CN214501885U - 一种全低温循环氢液化器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供的全低温循环氢液化器，存储有氢气的气囊(S2)、冷压缩机组、换热器组、膨胀机组及用于保存液氢的贮液罐(S1)，本实用新型提供的全低温循环氢液化器，基于磁悬浮轴承技术的透平压缩和膨胀技术，采用低温循环可以降低漏热和耗功，采用冷压缩机代替常温压缩机，并省去压缩机后端的滤油器可以减小低温系统尺寸，提高系统可靠性，非接触磁悬浮轴承代替机械轴承和气体轴承可以实现轴承长时间无损运转，提高运行稳定性，采用工质预冷的冷压缩机压缩，可以减少工质压缩功进一步降低损耗，提高能源利用效率。

Description

一种全低温循环氢液化器
技术领域
本实用新型涉及低温制冷技术领域，特别涉及一种全低温循环氢液化器。
背景技术
氢能作为一种热值高的清洁能源，在国民经济中的地位愈发重要。氢能的有效利用必须首先解决制取储运和安全问题，目前氢能储运主要依靠压缩氢气和液氢储运两种方式。液氢具有体积小(是气氢体积的八百分之一)、品质稳定、运输效率高(一辆同等容积的液氢槽车，其运输量相当于10辆以上高压氢气长管拖车的运量)、成本低(是压缩氢气运输成本的1/10)和安全性高(2MPa 以下的低压储运)等显著特点，成为氢气商业化应用的最佳选择，尤其是作为清洁能源使用可以实现远距离、大规模、高效率、低成本的储存和运输，实现液氢从能源产地到能源消耗地的低成本配置，成为解决我国能源地区分布不平衡的有效方式。
目前大型氢液化装置是以Claude循环为基础，包括压缩机、换热器、膨胀机、节流阀等设备。其中压缩机和膨胀机是氢液化系统中仅有的动设备，决定系统运行寿命、效率和可靠性。液化装置中常采用常温的活塞或螺杆压缩机，受限于压缩机的使用工况，系统循环温度从气体液化温度到常温。大温差的现实情况导致系统漏热是液化装置的一个突出问题，造成能源消耗。除此之外，还需要在室温压缩机后端配备滤油器，装置复杂，降低了系统可靠性。膨胀机是高速旋转机械，需要可靠的轴承系统保持稳定。在现有的氢液化系统中，常用的是动压和静压气体轴承，但低速下动压膜不容易建立起来，且承载力和刚度受限；静压膜由于供气要连续消耗功率。
实用新型内容
鉴于此，有必要提供一种基于磁悬浮轴承技术的透平压缩和膨胀技术的全低温循环氢液化器。
为解决上述问题，本实用新型采用下述技术方案：
一种全低温循环氢液化器，包括：存储有氢气的气囊(S2)、冷压缩机组、换热器组、膨胀机组及用于保存液氢的贮液罐(S1)，所述冷压缩机组包括依次串联的第一级冷压缩机(C1)、第二级冷压缩机(C2)、第三级冷压缩机(C3) 及第四级冷压缩机(C4)，所述换热器组包括依次串联的第一级换热器(HEX1)、第二级换热器(HEX2)第三级换热器(HEX3)，第四级换热器(HEX4)、第五级换热器(HEX5)及第六级换热器(HEX6)，所述膨胀机组包括第一级透平膨胀机(T1)及第二级透平膨胀机(T2)，其中：
待液化氢气经所述第一级换热器(HEX1)预冷后依次经所述第一级冷压缩机(C1)、所述第二级冷压缩机(C2)、所述第三级冷压缩机(C3)及所述第四级冷压缩机(C4)做功后，形成的高压氢气；
所述高压氢气由所述第四级冷压缩机(C4)流出后进入所述第二级换热器(HEX2)，经所述第二级换热器(HEX2)出口的高压气体分为两路，一路依次经所述第三级换热器(HEX3)、所述第四级换热器(HEX4)和所述第五级换热器(HEX5)；另一路经所述第一级透平膨胀机(T1)工质做功后进入所述第四级换热器(HEX4)，再经所述第二级透平膨胀机(T2)工质做功后返回至所述第五级换热器(HEX5)的低压侧入口；
