CN113701447A - 氢液化循环系统及氢液化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种氢液化循环系统及氢液化装置，氢液化系统包括压缩机、多个换热器以及多个超音速两相膨胀机；预冷管路，至少流经一个换热器；液化管路，气态氢气在液化管路依次流经压缩机、至少一个与预冷管路相共用的换热器到达超音速两相膨胀机，超音速两相膨胀机包括出液侧和出气侧，超音速两相膨胀机的出液侧连接有液氢储罐，超音速两相膨胀机的出气侧流经换热器返回压缩机参与液化循环。由此，本发明通过预冷管路对气态氢气进行预冷，使得气态氢气先预冷降温，然后通过超音速两相膨胀机进一步膨胀制冷、液化，得到液氢，氢液化流程更加简单、能耗更低，且无运动部件的超音速两相膨胀机可以使得系统运行过程中安全性更高、稳定性更强。

Description

氢液化循环系统及氢液化装置
技术领域
本发明涉及氢液化技术领域，尤其涉及一种氢液化循环系统及氢液化装置。
背景技术
以气候变化为核心的全球环境问题日益严重，已经成为威胁人类可持续发展的重要挑战，为避免对气候系统造成不可逆转的不利影响，必须采取措施减少和控制温室气体的产生和排放，削减以CO2为主的温室气体排放已成为当今国际社会关注的热点。减少化石能源使用、大力开发利用清洁的氢能是解决CO2排放的重要途经。氢能利用需要解决制取、储运和应用等一系列问题，而储运是其中的重要关键，液态氢的密度远高于气态氢，因此相同体积下液氢能够提供更高的能量密度，伴随氢能大规模开发应用，氢液化将成为一项重要的研究课题。
按制冷方式，氢液化循环主要有：预冷型Linde-Hampson循环、预冷型Claude循环和氦制冷的氢液化循环；改进的氢液化循环主要有：氮预冷循环、氦预冷循环、Joule-Brayton预冷循环、混合制冷剂预冷循环、LNG预冷循环和级联循环。但目前的氢液化循环具有流程复杂、能耗较高、采用高速旋转透平膨胀机存在运行不安全和不稳定的隐患等问题。
发明内容
本发明实施例提供一种氢液化循环系统，用以解决现有技术中氢液化循环具有流程复杂、能耗较高、采用高速旋转透平膨胀机存在运行不安全和不稳定的技术问题。
本发明实施例提供一种氢液化循环系统，包括：压缩机、多个换热器以及多个超音速两相膨胀机；
预冷管路，至少流经一个所述换热器；
液化管路，气态氢气在所述液化管路依次流经所述压缩机、至少一个与所述预冷管路相共用的所述换热器到达所述超音速两相膨胀机，所述超音速两相膨胀机包括出液侧和出气侧，所述超音速两相膨胀机的出液侧连接有液氢储罐，所述超音速两相膨胀机的出气侧流经所述换热器返回所述压缩机参与液化循环。
根据本发明一个实施例的氢液化循环系统，所述换热器包括第一换热器、第二换热器以及第三换热器，所述第一换热器和所述第二换热器并列设置，所述第三换热器与所述超音速两相膨胀机相连接；
所述预冷管路依次流经所述第三换热器和所述第一换热器；
所述液化管路依次流经所述第一换热器和所述第二换热器，汇合后流至所述第三换热器。
根据本发明一个实施例的氢液化循环系统，所述预冷管路的制冷工质为液氮，液氮依次流经所述第三换热器和所述第一换热器。
根据本发明一个实施例的氢液化循环系统，所述超音速两相膨胀机出气侧还连接节流阀和与所述节流阀相连接的气液分离器；
所述气液分离器一端与所述液氢储罐相连接，另一端连接所述第二换热器。
根据本发明一个实施例的氢液化循环系统，所述换热器包括与所述压缩机相连接的第一换热器、第二换热器以及第三换热器；
所述预冷管路依次流经所述第二换热器和所述第一换热器；
所述液化管路依次流经所述第一换热器、所述第二换热器以及所述第三换热器至所述超音速两相膨胀机。
