RU2780120C1

RU2780120C1 - Cryogenic system of hydrogen liquefaction produced mainly at nuclear power plants

Info

Publication number: RU2780120C1
Application number: RU2021133715A
Authority: RU
Inventors: Григорий Юзикович ЦФАСМАН; Юрий Иванович Духанин; Алексей Константинович Дедков; Владимир Геннадиевич Самоделов; Николай Антонович Пуртов
Original assignee: Алексей Константинович Дедков
Filing date: 2021-11-19
Publication date: 2022-09-19

Abstract

FIELD: cryogenic technology.

SUBSTANCE: invention relates to cryogenic technology, can be used for the production and storage of multi-tonnage liquid hydrogen. The cryogenic hydrogen liquefaction system consists of a hydrogen liquefaction unit made in the form of a compressor that pushes the hydrogen production flow, a nitrogen cooling unit, a hydrogen liquefaction unit in the form of five regenerative heat exchangers, three adiabatic hydrogen vapor converters and two throttle valves, one of which is installed on the liquid hydrogen delivery line to the liquid hydrogen storage, and a helium refrigeration unit as part of a compressor, a nitrogen pre-cooling unit, a helium cooling unit. In the hydrogen liquefaction unit, a multi-stage steam ejector unit is installed in front of the booster compressor. All ejector stages are connected in parallel to the steam supply collector, the first ejector stage is connected to a hydrogen gas tank connected to a source of hydrogen gas, and the end ejector stage is connected to a booster compressor, which is made without lubrication and is connected to the gas tank through a control valve, and through a flow meter to a nitrogen cooling unit. The unit is equipped with a liquid hydrogen supercooling unit made in the form of a cryogenic tank with a heat exchanger located inside the tank and connected to the liquid hydrogen delivery line. A second multistage steam ejector unit is installed in the helium refrigeration unit.

EFFECT: invention makes it possible to increase the reliability, fire and explosion safety and efficiency of the cryogenic system, to increase the period of drainage-free storage of hydrogen.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к криогенной технике и широко может быть использовано для получения и хранения больших количеств жидкого водорода в составе как действующих атомных энергетических станций (АЭС) с водо-водяными энергетическими реакторами типа ВВЭР и парогенератором ППГи реакторах на быстрых нейтронах типа БН с парогенератором ПГН, а также перспективных АЭС, базирующихся на высокотемпературных газоохладительных реакторах (ВТГР).The invention relates to cryogenic engineering and can be widely used for the production and storage of large quantities of liquid hydrogen as part of both operating nuclear power plants (NPP) with pressurized water power reactors of the VVER type and a PPG steam generator and fast neutron reactors of the BN type with a PGN steam generator, and also promising nuclear power plants based on high-temperature gas-cooling reactors (HTGR).

Известна криогенная система ожижения водорода, состоящая из установки получения продукционного (ожижаемого) водорода в составе компрессора, блока азотного охлаждения, блока ожижения в составе двух теплообменников, трех конверторов параводорода, ванны с жидким водородом и установки с водородно-пропановым циклом в составе турбокомпрессоров, оборудования конденсации и отделения пропана из смеси, азотной ванны, двух теплообменников и двух турбодетандеров. (см. Криогенные системы. А.М. Архаров, В.П. Беляков. Москва, Машиностроение, 1987 г, стр. 382-387, рис. 5-18) Несмотря на то, что в установке с водородно-пропановым циклом удалось выполнить компримирование водорода с помощью более надежных в работе турбокомпрессоров, ее отличает:A cryogenic hydrogen liquefaction system is known, consisting of a plant for producing production (liquefied) hydrogen as part of a compressor, a nitrogen cooling unit, a liquefaction unit consisting of two heat exchangers, three parahydrogen converters, a bath with liquid hydrogen and a plant with a hydrogen-propane cycle as part of turbocompressors, equipment condensation and separation of propane from the mixture, nitrogen bath, two heat exchangers and two turboexpanders. (see Cryogenic systems. A.M. Arkharov, V.P. Belyakov. Moscow, Mashinostroenie, 1987, pp. 382-387, Fig. 5-18) perform hydrogen compression using more reliable turbochargers, it is distinguished by:

- повышенная взрыво-пожароопасность;- increased explosion and fire hazard;

- необходимость постоянного контроля и поддержания состава газовой смеси;- the need for constant monitoring and maintenance of the composition of the gas mixture;

- сложность регулирования холодопроизводительности, а также высокая степень капитальных и эксплуатационных затрат.- the difficulty of regulating the cooling capacity, as well as a high degree of capital and operating costs.

Известна криогенная система ожижения водорода, состоящая из установки получения продукционного водорода в составе компрессора высокого давления, блоков очистки от масла и влаги, блока азотного охлаждения, рекуперативных теплообменников, двух ванн с жидким водородом, четырех конверторов параводорода, и водородной установки для охлаждения и ожижения продукционного потока, выполненной по циклу двух давлений, в составе двух компрессоров, блоков предварительного азотного охлаждения, рекуперативного теплообменника и турбодетандера. (см. Криогенные системы, Т. 2.. А.М. Архаров и др. Москва, Машиностроение, 1987 г, стр. 168-170, рис. 2.17 и рис. 2.18).A cryogenic hydrogen liquefaction system is known, consisting of a production hydrogen production unit as part of a high-pressure compressor, oil and moisture purification units, a nitrogen cooling unit, recuperative heat exchangers, two liquid hydrogen baths, four parahydrogen converters, and a hydrogen plant for cooling and liquefying the production flow, made according to a cycle of two pressures, consisting of two compressors, nitrogen pre-cooling units, a recuperative heat exchanger and a turboexpander. (see Cryogenic Systems, Vol. 2. A.M. Arkharov et al. Moscow, Mashinostroenie, 1987, pp. 168-170, Fig. 2.17 and Fig. 2.18).

