CN114543441B - 一种氦膨胀联合混合冷剂制冷的氢气液化系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种氦膨胀联合混合冷剂制冷的氢气液化系统及方法。一种氦膨胀联合混合冷剂制冷的氢气液化系统，包括：换热单元；低温吸附单元；正仲氢转换单元；氦气压缩单元；氦气膨胀单元；冷剂循环处理单元；第一管路；第二管路，用于连接氦气压缩单元、第一换热器的氦气通道、第二换热器的氦气通道、第一氦气膨胀机、第三换热器的氦气通道和第二氦气膨胀机；所述第二管路在第二换热器和第三换热器之间设有第二分支管路，所述第二分支管路用于连接第三换热器的氦气通道、第四换热器的氦气通道、第三氦气膨胀机、第五换热器的氦气通道和氦气压缩单元；第三管路。本发明不仅工艺流程简单、调节灵活、运行可靠且维护方便。

Description

一种氦膨胀联合混合冷剂制冷的氢气液化系统及方法
技术领域
本发明涉及一种氢气液化系统及方法，具体涉及一种氦膨胀联合混合冷剂制冷的氢气液化系统及方法，属于气体低温液化技术领域。
背景技术
气候变化已成为人类面临的全球性问题，在世界各国以全球协约的方式减少温室气体排放的背景下，零碳排放特点的氢能源成为现代能源发展的一个新趋势，氢能源取代化石能源成为全球能源转型的重大战略方向。
目前，氢的储存形式主要有两种：高压气态和低温液态。高压气态存储是目前最为普遍和直接的储存方式，但钢瓶储量小，且由于压力高使得钢瓶厚重，运输成本非常高。低温液态存储是将氢气冷却到-250℃以下，使其变为液态，存储在低温真空罐中。常压液态氢的密度为气态氢的845倍，相较于气态高压氢，低温液态氢的储运成本大大降低，将成为大规模氢气运输的主要手段。但是，氢气的临界温度和液化温度都很低，需要将氢气冷却到一定温度以下，再节流膨胀产生冷效应，这一特性使氢气的液化过程产生了一定的难度。现有的氢气液化方法主要有液氮预冷的氢气膨胀制冷循环以及液氮预冷的氦气膨胀制冷循环等，存在能耗较高、设备运行工序繁琐、维护操作复杂以及维护成本较高的缺点。
发明内容
基于以上背景，本发明的目的在于提供一种氦膨胀联合混合冷剂制冷的氢气液化系统及方法，工艺流程简单、调节灵活、运行可靠且维护方便，解决背景技术中所述的问题。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种氦膨胀联合混合冷剂制冷的氢气液化系统，包括：
换热单元，所述换热单元包括第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器和第五换热器，每个换热器均具有原料氢气通道和氦气通道，其中第一换热器还具有冷剂循环通道；
低温吸附单元，所述低温吸附单元包括多个并联设置的低温分子筛吸附器；
正仲氢转换单元，所述正仲氢转换单元包括第一正仲氢转换器、第二正仲氢转换器和第三正仲氢转换器；
氦气压缩单元，所述氦气压缩单元包括串联设置的一级氦气压缩机和二级氦气压缩机；
氦气膨胀单元，所述氦气膨胀单元包括第一氦气膨胀机、第二氦气膨胀机和第三氦气膨胀机；
冷剂循环处理单元，所述冷剂循环处理单元包括一级冷剂压缩机、二级冷剂压缩机、液相冷剂分离器、气相冷剂分离器、级间冷剂分离器和末级冷剂分离器；
第一管路，用于连接第一换热器的原料氢气通道、低温吸附单元、第二换热器的原料氢气通道、第三换热器的原料氢气通道、第一正仲氢转换器、第四换热器的原料氢气通道、第二正仲氢转换器、第五换热器的原料氢气通道和第三正仲氢转换器至液氢储罐；
第二管路，用于连接氦气压缩单元、第一换热器的氦气通道、第二换热器的氦气通道、第一氦气膨胀机、第三换热器的氦气通道和第二氦气膨胀机；所述第二管路在第二换热器和第三换热器之间设有第二分支管路，所述第二分支管路用于连接第三换热器的氦气通道、第四换热器的氦气通道、第三氦气膨胀机、第五换热器的氦气通道和氦气压缩单元；
第三管路，用于连接冷剂循环处理单元和第一换热器的冷剂循环通道。
作为优选，所述第一管路包括第一管道、第二管道、第三管道、第四管道、第五管道、第六管道、第七管道、第八管道、第九管道、第十管道、第十一管道、第十二管道、第十三管道、第十四管道和第三节流阀；第一管道用于将净化后的原料氢气输入至第一换热器的原料氢气通道，第一换热器的原料氢气通道通过第二管道连接低温吸附单元后，通过第三管道和第四管道依次连接第二换热器的原料氢气通道和第三换热器的原料氢气通道，然后通过第五管道连接第一正仲氢转换器后通过第六管道返回第三换热器，再通过第七管道连接第四换热器的原料氢气通道，之后通过第八管道连接第二正仲氢转换器后通过第九管道返回第四换热器，又通过第十管道、第三节流阀和第十一管道连接第五换热器的原料氢气通道，通过第十二管道连接第三正仲氢转换器后通过第十三管道返回第五换热器，最后通过第十四管道连接液氢储罐。
