CN115342596B - 一种氢气开式循环制冷系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氢气开式循环制冷系统，包括依次连接的多级压缩制冷机构、第一换热器、正氢催化换热器、多级氢气低温膨胀机和液氢分离罐。所述液氢分离罐的入口与所述多级氢气低温膨胀机的出口连通，所述液氢分离罐还包括第一出口和第二出口，所述第一出口用于分离液氢，所述第二出口与所述多级氢气低温膨胀机、正氢催化换热器、第一换热器之间依次通过管道连通，所述第一换热器与所述原料氢气之间通过管道连通并一起进入至所述多级压缩制冷机构。采用了开式制冷液化系统，只需要一台压缩机，相对于传统技术，压缩机、压缩机驱动、压缩机级间换热器等设备数量减少约一半。

Description

一种氢气开式循环制冷系统
技术领域
本发明涉及氢气液化领域，尤其涉及一种氢气开式循环制冷系统。
背景技术
传统的氢液液化制冷工质多采用氢气或氦气直接膨胀制冷，现有的氢气液化技术主要存在以下问题：
1)现有氢液液化制冷循环与原料氢气是两个相对独立的系统，制冷剂和原料气的物料不能相互连通，装置负荷调节不灵活。
2)氢气液化的能耗较高。
3)原料氢气中正氢比例较大，被液化后闪蒸速率较快，造成产品不易存储和闪蒸气量较大。
4)现有氢气液化技术一般采用两套压缩机系统，一是原料气压缩机，二是制冷剂压缩机，并各自配置驱动设备和压缩机级间冷却设备，造成设备数量较多，占地面价较大，操作较复杂，投资较大；
5)制冷膨胀机驱动压缩机，可操作性较差。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种氢气开式循环制冷系统，采用开式氢气制冷循环系统，原料氢气和制冷氢气同存在一个系统中，可以灵活的调节原料气的处理量和制冷氢气的循环量，装置的负荷调节范围比较宽。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
本发明提供一种氢气开式循环制冷系统，包括：
多级压缩制冷机构，多级所述压缩制冷机构的入口与原料氢气连通；
第一换热器，所述多级压缩制冷机构的出口与所述第一换热器的入口之连通；
多级氢气低温膨胀机构，所述多级氢气低温膨胀机构的入口与所述第一换热器之间连通；
液氢分离罐，所述液氢分离罐的入口与所述多级氢气低温膨胀机构的出口连通，所述液氢分离罐还包括第一出口和第二出口，所述第一出口用于分离液氢，所述第二出口与所述多级氢气低温膨胀机构、第一换热器之间依次通过管道连通，所述第一换热器与所述原料氢气之间通过管道连通并一起进入至所述多级压缩制冷机构。
进一步的，还包括LNG制冷装置，所述LNG制冷装置包括LNG储罐和LNG潜液泵，所述LNG潜液泵的出口与所述第一换热器之间通过第一管道连通，所述LNG储罐的入口与所述第一换热器之间通过第二管道连通，所述第一管道和第二管道上均设有控制阀。
进一步的，还包括正氢催化换热器，所述正氢催化换热器的入口与所述第一换热器的出口之间连通，所述正氢催化换热器的出口与所述多级氢气低温膨胀机构的入口连通，所述液氢分离罐的第二出口与所述多级氢气低温膨胀机构、正氢催化换热器、第一换热器之间依次通过管道连通，所述第一换热器与所述原料氢气之间通过管道连通并一起进入至所述多级压缩制冷机构。
进一步的，所述多级压缩制冷机构为三级压缩制冷机构，所述三级压缩制冷机构包括依次连通的第一压缩机、第一冷却器、第二压缩机、第二冷却器和第三压缩机，所述第一压缩机、第二压缩机和第三压缩机由一台驱动电机驱动。
进一步的，还包括第二换热器，所述第二换热器的入口与所述第三压缩机的出口连通，所述第二换热器的出口与所述第一换热器的入口连通，所述第一换热器与所述原料氢气之间通过所述第二换热器连通。
进一步的，所述多级氢气低温膨胀机构为三级氢气低温膨胀机构，所述三级氢气低温膨胀机构包括依次连接的第一膨胀机、第三换热器、第二膨胀机、第四换热器和第三膨胀机，所述第三膨胀机的出口与所述液氢分离罐的入口连通。
进一步的，所述三级氢气低温膨胀机构还包括发电机，所述三级氢气低温膨胀机构通过耦合变速多级齿轮箱机械连接共同驱动所述发电机将压力能转化为电能。
