连接，氮气通道通过第一分支氮气管道依次与第二热交换器中的液氮通道、气液分离器相连接，气液分离器的液氮出口通过第二氮气连接管道依次与氢气液化冷箱、压缩机相连接，形成第一路氮制冷循环回路；氮气通道通过第二分支氮气管道依次与KT透平膨胀压缩机的T回路、第二热交换器中的第二循环通道、第一热交换器中的第一循环通道、压缩机相连接，形成第二路氮制冷循环回路；气液分离器中的氮气出口通过第三连接氮气管道与第二热交换器中的第二循环通道的进气口相连接。

3.按照权利要求2所述的氢气液化预冷装置，其特征在于：所述的压缩机为无油离心涡轮压缩机；在第二热交换器中的液氮通道的出气口与气液分离器之间的第一分支氮气管道上设置有第一截止阀；在气液分离器的液氮出口与氢气液化冷箱之间的第二氮气连接管道上设置有第二截止阀。

4.按照权利要求2或3所述的氢气液化预冷装置，其特征在于：在气液分离器的液氮出口与氢气液化冷箱之间的第二氮气连接管道上还设置有第三分支氮气管道，第三分支氮气管道与至少一个液氮储罐相连接。

5.按照权利要求1所述的氢气液化预冷装置，其特征在于：所述的第一压缩机组由第一低压压缩机和第一高压压缩机构成；第二分支管道依次与第一低压压缩机、第一高压压缩机相连接；所述的第二压缩机组由第二低压压缩机和第二高压压缩机构成；循环管道依次与热交换器A中的循环氢气通道A、第一反应器中的第一循环氢气通道、第二低压压缩机、第二高压压缩机相连接。

6.按照权利要求1所述的氢气液化预冷装置，其特征在于：在位于第一反应器中的第一循环氢气通道的出气口与第二压缩机组之间的循环管道上设置有第一吸附器。

7.按照权利要求6所述的氢气液化预冷装置，其特征在于：在位于第一反应器中的第一循环氢气通道的出气口与第二压缩机组之间的循环管道上设置有低温二重单元转换吸附器，所述的低温二重单元转换吸附器由第一吸附器和第二吸附器组成，第一吸附器和第二吸附器中的吸附剂均能热力再生；低温二重单元转换吸附器在正常工作时，若第一吸附器正常工作，则第二吸附器热力再生；第二吸附器正常工作，则第一吸附器热力再生。

8.按照权利要求7所述的氢气液化预冷装置，其特征在于：在位于低温二重单元转换吸附器进气口端的循环管道上设置过滤器。

9.按照权利要求8所述的氢气液化预冷装置，其特征在于：所述的过滤器为机械过滤器，机械过滤器中的金属滤芯的过滤精度不超过40微米，且机械过滤器可以通过加温或预冷方式再生进行自我净化。

10.按照权利要求1所述的氢气液化预冷装置，其特征在于：在热交换器A、第一反应器、热交换器B、热交换器C、热交换器D、热交换器E、热交换器F、第二反应器中均分别设置有温度传感器、压力传感器和流量传感器。