作为优选，所述第二管路包括第二十三管道、第二十四管道、第二十五管道、第二十六管道、第二十七管道、第二十八管道、第二十九管道、第三十管道、第三十一管道、第三十二管道、第三十三管道、第三十四管道和第三十五管道；一级氦气压缩机的出口通过第二十三管道、第二十四管道、第二十五管道、第二十六管道、第二十七管道、第二十八管道、第二十九管道、第三十管道和第三十一管道依次连接二级氦气压缩机、第一换热器的氦气通道、第二换热器的氦气通道、第一氦气膨胀机、第三换热器的氦气通道和第二氦气膨胀机的入口，第二氦气膨胀机的出口通过第三十二管道、第三十三管道、第三十四管道和第三十五管道依次连接第三换热器的氦气通道、第二换热器的氦气通道、第一换热器的氦气通道和一级氦气压缩机的入口。
作为优选，所述第二分支管路包括第三十六管道、第三十七管道、第三十八管道、第三十九管道、第四十管道、第四十一管道、第四十二管道、第四十三管道和第四十四管道；第二换热器的氦气通道通过第三十六管道、第三十七管道和第三十八管道依次连接第三换热器的氦气通道、第四换热器的氦气通道和第三氦气膨胀机的入口，第三氦气膨胀机的出口通过第三十九管道、第四十管道、第四十一管道、第四十二管道、第四十三管道和第四十四管道依次连接第五换热器的氦气通道、第四换热器的氦气通道、第三换热器的氦气通道、第二换热器的氦气通道、第一换热器的氦气通道和二级氦气压缩机的入口。
作为优选，所述第三管路包括第四十五管道、第四十六管道、第四十七管道、第四十八管道、第四十九管道、第五十管道、第五十一管道、第五十一管道、第五十二管道、第五十三管道、第五十四管道、第五十五管道、第五十六管道、第五十七管道、第五十八管道、第五十九管道、第六十管道、第一节流阀和第二节流阀；一级冷剂压缩机的出口通过第四十五管道、第四十六管道、第四十七管道、第四十八管道和第四十九管道依次连接级间冷剂分离器、二级冷剂压缩机和末级冷剂分离器，末级冷剂分离器的气相出口通过第五十管道、第五十一管道、第二节流阀和第五十二管道依次连接第一换热器的冷剂循环通道和气相冷剂分离器的入口，气相冷剂分离器的气相出口通过第五十三管道和第五十五管道依次连接第一换热器的冷剂循环通道和一级冷剂压缩机的入口，气相冷剂分离器的液相出口通过第五十四管道和第五十五管道依次连接第一换热器的冷剂循环通道和一级冷剂压缩机的入口，末级冷剂分离器的液相出口通过第五十六管道、第五十七管道、第一节流阀和第五十八管道依次连接第一换热器的冷剂循环通道和液相冷剂分离器的入口，液相冷剂分离器的气相出口通过第五十九管道和第五十五管道依次连接第一换热器的冷剂循环通道和一级冷剂压缩机的入口，液相冷剂分离器的液相出口通过第六十管道和第五十五管道依次连接第一换热器的冷剂循环通道和一级冷剂压缩机的入口。
作为优选，所述第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器和第五换热器还具有闪蒸气复热通道，该氦膨胀联合混合冷剂制冷的氢气液化系统还包括：
闪蒸气回收单元，所述闪蒸气回收单元包括闪蒸气压缩机；
第四管路，用于连接液氢储罐，第五换热器、第四换热器、第三换热器、第二换热器和第一换热器的闪蒸气复热通道，闪蒸气压缩机，以及第一换热器的原料氢气通道。
作为优选，该氦膨胀联合混合冷剂制冷的氢气液化系统不设置氮气制冷单元且无液氮输入。
一种采用上述氦膨胀联合混合冷剂制冷的氢气液化系统进行氢气液化的方法，该方法包括以下步骤：
净化处理后的原料氢气进入第一换热器冷却后，再进入低温分子筛吸附器，去除微量的氧气、氮气、氩气、甲烷等杂质，脱除杂质后的原料氢气继续进入第二换热器和第三换热器冷却，冷却后的原料氢气进入第一正仲氢转换器将部分正氢气转化为仲氢气，然后再返回第三换热器再次冷却后进入第四换热器进一步冷却，之后进入第二正仲氢转换器将更多部分正氢气转化为仲氢气，再返回第四换热器冷却后形成液氢，经过节流降压，进入第五换热器冷却到-250℃以下，过冷的液氢进入第三正仲氢转换器转化仲氢，使仲氢含量达到95％以上，再返回第五换热器冷却后得到产品液氢，进入液氢储罐储存；
用于制冷的低压氦气经过一级氦气压缩机和二级氦气压缩机压缩为高压氦气后进入第一换热器冷却，之后继续进入第二换热器进一步冷却，冷却后的高压氦气分为两路：一路进入第一氦气膨胀机进行膨胀降温后在进入第三换热器进一步冷却，之后进入第二氦气膨胀机膨胀降温后返回第三换热器后依次进入第二换热器和第一换热器，为其中的热流提供冷量，从第一换热器出来后成为常温低压氦气，再经过一级氦气压缩机和二级氦气压缩机压缩为高压氦气后进行循环；另一路进入第三换热器和第四换热器进一步冷却，之后进入第三氦气膨胀机膨胀降温后进入第五换热器为第五换热器中的液氢提供冷量，然后依次进入第四换热器、第三换热器、第二换热器和第一换热器，为其中的热流提供冷量，从第一换热器出来后成为常温中压氦气，经过二级氦气压缩机压缩为高压氦气后进行循环；
