CN115046128A - 一种球形液氢储罐 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种球形液氢储罐，包括：内罐，内罐中存储液氢；外罐，外罐设置在所述内罐的外周，为预应力混凝土结构；保冷层，保冷层填充在位于内罐和外罐之间的球状环形空间中，保冷层由堆载型保冷材料形成；气密层；气密层设置在保冷层与外罐之间。预应力混凝土结构球形液氢储罐的结构既可满足安全可靠性要求，同时可突破大容积液氢储罐的容积限制。

Description

一种球形液氢储罐
技术领域
本发明涉及可再生能源领域液氢存储设备，具体地涉及一种球形液氢储罐。
背景技术
目前氢能存储主要有低温液态存储、金属氢化物存储、物理吸附存储、配位氢化物存储、高压气态存储(20-70MPa)等方式。而低温液态存储是目前存储技术中较为有效的方式。液氢是一种深冷的氢气存储技术。氢气经过压缩后，深冷到21K以下使之变为液氢，然后存储到特制的绝热真空容器中。常温、常压下液氢的密度为气态氢气的845倍，液氢的体积能量密度比压缩贮存高几倍以上。这样，同一体积的储氢容器，其储氢质量大幅度提高。在“碳达峰”与“碳中和”的能源发展目标下，在氢能民用产业发展中需要解决大量、可靠和安全存储与运输的问题，液氢作为能量密度最高的一种产业发展形势必将快速发展。在101kPa压强下，温度在-235.87℃时，气态氢气将转变为无色的液态氢。液氢是一种高能物质，密度为70.85Kg/m3,液态氢的体积只有气态氢的1/800。因此，大容积液氢存储技术就是解决我国能源发展问题和发展瓶颈的重要手段和方式。
受液氢超低温、产业技术密集、高成本等限制，我国目前液氢还主要用于航天领域，随着未来产业技术进步将逐步推动向民用方向拓展延伸。现阶段存储容器容积基本在300方级别的水平较多，极大限制了液氢能源未来的高效推广应用。国外已完成了几千方级别储罐的技术开发与应用，但均以钢制结构为主，受罐内压力限制，需对内罐主容器和外罐防护，容器的钢材与厚度对罐容突破有较大限制。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种采用预应力混凝土作为外罐的球形液氢储罐。所述结构可实现液氢的大容积存储，且可将氢气蒸发率控制在合理的水平，大幅提升液氢储罐单位容积的运行效率，为未来氢能在民用领域大范围的推广应用奠定基础。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种球形液氢储罐包括：
内罐，内罐用于存储液氢；
外罐，外罐设置在内罐的外周且与之形成有球状环形空间；
保冷层，保冷层填充在内罐和外罐之间的球状环形空间中，保冷层由堆载型保冷材料形成；和
气密层，气密层设置在保冷层与外罐之间。
内罐为球形结构，内罐由304或316不锈钢或镍基合金钢制造，适于承受-253℃以下的低温作用。
堆载型保冷材料包括：
上部保冷材料，位于保冷层的上部，为膨胀珍珠岩材料；
下部保冷材料，位于保冷层的下部，为泡沫玻璃砖材料或聚氨酯绝热材料；
上部保冷材料堆载在下部保冷材料上。
上部保冷材料为散体绝热材料，下部保冷材料为承压绝热材料，承压绝热材料分层错缝铺设，在相邻的承压绝热材料之间铺设沥青毡。
在保冷层中设置有抽真空控制系统，抽真空控制系统用于保持球状环形空间内为真空状态。
气密层的材质为碳钢16MnDR，气密层通过搭接焊型式或对接焊型式进行焊接安装，在气密层外侧焊接带陶瓷套圈的碳钢螺柱，适于将气密层与外罐锚固连接在一起。