根据本发明一个实施例的氢液化循环系统，所述预冷管路中的工质为液氮，液氮依次流经所述第二换热器和所述第一换热器。
根据本发明一个实施例的氢液化循环系统，所述超音速两相膨胀机的数量为两个，并分别对应第一超音速两相膨胀机和第二超音速两相膨胀机；
所述液化管路流经所述第一换热器和所述第二换热器分流至所述第一超音速两相膨胀机和所述第二超音速两相膨胀机。
根据本发明一个实施例的氢液化循环系统，所述第一超音速两相膨胀机包括出液侧和出气侧，所述第一超音速两相膨胀机的出液侧设有第一液氢储罐，所述第一超音速两相膨胀机的出气侧依次连接有第一节流阀和第一气液分离器，所述第一气液分离器一端与所述第一液氢储罐相连接，另一端连接所述第三换热器；
所述第二超音速两相膨胀机包括出液侧和出气侧，所述第二超音速两相膨胀机的出液侧设有第二液氢储罐，所述第二超音速两相膨胀机的出气侧依次连接有第二节流阀和第二气液分离器，所述第二气液分离器一端与所述第二液氢储罐相连接，另一端连接所述第三换热器。
根据本发明一个实施例的氢液化循环系统，所述超音速两相膨胀机包括依次连接的旋流装置、喷管、旋流分离段、排液结构以及扩压器，所述旋流装置远离所述喷管一端对应所述超音速两相膨胀机的进气侧，所述排液结构的排液口对应所述超音速两相膨胀机的出液侧，所述扩压器远离所述旋流分离段一侧对应所述超音速两相膨胀机的出气侧。
本发明实施例还提供一种氢液化装置，包括：上述的氢液化循环系统。
本发明实施例提供的氢液化循环系统及氢液化装置，氢液化循环系统通过预冷管路对气态氢气进行预冷，使得气态氢气先预冷降温，然后通过超音速两相膨胀机进一步膨胀制冷、液化，得到液氢，氢液化流程更加简单、能耗更低，且无运动部件的超音速两相膨胀机可以使得系统运行过程中安全性更高、稳定性更强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的氢液化循环系统的示意图；
图2为图1所示的超音速两相膨胀机的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的氢液化循环系统第二实施例的示意图；
图4为本发明实施例提供的氢液化循环系统第三实施例的示意图；
图5为本发明实施例提供的氢液化循环系统第四实施例的示意图；
附图标记：
10、压缩机；
20、换热器；210、第一换热器；220、第二换热器；230、第三换热器；
30、超音速两相膨胀机；310、节流阀；320、气液分离器；330、第一超音速两相膨胀机；3310、第一液氢储罐；3320、第一节流阀；3330、第一气液分离器；340、第二超音速两相膨胀机；3410、第二液氢储罐；3420、第二节流阀；3430、第二气液分离器；350、旋流装置；360、喷管；370、旋流分离段；380、排液结构；390、扩压器；
40、预冷管路；
50、液化管路；
60、液氢储罐。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面结合图1，本发明提供一种氢液化循环系统，包括压缩机10、多个换热器20以及多个超音速两相膨胀机30，还包括预冷管路40和液化管路50，预冷管路40流经至少一个换热器20，气态氢气在所述液化管路50依次流经所述压缩机10、至少一个与所述预冷管路40相共用的所述换热器20到达所述超音速两相膨胀机30，所述超音速两相膨胀机30包括出液侧和出气侧，所述超音速两相膨胀机30的出液侧连接有液氢储罐60，所述超音速两相膨胀机30的出气侧流经所述换热器20返回所述压缩机10参与液化循环。本发明提供的氢液化循环系统通过预冷管路40对气态氢气进行预冷，使得气态氢气先预冷降温，然后通过超音速两相膨胀机30进一步膨胀制冷、液化，得到液氢，氢液化流程更加简单、能耗更低，且无运动部件的超音速两相膨胀机30可以使得系统运行过程中安全性更高、稳定性更强。