Основными недостатками указанной системы являются: достижение высокой термодинамической эффективности за счет сложного цикла с пятью ступенями охлаждения;The main disadvantages of this system are: the achievement of high thermodynamic efficiency due to a complex cycle with five cooling stages;

- сложная многоступенчатая система очистки от масла и воды;- a complex multi-stage oil and water purification system;

- неэффективная система регулирования холодопроизводительности;- inefficient cooling capacity control system;

- большие капитальные и эксплуатационные затраты, обусловленные необходимостью применения сложного компрессорного оборудования.- high capital and operating costs due to the need to use complex compressor equipment.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому изобретению является криогенная система ожижения водорода, состоящая из установки ожижения водорода, выполненной в виде дожимающего продукционный поток водорода компрессора, блока азотного охлаждения, снабженного первой холодильной установкой, блока ожижения водорода в составе рекуперативных теплообменников, трех адиабатных конверторов параводорода и двух дроссельных вентилей, один из которых установлен на линии выдачи жидкого водорода в хранилище жидкого водорода, и гелиевой холодильной установки в составе компрессора, сжимающего гелий от давления обратного потока до рабочего давления, блока предварительного азотного охлаждения, снабженного второй холодильной установкой, гелиевого блока охлаждения, состоящего из четырех последовательных рекуперативных теплообменников и трех турбодетандеров, первый и второй из которых установлены последовательно, а также трубопроводов подачи гелия в блок ожижения водорода после второго и третьего турбодетандеров и трех трубопроводов возврата гелия из блока ожижения водорода в гелиевый блок охлаждения (см. патент РФ 2309342).The closest in technical essence and achieved effect to the claimed invention is a cryogenic hydrogen liquefaction system, consisting of a hydrogen liquefaction unit made in the form of a compressor boosting the hydrogen production stream, a nitrogen cooling unit equipped with a first refrigeration unit, a hydrogen liquefaction unit consisting of recuperative heat exchangers, three adiabatic parahydrogen converters and two throttle valves, one of which is installed on the liquid hydrogen delivery line to the liquid hydrogen storage, and a helium refrigeration unit as part of a compressor that compresses helium from the return flow pressure to the operating pressure, a nitrogen pre-cooling unit equipped with a second refrigeration unit, helium cooling unit, consisting of four successive recuperative heat exchangers and three turboexpanders, the first and second of which are installed in series, as well as pipelines for supplying helium to the hydrogen liquefaction unit le of the second and third turbo-expanders and three helium return pipelines from the hydrogen liquefaction unit to the helium cooling unit (see Fig. RF patent 2309342).

Несмотря на высокую термодинамическую эффективность системы ожижения водорода она обладает рядом существенных недостатков:Despite the high thermodynamic efficiency of the hydrogen liquefaction system, it has a number of significant disadvantages:

- низким уровнем надежности, обусловленным применением традиционного поршневого или винтового компрессорного оборудования, имеющего большое количество отказов при работе;- low level of reliability due to the use of traditional reciprocating or screw compressor equipment, which has a large number of failures during operation;

- большими капитальными и эксплуатационными затратами, особенно при создании систем ожижения водорода большой производительности, требующих целого парка компрессоров, сложных и дорогостоящих систем очистки от масла.- high capital and operating costs, especially when creating high-capacity hydrogen liquefaction systems that require a whole fleet of compressors, complex and expensive oil purification systems.

Решаемая задача - повышение надежности и эффективности криогенной системы в широком диапазоне регулирования холодопроизводительности получения переохлажденного жидкого параводорода с обеспечением длительных сроков бездренажного хранения, снижение капитальных и эксплуатационных затрат при максимальном использовании возможностей АЭС, особенно в режимах безпиковых нагрузок и обеспечения взрыво-пожаробезопасности.The problem to be solved is to increase the reliability and efficiency of the cryogenic system in a wide range of regulation of the refrigeration capacity of obtaining supercooled liquid parahydrogen with long periods of non-drainage storage, reducing capital and operating costs while maximizing the use of nuclear power plant capabilities, especially in peakless load modes and ensuring explosion and fire safety.