外罐为布置十字交叉预应力系统的混凝土结构。
预应力系统为后张拉有粘结预应力系统，后张拉有粘结预应力系统的锚固端设置在水平最大直径圆截面和竖向最大圆截面位置处，后张拉有粘结预应力系统的单束预应力选用9-25股钢绞线。
预应力系统为后张拉无粘结预应力系统，后张拉无粘结预应力系统的单根钢绞线为直径在25-100mm的大直径钢绞线。
混凝土结构的材料为C40、C50、C60或高强度耐低温混凝土，在混凝土结构的内外两侧分别布置两层钢筋网片，钢筋网片的材质为HRB400E、HRB500E或低温钢筋。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
内罐结构采用大容积球形体，材料为不锈钢或耐低温合金钢；保冷层采用真空状态的堆载型散体绝热材料与承压型块体绝热材料组合构成，可通过承压型绝热材料铺设于内罐底部，确保内罐结构的支撑稳定性；外罐采用预应力钢筋混凝土结构作为主材进行设计，可一方面承载内罐氢气内压、保冷环形空间真空压力及外部地震力等荷载的作用，确保罐体结构的总体安全可靠性；另一方面，作为钢筋混凝土结构具有较强抵抗外部作用的防护能力。预应力混凝土结构球形液氢储罐的结构既可满足安全可靠性要求，同时可突破大容积液氢储罐的容积限制，为未来民用端的大规模氢能利用奠定基础。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
图1是根据本申请的储罐结构布置示意图；和
图2是根据本申请的外罐预应力结构布置示意图。
附图中各标记表示如下：
1 内罐
2 上部保冷材料/散体绝热材料
3 下部保冷材料/承压型绝热材料
4 气密层
5 锚固结构
6 外罐
7 预应力系统
8 预应力锚固端
9 支撑结构
10 储罐基础
11 进液口
12 出液口
13 温度监测口
14 压力监测口
15 抽真空控制系统
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例1：
根据本申请的一个实施例，采用以下技术方案：
一种采用预应力混凝土作为外罐的球形液氢储罐结构，包括内罐存储结构、保冷层、气密层、预应力混凝土外罐和支撑结构体系等。
上述液氢储罐的内罐存储结构为球形结构，直径为10m-50m，材质为304或316 不锈钢或镍基合金钢，可承受-253℃以下的低温作用；所述钢板厚度为6mm-100mm，采用对接焊缝进行焊接安装，焊缝系数为1.0，避免氢脆现象发生。
上述液氢储罐的保冷层，位于钢制内罐和预应力混凝土外罐之间的球状环形空间，空间间距为1m-3m，内部填充堆载型保冷材料；所述保冷材料，上部非承压部分为膨胀珍珠岩材料，下部承压部位为泡沫玻璃砖材料或聚氨酯绝热材料，承压绝热材料分层错缝铺设，中间铺设沥青毡，避免出现冷桥；所述保冷层的环形空间设置抽真空控制系统，空间内为真空状态，真空度为0-0.05MPa；所述上部非承压部分的膨胀珍珠岩材料，填充后的振实密度为50-70kg/m3,平均导热率小于0.04w/mk。
上述的液氢储罐的气密层，位于预应力钢筋混凝土外罐内侧，材质为碳钢16MnDR，厚度为5-10mm；所述碳钢板可采用搭接焊型式，也可采用对接焊型式进行焊接安装；所述碳钢板外侧焊接带陶瓷套圈的碳钢螺柱，直径为16mm-25mm，双向间距均为 150-400mm，作为锚固系统将碳钢板与预应力混凝土结构连接在一起。