用于制冷的冷剂经过一级冷剂压缩机和二级冷剂压缩机压缩冷却后进入末级冷剂分离器进行气液分离为气相冷剂和液相冷剂，末级冷剂分离器分离后的气相冷剂进入第一换热器冷却以及节流降温后成为气液两相冷剂，进入气相冷剂分离器进行气液分离后分别进入第一换热器为其中的热流提供冷量，末级冷剂分离器分离后的液相冷剂进入第一换热器冷却后从第一换热器中部抽出，经节流降温后成为气液两相冷剂，进入液相冷剂分离器进行气液分离后分别进入第一换热器，与气相冷剂分离器进行气液分离后的冷剂汇合，共同为第一换热器中的热流提供冷量，之后汇合的冷剂进入一级冷剂压缩机进行循环。
作为优选，所述冷剂的组分包括氮气、甲烷、乙烯、丙烷、异戊烷。
作为优选，所述冷剂中的氮气含量为10％～30％，甲烷含量为16％～36％，乙烯含量为10％～30％，丙烷含量为5％～25％，异戊烷含量为9％～29％。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的一种氦膨胀联合混合冷剂制冷的氢气液化系统及方法，相比于现有技术，没有氮气液化节流循环制冷或液氮的输入，简化了工艺流程，通过冷剂不同组分占比的调整，完善了第一换热器的冷热温差曲线，发挥多股物流换热器的优异换热效率，本发明不仅工艺流程简单、调节灵活、运行可靠且维护方便，在降低设备投资的同时还大幅降低运行成本，产出高性价比的液氢产品。
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明氢气液化系统的示意图。
图中：E01、第一换热器；E02、第二换热器；E03、第三换热器；E04、第四换热器；E05、第五换热器；E06、第一压缩机出口冷却器；E07、第二压缩机出口冷却器；E08、第三压缩机出口冷却器；E09、第四压缩机出口冷却器；E10、第五压缩机出口冷却器；MS01A、第一低温分子筛吸附器；MS01B、第二低温分子筛吸附器；MS02、第一正仲氢转换器；MS03、第二正仲氢转换器；MS04、第三正仲氢转换器；EX01、第一氦气膨胀机；EX02、第二氦气膨胀机；EX03、第三氦气膨胀机；V01、液氢储罐；V02、液相冷剂分离器；V03、气相冷剂分离器；V04、级间冷剂分离器；V05、末级冷剂分离器；C021、一级冷剂压缩机；C022、二级冷剂压缩机；C011、一级氦气压缩机；C012、二级氦气压缩机；C03、闪蒸气压缩机；V1、第一节流阀；V2、第二节流阀；V3、第三节流阀；CB01、第一冷箱；CB02、第二冷箱；01、第一管道；02、第二管道；03、第三管道；04、第四管道；05、第五管道；06、第六管道；07、第七管道；08、第八管道；09、第九管道；10、第十管道；11、第十一管道；12、第十二管道；13、第十三管道；14、第十四管道；15、第十五管道；16、第十六管道；17、第十七管道；18、第十八管道；19、第十九管道；20、第二十管道；21、第二十一管道；22、第二十二管道；23、第二十三管道；24、第二十四管道；25、第二十五管道；26、第二十六管道；27、第二十七管道；28、第二十八管道；29、第二十九管道；30、第三十管道；31、第三十一管道；32、第三十二管道；33、第三十三管道；34、第三十四管道；35、第三十五管道；36、第三十六管道；37、第三十七管道；38、第三十八管道；39、第三十九管道；40、第四十管道；41、第四十一管道；42、第四十二管道；43、第四十三管道；44、第四十四管道；45、第四十五管道；46、第四十六管道；47、第四十七管道；48、第四十八管道；49、第四十九管道；50、第五十管道；51、第五十一管道；52、第五十二管道；53、第五十三管道；54、第五十四管道；55、第五十五管道；56、第五十六管道；57、第五十七管道；58、第五十八管道；59、第五十九管道；60、第六十管道。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。
在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所采用的设备和原料等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。下述实施例中的部件或设备如无特别说明，均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。
