CN113701450A - 氢超音速两相直接膨胀液化系统及氢液化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种氢超音速两相直接膨胀液化系统及氢液化装置，包括液化管路和预冷管路，液化管路中的气态氢气依次流经氢压缩机、第一换热器至第一超音速两相膨胀机，第一超音速两相膨胀机的出液侧连接有液氢储罐，第一超音速两相膨胀机的出气侧流通至第一换热器到达氢压缩机的进口侧。对于预冷管路包括第一预冷管路和第二预冷管路对氢气进行预冷。由此，通过预冷可以将液化管路内的气态氢气进行快速降温，而且以超音速两相膨胀机作为膨胀制冷装置，其具有无运动部件安全、可靠、结构简单紧凑、可实现在两相区膨胀的优势。

Description

氢超音速两相直接膨胀液化系统及氢液化装置
技术领域
本发明涉及氢液化技术领域，尤其涉及一种氢超音速两相直接膨胀液化系统及氢液化装置。
背景技术
随着煤炭、石油等化石能源大量开采，人类面临着开发高效、清洁二次能源的艰巨挑战，氢作为能源载体和地球上最丰富的元素，是化石能源向可再生能源过渡的重要桥梁之一。氢能利用需要解决制取、储运和应用等一系列问题，而储运则是氢能应用的重要关键，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，氢液化将成为社会发展和能源利用的重要课题。
目前的氢液化系统采用高速旋转的透平膨胀机作为膨胀制冷装置，其具有机械运动部件存在运行不安全和不稳定的隐患；并且透平膨胀机结构复杂、加工难度大、维护成本高；此外透平膨胀机在工作时不能带液工作，否则会造成叶片损坏等严重问题。
发明内容
本发明实施例提供一种氢超音速两相直接膨胀液化系统及氢液化装置，用以解决现有技术中氢液化系统运行安全性不高且稳定性不强的技术问题。
本发明实施例提供一种氢超音速两相直接膨胀液化系统，包括：液化管路，设有氢压缩机、第一换热器以及与所述第一换热器相连接的第一超音速两相膨胀机；
所述液化管路中的气态氢气依次流经所述氢压缩机、所述第一换热器至所述第一超音速两相膨胀机，所述第一超音速两相膨胀机的出液侧连接有液氢储罐，所述第一超音速两相膨胀机的出气侧流通至所述第一换热器到达所述氢压缩机的进口侧；
预冷管路，包括第一预冷管路，所述第一预冷管路设有氮压缩机、第二换热器以及第二超音速两相膨胀机；
所述第二超音速两相膨胀机的出液侧流经所述第一换热器到达所述氮压缩机的进口侧并流至所述超音速两相膨胀机的进口侧，所述第二超音速两相膨胀机的出气侧流至所述氮压缩机的进口侧；
所述预冷管路还包括第二预冷管路，流经所述第二换热器进行换热。
根据本发明一个实施例的氢超音速两相直接膨胀液化系统，所述第二预冷管路的制冷工质的液化温度高于所述第一预冷管路的制冷工质的液化温度。
根据本发明一个实施例的氢超音速两相直接膨胀液化系统，所述第一预冷管路的制冷工质为氮气，所述第二预冷管路的制冷工质为液态天然气。
根据本发明一个实施例的氢超音速两相直接膨胀液化系统，所述第一超音速两相膨胀机的出气侧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液氢储罐相连接，另一端与所述第一换热器相连接。
根据本发明一个实施例的氢超音速两相直接膨胀液化系统，所述液化管路中在所述第一换热器与所述第一超音速两相膨胀机之间设有第三换热器；
气态氢气依次流经所述氢压缩机、所述第一换热器、所述第三换热器至所述第一超音速两相膨胀机，所述第一超音速两相膨胀机的出液侧连接至所述液氢储罐，所述第一超音速两相膨胀机的出气侧流经所述第三换热器到达所述氢压缩机的进口侧。
根据本发明一个实施例的氢超音速两相直接膨胀液化系统，所述第二超音速两相膨胀机的出气侧与所述第一换热器相连接，所述第二超音速两相膨胀机的出液侧流至所述第三换热器并流向所述第一换热器。
根据本发明一个实施例的氢超音速两相直接膨胀液化系统，所述第一超音速两相膨胀机的出气侧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的一端与所述液氢储罐相连接，所述第二气液分离器的另一端与所述第三换热器相连接并流至所述氢压缩机的进口侧。
根据本发明一个实施例的氢超音速两相直接膨胀液化系统，所述气态氢气流经所述第一换热器后的温度到达液氮温区。