Указанный технический результат достигается тем, что в криогенной системе ожижения водорода, состоящей из установки ожижения водорода, выполненной в виде дожимающего продукционный поток водорода компрессора, блока азотного охлаждения, снабженного первой холодильной установкой, блока ожижения водорода в виде пяти рекуперативных теплообменников, трех адиабатных конверторов пароводорода и двух дроссельных вентилей, один из которых установлен на линии выдачи жидкого водорода в хранилище жидкого водорода, и гелиевой холодильной установки в составе компрессора, сжимающего гелий от давления обратного потока до рабочего давления, блока предварительного азотного охлаждения, снабженного второй холодильной установкой, гелиевого блока охлаждения, состоящего из четырех последовательных рекуперативных теплообменников и трех турбодетандеров, первый и второй из которых установлены последовательно, а также трубопроводов подачи гелия в блок ожижения водорода после второго и третьего турбодетандеров и трех трубопроводов возврата гелия из блока ожижения водорода в гелиевый блок охлаждения в установке ожижения водорода перед дожимающим компрессором для предварительного сжатия продукционного потока водорода установлен многоступенчатый пароэжекторный агрегат, выполненный в виде последовательно включенных эжекторных ступеней в составе эжектора, водяного холодильника и сепаратора с клапаном в каждой ступени, а также коллектора подачи пара, коллектора подачи холодной воды в водяные холодильники, коллектора отвода нагретой воды из водяных холодильников и коллектора отвода воды из сепараторов, при этом все эжекторные ступени параллельно подключены к коллектору подачи пара, первая эжекторная ступень - к водородному газгольдеру, на котором установлен датчик положения колокола, соединенному с источником получения газообразного водорода, а концевая эжекторная ступень - к дожимающему компрессору, который выполнен без смазки и через регулирующий клапан соединен с газгольдером, а через расходомер - с блоком азотного охлаждения, в котором после первой холодильной установки последовательно установлены сепаратор и блок адсорбционный осушки, и кроме того, установка оснащена блоком переохлаждения жидкого водорода, выполненным в виде криогенной емкости с теплообменником, размещенным внутри емкости и подсоединенным к линии выдачи жидкого водорода с дроссельным вентилем после блока ожижения водорода, и эжекторной ступени для откачки паров водорода из емкости в составе эжектора, водяного холодильника и сепаратора, при этом эжекторная ступень также подключена к коллектору подачи пара и газгольдеру, а в гелиевой холодильной установке для сжатия газообразного гелия от давления обратного потока до рабочего давления установлен многоступенчатый пароэжекторный агрегат, выполненный в виде последовательно включенных эжекторных ступеней в составе эжектора, водяного холодильника и сепаратора с клапаном в каждой ступени, при этом водяные холодильники подключены к коллектору подачи холодной воды и к коллектору отвода горячей воды, сепараторы - к коллектору отвода воды, а эжекторы - к коллектору подачи пара, при этом его первая эжекторная ступень через ресивер низкого давления и концевая эжекторная ступень через ресивер высокого давления соединены с блоком предварительного азотного охлаждения, в котором после второй холодильной установки последовательно установлены сепаратор и блок адсорбционный осушки, а в гелиевом блоке охлаждения выполнены два имитатора тепловой нагрузки, один из которых соединен с выходом из третьего детандера и выходом обратного потока из четвертого теплообменника, а второй соединен с выходом после второго детандера и также с выходом обратного потока из четвертого теплообменника, при этом на входе каждого имитатора тепловой нагрузки установлен клапан, а на выходе - датчик температуры, а на трубопроводах подачи гелия в блок ожижения водорода после второго и третьего турбодетандеров, а также на входе обратного потока в четвертый теплообменник после второго турбодетандера установлены регулирующие клапаны, и кроме того, криогенная система снабжена линией подачи пара от парогенератора, соединенной через клапаны с коллекторами подачи пара обоих пароэжекторных агрегатов, насосным агрегатом возврата воды из сепараторов тех же пароэжекторных агрегатов в парогенератор и автономной установкой водяного охлаждения водяных холодильников, выполненной в виде резервуара для воды, циркуляционного насоса, соединенного с коллекторами подачи холодной воды в водяные холодильники, и двух теплообменников для охлаждения воды, подключенных к коллекторам отвода нагретой воды из водяных холодильников пароэжекторных агрегатов.This technical result is achieved by the fact that in a cryogenic hydrogen liquefaction system, consisting of a hydrogen liquefaction unit made in the form of a compressor boosting the hydrogen production stream, a nitrogen cooling unit equipped with a first refrigeration unit, a hydrogen liquefaction unit in the form of five recuperative heat exchangers, three adiabatic hydrogen steam converters and two throttle valves, one of which is installed on the liquid hydrogen output line in the liquid hydrogen storage, and a helium refrigeration unit as part of a compressor that compresses helium from the return flow pressure to the operating pressure, a nitrogen pre-cooling unit equipped with a second refrigeration unit, a helium cooling unit , consisting of four successive recuperative heat exchangers and three turbo expanders, the first and second of which are installed in series, as well as pipelines for supplying helium to the hydrogen liquefaction unit after the second and third turbo expanders and ex pipelines for the return of helium from the hydrogen liquefaction unit to the helium cooling unit in the hydrogen liquefaction unit, in front of the booster compressor for pre-compression of the hydrogen production stream, a multi-stage steam ejector unit is installed, made in the form of successively connected ejector stages consisting of an ejector, a water cooler and a separator with a valve in each stage , as well as a steam supply manifold, a cold water supply manifold to water coolers, a heated water outlet manifold from water coolers and a water outlet manifold from separators, while all ejector stages are connected in parallel to the steam supply manifold, the first ejector stage is connected to a hydrogen gas tank, on where the bell position sensor is installed, connected to a source of hydrogen gas production, and the end ejector stage - to the booster compressor, which is made without lubrication and is connected to the gas tank through the control valve, and through the flow meter - to nitrogen cooling unit, in which, after the first refrigeration unit, a separator and an adsorption drying unit are installed in series, and in addition, the unit is equipped with a liquid hydrogen supercooling unit, made in the form of a cryogenic tank with a heat exchanger located inside the tank and connected to the liquid hydrogen output line with a throttle valve after the hydrogen liquefaction unit, and an ejector stage for pumping hydrogen vapor from a tank consisting of an ejector, a water cooler and a separator, while the ejector stage is also connected to a steam supply manifold and a gas tank, and in a helium refrigeration unit for compressing gaseous helium from the return pressure to working pressure, a multi-stage steam ejector unit is installed, made in the form of successively connected ejector stages consisting of an ejector, a water cooler and a separator with a valve in each stage, while the water coolers are connected to the cold water supply manifold and to the hot water outlet manifold, separators - to the water outlet manifold, and ejectors - to the steam supply manifold, while its first ejector stage through the low pressure receiver and the end ejector stage through the high pressure receiver are connected to the nitrogen pre-cooling unit, in which, after the second refrigeration of the plant, a separator and an adsorption drying unit are installed in series, and two heat load simulators are made in the helium cooling unit, one of which is connected to the outlet from the third expander and the return flow outlet from the fourth heat exchanger, and the second is connected to the outlet after the second expander and also to the return outlet. flow from the fourth heat exchanger, with a valve installed at the inlet of each thermal load simulator, and a temperature sensor at the outlet, and on the helium supply pipelines to the hydrogen liquefaction unit after the second and third turboexpanders, and also at the return flow inlet to the fourth heat exchanger after the second turbode control valves are installed on the turntable, and in addition, the cryogenic system is equipped with a steam supply line from the steam generator, connected through valves to the steam supply manifolds of both steam ejector units, a pump unit for returning water from the separators of the same steam ejector units to the steam generator and an autonomous water cooling unit for water coolers, made in the form of a water tank, a circulation pump connected to the cold water supply manifolds to the water coolers, and two heat exchangers for water cooling connected to the heated water outlet manifolds from the water coolers of the steam jet units.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся совокупными признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, следовательно, оно соответствует критерию НОВИЗНА. На чертеже, фиг. 1, дана принципиальная схема криогенной системы ожижения водорода, поясняющая сущность предлагаемого технического решения, на которой отражен состав технологического оборудования, исходя из того, что для безмашинного компримирования гелия от давления 0,3-0,35 МПа до рабочего давления 2,5 МПа в гелиевом холодильном цикле и безмашинного компримирования продукционного потока водорода от давления 0,05МПа до давления 1,4-1,6 МПа используется насыщенный пар с давлением 13,5-14.0 МПа и температурой от 500°С до 540°С, который получают, например, во втором контуре в реакторах на быстрых нейтронах типа БН от парогенератора типа ПГН - 200М. В зависимости от теплофизических параметров насыщенного пара будет меняться количество пароэжекторных ступеней и достигаемая степень сжатия водорода и гелия в пароэжекторных агрегатах на выходе активного потока и уровень вакуума в емкости, создаваемый при откачке паров водорода в пассивном потоке.The analysis of the prior art made it possible to establish that the applicant did not find an analogue characterized by cumulative features identical to all the essential features of the claimed invention, therefore, it meets the NOVELTY criterion. In the drawing, Fig. 1, a schematic diagram of a cryogenic hydrogen liquefaction system is given, explaining the essence of the proposed technical solution, which reflects the composition of the process equipment, based on the fact that for machineless compression of helium from a pressure of 0.3-0.35 MPa to an operating pressure of 2.5 MPa in helium refrigeration cycle and machineless compression of the hydrogen production flow from a pressure of 0.05 MPa to a pressure of 1.4-1.6 MPa, saturated steam with a pressure of 13.5-14.0 MPa and a temperature of 500°C to 540°C is used, which is obtained, for example , in the second circuit in fast neutron reactors of the BN type from a steam generator of the PGN-200M type. Depending on the thermophysical parameters of the saturated steam, the number of steam ejector stages and the achieved degree of hydrogen and helium compression in the steam ejector units at the outlet of the active stream and the vacuum level in the tank created when hydrogen vapor is pumped out in the passive stream will change.