在本发明可行的一实施例中，所述换热器20包括第一换热器210、第二换热器220以及第三换热器230，所述第一换热器210和所述第二换热器220并列设置，所述第三换热器230与所述超音速两相膨胀机30相连接；所述预冷管路40依次流经所述第三换热器230和所述第一换热器210；所述液化管路50依次流经所述第一换热器210和所述第二换热器220，汇合后流至所述第三换热器230。对于预冷管路40，预冷管路40内的制冷工质为液氮，液氮依次流经第三换热器230和第一换热器210对气态氢气流经第一换热器210时进行换热，以对气态氢气进行预冷降温。所述超音速两相膨胀机30出气侧还连接节流阀310和与所述节流阀310相连接的气液分离器320；所述气液分离器320一端与所述液氢储罐60相连接，另一端连接所述第二换热器220。
系统在运行时，液氮依次流经第三换热器230和第一换热器210，同时气态氢气流经压缩机10并分流两路，一条路流经第一换热器210与第一换热器210内的低温液氮进行换热，以对气态氢气进行降温。另一条路流经第二换热器220并在第一换热器210的出口侧汇合共同流至第三换热器230，与第三换热器230内的低温液氮进行换热，以对气态氢气进一步降温，此时液化管路50内的氢气可以达到液氮的温度。第三换热器230和第一换热器210对气态氢气进行换热降温，实现对气态氢气的逐级降温，使得气态氢气可以完全达到液氮的温区。通过第三换热器230后，液化管路50进而流至超音速两相膨胀机30。
请参照图2，对于超音速两相膨胀机30包括依次连接的旋流装置350、喷管360、旋流分离段370、排液结构380以及扩压器390，所述旋流装置350远离所述喷管360一端对应所述超音速两相膨胀机30的进气侧，所述排液结构380的排液口对应所述超音速两相膨胀机30的出液侧，所述扩压器390远离所述旋流分离段370一侧对应所述超音速两相膨胀机30的出气侧。当液化管路50流至超音速两相膨胀机30时，预冷后的氢气通过旋流装置350产生巨大的离心力，在喷管360中等熵膨胀降温降压产生低温效应，温度降低后氢气产生凝结成核、生成液滴并进一步生长，低温液相由于旋转产生的切向速度和离心作用在旋流分离段370旋流分离，并经排液结构380排出至液氢储罐60。剩余氢气经扩压器390减速升压后通过节流阀310，在节流阀310处节流膨胀降温后进入气液分离器320，低温液氢流入液氢储罐60，低温气氢通过第二换热器220充分换热器20后，与压缩机10侧的进口处补充的氢气混合重新进入压缩机10内，完成循环。
请参照图3，需要说明的是，在其他实施例中，在超音速两相膨胀机30完成气液分离后，剩余氢气不经过节流阀310进行节流，而是直接通过第二换热器220充分换热后与压缩机10进口侧补充的氢气混合重新参与循环。虽然没有节流产生一部分液氢，但是也没有在节流过程中产生一定的压力损失，因此压缩机10所需要的的压缩功大大减小，系统能耗降低。
请参照图4，在本发明可行的实施例中，预冷管路40依次流经所述第二换热器220和所述第一换热器210；所述液化管路50依次流经所述第一换热器210、所述第二换热器220以及所述第三换热器230至所述超音速两相膨胀机30。所述预冷管路40中的工质为液氮，液氮依次流经所述第二换热器220和所述第一换热器210。同时，对于超音速两相膨胀机30，超音速两相膨胀机30的数量为两个，并分别对应第一超音速两相膨胀机330和第二超音速两相膨胀机340；所述液化管路50流经所述第一换热器210和所述第二换热器220分流至所述第一超音速两相膨胀机330和所述第二超音速两相膨胀机340。