根据本发明一个实施例的氢超音速两相直接膨胀液化系统，所述第一超音速两相膨胀机或者所述第二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第一超音速两相膨胀机或所述第二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第一超音速两相膨胀机或所述第二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第一超音速两相膨胀机或所述第二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，包括上述的氢超音速两相直接膨胀液化系统。
本发明实施例提供的氢超音速两相直接膨胀液化系统及氢液化装置，氢超音速两相直接膨胀液化系统包括预冷管路和液化管路，预冷管路包括第一预冷管路和第二预冷管路，也即可以通过预冷可以将液化管路内的气态氢气进行快速降温，而且以超音速两相膨胀机作为膨胀制冷装置，其具有无运动部件安全、可靠、结构简单紧凑、可实现在两相区膨胀的优势。
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为本发明氢超音速两相直接膨胀液化系统一实施例的示意图；
图2为本发明氢超音速两相直接膨胀液化系统第二实施例的示意图；
图3为图1所示的第一超音速两相膨胀机或者第二超音速两相膨胀机的结构示意图；
图4为本发明氢超音速两相直接膨胀液化系统第三实施例的示意图；
附图标记：
10、液化管路；110、氢压缩机；120、第一换热器；130、第一超音速两相膨胀机；1310、第一节流阀；1320、第一气液分离器；140、液氢储罐；150、第三换热器；160、第二节流阀；170、第二气液分离器；
20、预冷管路；210、第一预冷管路；2110、氮压缩机；2120、第二换热器；2130、第二超音速两相膨胀机；220、第二预冷管路；230、旋流装置；240、喷管；250、旋流分离段；260、排液结构；270、扩压器。
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至图4，本发明实施例提供一种氢超音速两相直接膨胀液化系统，包括液化管路10，液化管路10设有氢压缩机110、第一换热器120以及与第一换热器120相连接的第一超音速两相膨胀机130，液化管路10中的气态氢气依次流经氢压缩机110、第一换热器120至第一超音速两相膨胀机130，第一超音速两相膨胀机130的出液侧连接有液氢储罐140，第一超音速两相膨胀机130的出气侧流通至第一换热器120到达氢压缩机110的进口侧。还包括预冷管路20，预冷管路20包括第一预冷管路210和第二预冷管路220，第一预冷管路210设有氮压缩机2110、第二换热器2120以及第二超音速两相膨胀机2130；第二超音速两相膨胀机2130的出液侧流经第一换热器120到达氮压缩机2110的进口侧并流至超音速两相膨胀机的进口侧，第二超音速两相膨胀机2130的出气侧流至氮压缩机2110的进口侧，第二预冷管路220流经第二换热器2120进行换热。
在本发明可行的实施例中，第二预冷管路220的制冷工质的液化温度高于第一预冷管路210的制冷工质的液化温度。优选地，第一预冷管路210的制冷工质为氮气，第二预冷管路220的制冷工质为液态天然气(LNG)。也即对于第二预冷管路220，第一预冷管路210在经过第二换热器2120时可以与第二预冷管路220流经第二换热器2120的低温液态天然气进行换热，使得流出第二换热器2120的天然气转化为气态。同时氮气先进行一级降温，进而进入第二超音速两相膨胀机2130内继续降温至液氮温度，也即从第二超音速两相膨胀机2130的出液侧流出的液氮流至第一换热器120，与同样流经第一换热器120的气态氢气进行一级降温，降温后的低温氢气进入第一超音速两相膨胀机130继续进行降温、液化，也即第一超音速两相膨胀机130的出液侧流出的为也被液化的液态氢气，最终液态氢气被液氢储罐140进行收集，而对于第一超音速两相膨胀机130的出气侧，将气态氢气返回至第一换热器120，进而流至氢压缩机110的进口侧，进入氢压缩机110继续参与氢液化循环。
请参照图3，第一超音速两相膨胀机130或者第二超音速两相膨胀机2130包括依次连接的旋流装置230、喷管240、旋流分离段250、排液结构260以及扩压器270，旋流装置230远离喷管240一端对应第一超音速两相膨胀机130或第二超音速两相膨胀机2130的进气侧，排液结构260的排液口对应第一超音速两相膨胀机130或第二超音速两相膨胀机2130的出液侧，扩压器270远离旋流分离段250一侧对应第一超音速两相膨胀机130或第二超音速两相膨胀机2130的出气侧。
在本发明可行的实施例中，第一超音速两相膨胀机130的出气侧连接有第一节流阀1310和第一气液分离器1320，第一气液分离器1320一端与液氢储罐140相连接，另一端与第一换热器120相连接。