本发明的实施例公开了一种氦膨胀联合混合冷剂制冷的氢气液化系统，包括换热单元、低温吸附单元、正仲氢转换单元、氦气压缩单元、氦气膨胀单元、冷剂循环处理单元、第一管路、第二管路和第三管路。换热单元包括第一换热器E01、第二换热器E02、第三换热器E03、第四换热器E04和第五换热器E05，每个换热器均具有原料氢气通道和氦气通道，其中第一换热器E01还具有冷剂循环通道。低温吸附单元包括多个并联设置的低温分子筛吸附器。正仲氢转换单元包括第一正仲氢转换器MS02、第二正仲氢转换器MS03和第三正仲氢转换器MS04。氦气压缩单元包括串联设置的一级氦气压缩机C011和二级氦气压缩机C012。氦气膨胀单元包括第一氦气膨胀机EX01、第二氦气膨胀机EX02和第三氦气膨胀机EX03。冷剂循环处理单元包括一级冷剂压缩机C021、二级冷剂压缩机C022、液相冷剂分离器V02、气相冷剂分离器V03、级间冷剂分离器V04和末级冷剂分离器V05。第一管路用于连接第一换热器E01的原料氢气通道、低温吸附单元、第二换热器E02的原料氢气通道、第三换热器E03的原料氢气通道、第一正仲氢转换器MS02、第四换热器E04的原料氢气通道、第二正仲氢转换器MS03、第五换热器E05的原料氢气通道和第三正仲氢转换器MS04至液氢储罐V01。第二管路用于连接氦气压缩单元、第一换热器E01的氦气通道、第二换热器E02的氦气通道、第一氦气膨胀机EX01、第三换热器E03的氦气通道和第二氦气膨胀机EX02；所述第二管路在第二换热器E02和第三换热器E03之间设有第二分支管路，所述第二分支管路用于连接第三换热器E03的氦气通道、第四换热器E04的氦气通道、第三氦气膨胀机EX03、第五换热器E05的氦气通道和氦气压缩单元。第三管路用于连接冷剂循环处理单元和第一换热器E01的冷剂循环通道。通过上述方案，整个系统没有氮气液化节流循环制冷或液氮的输入，简化了工艺流程，且调节灵活、运行可靠、维护方便。以下结合附图对本发明的实施例做出详细说明。
一种氦膨胀联合混合冷剂制冷的氢气液化系统，包括换热单元、低温吸附单元、正仲氢转换单元、氦气压缩单元、氦气膨胀单元、冷剂循环处理单元、闪蒸气回收单元、第一管路、第二管路、第三管路和第四管路。换热单元包括第一换热器E01、第二换热器E02、第三换热器E03、第四换热器E04和第五换热器E05，每个换热器均具有原料氢气通道、氦气通道和闪蒸气复热通道，其中第一换热器E01还具有冷剂循环通道。低温吸附单元包括并联设置的第一低温分子筛吸附器MS01A和第二低温分子筛吸附器MS01B。正仲氢转换单元包括第一正仲氢转换器MS02、第二正仲氢转换器MS03和第三正仲氢转换器MS04。氦气压缩单元包括串联设置的一级氦气压缩机C011和二级氦气压缩机C012。氦气膨胀单元包括第一氦气膨胀机EX01、第二氦气膨胀机EX02和第三氦气膨胀机EX03。冷剂循环处理单元包括一级冷剂压缩机C021、二级冷剂压缩机C022、液相冷剂分离器V02、气相冷剂分离器V03、级间冷剂分离器V04和末级冷剂分离器V05。闪蒸气回收单元包括闪蒸气压缩机C03。上述设备分别置于两个冷箱中，其中第一冷箱CB01布置第一换热器E01、液相冷剂分离器V02、气相冷剂分离器V03、第一低温分子筛吸附器MS01A和第二低温分子筛吸附器MS01B，第二冷箱CB02布置第二换热器E02、第三换热器E03、第四换热器E04、第五换热器E05、第一正仲氢转换器MS02、第二正仲氢转换器MS03、第三正仲氢转换器MS04、第一氦气膨胀机EX01、第二氦气膨胀机EX02和第三氦气膨胀机EX03。
第一管路用于连接第一换热器E01的原料氢气通道、低温吸附单元、第二换热器E02的原料氢气通道、第三换热器E03的原料氢气通道、第一正仲氢转换器MS02、第四换热器E04的原料氢气通道、第二正仲氢转换器MS03、第五换热器E05的原料氢气通道和第三正仲氢转换器MS04至液氢储罐V01。第一管路包括第一管道01、第二管道02、第三管道03、第四管道04、第五管道05、第六管道06、第七管道07、第八管道08、第九管道09、第十管道10、第十一管道11、第十二管道12、第十三管道13、第十四管道14和第三节流阀V3；第一管道01用于将净化后的原料氢气输入至第一换热器E01的原料氢气通道，第一换热器E01的原料氢气通道通过第二管道02连接低温吸附单元后，通过第三管道03和第四管道04依次连接第二换热器E02的原料氢气通道和第三换热器E03的原料氢气通道，然后通过第五管道05连接第一正仲氢转换器MS02后通过第六管道06返回第三换热器E03，再通过第七管道07连接第四换热器E04的原料氢气通道，之后通过第八管道08连接第二正仲氢转换器MS03后通过第九管道09返回第四换热器E04，又通过第十管道10、第三节流阀V3和第十一管道11连接第五换热器E05的原料氢气通道，通过第十二管道12连接第三正仲氢转换器MS04后通过第十三管道13返回第五换热器E05，最后通过第十四管道14连接液氢储罐V01。