进一步的，所述第一换热器为LNG浸没式翅片换热器。
进一步的，所述第三换热器和第四换热器均为板翅换热器。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1)针对现有氢气液化技术制冷循环与原料氢气是两个相对独立的系统，装置负荷调节不灵活的问题，本发明提出了一种开式氢气液化系统。氢气本身既是原料气又是制冷剂，而且液化和制冷循环合并为一个系统，氢气能够自由的在原料气和制冷剂之间进行匹配。装置升降负荷时，只需要调节一个原料气流量控制阀门，即可调节产品液氢的产量和冷剂的循环量。
2)针对氢气液化的能耗较高的问题，一方面本发明采用了接收站LNG的冷能作为原料气和制冷剂的预冷冷源，减小了氢气制冷循环的能耗，预冷换热器采用蒸发式冷却器，操控便捷，效率较高。另一方面本发明采用了氢气冷却器作为经济换热器，有效利用了LNG冷能，并减小了冷热物流在LNG蒸发冷却器中的换热温差。
3)LNG蒸发冷却器创新采用了浸没式板式换热器，提高了换热效率。
4)针对造成液氢产品不易存储和闪蒸气量较大的问题，本发明设置了低温正氢催化转化器，采用新型催化转化技术将正氢在低温环境下转化为仲氢。
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是本发明一实施例提供的氢气开式循环制冷系统的结构示意图；
附图中各标记表示如下：
1-第一换热器、2-正氢催化换热器、3-第三换热器、4-第四换热器、5-第一压缩机、6-第二压缩机、7-第三压缩机、8-电机、9-第一膨胀机、10-第二膨胀机、11-第三膨胀机、12-发动机、13-第一冷却器、14-第二冷却器、15-第二换热器、16-液氢分离罐、17-LNG储罐、18-LNG潜液泵、19,20-控制阀、100-三级压缩制冷机构、200-三级氢气低温膨胀机。
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。
本发明的实施例提供了一种氢气开式循环制冷系统，包括三级压缩制冷机构、第一换热器、三级氢气低温膨胀机构和液氢分离罐。三级所述压缩制冷机构的入口与原料氢气连通；所述三级压缩制冷机构的出口与所述第一换热器的入口之连通；所述三级氢气低温膨胀机构的入口与所述第一换热器的出口之间连通；所述液氢分离罐的入口与所述多级氢气低温膨胀机构的出口连通，所述液氢分离罐还包括第一出口和第二出口，所述第一出口用于分离液氢，所述第二出口与所述多级氢气低温膨胀机构、第一换热器之间依次通过管道连通，所述第一换热器与所述原料氢气之间通过管道连通并一起进入至所述多级压缩制冷机构。
氢气本身既是原料气又是制冷剂，而且液化和制冷循环合并为一个系统，氢气能够自由的在原料气和制冷剂之间进行匹配。装置升降负荷时，只需要调节一个原料气流量控制阀门，即可调节产品液氢的产量和冷剂的循环量。采用了开式制冷液化系统，只需要一台压缩机，相对于传统技术，压缩机、压缩机驱动、压缩机级间换热器等设备数量减少约一半。
实施例1
本发明的实施例提供了一种氢气开式循环制冷系统，包括三级压缩制冷机构100、第一换热器1、三级氢气低温膨胀机构200和液氢分离罐16。三级所述压缩制冷机构100的入口与原料氢气连通；所述三级压缩制冷机构100的出口与所述第一换热器1的入口之连通；所述三级氢气低温膨胀机构200的入口与所述第一换热器1的出口之间连通；所述液氢分离罐16的入口与所述三级氢气低温膨胀机构100的出口连通，所述液氢分离罐16还包括第一出口和第二出口，所述第一出口用于分离液氢，所述第二出口与所述三级氢气低温膨胀机构200和第一换热器1之间依次通过管道连通，所述第一换热器1与所述原料氢气之间通过管道连通并一起进入至所述多级压缩制冷机构。
当原料氢气预处理合格后引入该系统，首先进入所述三级压缩制冷机构100，三级所述压缩制冷机构100对所述原料氢气进行增压变成高温高压气体，增压后的原料气氢气和从所述液氢分离罐流出的制冷剂氢气进入所述第一换热器1进行换热，将所述高温高压气体进行降温，然后进入正氢催化换热器，在催化剂的作用下将氢气中的正氢转化为仲氢，同时再次降温，最后再经过所述三级膨胀机构200，进行又一次的降温降压并液化，液化的氢气进入液氢分离罐16。