上述的液氢储罐预应力混凝土外罐，为布置十字交叉预应力系统的混凝土结构。所述混凝土材料为C40、C50、C60或高强度耐低温混凝土，混凝土厚度为400-2000mm，内外两侧分别布置两层钢筋网片，钢筋材质为HRB400E或HRB500E等,内侧钢筋也可选用低温钢筋；所述的预应力系统为后张拉有粘结预应力系统或后张拉无粘结预应力系统，布置方式为沿着球面呈十字交叉布置，预应力系统的锚固端设置在水平最大直径圆截面和竖向最大圆截面位置；所述后张拉有粘结预应力系统，单束预应力选用9-25 股钢绞线；所述后张拉无粘结预应力系统，单根钢绞线直径在25-100mm的大直径钢绞线；所述十字交叉布置的预应力系统，同一方向的钢绞线间距为500-2000mm。
上述的液氢储罐预应力混凝土外罐与上述的液氢储罐的气密层，采用混凝土现浇的方式，通过碳钢螺柱将外罐混凝土结构与气密层固定连接在一起，确保结构的稳定性。
上述液氢储罐的支撑结构体系，采用钢筋混凝土柱结构进行支撑，基础采用独立基础或桩基础形式；所述钢筋混凝土柱，混凝土为C40或C50，直径为1.0m、1.2m或 1.5m。
实施例2：
根据本申请的一个实施例，采用以下技术方案：
一种采用预应力混凝土作为外罐的球形液氢储罐结构，其特征在于：包括内罐存储结构、保冷层、气密层、预应力混凝土外罐和支撑结构体系等。
上述液氢储罐的内罐存储结构，为球形结构，直径为20m，材质为316不锈钢，可承受-253℃以下的低温作用；所述钢板厚度为25mm，采用对接焊缝进行焊接安装，焊缝系数为1.0，避免氢脆现象发生。
上述液氢储罐的保冷层，位于钢制内罐和预应力混凝土外罐之间的球状环形空间，空间间距为2m，内部填充堆载型保冷材料；所述保冷材料，上部非承压部分为膨胀珍珠岩材料，下部承压部位为泡沫玻璃砖材料，承压绝热材料分层错缝铺设，中间铺设沥青毡，避免出现冷桥；所述保冷层的环形空间设置抽真空控制系统，空间内为真空状态，真空度为0.03MPa；所述上部非承压部分的膨胀珍珠岩材料，填充后的振实密度为68kg/m3,平均导热率小于0.04w/mk。
上述的液氢储罐的气密层，位于预应力钢筋混凝土外罐内侧，材质为碳钢16MnDR，厚度为6mm；所述碳钢板可采用搭接焊型式，也可采用对接焊型式进行焊接安装；所述碳钢板外侧焊接带陶瓷套圈的碳钢螺柱，直径为16mm，双向间距均为300mm，作为锚固系统将碳钢板与预应力混凝土结构连接在一起。
上述的液氢储罐预应力混凝土外罐，为布置十字交叉预应力系统的混凝土结构。所述混凝土材料为高强度耐低温混凝土，混凝土厚度为800mm，内外两侧分别布置两层钢筋网片，钢筋材质为HRB400E,内侧钢筋选用低温钢筋；所述的预应力系统7为后张拉有粘结预应力系统，布置方式为沿着球面呈十字交叉布置，预应力系统的锚固端 8设置在水平最大直径圆截面和竖向最大圆截面位置；所述后张拉有粘结预应力系统，单束预应力选用19股钢绞线；所述十字交叉布置的预应力系统，同一方向的钢绞线间距为800mm。
上述的液氢储罐预应力混凝土外罐与上述的液氢储罐的气密层，采用混凝土现浇的方式，通过碳钢螺柱将外罐混凝土结构与气密层固定连接在一起，确保结构的稳定性。
上述液氢储罐的支撑结构9，采用钢筋混凝土柱结构进行支撑，储罐基础10采用独立基础或桩基础形式；所述钢筋混凝土柱，混凝土为C40，直径为1.0m。
实施例3：
根据本申请的一个实施例，采用以下技术方案：
一种采用预应力混凝土作为外罐的球形液氢储罐结构，包括：内罐存储结构、保冷层、气密层、预应力混凝土外罐和支撑结构体系等。