第二管路用于连接氦气压缩单元、第一换热器E01的氦气通道、第二换热器E02的氦气通道、第一氦气膨胀机EX01、第三换热器E03的氦气通道和第二氦气膨胀机EX02。第二管路包括第二十三管道23、第二十四管道24、第二十五管道25、第二十六管道26、第二十七管道27、第二十八管道28、第二十九管道29、第三十管道30、第三十一管道31、第三十二管道32、第三十三管道33、第三十四管道34和第三十五管道35，第二十三管道23和第二十四管道24之间设有第一压缩机出口冷却器E06，第二十五管道25和第二十六管道26之间设有第二压缩机出口冷却器E07；一级氦气压缩机C011的出口通过第二十三管道23、第二十四管道24、第二十五管道25、第二十六管道26、第二十七管道27、第二十八管道28、第二十九管道29、第三十管道30和第三十一管道31依次连接二级氦气压缩机C012、第一换热器E01的氦气通道、第二换热器E02的氦气通道、第一氦气膨胀机EX01、第三换热器E03的氦气通道和第二氦气膨胀机EX02的入口，第二氦气膨胀机EX02的出口通过第三十二管道32、第三十三管道33、第三十四管道34和第三十五管道35依次连接第三换热器E03的氦气通道、第二换热器E02的氦气通道、第一换热器E01的氦气通道和一级氦气压缩机C011的入口。
第二管路在第二换热器E02和第三换热器E03之间设有第二分支管路，第二分支管路用于连接第三换热器E03的氦气通道、第四换热器E04的氦气通道、第三氦气膨胀机EX03、第五换热器E05的氦气通道和氦气压缩单元。第二分支管路包括第三十六管道36、第三十七管道37、第三十八管道38、第三十九管道39、第四十管道40、第四十一管道41、第四十二管道42、第四十三管道43和第四十四管道44；第二换热器E02的氦气通道通过第三十六管道36、第三十七管道37和第三十八管道38依次连接第三换热器E03的氦气通道、第四换热器E04的氦气通道和第三氦气膨胀机EX03的入口，第三氦气膨胀机EX03的出口通过第三十九管道39、第四十管道40、第四十一管道41、第四十二管道42、第四十三管道43和第四十四管道44依次连接第五换热器E05的氦气通道、第四换热器E04的氦气通道、第三换热器E03的氦气通道、第二换热器E02的氦气通道、第一换热器E01的氦气通道和二级氦气压缩机C012的入口。
第三管路用于连接冷剂循环处理单元和第一换热器E01的冷剂循环通道。第三管路包括第四十五管道45、第四十六管道46、第四十七管道47、第四十八管道48、第四十九管道49、第五十管道50、第五十一管道51、第五十一管道51、第五十二管道52、第五十三管道53、第五十四管道54、第五十五管道55、第五十六管道56、第五十七管道57、第五十八管道58、第五十九管道59、第六十管道60、第一节流阀V1和第二节流阀V2，第四十五管道45和第四十六管道46之间设有第三压缩机出口冷却器E08，第四十八管道48和第四十九管道49之间设有第四压缩机出口冷却器E09；一级冷剂压缩机C021的出口通过第四十五管道45、第四十六管道46、第四十七管道47、第四十八管道48和第四十九管道49依次连接级间冷剂分离器V04、二级冷剂压缩机C022和末级冷剂分离器V05，末级冷剂分离器V05的气相出口通过第五十管道50、第五十一管道51、第二节流阀V2和第五十二管道52依次连接第一换热器E01的冷剂循环通道和气相冷剂分离器V03的入口，气相冷剂分离器V03的气相出口通过第五十三管道53和第五十五管道55依次连接第一换热器E01的冷剂循环通道和一级冷剂压缩机C021的入口，气相冷剂分离器V03的液相出口通过第五十四管道54和第五十五管道55依次连接第一换热器E01的冷剂循环通道和一级冷剂压缩机C021的入口，末级冷剂分离器V05的液相出口通过第五十六管道56、第五十七管道57、第一节流阀V1和第五十八管道58依次连接第一换热器E01的冷剂循环通道和液相冷剂分离器V02的入口，液相冷剂分离器V02的气相出口通过第五十九管道59和第五十五管道55依次连接第一换热器E01的冷剂循环通道和一级冷剂压缩机C021的入口，液相冷剂分离器V02的液相出口通过第六十管道60和第五十五管道55依次连接第一换热器E01的冷剂循环通道和一级冷剂压缩机C021的入口。
第四管路，用于连接液氢储罐V01，第五换热器E05、第四换热器E04、第三换热器E03、第二换热器E02和第一换热器E01的闪蒸气复热通道，闪蒸气压缩机C03，以及第一换热器E01的原料氢气通道。第四管路包括第十五管道15、第十六管道16、第十七管道17、第十八管道18、第十九管道19、第二十管道20、第二十一管道21和第二十二管道22，液氢储罐V01依次通过第十五管道15、第十六管道16、第十七管道17、第十八管道18、第十九管道19和第二十管道20依次连接第五换热器E05、第四换热器E04、第三换热器E03、第二换热器E02和第一换热器E01的闪蒸气复热通道以及闪蒸气压缩机C03的进口，闪蒸气压缩机C03的出口再通过第二十一管道21和第二十二管道22连接第一换热器E01的原料氢气通道，第二十一管道21和第二十二管道22之间设有第五压缩机出口冷却器E10。
本发明的实施例还公开了一种采用上述氦膨胀联合混合冷剂制冷的氢气液化系统进行氢气液化的方法，该方法包括以下步骤：