高压气体由所述第五级换热器(HEX5)后分为两路，一路经过所述第六级换热器(HEX6)和所述节流阀(V1)的节流作用后，液化贮存在贮液罐(S1) 中；另一路经过所述节流阀(V2)的节流作用后，返回所述第六级换热器(HEX6) 的低压侧入口；
所述贮液罐(S1)蒸发的气体与节流阀(V2)节流后的气体混合后进入所述第六级换热器(HEX6)，经所述第六级换热器(HEX6)的气体流出后，与所述第二级透平膨胀机(T2)做功后的气体混合进入所述第五级换热器(HEX5)，再依次经所述第四级换热器(HEX4)、所述第三级换热器(HEX3)和所述第二级换热器(HEX2)后与所述气囊(S2)补充的氢气混合后到达第一级冷压缩机 (C1)入口。
在其中一些实施例中，所述第一级冷压缩机(C1)、第二级冷压缩机(C2)、第三级冷压缩机(C3)及第四级冷压缩机(C4)结构相同，任意一冷压缩机包括：工作轮(21)、径向磁悬浮轴承(221)和(222)、轴向磁悬浮轴承(231) 和(232)、位移传感器(241)和(242)、保护轴承(251)和(252)、高速电机(26)、机壳(27)、冷却腔(28)及主轴(29)，其中：
所述工作轮(21)设置在所述主轴(29)的一端，所述轴向磁悬浮轴承(231) 和(232)对称设置在所述主轴(29)上的止推盘两侧，所述径向磁悬浮轴承(221) 和(222)设置在所述主轴(39)的径向方向上，所述位移传感器(241)和(242) 设置在所述主轴(29)的径向方向上且靠近所述主轴(29)两端，所述保护轴承(251)和(252)设置在所述主轴(29)的径向方向上且设置在其两端，所述高速电机(26)设置在所述主轴(29)的中部位置，冷压缩机内部定子固定在所述机壳(27)上，所述机壳27包含冷却腔(28)，所述冷却腔(28)用于冷却高速电机(26)、径向磁悬浮轴承(221)和222、轴向磁悬浮轴承(231) 和(232)、位移传感器(241)和(242)，所述冷却腔(28)包括冷却工质进口(281)和冷却工质出口(282)。
在其中一些实施例中，所述膨胀机包括工作轮(31)、径向磁悬浮轴承(321) 和(322)、轴向磁悬浮轴承(331)和(332)、位移传感器(341)和(342)、保护轴承(351)和(352)、制动轮部分(36)、机壳部分(37)、冷却腔(38) 及主轴(39)，其中：
所述主轴(39)的两端连接有所述工作轮(31)和所述制动轮部分(36)，所述轴向磁悬浮轴承(331)和(332)对称设置在所述主轴(39)上的止推盘两侧，所述径向磁悬浮轴承(321)和(322)对称设置在所述主轴(39)的径向方向上并靠近其两端，所述位移传感器(341)和(342)设置在所述主轴(39) 的径向方向上并靠近其两端，所述保护轴承(351)和(352)设置在所述主轴 (39)的径向方向上并靠近其两端，膨胀机内部定子固定在所述机壳(37)上，所述机壳(37)包括所述冷却腔(38)，用于径向磁悬浮轴承(321)和(322)，所述轴向磁悬浮轴承(331)和(332)，所述位移传感器(341)和(342)，所述冷却腔(38)包括冷却工质进口(381)和冷却工质出口(382)。
在其中一些实施例中，所述冷压缩机及膨胀机的冷却介质可以采用液氮或低温氮气预冷，也可以采用氦制冷系统中的低温氦气。
采用上述技术方案，本实用新型实现的技术效果如下：