Для наглядности и четкости принципиальная схема криогенной системы ожижения водорода, фиг. 1, выполнена на двух листах.For clarity and clarity, the schematic diagram of a cryogenic hydrogen liquefaction system, Fig. 1 is made on two sheets.

Криогенная система ожижения водорода, включает установку ожижения водорода и гелиевую холодильную установку. Установка ожижения водорода состоит из пароэжекторного агрегата, выполненного, например, в виде пяти последовательно включенных эжекторных ступеней 1…5 в составе эжектора 6, водяного холодильника 7 и сепаратора 8 с клапаном 9 в каждой ступени, при этом водяные холодильники 7 подключены к коллектору 10 подачи холодной воды и к коллектору 11 отвода горячей воды, сепараторы 8 -к коллектору 12 отвода воды, а эжекторы 6 - к коллектору 13 подачи пара, кроме того эжектор 6 первой эжекторной ступени 1 трубопроводом 14 подключен к водородному газгольдеру 15, соединенному трубопроводом 16 с источником получения газообразного водорода, например, с электролизером АЭС (на чертеже не показан), а сепаратор 8 пятой эжекторной ступени 5 трубопроводом 17 подключен к дожимающему компрессору 18, выполненному без смазки, и который с помощью регулирующего клапана 19 и трубопровода 20 подсоединен к водородному газгольдеру 15, а трубопроводом 21 к расходомеру 22, установленному на входе в блок азотного охлаждения 23, который включает рекуперативный теплообменник 24, холодильную установку 25, сепаратор 26, блок адсорбиционный осушки 27, рекуперативный теплообменник 28, азотную ванну 29 с изотермическим конвертором 30, и соединен с блоком ожижения водорода 31, выполненным в виде пяти, например, рекуперативных теплообменников 32…36 и трех адиабатных конверторов 37, 38, 39, дроссельного вентиля 40 и датчика давления 41, установленных после второго адиабатного конвертора 38, датчика давления 43 и дроссельного вентиля 42, установленных на линии 44 выдачи жидкого водорода после последнего рекуперативного теплообменника 36 для обеспечения длительного бездренажного хранения. Установка оснащена блоком переохлаждения жидкого водорода, выполненным в виде криогенной емкости 45 с теплообменником 46, размещенным внутри емкости 45, клапана 47, подсоединенных к линии 44 выдачи жидкого водорода с дроссельным вентилем 42, и эжекторной ступени 48 для откачки паров водорода из емкости 45 в составе эжектора 49, водяного холодильника 50 и сепаратора 51 с клапаном 52, при этом сепаратор 51 трубопроводом 53 подсоединен к водородному газгольдеру 15, а линии подсоединения эжектора 49 к коллектору 13 подачи пара, водяного холодильника 50 к коллекторам 10 и 11, сепаратора 51 с клапаном 52 к коллектору 12 на чертеже условно не показаны. Гелиевая холодильная установка, входящая в состав криогенной системы ожижения водорода, включает пароэжекторный агрегат, выполненный в виде, например, трех последовательно включенных эжекторных ступеней 54, 55, 56 в составе эжектора 57, водяного холодильника 58 и сепаратора 59 с клапаном 60 в каждой ступени, при этом водяные холодильники 58 подключены к коллектору 61 подачи холодной воды и к коллектору 62 отвода горячей воды, сепараторы 59- к коллектору 63 отвода воды, а эжекторы 57- к коллектору 64 подачи пара, при этом эжектор 57 первой эжекторной ступени 54 трубопроводом 65 подсоединен к ресиверу 66 низкого давления, а сепаратор 59 третьей эжекторной ступени 56 трубопроводом 67 подсоединен к ресиверу 68 высокого давления. Ресивер 66 низкого давления и ресивер 68 высокого давления в свою очередь подключены к блоку предварительного азотного охлаждения 69, включающему рекуперативный теплообменник 70, вторую холодильную установку 71, сепаратор 72, блок адсорбиционный осушки 73, рекуперативный теплообменник 74, азотную ванну 75 с теплообменником 76. Блок предварительного азотного охлаждения 69 подключен к гелиевому блоку охлаждения 77, состоящему из четырех рекуперативных теплообменников 78…81, первого и второго последовательно установленных турбодетандеров 82, 83 и третьего турбодетандера 84, а также трубопровода 85 подачи потока гелия после третьего турбодетандера 84 в концевой теплообменник 36 блока ожижения водорода 31, трубопровода 86 подачи части потока гелия после второго турбодетандера 83 в теплообменник 34 блока ожижения водорода 31, трех 87…89 трубопроводов возврата потоков гелия из блока ожижения водорода 31 в гелиевый блок охлаждения 77 и двух имитаторов тепловой нагрузки 90 и 91, один из которых 90 соединен с выходом из третьего турбодетандера 84 и выходом обратного потока из четвертого теплообменника 81, а второй 91 соединен с выходом из второго турбодетандера 83 и выходом обратного потока из четвертого теплообменника 81, при этом на трубопроводах 85 и 86, а также на входе обратного потока в четвертый теплообменник 81 установлены регулирующие клапаны 92, 93, 94, на входе каждого имитатора тепловой нагрузки 90 и 91 установлены клапаны 95, 96, на выходе - датчики температуры 97 и 98, а кроме того криогенная система ожижения водорода снабжена автономной установкой водяного охлаждения в составе резервуара 99, циркуляционного насоса 100, подключенного к коллектору 61 и к коллектору 10 подачи холодной воды в водяные холодильники 58 и 7, теплообменника 101 для охлаждения воды, соединенного с коллектором 62 отвода горячей воды из водяных холодильников 58, и теплообменника 102 для охлаждения воды, соединенного с коллектором 11 отвода горячей воды из водяных холодильников 7, насосным агрегатом в составе бака 103, подключенного трубопроводом 104 к коллектору 63 отвода воды из сепараторов 59, и трубопроводом 105 - к коллектору 12 отвода воды из сепараторов 8, насоса 106, обратного клапана 107 и трубопровода 108 возврата воды в парогенератор. В состав криогенной системы ожижения водорода входит хранилище жидкого водорода 109, соединенное трубопроводом 110 с теплообменником 46 блока переохлаждения водорода. Подвод пара от парогенератора (на чертеже не показан) осуществляется по трубопроводу 111 через клапаны 112 и 113, при этом клапан 112 подключен к коллектору 64 подачи пара в эжекторные ступени 54…56 гелиевой холодильной установки, а клапан 113 - к коллектору 13 подачи пара в эжекторные ступени 1…5 установки ожижения водорода.The cryogenic hydrogen liquefaction system includes a hydrogen liquefaction unit and a helium refrigeration unit. The hydrogen liquefaction plant consists of a steam ejector unit, made, for example, in the form of five ejector stages 1 ... 