对于第一超音速两相膨胀机330和第二超音速两相膨胀机340，所述第一超音速两相膨胀机330包括出液侧和出气侧，所述第一超音速两相膨胀机330的出液侧设有第一液氢储罐3310，所述第一超音速两相膨胀机330的出气侧依次连接有第一节流阀3320和第一气液分离器3330，所述第一气液分离器3330一端与所述第一液氢储罐3310相连接，另一端连接所述第三换热器230；所述第二超音速两相膨胀机340包括出液侧和出气侧，所述第二超音速两相膨胀机340的出液侧设有第二液氢储罐3410，所述第二超音速两相膨胀机340的出气侧依次连接有第二节流阀3420和第二气液分离器3430，所述第二气液分离器3430一端与所述第二液氢储罐3410相连接，另一端连接所述第三换热器230。
系统在运行时，气态氢气经过压缩机10压缩升温升压后，依次通过第一换热器210、第二换热器220与液氮充分换热，此时氢气温度可以预冷至液氮温区，预冷后的氢气一部分进入第一超音速两相膨胀机330，另一部分继续与第三换热器230进行换热后进入第二超音速两相膨胀机340。进入第一超音速两相膨胀机330的氢气通过旋流装置350产生较大的离心力，在喷管360中等熵膨胀降温降压产生低温效应，温度降低后氢气产生凝结成核、生成液滴并进一步生长，低温液相由于旋转产生的切向速度和离心作用在旋流分离段370旋流分离经排液结构380排出至第一液氢储罐3310，剩余氢气经扩压器390减速升压后通过第一节流阀3320，在第一节流阀3320中节流膨胀降温后进入第一气液分离器3330，低温液氢流入第一液氢储罐3310。进入第二超音速两相膨胀机340的氢气，在旋流装置350产生较大的离心力，在喷管360中等熵膨胀降温降压产生低温效应，温度降低后氢气产生凝结成核、生成液滴并进一步生长，低温液相由于旋转产生的切向速度和离心作用在旋流分离段370旋流分离经排液结构380排出至第二液氢储罐3410，剩余氢气经扩压器390减速升压后通过第二节流阀3420，在其中发生节流膨胀降温作用后进入第二气液分离器3430，低温液氢流入第二液氢储罐3410。低温气氢与第一气液分离器3330流出的低温气氢混合，依次通过第三换热器230、第二换热器220以及第一换热器210充分换热，随后与补充的氢气混合，与压缩机10进口侧相接通，重新进入压缩机10，完成循环。
请参照图5，在其他可行的实施例中，同时设置第一超音速两相膨胀机330和第二超音速两相膨胀机340时，可以不在第一超音速两相膨胀机330一侧设置第一节流阀3320和第一气液分离器3330，也不在第二超音速两相膨胀机340一侧设置第二节流阀3420和第二气液分离器3430。
当系统运行时，在第一超音速两相膨胀机330内完成气液分离后，第一超音速两相膨胀机330的出液口产生的液态氢气可以流至第一液氢储罐3310，第一超音速两相膨胀机330的出气口产生的低温气态氢气输送至第三换热器230。第二超音速两相膨胀机340完成气液分离后，第二超音速两相膨胀机340的出液口产生的液态氢气可以流至第二液氢储罐3410，第二超音速两相膨胀机340的出气口产生的低温气态氢气与第一超音速两相膨胀机330的出气口至第三换热器230的管路相连通，第一超音速两相膨胀机330的出气口与第二超音速两相膨胀机340的出气口输送的气态氢气混合后流至第三换热器230，并依次流经第二换热器220、第一换热器210，与补充的氢气混合，随后从压缩机10的进气口侧重新进入压缩机10参与循环。相较于在第一超音速两相膨胀机330和第二超音速两相膨胀机340一侧设置节流阀310和气液分离器320，本实施例可以避免节流过程产生的压力损失，因此对于压缩机10的压缩功大大减小，系统能耗降低。
在本发明可行的实施例中，还提出保护一种氢液化装置，包括上述的氢液化循环系统。