本实用新型提供的全低温循环氢液化器，基于磁悬浮轴承技术的透平压缩和膨胀技术，采用低温循环可以降低漏热和耗功，采用冷压缩机代替常温压缩机，并省去压缩机后端的滤油器可以减小低温系统尺寸，提高系统可靠性，非接触磁悬浮轴承代替机械轴承和气体轴承可以实现轴承长时间无损运转，提高运行稳定性，采用工质预冷的冷压缩机压缩，可以减少工质压缩功进一步降低损耗，提高能源利用效率。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型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，下面所描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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为本实用新型实施例提供的全低温循环氢液化器的结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的冷压缩机的结构示意图；
图3为本实用新型实施例提供的膨胀机的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。
请参阅图1，为本实用新型一实施方式提供的全低温循环氢液化器的结构示意图，包括：存储有氢气的气囊(S2)、冷压缩机组、换热器组、膨胀机组及用于保存液氢的贮液罐(S1)，所述冷压缩机组包括依次串联的第一级冷压缩机(C1)、第二级冷压缩机(C2)、第三级冷压缩机(C3)及第四级冷压缩机(C4)，所述换热器组包括依次串联的第一级换热器(HEX1)、第二级换热器(HEX2)第三级换热器(HEX3)，第四级换热器(HEX4)、第五级换热器(HEX5) 及第六级换热器(HEX6)，所述膨胀机组包括第一级透平膨胀机(T1)及第二级透平膨胀机(T2)。
可以理解，上述液化器采用低温温区的多级冷压缩机串联，代替常温温区的活塞压缩机或者螺杆压缩机，并省去压缩机后端的的滤油器。
上述全低温循环氢液化器，主要包括液化循环和液氮循环。在液化循环中，氢气由气囊S2供应；液化后的液氢贮存在杜瓦S1中。
上述全低温循环氢液化器的工作方式如下：
待液化氢气经所述第一级换热器(HEX1)预冷后依次经所述第一级冷压缩机(C1)、所述第二级冷压缩机(C2)、所述第三级冷压缩机(C3)及所述第四级冷压缩机(C4)做功后，形成的高压氢气。
可以理解，所述第一级换热器(HEX1)对待液化氢气进行液氮预冷循环N1，其目的在于对氢气进行预冷，液氮由外部设备供应。
进一步地，上述冷压缩机所用冷却介质采用液氮循环N2，首先进入第一级冷压缩机C1，随后串联进入第二级冷压缩机C2，第三级冷压缩机C3和第四级冷压缩机C4，流出后返回液氮循环，液氮由外部设备供应。
所述高压氢气由所述第四级冷压缩机(C4)流出后进入所述第二级换热器(HEX2)，经所述第二级换热器(HEX2)出口的高压气体分为两路，一路依次经所述第三级换热器(HEX3)、所述第四级换热器(HEX4)和所述第五级换热器(HEX5)；另一路经所述第一级透平膨胀机(T1)工质做功后进入所述第四级换热器(HEX4)，再经所述第二级透平膨胀机(T2)工质做功后返回至所述第五级换热器(HEX5)的低压侧入口。
进一步地，膨胀机所用冷却介质采用液氮循环N3，首先进入第一级膨胀机 T1，随后串联进入第二级膨胀机T2，流出后返回液氮循环，液氮由外部设备供应。
高压气体由所述第五级换热器(HEX5)后分为两路，一路经过所述第六级换热器(HEX6)和所述节流阀(V1)的节流作用后，液化贮存在贮液罐(S1) 中；另一路经过所述节流阀(V2)的节流作用后，返回所述第六级换热器(HEX6) 的低压侧入口。