请参照图1，系统运行时，氮压缩机2110内将氮气压缩升压升温后在第二换热器2120中与第二预冷管路220中的低温液态天然气进行换热，此时氮气被预冷至液态天然气的温区，液态天然气换热后变成气态天然气。被预冷的氮气进入第二超音速两相膨胀机2130，氮气通过旋流装置230产生较大离心力，在喷管240中等熵膨胀降温降压产生低温效应，温度降低后氮气发生凝结成核、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250被甩至管壁经排液结构260排出至第一换热器120，提供液氮温区的制冷温度，气液分离后剩余氮气经扩压器270减速升压后排出，与经第一换热器120后的氮气进行汇合，再共同进入氮压缩机2110中，完成循环。同时，氢压缩机110将氢气进行压缩升压升温后，与第一换热器120流经的液氮进行充分换热，此时氢气被预冷至液氮温区，被预冷的氢气进入第一超音速两相膨胀机130内，氢气通过旋流装置230产生较大离心力，在喷管240中等熵膨胀降温降压产生低温效应，温度降低后氢气发生凝结成核、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250被甩至管壁经排液结构260排出至液氢储罐140，气液分离后，剩余氢气经扩压器270减速升压后排出第一节流阀1310，通过节流降温作用后进入第一气液分离器1320，低温液氢流入至液氢储罐140，低温气氢进入第一换热器120充分换热后与新补充的氢气混合，再共同进入氢压缩机110内，参与循环。通过二级预冷，使得氢气可以逐级进行降温，而且将液态天然气也参与至系统中，对氮气进行预冷，使得氮气利用第二预冷管路220进行降温，再经过第二超音速两相膨胀机2130膨胀液化生成液氮，由此系统只需要提供氮气便可以达到预冷的效果，使得氢气经第一换热器120后便可以达到液氮温区，由此系统对于制冷工质的适应性更强。
请参照图2，在其他实施例中，第一超音速两相膨胀机130一侧还可以不设置第一节流阀1310和第一气液分离器1320，在第一超音速两相膨胀机130完成气液分离后，剩余氢气不经过第一节流阀1310进行节流，而是直接通过第一换热器120充分换热后与新补充的氢气混合，再共同进入氢压缩机110中，完成循环。虽然没有第一节流阀1310产生一部分液氢，但是也没有节流过程产生的压力损失，因此氢压缩机110所需要的的压缩功大大减小。由此可以根据实际应用场景选择不同规格的压缩机以对应设置第一节流阀1310和第一气液分离器1320，在此不做限定。
在本发明可行的实施例中，液化管路10中在第一换热器120与第一超音速两相膨胀机130之间设有第三换热器150；气态氢气依次流经氢压缩机110、第一换热器120、第三换热器150至第一超音速两相膨胀机130，第一超音速两相膨胀机130的出液侧连接至液氢储罐140，第一超音速两相膨胀机130的出气侧流经第三换热器150到达氢压缩机110的进口侧。第二超音速两相膨胀机2130的出气侧与第一换热器120相连接，第二超音速两相膨胀机2130的出液侧流至第三换热器150并流向第一换热器120。第一超音速两相膨胀机130的出气侧连接有第二节流阀160和第二气液分离器170，第二气液分离器170的一端与液氢储罐140相连接，第二气液分离器170的另一端与第三换热器150相连接并流至氢压缩机110的进口侧。
请参照图4，系统运行时，氮压缩机2110将氮气压缩升压升温后在第二换热器2120中与液态天然气进行充分换热，此时氮气被预冷至液态天然气温区，第二预冷管路220的液态天然气换热后变为气态。被预冷的氮气在第一超音速两相膨胀机130中，通过旋流装置230产生巨大离心力，在喷管240中等熵膨胀降温降压产生低温效应，温度降低后氮气发生凝结成核、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250被甩至管壁经排液结构260排出至第三换热器150，提供液氮温区的制冷温度，气液分离后，剩余氮气经扩压器270减速升压后排出，与经第三换热器150换热后的氮气混合，再共同进入第一换热器120充分换热后重新回到氮压缩机2110，完成循环。氢压缩机110将氢气进行升压升温后与第一换热器120进行充分换热，温度降低，随后在第三换热器150与第一预冷管路210中的流经第三换热器150中的液氮进行换热，温度进一步降低，此时的氢气温度可以达到液氮温区，被预冷的氢气进入第一超音速两相膨胀机130内，氢气通过旋流装置230产生巨大离心力，在喷管240中等熵膨胀降温降压产生低温效应，温度降低后氢气发生凝结成核、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250被甩至管壁经排液结构260排出至液氢储罐140，气液分离后，剩余氢气经扩压器270减速升压后排出至第二节流阀160，通过节流降温作用后进入第二气液分离器170，低温液氢流至液氢储罐140，低温气氢进入第三换热器150充分换热后与新补充的氢气混合，再重新进入氢压缩机110内，完成循环。相较于上述的其他实施例，提供第三换热器150的设置实现阶梯换热，减小换热过程中的传热损失，从而减少系统的能耗。