内罐为球形结构，直径为10m-50m，材质为304或316不锈钢或镍基合金钢，可承受-253℃以下的低温作用；所述钢板厚度为6mm-100mm，采用对接焊缝进行焊接安装，焊缝系数为1.0，避免氢脆现象发生。
保冷层位于钢制内罐和预应力混凝土外罐之间的球状环形空间，空间间距为 1m-3m，内部填充堆载型保冷材料；所述保冷材料，上部非承压部分为膨胀珍珠岩材料，下部承压部位为泡沫玻璃砖材料或聚氨酯绝热材料，承压绝热材料分层错缝铺设，中间铺设沥青毡，避免出现冷桥；所述保冷层的环形空间设置抽真空控制系统，空间内为真空状态，真空度为0-0.05MPa；所述上部非承压部分的膨胀珍珠岩材料，填充后的振实密度为50-70kg/m3,平均导热率小于0.04w/mk。
气密层位于预应力钢筋混凝土外罐内侧，材质为碳钢16MnDR，厚度为5-10mm；所述碳钢板可采用搭接焊型式，也可采用对接焊型式进行焊接安装；所述碳钢板外侧焊接带陶瓷套圈的碳钢螺柱，直径为16mm-25mm，双向间距均为150-400mm，作为锚固系统将碳钢板与预应力混凝土结构连接在一起。
预应力混凝土外罐，为布置十字交叉预应力系统的混凝土结构。所述混凝土材料为C40、C50、C60或高强度耐低温混凝土，混凝土厚度为400-2000mm，内外两侧分别布置两层钢筋网片，钢筋材质为HRB400E或HRB500E等,内侧钢筋也可选用低温钢筋；所述的预应力系统为后张拉有粘结预应力系统或后张拉无粘结预应力系统，布置方式为沿着球面呈十字交叉布置，预应力系统的锚固端设置在水平最大直径圆截面和竖向最大圆截面位置；所述后张拉有粘结预应力系统，单束预应力选用9-25股钢绞线；所述后张拉无粘结预应力系统，单根钢绞线直径在25-100mm的大直径钢绞线；所述十字交叉布置的预应力系统，同一方向的钢绞线间距为500-2000mm。
如图1所示，在预应力混凝土外罐上设置有进液口11、出液口12、温度监测口 13、压力监测口14和抽真空控制系统15。
实施例4：
根据本申请的一个实施例，采用以下技术方案：
一种球形液氢储罐，包括：
内罐1，内罐1中存储液氢；
外罐6，外罐6设置在内罐61的外周，为预应力混凝土结构；
保冷层，保冷层填充在位于内罐1和外罐6之间的球状环形空间中，保冷层由堆载型保冷材料形成；和
气密层4；气密层4设置在保冷层与外罐6之间。
内罐1为球形结构，内,1由304或316不锈钢或镍基合金钢制造，能够承受-253℃以下的低温作用。
堆载型保冷材料包括：
上部保冷材料2，位于保冷层的上部，为膨胀珍珠岩材料；
下部保冷材料3，位于保冷层的下部，为泡沫玻璃砖材料或聚氨酯绝热材料；
上部保冷材料2堆载在下部保冷材料3上。上部保冷材料2为散体绝热材料，下部保冷材料3为承压型绝热材料。上部保冷材料2堆载在下部保冷材料3上，下部保冷材料3的总量大约是上部保冷材料2的四分之一。下部保冷材料3为承压绝热材料，承压绝热材料分层错缝铺设，在相邻的承压绝热材料之间铺设沥青毡。
在保冷层中设置有抽真空控制系统15，球状环形空间内为真空状态。
气密层的材质为碳钢16MnDR，气密层通过搭接焊型式或对接焊型式进行焊接安装，在气密层外侧焊接带陶瓷套圈的碳钢螺柱，将气密层与外罐6锚固连接在一起。
外罐6为布置十字交叉预应力系统的混凝土结构。
预应力系统7为后张拉有粘结预应力系统。预应力锚固端8设置在水平最大直径圆截面和竖向最大圆截面位置处。后张拉有粘结预应力系统的单束预应力选用9-25 股钢绞线。
预应力系统7还可以为后张拉无粘结预应力系统，后张拉无粘结预应力系统的单根钢绞线为直径在25-100mm的大直径钢绞线。