所述贮液罐(S1)蒸发的气体与节流阀(V2)节流后的气体混合后进入所述第六级换热器(HEX6)，经所述第六级换热器(HEX6)的气体流出后，与所述第二级透平膨胀机(T2)做功后的气体混合进入所述第五级换热器(HEX5)，再依次经所述第四级换热器(HEX4)、所述第三级换热器(HEX3)和所述第二级换热器(HEX2)后与所述气囊(S2)补充的氢气混合后到达第一级冷压缩机 (C1)入口。
在其中一些实施例中，所述冷压缩机及膨胀机的冷却介质可以采用液氮或低温氮气预冷，也可以采用氦制冷系统中的低温氦气。
请参阅图2，为本实用新型实施例提供的冷压缩机的结构示意图。
所述第一级冷压缩机(C1)、第二级冷压缩机(C2)、第三级冷压缩机(C3) 及第四级冷压缩机(C4)结构相同，任意一冷压缩机包括：工作轮(21)、径向磁悬浮轴承(221)和(222)、轴向磁悬浮轴承(231)和(232)、位移传感器(241)和(242)、保护轴承(251)和(252)、高速电机(26)、机壳 (27)、冷却腔(28)及主轴(29)，其中：
所述工作轮(21)设置在所述主轴(29)的一端，所述轴向磁悬浮轴承(231) 和(232)对称设置在所述主轴(29)上的止推盘两侧，所述径向磁悬浮轴承(221) 和(222)设置在所述主轴(39)的径向方向上，所述位移传感器(241)和(242) 设置在所述主轴(29)的径向方向上且靠近所述主轴(29)两端，所述保护轴承(251)和(252)设置在所述主轴(29)的径向方向上且设置在其两端，所述高速电机(26)设置在所述主轴(29)的中部位置，冷压缩机内部定子固定在所述机壳(27)上，所述机壳(27)包含冷却腔(28)，所述冷却腔(28) 用于冷却高速电机(26)、径向磁悬浮轴承(221)和222、轴向磁悬浮轴承(231) 和(232)、位移传感器(241)和(242)，所述冷却腔(28)包括冷却工质进口(281)和冷却工质出口(282)。
可以理解，上述冷压缩机采用磁悬浮轴承，包括径向轴承和轴向轴承，其中径向轴承约束转子径向位移，轴向轴承抵消轴向力保持轴向位置。
可以理解，采用磁悬浮轴承无磨损，免维护，使用寿命取决于电气系统的寿命；摩擦系数小，低功耗；刚度及阻尼可调，通过调节控制器参数，平稳度过临界转速；转子的回转精度控制精确；采用蓄电的磁悬浮轴承可在断电时起到保护作用。
另外，采用非接触磁悬浮轴承代替机械轴承和气体轴承可以实现轴承长时间无损运转，提高运行稳定性。
进一步地，所述冷压缩机可根据实际需要，设计蓄电保护装置，防止断电时主轴突然跌落；所述冷压缩机采用适用于常温环境或低温环境下运行的高速电机和磁悬浮轴承系统。
进一步地，所述在冷压缩机的冷却介质可以采用液氮或低温氮气预冷，也可以采用氦制冷系统中的低温氦气等。
可以理解，本实施例采用冷压缩机代替常温压缩机，并省去压缩机后端的滤油器可以减小低温系统尺寸，提高系统可靠性。
请参阅图3，为本实用新型实施例提供的膨胀机的结构示意图。
所述膨胀机包括工作轮(31)、径向磁悬浮轴承(321)和(322)、轴向磁悬浮轴承(331)和(332)、位移传感器(341)和(342)、保护轴承(351) 和(352)、制动轮部分(36)、机壳部分(37)、冷却腔(38)及主轴(39)，其中：
所述主轴(39)的两端连接有所述工作轮(31)和所述制动轮部分(36)，所述轴向磁悬浮轴承(331)和(332)对称设置在所述主轴(39)上的止推盘两侧，所述径向磁悬浮轴承(321)和(322)对称设置在所述主轴(39)的径向方向上并靠近其两端，所述位移传感器(341)和(342)设置在所述主轴(39) 的径向方向上并靠近其两端，所述保护轴承(351)和(352)设置在所述主轴 (39)的径向方向上并靠近其两端，膨胀机内部定子固定在所述机壳(37)上，所述机壳(37)包括所述冷却腔(38)，用于径向磁悬浮轴承(321)和(322)，所述轴向磁悬浮轴承(331)和(332)，所述位移传感器(341)和(342)，所述冷却腔(38)包括冷却工质进口(381)和冷却工质出口(382)。