净化处理后的原料氢气进入第一换热器E01冷却后，再进入低温分子筛吸附器，去除微量的氧气、氮气、氩气、甲烷等杂质，脱除杂质后的原料氢气继续进入第二换热器E02和第三换热器E03冷却，冷却后的原料氢气进入第一正仲氢转换器MS02将部分正氢气转化为仲氢气，然后再返回第三换热器E03再次冷却后进入第四换热器E04进一步冷却，之后进入第二正仲氢转换器MS03将更多部分正氢气转化为仲氢气，再返回第四换热器E04冷却后形成液氢，经过节流降压，进入第五换热器E05冷却到-250℃以下，过冷的液氢进入第三正仲氢转换器MS04转化仲氢，使仲氢含量达到95％以上，再返回第五换热器E05冷却后得到产品液氢，进入液氢储罐V01储存；
用于制冷的低压氦气经过一级氦气压缩机C011和二级氦气压缩机C012压缩为高压氦气后进入第一换热器E01冷却，之后继续进入第二换热器E02进一步冷却，冷却后的高压氦气分为两路：一路进入第一氦气膨胀机EX01进行膨胀降温后在进入第三换热器E03进一步冷却，之后进入第二氦气膨胀机EX02膨胀降温后返回第三换热器E03后依次进入第二换热器E02和第一换热器E01，为其中的热流提供冷量，从第一换热器E01出来后成为常温低压氦气，再经过一级氦气压缩机C011和二级氦气压缩机C012压缩为高压氦气后进行循环；另一路进入第三换热器E03和第四换热器E04进一步冷却，之后进入第三氦气膨胀机EX03膨胀降温后进入第五换热器E05为第五换热器E05中的液氢提供冷量，然后依次进入第四换热器E04、第三换热器E03、第二换热器E02和第一换热器E01，为其中的热流提供冷量，从第一换热器E01出来后成为常温中压氦气，经过二级氦气压缩机C012压缩为高压氦气后进行循环；用于制冷的冷剂经过一级冷剂压缩机C021和二级冷剂压缩机C022压缩冷却后进入末级冷剂分离器V05进行气液分离为气相冷剂和液相冷剂，末级冷剂分离器V05分离后的气相冷剂进入第一换热器E01冷却以及节流降温后成为气液两相冷剂，进入气相冷剂分离器V03进行气液分离后分别进入第一换热器E01为其中的热流提供冷量，末级冷剂分离器V05分离后的液相冷剂进入第一换热器E01冷却后从第一换热器E01中部抽出，经节流降温后成为气液两相冷剂，进入液相冷剂分离器V02进行气液分离后分别进入第一换热器E01，与气相冷剂分离器V03进行气液分离后的冷剂汇合，共同为第一换热器E01中的热流提供冷量，之后汇合的冷剂进入一级冷剂压缩机C021进行循环。
其中，冷剂的组分包括氮气、甲烷、乙烯、丙烷、异戊烷。冷剂中的氮气含量为10％～30％，甲烷含量为16％～36％，乙烯含量为10％～30％，丙烷含量为5％～25％，异戊烷含量为9％～29％。通过冷剂不同组分占比的调整，完善了第一换热器E01的冷热温差曲线，发挥多股物流换热器的优异换热效率。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种氦膨胀联合混合冷剂制冷的氢气液化系统，其特征在于：该氦膨胀联合混合冷剂制冷的氢气液化系统包括：
换热单元，所述换热单元包括第一换热器（E01）、第二换热器（E02）、第三换热器（E03）、第四换热器（E04）和第五换热器（E05），每个换热器均具有原料氢气通道和氦气通道，其中第一换热器（E01）还具有冷剂循环通道；
低温吸附单元，所述低温吸附单元包括多个并联设置的低温分子筛吸附器；
正仲氢转换单元，所述正仲氢转换单元包括第一正仲氢转换器（MS02）、第二正仲氢转换器（MS03）和第三正仲氢转换器（MS04）；
氦气压缩单元，所述氦气压缩单元包括串联设置的一级氦气压缩机（C011）和二级氦气压缩机（C012）；
氦气膨胀单元，所述氦气膨胀单元包括第一氦气膨胀机（EX01）、第二氦气膨胀机（EX02）和第三氦气膨胀机（EX03）；
冷剂循环处理单元，所述冷剂循环处理单元包括一级冷剂压缩机（C021）、二级冷剂压缩机（C022）、液相冷剂分离器（V02）、气相冷剂分离器（V03）、级间冷剂分离器（V04）和末级冷剂分离器（V05）；
第一管路，用于连接第一换热器（E01）的原料氢气通道、低温吸附单元、第二换热器（E02）的原料氢气通道、第三换热器（E03）的原料氢气通道、第一正仲氢转换器（MS02）、第四换热器（E04）的原料氢气通道、第二正仲氢转换器（MS03）、第五换热器（E05）的原料氢气通道和第三正仲氢转换器（MS04）至液氢储罐（V01）；
第二管路，用于连接氦气压缩单元、第一换热器（E01）的氦气通道、第二换热器（E02）的氦气通道、第一氦气膨胀机（EX01）、第三换热器（E03）的氦气通道和第二氦气膨胀机（EX02）；所述第二管路在第二换热器（E02）和第三换热器（E03）之间设有第二分支管路，所述第二分支管路用于连接第三换热器（E03）的氦气通道、第四换热器（E04）的氦气通道、第三氦气膨胀机（EX03）、第五换热器（E05）的氦气通道和氦气压缩单元；
第三管路，用于连接冷剂循环处理单元和第一换热器（E01）的冷剂循环通道；