5 connected in series, consisting of an ejector 6, a water cooler 7 and a separator 8 with a valve 9 in each stage, while the water coolers 7 are connected to the supply manifold 10 of cold water and to the collector 11 of the hot water outlet, the separators 8 to the collector 12 of the water outlet, and the ejectors 6 to the collector 13 of the steam supply, in addition, the ejector 6 of the first ejector stage 1 is connected by a pipeline 14 to a hydrogen gas holder 15 connected by a pipeline 16 to the source obtaining gaseous hydrogen, for example, with an NPP electrolytic cell (not shown in the drawing), and the separator 8 of the fifth ejector stage 5 is connected by pipeline 17 to a booster compressor 18 made without lubrication, and which is connected to a hydrogen gas tank 15 using a control valve 19 and pipeline 20 , and pipeline 21 to the flow meter 22 installed at the inlet to the nitrogen cooling unit 23, which includes a recuperative heat exchanger 24, a refrigeration unit 25, a separator 26, an adsorption drying unit 27, a recuperative heat exchanger 28, a nitrogen bath 29 with an isothermal converter 30, and is connected to a hydrogen liquefaction unit 31, made in the form of five, for example, recuperative heat exchangers 32 ... 36 and three adiabatic converters 37, 38, 39, a throttle valve 40 and a pressure sensor 41 installed after the second adiabatic converter 38, a pressure sensor 43 and a throttle valve 42 installed on the liquid hydrogen output line 44 after the last recuperative heat exchanger 36 to provide long-term non-drainage storage. The unit is equipped with a liquid hydrogen supercooling unit made in the form of a cryogenic tank 45 with a heat exchanger 46 located inside the tank 45, a valve 47 connected to the liquid hydrogen output line 44 with a throttle valve 42, and an ejector stage 48 for pumping hydrogen vapor from the tank 45 as part of ejector 49, water cooler 50 and separator 51 with valve 52, while separator 51 is connected by pipeline 53 to hydrogen gas tank 15, and lines connecting ejector 49 to steam supply manifold 13, water cooler 50 to manifolds 10 and 11, separator 51 with valve 52 to the collector 12 in the drawing are not conventionally shown. The helium refrigeration unit, which is part of the cryogenic hydrogen liquefaction system, includes a steam ejector unit, made in the form of, for example, three ejector stages 54, 55, 56 connected in series, consisting of an ejector 57, a water cooler 58 and a separator 59 with a valve 60 in each stage, while the water coolers 58 are connected to the cold water supply manifold 61 and to the hot water outlet manifold 62, the separators 59 to the water outlet manifold 63, and the ejectors 57 to the steam supply manifold 64, while the ejector 57 of the first ejector stage 54 is connected by pipeline 65 to the receiver 66 low pressure, and the separator 59 of the third ejector stage 56 pipeline 67 is connected to the receiver 68 high pressure. The low pressure receiver 66 and the high pressure receiver 68, in turn, are connected to a nitrogen pre-cooling unit 69, which includes a recuperative heat exchanger 70, a second refrigeration unit 71, a separator 72, an adsorption drying unit 73, a recuperative heat exchanger 74, a nitrogen bath 75 with a heat exchanger 76. preliminary nitrogen cooling 69 is connected to the helium cooling unit 77, consisting of four recuperative heat exchangers 78...81, the first and second successively installed turbo expanders 82, 83 and the third turbo expander 84, as well as the pipeline 85 for supplying the helium flow after the third turbo expander 84 to the end heat exchanger 36 of the block hydrogen liquefaction 31, pipeline 86 for supplying part of the helium flow after the second turboexpander 83 to the heat exchanger 34 of the hydrogen liquefaction unit 31, three 87…89 pipelines for returning helium flows from the hydrogen liquefaction unit 31 to the helium cooling unit 77 and two heat load simulators 90 and 91, one of which 90 is connected to the outlet of the third turboexpander 84 and the outlet of the return flow from the fourth heat exchanger 81, and the second 91 is connected to the outlet of the second turboexpander 83 and the outlet of the return flow from the fourth heat exchanger 81, while on pipelines 85 and 86, as well as at the return flow inlet control valves 92, 93, 94 are installed in the fourth heat exchanger 81; valves 95, 96 are installed at the inlet of each heat load simulator 90 and 91; consisting of a tank 99, a circulation pump 100 connected to a collector 61 and a collector 10 for supplying cold water to water coolers 58 and 7, a heat exchanger 101 for cooling water connected to a collector 62 for removing hot water from water coolers 58, and a heat exchanger 102 for cooling water , connected to the collector 11 for the removal of hot water from water coolers 7, pumping unit in the composition of the tank 103, connected by pipeline 104 to the manifold 63 water outlet from the separators 59, and pipeline 105 - to the manifold 12 water outlet from the separators 8, the pump 106, the check valve 107 and the pipeline 108 water return to the steam generator. The composition of the cryogenic hydrogen liquefaction system includes a liquid hydrogen storage 109 connected by a pipeline 110 to a heat exchanger 46 of the hydrogen supercooling unit. Steam is supplied from the steam generator (not shown in the drawing) through pipeline 111 through valves 112 and 113, while valve 112 is connected to the manifold 64 for supplying steam to the ejector stages 54 ... ejector stages 1…5 of the hydrogen liquefaction unit.