进一步地，上述膨胀机采用磁悬浮轴承，包括径向轴承和轴向轴承，其中径向轴承约束转子径向位移，轴向轴承抵消轴向力保持轴向位置。
可以理解，采用磁悬浮轴承无磨损，免维护，使用寿命取决于电气系统的寿命；摩擦系数小，低功耗；刚度及阻尼可调，通过调节控制器参数，平稳度过临界转速；转子的回转精度控制精确；采用蓄电的磁悬浮轴承可在断电时起到保护作用。
另外，采用非接触磁悬浮轴承代替机械轴承和气体轴承可以实现轴承长时间无损运转，提高运行稳定性。
进一步地，所述膨胀机可根据实际需要，设计蓄电保护装置，防止断电时主轴突然跌落；所述膨胀机采用适用于常温环境或低温环境下运行的高速电机和磁悬浮轴承系统。
进一步地，所述在膨胀机的冷却介质可以采用液氮或低温氮气预冷，也可以采用氦制冷系统中的低温氦气等。
本实用新型提供的全低温循环氢液化器，基于磁悬浮轴承技术的透平压缩和膨胀技术，采用低温循环可以降低漏热和耗功，采用冷压缩机代替常温压缩机，并省去压缩机后端的滤油器可以减小低温系统尺寸，提高系统可靠性，非接触磁悬浮轴承代替机械轴承和气体轴承可以实现轴承长时间无损运转，提高运行稳定性，采用工质预冷的冷压缩机压缩，可以减少工质压缩功进一步降低损耗，提高能源利用效率。
以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，仅具体描述了本实用新型的技术原理，这些描述只是为了解释本实用新型的原理，不能以任何方式解释为对本实用新型保护范围的限制。基于此处解释，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本实用新型的其他具体实施方式，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种全低温循环氢液化器，其特征在于，包括：存储有氢气的气囊(S2)、冷压缩机组、换热器组、膨胀机组及用于保存液氢的贮液罐(S1)，所述冷压缩机组包括依次串联的第一级冷压缩机(C1)、第二级冷压缩机(C2)、第三级冷压缩机(C3)及第四级冷压缩机(C4)，所述换热器组包括依次串联的第一级换热器(HEX1)、第二级换热器(HEX2)第三级换热器(HEX3)，第四级换热器(HEX4)、第五级换热器(HEX5)及第六级换热器(HEX6)，所述膨胀机组包括第一级透平膨胀机(T1)及第二级透平膨胀机(T2)，其中：
待液化氢气经所述第一级换热器(HEX1)预冷后依次经所述第一级冷压缩机(C1)、所述第二级冷压缩机(C2)、所述第三级冷压缩机(C3)及所述第四级冷压缩机(C4)做功后，形成的高压氢气；
所述高压氢气由所述第四级冷压缩机(C4)流出后进入所述第二级换热器(HEX2)，经所述第二级换热器(HEX2)出口的高压气体分为两路，一路依次经所述第三级换热器(HEX3)、所述第四级换热器(HEX4)和所述第五级换热器(HEX5)；另一路经所述第一级透平膨胀机(T1)工质做功后进入所述第四级换热器(HEX4)，再经所述第二级透平膨胀机(T2)工质做功后返回至所述第五级换热器(HEX5)的低压侧入口；
高压气体由所述第五级换热器(HEX5)后分为两路，一路经过所述第六级换热器(HEX6)和节流阀(V1)的节流作用后，液化贮存在贮液罐(S1)中；另一路经过节流阀(V2)的节流作用后，返回所述第六级换热器(HEX6)的低压侧入口；