综上所述，本发明提出一种氢液化循环系统，氢液化循环系统通过预冷管路40对气态氢气进行预冷，使得气态氢气先预冷降温，然后通过超音速两相膨胀机30进一步膨胀制冷、液化，得到液氢，氢液化流程更加简单、能耗更低，且无运动部件的超音速两相膨胀机30可以使得系统运行过程中安全性更高、稳定性更强。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种氢液化循环系统，其特征在于，包括：
压缩机、多个换热器以及多个超音速两相膨胀机；
预冷管路，至少流经一个所述换热器；
液化管路，气态氢气在所述液化管路依次流经所述压缩机、至少一个与所述预冷管路相共用的所述换热器到达所述超音速两相膨胀机，所述超音速两相膨胀机包括出液侧和出气侧，所述超音速两相膨胀机的出液侧连接有液氢储罐，所述超音速两相膨胀机的出气侧流经所述换热器返回所述压缩机参与液化循环。
2.根据权利要求1所述的氢液化循环系统，其特征在于，所述换热器包括第一换热器、第二换热器以及第三换热器，所述第一换热器和所述第二换热器并列设置，所述第三换热器与所述超音速两相膨胀机相连接；
所述预冷管路依次流经所述第三换热器和所述第一换热器；
所述液化管路依次流经所述第一换热器和所述第二换热器，汇合后流至所述第三换热器。
3.根据权利要求2所述的氢液化循环系统，其特征在于，所述预冷管路的制冷工质为液氮，液氮依次流经所述第三换热器和所述第一换热器。
4.根据权利要求2所述的氢液化循环系统，其特征在于，所述超音速两相膨胀机出气侧还连接节流阀和与所述节流阀相连接的气液分离器；
所述气液分离器一端与所述液氢储罐相连接，另一端连接所述第二换热器。
5.根据权利要求1所述的氢液化循环系统，其特征在于，所述换热器包括与所述压缩机相连接的第一换热器、第二换热器以及第三换热器；
所述预冷管路依次流经所述第二换热器和所述第一换热器；
所述液化管路依次流经所述第一换热器、所述第二换热器以及所述第三换热器至所述超音速两相膨胀机。
6.根据权利要求5所述的氢液化循环系统，其特征在于，所述预冷管路中的工质为液氮，液氮依次流经所述第二换热器和所述第一换热器。
7.根据权利要求5所述的氢液化循环系统，其特征在于，所述超音速两相膨胀机的数量为两个，并分别对应第一超音速两相膨胀机和第二超音速两相膨胀机；
所述液化管路流经所述第一换热器和所述第二换热器分流至所述第一超音速两相膨胀机和所述第二超音速两相膨胀机。
8.根据权利要求7所述的氢液化循环系统，其特征在于，所述第一超音速两相膨胀机包括出液侧和出气侧，所述第一超音速两相膨胀机的出液侧设有第一液氢储罐，所述第一超音速两相膨胀机的出气侧依次连接有第一节流阀和第一气液分离器，所述第一气液分离器一端与所述第一液氢储罐相连接，另一端连接所述第三换热器；
所述第二超音速两相膨胀机包括出液侧和出气侧，所述第二超音速两相膨胀机的出液侧设有第二液氢储罐，所述第二超音速两相膨胀机的出气侧依次连接有第二节流阀和第二气液分离器，所述第二气液分离器一端与所述第二液氢储罐相连接，另一端连接所述第三换热器。
9.根据权利要求1所述的氢液化循环系统，其特征在于，所述超音速两相膨胀机包括依次连接的旋流装置、喷管、旋流分离段、排液结构以及扩压器，所述旋流装置远离所述喷管一端对应所述超音速两相膨胀机的进气侧，所述排液结构的排液口对应所述超音速两相膨胀机的出液侧，所述扩压器远离所述旋流分离段一侧对应所述超音速两相膨胀机的出气侧。
10.一种氢液化装置，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的氢液化循环系统。
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