在本发明可行的实施例中，还提供一种氢液化装置，包括上述的氢超音速两相直接膨胀液化系统。
综上，氢超音速两相直接膨胀液化系统包括预冷管路20和液化管路10，预冷管路20包括第一预冷管路210和第二预冷管路220，也即通过预冷可以将液化管路10内的气态氢气进行快速降温，而且以超音速两相膨胀机作为膨胀制冷装置，其具有无运动部件安全、可靠、结构简单紧凑、可实现在两相区膨胀的优势。
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)

1.一种氢超音速两相直接膨胀液化系统，其特征在于，包括：
液化管路，设有氢压缩机、第一换热器以及与所述第一换热器相连接的第一超音速两相膨胀机；
所述液化管路中的气态氢气依次流经所述氢压缩机、所述第一换热器至所述第一超音速两相膨胀机，所述第一超音速两相膨胀机的出液侧连接有液氢储罐，所述第一超音速两相膨胀机的出气侧流通至所述第一换热器到达所述氢压缩机的进口侧；
预冷管路，包括第一预冷管路，所述第一预冷管路设有氮压缩机、第二换热器以及第二超音速两相膨胀机；
所述第二超音速两相膨胀机的出液侧流经所述第一换热器到达所述氮压缩机的进口侧并流至所述超音速两相膨胀机的进口侧，所述第二超音速两相膨胀机的出气侧流至所述氮压缩机的进口侧；
所述预冷管路还包括第二预冷管路，流经所述第二换热器进行换热。
2.根据权利要求1所述的氢超音速两相直接膨胀液化系统，其特征在于，所述第二预冷管路的制冷工质的液化温度高于所述第一预冷管路的制冷工质的液化温度。
3.根据权利要求2所述的氢超音速两相直接膨胀液化系统，其特征在于，所述第一预冷管路的制冷工质为氮气，所述第二预冷管路的制冷工质为液态天然气。
4.根据权利要求1所述的氢超音速两相直接膨胀液化系统，其特征在于，所述第一超音速两相膨胀机的出气侧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液氢储罐相连接，另一端与所述第一换热器相连接。
5.根据权利要求1所述的氢超音速两相直接膨胀液化系统，其特征在于，所述液化管路中在所述第一换热器与所述第一超音速两相膨胀机之间设有第三换热器；
气态氢气依次流经所述氢压缩机、所述第一换热器、所述第三换热器至所述第一超音速两相膨胀机，所述第一超音速两相膨胀机的出液侧连接至所述液氢储罐，所述第一超音速两相膨胀机的出气侧流经所述第三换热器到达所述氢压缩机的进口侧。
6.根据权利要求5所述的氢超音速两相直接膨胀液化系统，其特征在于，所述第二超音速两相膨胀机的出气侧与所述第一换热器相连接，所述第二超音速两相膨胀机的出液侧流至所述第三换热器并流向所述第一换热器。
7.根据权利要求5所述的氢超音速两相直接膨胀液化系统，其特征在于，所述第一超音速两相膨胀机的出气侧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的一端与所述液氢储罐相连接，所述第二气液分离器的另一端与所述第三换热器相连接并流至所述氢压缩机的进口侧。
8.根据权利要求7所述的氢超音速两相直接膨胀液化系统，其特征在于，所述气态氢气流经所述第一换热器后的温度到达液氮温区。
9.根据权利要求1所述的氢超音速两相直接膨胀液化系统，其特征在于，所述第一超音速两相膨胀机或者所述第二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第一超音速两相膨胀机或所述第二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第一超音速两相膨胀机或所述第二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第一超音速两相膨胀机或所述第二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任一项所述的氢超音速两相直接膨胀液化系统。
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