其中，所述第一管路包括第一管道（01）、第二管道（02）、第三管道（03）、第四管道（04）、第五管道（05）、第六管道（06）、第七管道（07）、第八管道（08）、第九管道（09）、第十管道（10）、第十一管道（11）、第十二管道（12）、第十三管道（13）、第十四管道（14）和第三节流阀（V3）；第一管道（01）用于将净化后的原料氢气输入至第一换热器（E01）的原料氢气通道，第一换热器（E01）的原料氢气通道通过第二管道（02）连接低温吸附单元后，通过第三管道（03）和第四管道（04）依次连接第二换热器（E02）的原料氢气通道和第三换热器（E03）的原料氢气通道，然后通过第五管道（05）连接第一正仲氢转换器（MS02）后通过第六管道（06）返回第三换热器（E03），再通过第七管道（07）连接第四换热器（E04）的原料氢气通道，之后通过第八管道（08）连接第二正仲氢转换器（MS03）后通过第九管道（09）返回第四换热器（E04），又通过第十管道（10）、第三节流阀（V3）和第十一管道（11）连接第五换热器（E05）的原料氢气通道，通过第十二管道（12）连接第三正仲氢转换器（MS04）后通过第十三管道（13）返回第五换热器（E05），最后通过第十四管道（14）连接液氢储罐（V01）；
所述第二管路包括第二十三管道（23）、第二十四管道（24）、第二十五管道（25）、第二十六管道（26）、第二十七管道（27）、第二十八管道（28）、第二十九管道（29）、第三十管道（30）、第三十一管道（31）、第三十二管道（32）、第三十三管道（33）、第三十四管道（34）和第三十五管道（35）；一级氦气压缩机（C011）的出口通过第二十三管道（23）、第二十四管道（24）、第二十五管道（25）、第二十六管道（26）、第二十七管道（27）、第二十八管道（28）、第二十九管道（29）、第三十管道（30）和第三十一管道（31）依次连接二级氦气压缩机（C012）、第一换热器（E01）的氦气通道、第二换热器（E02）的氦气通道、第一氦气膨胀机（EX01）、第三换热器（E03）的氦气通道和第二氦气膨胀机（EX02）的入口，第二氦气膨胀机（EX02）的出口通过第三十二管道（32）、第三十三管道（33）、第三十四管道（34）和第三十五管道（35）依次连接第三换热器（E03）的氦气通道、第二换热器（E02）的氦气通道、第一换热器（E01）的氦气通道和一级氦气压缩机（C011）的入口。
2.根据权利要求1所述的一种氦膨胀联合混合冷剂制冷的氢气液化系统，其特征在于：所述第二分支管路包括第三十六管道（36）、第三十七管道（37）、第三十八管道（38）、第三十九管道（39）、第四十管道（40）、第四十一管道（41）、第四十二管道（42）、第四十三管道（43）和第四十四管道（44）；第二换热器（E02）的氦气通道通过第三十六管道（36）、第三十七管道（37）和第三十八管道（38）依次连接第三换热器（E03）的氦气通道、第四换热器（E04）的氦气通道和第三氦气膨胀机（EX03）的入口，第三氦气膨胀机（EX03）的出口通过第三十九管道（39）、第四十管道（40）、第四十一管道（41）、第四十二管道（42）、第四十三管道（43）和第四十四管道（44）依次连接第五换热器（E05）的氦气通道、第四换热器（E04）的氦气通道、第三换热器（E03）的氦气通道、第二换热器（E02）的氦气通道、第一换热器（E01）的氦气通道和二级氦气压缩机（C012）的入口。
3.根据权利要求1所述的一种氦膨胀联合混合冷剂制冷的氢气液化系统，其特征在于：所述第三管路包括第四十五管道（45）、第四十六管道（46）、第四十七管道（47）、第四十八管道（48）、第四十九管道（49）、第五十管道（50）、第五十一管道（51）、第五十一管道（51）、第五十二管道（52）、第五十三管道（53）、第五十四管道（54）、第五十五管道（55）、第五十六管道（56）、第五十七管道（57）、第五十八管道（58）、第五十九管道（59）、第六十管道（60）、第一节流阀（V1）和第二节流阀（V2）；一级冷剂压缩机（C021）的出口通过第四十五管道（45）、第四十六管道（46）、第四十七管道（47）、第四十八管道（48）和第四十九管道（49）依次连接级间冷剂分离器（V04）、二级冷剂压缩机（C022）和末级冷剂分离器（V05），末级冷剂分离器（V05）的气相出口通过第五十管道（50）、第五十一管道（51）、第二节流阀（V2）和第五十二管道（52）依次连接第一换热器（E01）的冷剂循环通道和气相冷剂分离器（V03）的入口，气相冷剂分离器（V03）的气相出口通过第五十三管道（53）和第五十五管道（55）依次连接第一换热器（E01）的冷剂循环通道和一级冷剂压缩机（C021）的入口，气相冷剂分离器（V03）的液相出口通过第五十四管道（54）和第五十五管道（55）依次连接第一换热器（E01）的冷剂循环通道和一级冷剂压缩机（C021）的入口，末级冷剂分离器（V05）的液相出口通过第五十六管道（56）、第五十七管道（57）、第一节流阀（V1）和第五十八管道（58）依次连接第一换热器（E01）的冷剂循环通道和液相冷剂分离器（V02）的入口，液相冷剂分离器（V02）的气相出口通过第五十九管道（59）和第五十五管道（55）依次连接第一换热器（E01）的冷剂循环通道和一级冷剂压缩机（C021）的入口，液相冷剂分离器（V02）的液相出口通过第六十管道（60）和第五十五管道（55）依次连接第一换热器（E01）的冷剂循环通道和一级冷剂压缩机（C021）的入口。