混凝土结构的材料为C40、C50、C60或高强度耐低温混凝土，在混凝土结构的内外两侧分别布置两层钢筋网片，钢筋网片的材质为HRB400E、HRB500E或低温钢筋。
本发明具有以下有益效果：
本专利与现有的液氢储罐相比，结构方案和材料选型进行了较大调整。内罐结构采用大容积球形体，材料为不锈钢或耐低温合金钢；保冷层采用真空状态的堆载型散体绝热材料与承压型块体绝热材料组合构成，可通过承压型绝热材料铺设于内罐底部，确保内罐结构的支撑稳定性；外罐采用预应力钢筋混凝土结构作为主材进行设计，可一方面承载内罐氢气内压、保冷环形空间真空压力及外部地震力等荷载的作用，确保罐体结构的总体安全可靠性；另一方面，作为钢筋混凝土结构具有较强抵抗外部作用的防护能力。
综上所述，预应力混凝土结构球形液氢储罐的结构既可满足安全可靠性要求，同时可突破大容积液氢储罐的容积限制，为未来民用端的大规模氢能利用奠定基础。
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)

1.一种球形液氢储罐，其特征在于，包括：
内罐，所述内罐用于存储液氢；
外罐，所述外罐设置在所述内罐的外周且与之形成有球状环形空间；
保冷层，所述保冷层填充在所述内罐和所述外罐之间的球状环形空间中，所述保冷层由堆载型保冷材料形成；和
气密层，所述气密层设置在所述保冷层与所述外罐之间。
2.根据权利要求1所述的球形液氢储罐，其特征在于，所述内罐为球形结构，所述内罐由304或316不锈钢或镍基合金钢制造，适于承受-253℃以下的低温作用。
3.根据权利要求1所述的球形液氢储罐，其特征在于，所述堆载型保冷材料包括：
上部保冷材料，位于所述保冷层的上部，为膨胀珍珠岩材料；
下部保冷材料，位于所述保冷层的下部，为泡沫玻璃砖材料或聚氨酯绝热材料；
所述上部保冷材料堆载在所述下部保冷材料上。
4.根据权利要求3所述的球形液氢储罐，其特征在于，所述上部保冷材料为散体绝热材料，所述下部保冷材料为承压绝热材料，所述承压绝热材料分层错缝铺设，在相邻的所述承压绝热材料之间铺设沥青毡。
5.根据权利要求1所述的球形液氢储罐，其特征在于，在所述保冷层中设置有抽真空控制系统，所述抽真空控制系统用于保持所述球状环形空间内为真空状态。
6.根据权利要求1所述的球形液氢储罐，其特征在于，所述气密层的材质为碳钢16MnDR，所述气密层通过搭接焊型式或对接焊型式进行焊接安装，在所述气密层外侧焊接带陶瓷套圈的碳钢螺柱，适于将所述气密层与所述外罐锚固连接在一起。
7.根据权利要求1所述的球形液氢储罐，其特征在于，所述外罐为布置十字交叉预应力系统的混凝土结构。
8.根据权利要求7所述的球形液氢储罐，其特征在于，所述预应力系统为后张拉有粘结预应力系统，所述后张拉有粘结预应力系统的锚固端设置在水平最大直径圆截面和竖向最大圆截面位置处，所述后张拉有粘结预应力系统的单束预应力选用9-25股钢绞线。
9.根据权利要求7所述的球形液氢储罐，其特征在于，所述预应力系统为后张拉无粘结预应力系统，后张拉无粘结预应力系统的单根钢绞线为直径在25-100mm的大直径钢绞线。
10.根据权利要求7-9任一项所述的球形液氢储罐，其特征在于，所述混凝土结构的材料为C40、C50、C60或高强度耐低温混凝土，在所述混凝土结构的内外两侧分别布置两层钢筋网片，所述钢筋网片的材质为HRB400E、HRB500E或低温钢筋。
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