Криогенная система ожижения водорода работает следующим образом.Cryogenic hydrogen liquefaction system operates as follows.

В установившимся режиме при номинальной максимальной производительности электролизеров в периоды без пиковой нагрузки АЭС. Газообразный продукционный водород подается в газгольдер 15 по трубопроводу 16. Из газгольдера 15 водород по трубопроводу 14 поступает в пятиступенчатый пароэжекторный агрегат для предварительного сжатия за счет энергии насыщенного пара давлением 13,5-14.0 МПа и температурой 500°С-540°С, который подается от парогенератора, входящего в состав АЭС, по трубопроводу 111 через клапан 113 в коллектор 13 подачи пара пароэжекторного агрегата. Из коллектора 13 поток пара поступает на эжекторы 5 эжекторных ступеней 1…5 с одинаковыми параметрами, в то время как давление водорода от ступени к ступени повышается от газгольдерного давления 0,05 МПа до 1,4-1,6 МПа после эжекторной ступени 5. После эжектора 6 в каждой эжекторной ступени сжатая смесь пара и водорода последовательно проходит, водяной холодильник 7 и сепаратор 8, в которых происходит конденсация и отделение воды из смеси. Из сепаратора 8 эжекторной ступени 5 водород с давлением 1,4-1,6 МПа по трубопроводу 17 поступает в дожимающий компрессор 18, выполненный без смазки, где давление водорода повышается до 5,0 МПа. После дожимающего компрессора 18 по трубопроводу 21 через расходомер 22 продукционный поток водорода поступает в блок азотного охлаждения 23, где предварительно охлаждается от 300К до 280К в рекуперативном теплообменнике 24 за счет холода отходящих паров азота, затем от 280К до 273К с помощью первой холодильной установки 25, после чего проходит сепаратор 26 и блок адсорбционной осушки 27, в которых происходит удаление капель влаги и паров воды. Охлаждение водорода от 273К до 80К осуществляется за счет отходящих паров азота в рекуперативном теплообменнике 28 и жидкого азота в азотной ванне 29, где содержание параводорода в изотермическом конверторе 30 увеличивается с 25% до 55%. Далее поток параводорода поступает в блок ожижения водорода 31, где последовательно проходит рекуперативные теплообменники 32…35 и два адиабатных конвертора 37 и 38, в которых водород охлаждается за счет потока газообразного гелия до 25К, при этом содержание параводорода повышается до 93% - 95%. После конвертора 38 давление водорода с помощью дроссельного вентиля 40 снижается с 5, 0 МПа до 1,2 МПа, и он за счет потока газообразного гелия с температурой 18К-20К охлаждается и сжижается в рекуперативных теплообменниках 35 и 36, при этом значение параводорода после прохождения конвертора 39 составляет 98%. Далее давление потока параводорода с помощью дроссельного вентиля 42 понижается с 1,2МПа до 0,05 - ОДМПа и он по трубопроводу 44 в жидком виде выводится в блок переохлаждения жидкого параводорода, при этом часть потока с помощью клапана 47 отводится в криогенную емкость 45, а оставшийся поток жидкого параводорода проходит теплообменник 46 и охлаждается от 20К - 22К до 16К- 17К за счет жидкого водорода, кипящего в криогенной емкости 45 под вакуумом, и по трубопроводу 110 поступает в хранилище жидкого водорода 109. Откачка паров параводорода из криогенной емкости 45 выполняется с помощью эжекторной ступени 48 за счет энергии насыщенного пара, подаваемого от коллектора 13 в эжектор 49 эжекторной ступени 48(на чертеже линия связи условно не показана). После эжектора 49 сжатая смесь пара и водорода последовательно проходит водяной холодильник 50 и сепаратор 51, в которых происходит конденсация и отделение воды из смеси. Из сепаратора 51 водород по трубопроводу 53 возвращается в газгольдер 15, а вода из сепаратора 51 по мере ее накопления с помощью клапана 52 отводится в автономную установку водяного охлаждения (линия связи условно не показана). Охлаждение, ожижение и превращение водорода в параводород в диапазоне температур от 80 К до 20 К осуществляется за счет гелия, требуемый холод которого создается в гелиевой холодильной установке, при этом сжатие гелия с давления 0,35 МПа до 2,5 МПа происходит в трехступенчатом пароэжекторном агрегате также за счет энергии насыщенного пара с давлением 13,5-14.0 МПа и температурой 500°-540°С, который подается по трубопроводу 111 через клапан 112 в коллектор 64 подачи пара в пароэжекторный агрегат. Из коллектора 64 поток пара поступает на эжекторы 57 эжекторных ступеней 54…56 с одинаковыми параметрами, в то время как давление гелия от ступени к ступени повышается от 0,35 МПа до 2,5 МПа после эжекторной ступени 56. После эжектора 57 в каждой эжекторной ступени сжатая смесь пара и гелия последовательно проходит, водяной холодильник 58 и сепаратор 59, в которых происходит конденсация и отделение воды из смеси. Из сепаратора 59 эжекторной ступени 56 гелий с давлением 2,5 МПа по трубопроводу 67 поступает в ресивер 68 и далее в блок предварительного азотного охлаждения 69, где он охлаждается от 300К до 280К в рекуперативном теплообменнике 70 за счет холода отходящих паров азота, затем от 280К до 273К с помощью второй холодильной установки 71, после чего проходит сепаратор 72 и блок адсорбционной осушки73, в которых происходит удаление капель влаги и паров воды. Охлаждение водорода от 273К до 80К осуществляется за счет холода обратного потока гелия, отходящих паров азота в рекуперативном теплообменнике 74 и в теплообменнике 76 за счет жидкого азота в азотной ванне 75. Далее гелий с температурой 80К и давлением 2,5 МПа поступает в гелиевый блок охлаждения 77, где после рекуперативного теплообменника 78 от 65% до 70% от потока гелия расширяется в первом и втором последовательно установленных турбодетандерах 82 и 83 с давления 2,5 МПа до 0,35 МПа с понижением температуры до 28К - 30К, при этом часть потока гелия отводят через регулирующий клапан 93 по трубопроводу 86 в блок ожижения водорода 31,а другая часть расширившегося потока через регулирующий клапан 94 поступает в теплообменники 81…78. После отбора сжатого потока гелия на два последовательно установленных турбодетандерах 82 и 83, другая часть сжатого гелия после охлаждения в рекуперативных теплообменниках 79…81 поступает в третий турбодетандер 84, где расширяется с давления 2,5 МПа до 0,35 МПа с понижением температуры до 18К -20К, и отводится через регулирующий клапан 92 по трубопроводу 85 в теплообменник 36 блока ожижения водорода 31. Отдав холод продукционному потоку водорода давлением 1,0 МПа - 1,2 МПа в теплообменниках 36 и 35 поток гелия нагревается до 28К - 30 К и соединяется с потоком гелия, отведенным от второго турбодетандера 83 по трубопроводу 86. Далее гелий нагревается в теплообменниках 34, 33, 32 до температуры 78 К, при этом при температуре 43 К - 45 К, часть потока гелия после теплообменника 34 по трубопроводу 87 возвращается в обратный поток теплообменника 80 гелиевого блока охлаждения 77, еще часть потока гелия после теплообменника 33 по трубопроводу 88 возвращается в обратный поток теплообменника 79 гелиевого блока охлаждения 77, а оставшийся поток гелия после теплообменника 32 по трубопроводу 89 возвращается в обратный поток после теплообменника 78 гелиевого блока охлаждения 77. Из гелиевого блока охлаждения 77 обратный поток, равный по величине сжатому потоку гелия, с давлением 0,35 МПа и температурой 78 К поступает в блок предварительного азотного охлаждения 69, где отдает свой холод и нагревается до 290 К, после чего поступает в ресивер 66 и по трубопроводу 65 в эжекторную ступень 54 для дальнейшего сжатия до 2,5 МПа в пароэжекторном агрегате. Охлаждение и конденсация пара в водяных холодильниках 58 и 7 осуществляется от автономной установки водяного охлаждения с помощью циркуляционного насоса 100, подключенного к коллектору 61 и к коллектору 10 подачи холодной воды в водяные холодильники 58 и 7. После водяных холодильников 58 и 7 нагретая вода поступает из коллекторов 62 и 11 соответственно в теплообменники 101 и 102 для охлаждения, из которых возвращается в резервуар 99 для воды, соединенный с циркуляционным насосом 100. Вода, которая накапливается в сепараторах 59 и 8, периодически отводится с помощью клапанов 60 и 9 в бак 103, подключенный трубопроводом 104 к коллектору 63 и трубопроводом 105 к коллектору 12. Из бака 103 вода с помощью насоса 106 через обратный клапан 107 по трубопроводу 108 возвращается в парогенератор.In steady state at the nominal maximum performance of the electrolyzers during periods without peak load of nuclear power plants. Gaseous production hydrogen is supplied to the gas holder 15 through the pipeline 16. From the gas holder 15 through the pipeline 14, hydrogen enters the five-stage steam jet unit for pre-compression due to the energy of saturated steam with a pressure of 13.5-14.0 MPa and a temperature of 500 ° C -540 ° C, which is supplied from the steam generator, which is part of the nuclear power plant, through pipeline 111 through valve 113 to the manifold 13 for supplying steam of the steam jet unit. From the collector 13, the steam flow enters the ejectors 5 of the ejector stages 1 ... 