4.根据权利要求1所述的一种氦膨胀联合混合冷剂制冷的氢气液化系统，其特征在于：所述第一换热器（E01）、第二换热器（E02）、第三换热器（E03）、第四换热器（E04）和第五换热器（E05）还具有闪蒸气复热通道，该氦膨胀联合混合冷剂制冷的氢气液化系统还包括：
闪蒸气回收单元，所述闪蒸气回收单元包括闪蒸气压缩机（C03）；
第四管路，用于连接液氢储罐（V01），第五换热器（E05）、第四换热器（E04）、第三换热器（E03）、第二换热器（E02）和第一换热器（E01）的闪蒸气复热通道，闪蒸气压缩机（C03），以及第一换热器（E01）的原料氢气通道。
5.根据权利要求1所述的一种氦膨胀联合混合冷剂制冷的氢气液化系统，其特征在于：该氦膨胀联合混合冷剂制冷的氢气液化系统不设置氮气制冷单元且无液氮输入。
6.一种根据权利要求1-5任一所述的氦膨胀联合混合冷剂制冷的氢气液化系统进行氢气液化的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
净化处理后的原料氢气进入第一换热器（E01）冷却后，再进入低温分子筛吸附器，去除微量的氧气、氮气、氩气、甲烷等杂质，脱除杂质后的原料氢气继续进入第二换热器（E02）和第三换热器（E03）冷却，冷却后的原料氢气进入第一正仲氢转换器（MS02）将部分正氢气转化为仲氢气，然后再返回第三换热器（E03）再次冷却后进入第四换热器（E04）进一步冷却，之后进入第二正仲氢转换器（MS03）将更多部分正氢气转化为仲氢气，再返回第四换热器（E04）冷却后形成液氢，经过节流降压，进入第五换热器（E05）冷却到-250℃以下，过冷的液氢进入第三正仲氢转换器（MS04）转化仲氢，使仲氢含量达到95%以上，再返回第五换热器（E05）冷却后得到产品液氢，进入液氢储罐（V01）储存；
用于制冷的低压氦气经过一级氦气压缩机（C011）和二级氦气压缩机（C012）压缩为高压氦气后进入第一换热器（E01）冷却，之后继续进入第二换热器（E02）进一步冷却，冷却后的高压氦气分为两路：一路进入第一氦气膨胀机（EX01）进行膨胀降温后在进入第三换热器（E03）进一步冷却，之后进入第二氦气膨胀机（EX02）膨胀降温后返回第三换热器（E03）后依次进入第二换热器（E02）和第一换热器（E01），为其中的热流提供冷量，从第一换热器（E01）出来后成为常温低压氦气，再经过一级氦气压缩机（C011）和二级氦气压缩机（C012）压缩为高压氦气后进行循环；另一路进入第三换热器（E03）和第四换热器（E04）进一步冷却，之后进入第三氦气膨胀机（EX03）膨胀降温后进入第五换热器（E05）为第五换热器（E05）中的液氢提供冷量，然后依次进入第四换热器（E04）、第三换热器（E03）、第二换热器（E02）和第一换热器（E01），为其中的热流提供冷量，从第一换热器（E01）出来后成为常温中压氦气，经过二级氦气压缩机（C012）压缩为高压氦气后进行循环；
用于制冷的冷剂经过一级冷剂压缩机（C021）和二级冷剂压缩机（C022）压缩冷却后进入末级冷剂分离器（V05）进行气液分离为气相冷剂和液相冷剂，末级冷剂分离器（V05）分离后的气相冷剂进入第一换热器（E01）冷却以及节流降温后成为气液两相冷剂，进入气相冷剂分离器（V03）进行气液分离后分别进入第一换热器（E01）为其中的热流提供冷量，末级冷剂分离器（V05）分离后的液相冷剂进入第一换热器（E01）冷却后从第一换热器（E01）中部抽出，经节流降温后成为气液两相冷剂，进入液相冷剂分离器（V02）进行气液分离后分别进入第一换热器（E01），与气相冷剂分离器（V03）进行气液分离后的冷剂汇合，共同为第一换热器（E01）中的热流提供冷量，之后汇合的冷剂进入一级冷剂压缩机（C021）进行循环。
7.根据权利要求6所述的一种氦膨胀联合混合冷剂制冷的氢气液化系统，其特征在于：所述冷剂的组分包括氮气、甲烷、乙烯、丙烷、异戊烷。
8.根据权利要求7所述的一种氦膨胀联合混合冷剂制冷的氢气液化系统，其特征在于：所述冷剂中的氮气含量为10%~30%，甲烷含量为16%~36%，乙烯含量为10%~30%，丙烷含量为5%~25%，异戊烷含量为9%~29%。
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