所述贮液罐(S1)蒸发的气体与节流阀(V2)节流后的气体混合后进入所述第六级换热器(HEX6)，经所述第六级换热器(HEX6)的气体流出后，与所述第二级透平膨胀机(T2)做功后的气体混合进入所述第五级换热器(HEX5)，再依次经所述第四级换热器(HEX4)、所述第三级换热器(HEX3)和所述第二级换热器(HEX2)后与所述气囊(S2)补充的氢气混合后到达第一级冷压缩机(C1)入口。
2.如权利要求1所述的全低温循环氢液化器，其特征在于，所述第一级冷压缩机(C1)、第二级冷压缩机(C2)、第三级冷压缩机(C3)及第四级冷压缩机(C4)结构相同，任意一冷压缩机包括：工作轮(21)、径向磁悬浮轴承(221)和(222)、轴向磁悬浮轴承(231)和(232)、位移传感器(241)和(242)、保护轴承(251)和(252)、高速电机(26)、机壳(27)、冷却腔(28)及主轴(29)，其中：
所述工作轮(21)设置在所述主轴(29)的一端，所述轴向磁悬浮轴承(231)和(232)对称设置在所述主轴(29)上的止推盘两侧，所述径向磁悬浮轴承(221)和(222)设置在所述主轴(39)的径向方向上，所述位移传感器(241)和(242)设置在所述主轴(29)的径向方向上且靠近所述主轴(29)两端，所述保护轴承(251)和(252)设置在所述主轴(29)的径向方向上且设置在其两端，所述高速电机(26)设置在所述主轴(29)的中部位置，冷压缩机内部定子固定在所述机壳(27)上，所述机壳(27)包含冷却腔(28)，所述冷却腔(28)用于冷却高速电机(26)、径向磁悬浮轴承(221)和222、轴向磁悬浮轴承(231)和(232)、位移传感器(241)和(242)，所述冷却腔(28)包括冷却工质进口(281)和冷却工质出口(282)。
3.如权利要求1所述的全低温循环氢液化器，其特征在于，所述膨胀机包括工作轮(31)、径向磁悬浮轴承(321)和(322)、轴向磁悬浮轴承(331)和(332)、位移传感器(341)和(342)、保护轴承(351)和(352)、制动轮部分(36)、机壳部分(37)、冷却腔(38)及主轴(39)，其中：
所述主轴(39)的两端连接有所述工作轮(31)和所述制动轮部分(36)，所述轴向磁悬浮轴承(331)和(332)对称设置在所述主轴(39)上的止推盘两侧，所述径向磁悬浮轴承(321)和(322)对称设置在所述主轴(39)的径向方向上并靠近其两端，所述位移传感器(341)和(342)设置在所述主轴(39)的径向方向上并靠近其两端，所述保护轴承(351)和(352)设置在所述主轴(39)的径向方向上并靠近其两端，膨胀机内部定子固定在所述机壳部分(37)上，所述机壳部分(37)包括所述冷却腔(38)，用于径向磁悬浮轴承(321)和(322)，所述轴向磁悬浮轴承(331)和(332)，所述位移传感器(341)和(342)，所述冷却腔(38)包括冷却工质进口(381)和冷却工质出口(382)。
4.如权利要求1所述的全低温循环氢液化器，其特征在于，所述冷压缩机及膨胀机的冷却介质可以采用液氮或低温氮气预冷，采用氦制冷系统中的低温氦气。
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WO2022254132A1 (fr) * 2021-05-31 2022-12-08 Engie Procede et installation de liquefaction de l'hydrogene

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