5 with the same parameters, while the hydrogen pressure from stage to stage increases from the gas holder pressure of 0.05 MPa to 1.4-1.6 MPa after the ejector stage 5. After the ejector 6 in each ejector stage, the compressed mixture of steam and hydrogen passes successively through the water cooler 7 and the separator 8, in which condensation and separation of water from the mixture takes place. From the separator 8 of the ejector stage 5, hydrogen with a pressure of 1.4-1.6 MPa through the pipeline 17 enters the booster compressor 18, made without lubrication, where the hydrogen pressure rises to 5.0 MPa. After the booster compressor 18, through the pipeline 21 through the flow meter 22, the production hydrogen flow enters the nitrogen cooling unit 23, where it is pre-cooled from 300K to 280K in the recuperative heat exchanger 24 due to the cold of the exhaust nitrogen vapor, then from 280K to 273K using the first refrigeration unit 25, after which the separator 26 and the adsorption drying unit 27 pass, in which drops of moisture and water vapor are removed. Hydrogen is cooled from 273K to 80K by exhaust nitrogen vapor in recuperative heat exchanger 28 and liquid nitrogen in nitrogen bath 29, where the parahydrogen content in isothermal converter 30 increases from 25% to 55%. Next, the parahydrogen flow enters the hydrogen liquefaction unit 31, where it passes successively recuperative heat exchangers 32...35 and two adiabatic converters 37 and 38, in which hydrogen is cooled down to 25K due to the gaseous helium flow, while the parahydrogen content rises to 93% - 95%. After the converter 38, the hydrogen pressure is reduced from 5.0 MPa to 1.2 MPa using a throttle valve 40, and it is cooled and liquefied in the recuperative heat exchangers 35 and 36 due to the flow of gaseous helium with a temperature of 18K-20K, while the value of parahydrogen after passing converter 39 is 98%. Further, the pressure of the parahydrogen flow using the throttle valve 42 is reduced from 1.2 MPa to 0.05 - ODMPa, and it is discharged in liquid form through the pipeline 44 to the liquid parahydrogen supercooling unit, while part of the flow is diverted to the cryogenic tank 45 using valve 47, and the remaining flow of liquid parahydrogen passes through heat exchanger 46 and is cooled from 20K - 22K to 16K - 17K due to liquid hydrogen boiling in cryogenic tank 45 under vacuum, and through pipeline 110 enters liquid hydrogen storage 109. The pumping of parahydrogen vapor from cryogenic tank 45 is performed with using the ejector stage 48 due to the energy of saturated steam supplied from the manifold 13 to the ejector 49 of the ejector stage 48 (the communication line is conventionally not shown in the drawing). After the ejector 49, the compressed mixture of steam and hydrogen passes successively through a water cooler 50 and a separator 51, in which condensation and separation of water from the mixture takes place. From separator 51, hydrogen is returned via pipeline 53 to gas tank 15, and water from separator 51, as it accumulates, is discharged through valve 52 to an autonomous water cooling unit (the communication line is conventionally not shown). Cooling, liquefaction and conversion of hydrogen into parahydrogen in the temperature range from 80 K to 20 K is carried out at the expense of helium, the required cold of which is created in a helium refrigeration unit, while helium is compressed from a pressure of 0.35 MPa to 2.5 MPa in a three-stage steam jet the unit is also due to the energy of saturated steam with a pressure of 13.5-14.0 MPa and a temperature of 500°-540°C, which is supplied through the pipeline 111 through the valve 112 to the manifold 64 for supplying steam to the steam jet unit. From the collector 64, the steam flow enters the ejectors 57 of the ejector stages 54 ... 56 with the same parameters, while the helium pressure from stage to stage increases from 0.35 MPa to 2.5 MPa after the ejector stage 56. After the ejector 57 in each ejector The stages of the compressed mixture of steam and helium pass successively through the water cooler 58 and the separator 59, in which condensation and separation of water from the mixture takes place. From the separator 59 of the ejector stage 56, helium with a pressure of 2.5 MPa through pipeline 67 enters the receiver 68 and then to the preliminary nitrogen cooling unit 69, where it is cooled from 300K to 280K in the recuperative heat exchanger 70 due to the cold of the exhaust nitrogen vapor, then from 280K to 273K with the help of the second refrigeration unit 71, after which the separator 72 and the adsorption drying unit73 pass, in which drops of moisture and water vapor are removed. Hydrogen is cooled from 273K to 80K due to the cold of the helium return flow, exhaust nitrogen vapor in the recuperative heat exchanger 74 and in the heat exchanger 76 due to liquid nitrogen in the nitrogen bath 75. Then helium with a temperature of 80K and a pressure of 2.5 MPa enters the helium cooling unit 77, where after the recuperative heat exchanger 78 from 65% to 70% of the helium flow expands in the first and second sequentially installed turbo expanders 82 and 83 from a pressure of 2.5 MPa to 0.35 MPa with a decrease in temperature to 28K - 30K, while part of the flow helium is removed through the control valve 93 through the pipeline 86 to the hydrogen liquefaction unit 31, and the other part of the expanded flow through the control valve 94 enters the heat exchangers 81...78. After extracting the compressed helium flow in two sequentially installed turbo expanders 82 and 83, the other part of the compressed helium, after cooling in recuperative heat exchangers 79…81, enters the third turbo expander 84, where it expands from a pressure of 2.5 MPa to 0.35 MPa with a decrease in temperature to 18K -20K, and is discharged through the control valve 92 through pipeline 85 to the heat exchanger 36 of the hydrogen liquefaction unit 31. Having given cold to the production hydrogen flow at a pressure of 1.0 MPa - 1.2 MPa in heat exchangers 36 and 35, the helium flow is heated to 28K - 30 K and is connected with the helium flow diverted from the second turboexpander 83 through pipeline 86. Next, helium is heated in heat exchangers 34, 33, 32 to a temperature of 78 K, while at a temperature of 43 K - 45 K, part of the helium flow after heat exchanger 34 through pipeline 87 returns to the return the flow of the heat exchanger 80 of the helium cooling unit 77, another part of the helium flow after the heat exchanger 33 through the pipeline 88 is returned to the return flow of the heat exchanger 79 helium cooling block 77, and the remaining helium flow after the heat exchanger 32 through the pipeline 89 returns to the return flow after the heat exchanger 78 of the helium cooling block 77. From the helium cooling block 77, the return flow is equal in magnitude to the compressed helium flow, with a pressure of 0.35 MPa and a temperature 78 K enters the pre-nitrogen cooling unit 69, where it gives up its cold and heats up to 290 K, after which it enters the receiver 66 and through the pipeline 65 to the ejector stage 54 for further compression to 2.5 MPa in the steam jet unit. Steam cooling and condensation in water coolers 58 and 7 is carried out from an autonomous water cooling unit using a circulation pump 100 connected to a collector 61 and to a collector 10 for supplying cold water to water coolers 58 and 7. After water coolers 58 and 7, heated water comes from collectors 62 and 11, respectively, into heat exchangers 101 and 102 for cooling, from which it returns to a water tank 99 connected to a circulation pump 100. The water that accumulates in separators 59 and 8 is periodically discharged through valves 60 and 9 to tank 103, connected by pipeline 104 to manifold 63 and by pipeline 105 to manifold 12. From tank 103, water is returned to the steam generator via pump 106 through check valve 107 through pipeline 108.