分离后的低温液氢作为产品进入液氢储罐16，分离后的气相低温氢气作为制冷剂依次返回所述三级氢气低温膨胀机构200、第一换热器1和三级压缩制冷机构100，为热物流原料氢气和制冷剂氢气提供制冷量，复温后的制冷氢气与原料氢气一起汇入氢气压缩机入口。
所述氢气开式循环制冷系统还包括正氢催化换热器2，所述正氢催化换热器2的入口与所述第一换热器1的出口之间连通，所述正氢催化换热器2的出口与所述多级氢气低温膨胀机构的入口连通，所述液氢分离罐16的第二出口与所述多级氢气低温膨胀机构、正氢催化换热器2、第一换热器1之间依次通过管道连通，所述第一换热器1与所述原料氢气之间通过管道连通并一起进入至所述多级压缩制冷机构。
本发明中设置了低温正氢催化换热器2以降低产品液氢蒸发损耗，正氢催化换热器2同时具备换热器和正氢催化转化两种功能。
需要说明的是，上述所述三级压缩制冷机构100也并不限于三级压缩，也可以是二级或者是三级以上。上述三级氢气低温膨胀机构200也并不限于三级膨胀，也可以是二级或者是三级以及，为本领技术人员可以根据需要进行选择。
本发明提出了一种开式氢气液化系统，氢气本身既是原料气又是制冷剂，而且液化和制冷循环合并为一个系统，氢气能够自由的在原料气和制冷剂之间进行匹配。装置升降负荷时，只需要调节一个原料气流量控制阀门，即可调节产品液氢的产量和冷剂的循环量。由于设计采用了开式制冷液化系统，只需要一台多级压缩机，相对于传统技术，压缩机、压缩机驱动、压缩机级间换热器等设备数量减少约一半。
进一步的，所述氢气开式循环制冷系统还包括LNG制冷装置，所述LNG制冷装置包括LNG储罐17和LNG潜液18，所述LNG潜液泵18的出口与所述第一换热器1之间通过第一管道连通，所述LNG储罐17的入口与所述第一换热器1之间通过第二管道连通，所述第一管道和第二管道上均设有控制阀19,20。
当原料氢气预处理合格后引入该系统，首先进入氢气压缩机进行压力升高后，增压后的原料气氢气和制冷剂氢气进入第一换热器1由液氢分离罐16回流的低温氢气和LNG同时冷却至低温，然后进入正氢催化换热器2。
所述三级压缩制冷机构包括依次连通的第一压缩机5、第一冷却器13、第二压缩机6、第二冷却器14和第三压缩机7，三个所述压缩机一台驱动电机8驱动。由于设计采用了开式制冷液化系统，只需要一台多级压缩机，相对于传统技术，压缩机、压缩机驱动、压缩机级间换热器等设备数量减少约一半。
为了更好的对高温高压气体进行降温，还包括第二换热器15，所述第二换热器15的入口与所述第三压缩机7的出口连通，所述第二换热器15的出口与所述第一换热器1的入口连通，所述第一换热器1与所述原料氢气之间通过所述第二换热器15连通。首先进入三级压缩制冷机构，压力升至4.0MPa后经过第二换热器15冷却，同时将反流的低温氢气制冷器复温至常温，后再进入至所述第一换热器1与LNG进行换热降温。所述三级压缩制冷机由电机8驱动。
所述三级氢气低温膨胀机构包括依次连接的第一膨胀机9、第三换热器3、第二膨胀机10、第四换热器4和第三膨胀机11，所述第三膨胀机11的出口与所述液氢分离罐16的入口连通。
所述三级氢气低温膨胀机构还包括发电机12，所述三级氢气低温膨胀机构通过耦合变速多级齿轮箱机械连接共同驱动所述发电机12，将压力能转化为电能。膨胀机通过耦合齿轮箱共同驱动所述发电机12，实现电能回收的同时，相较与驱动原料气/制冷剂压缩机具有较强的可操作性。
所述第一换热器1优选为LNG浸没式翅片换热器。
所述第三换热器3和第四换热器4均优选为板翅换热器。
所述氢气开式循环制冷系统的工艺过程描述如下：
当原料氢气预处理合格后引入该系统，首先进入三级压缩制冷机，压力升至4.0MPa后经过第二换热器15冷却，同时将反流的低温氢气制冷器复温至常温。增压后的原料气氢气和制冷剂氢气进入浸没式翅片冷却器1由LNG冷却至-140℃，然后进入正氢催化换热器2，在催化剂的作用下将氢气中的正氢转化为仲氢，同时温度降至-180℃。再经过三级膨胀节流，温度降至-250.4℃，压力降至0.15MPa，进入液氢分离罐。
分离后的低温液氢作为产品进入液氢储罐16，分离后的气相低温氢气作为制冷剂依次返回第四换热器4、第三换热器3、正氢催化换热器2、LNG浸没式翅片换热器1、第二换热器15，为热物流原料氢气和制冷剂氢气提供制冷量，复温后的制冷氢气与原料氢气一起汇入氢气压缩机入口。
本发明针对现有氢气液化技术制冷循环与原料氢气是两个相对独立的系统，装置负荷调节不灵活的问题，本发明提出了一种开式氢气液化系统。氢气本身既是原料气又是制冷剂，而且液化和制冷循环合并为一个系统，氢气能够自由的在原料气和制冷剂之间进行匹配。装置升降负荷时，只需要调节一个原料气流量控制阀门，即可调节产品液氢的产量和冷剂的循环量。
针对氢气液化的能耗较高的问题，一方面本发明采用了接收站LNG的冷能作为原料气和制冷剂的预冷冷源，减小了氢气制冷循环的能耗，预冷换热器采用蒸发式冷却器，操控便捷，效率较高。另一方面本发明采用了氢气冷却器作为经济换热器，有效利用了LNG冷能，并减小了冷热物流在LNG蒸发冷却器中的换热温差。
LNG蒸发冷却器创新采用了浸没式板式换热器，提高了换热效率。
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 (6)

1.一种氢气开式循环制冷系统，其特征在于，包括：
多级压缩制冷机构，多级所述压缩制冷机构的入口与原料氢气连通；
第一换热器，所述多级压缩制冷机构的出口与所述第一换热器的入口之连通；
多级氢气低温膨胀机构，所述多级氢气低温膨胀机构的入口与所述第一换热器之间连通；
液氢分离罐，所述液氢分离罐的入口与所述多级氢气低温膨胀机构的出口连通，所述液氢分离罐还包括第一出口和第二出口，所述第一出口用于分离液氢，所述第二出口与所述多级氢气低温膨胀机构、第一换热器之间依次通过管道连通，所述第一换热器与所述原料氢气之间通过管道连通并一起进入至所述多级压缩制冷机构；
还包括LNG制冷装置，所述LNG制冷装置包括LNG储罐和LNG潜液泵，所述LNG潜液泵的出口与所述第一换热器之间通过第一管道连通，所述LNG储罐的入口与所述第一换热器之间通过第二管道连通，所述第一管道和第二管道上均设有控制阀；
还包括正氢催化换热器，所述正氢催化换热器的入口与所述第一换热器的出口之间连通，所述正氢催化换热器的出口与所述多级氢气低温膨胀机构的入口连通，所述液氢分离罐的第二出口与所述多级氢气低温膨胀机构、正氢催化换热器、第一换热器之间依次通过管道连通，所述第一换热器与所述原料氢气之间通过管道连通并一起进入至所述多级压缩制冷机构；
采用接收站LNG的冷能作为原料气和制冷剂的预冷冷源，减小了氢气制冷循环的能耗，预冷换热器采用蒸发式冷却器；
采用氢气冷却器作为经济换热器，减小冷热物流在LNG蒸发冷却器中的换热温差。
2.根据权利要求1所述的氢气开式循环制冷系统，其特征在于，所述多级压缩制冷机构为三级压缩制冷机构，所述三级压缩制冷机构包括依次连通的第一压缩机、第一冷却器、第二压缩机、第二冷却器和第三压缩机，所述第一压缩机、第二压缩机和第三压缩机由一台驱动电机驱动。
3.根据权利要求2所述的氢气开式循环制冷系统，其特征在于，还包括第二换热器，所述第二换热器的入口与所述第三压缩机的出口连通，所述第二换热器的出口与所述第一换热器的入口连通，所述第一换热器与所述原料氢气之间通过所述第二换热器连通。
4.根据权利要求1所述的氢气开式循环制冷系统，其特征在于，所述多级氢气低温膨胀机构为三级氢气低温膨胀机构，所述三级氢气低温膨胀机构包括依次连接的第一膨胀机、第三换热器、第二膨胀机、第四换热器和第三膨胀机，所述第三膨胀机的出口与所述液氢分离罐的入口连通。
5.根据权利要求4所述的氢气开式循环制冷系统，其特征在于，所述三级氢气低温膨胀机构还包括发电机，所述三级氢气低温膨胀机构通过耦合变速多级齿轮箱机械连接共同驱动所述发电机将压力能转化为电能。
6.根据权利要求1所述的氢气开式循环制冷系统，其特征在于，所述第一换热器为LNG浸没式翅片换热器。
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