Установившийся режим работы криогенной системы ожижения водорода определяют следующие основные технологические параметры и положения оборудования:The steady state operation of a cryogenic hydrogen liquefaction system is determined by the following main technological parameters and equipment positions:

- расход продукционного потока водорода, контролируемый по расходомеру 22, равен по величине номинальному расходу;- the flow rate of the hydrogen production stream, controlled by the flow meter 22, is equal in size to the nominal flow rate;

- давление водорода перед дроссельным вентилем 40, контролируемое по датчику 41, равно 5,0 МПа;- hydrogen pressure in front of the throttle valve 40, controlled by the sensor 41, equal to 5.0 MPa;

- давление водорода перед концевым дроссельным вентилем 42, контролируемое по датчику 43, равно 1,0-1,2 МПа;- hydrogen pressure in front of the end throttle valve 42, controlled by the sensor 43, is equal to 1.0-1.2 MPa;

- стабильные температурные параметры охлаждения и ожижения водорода поддерживаются с помощью гелиевого блока охлаждения 77, при этом регулирующие клапаны 92, 93, 94 полностью открыты, клапаны 95, 96 закрыты, а имитаторы тепловой нагрузки 90 и 91 отключены;- stable temperature parameters of hydrogen cooling and liquefaction are maintained using the helium cooling unit 77, while the control valves 92, 93, 94 are fully open, the valves 95, 96 are closed, and the heat load simulators 90 and 91 are turned off;

- регулирующий клапан 19 закрыт, а колокол газгольдера 15 находится в стабильном положении.- the control valve 19 is closed, and the gas tank bell 15 is in a stable position.

В процессе работы криогенной системы расход продукционного водорода, подаваемый от источника его получения, например, во время пиковых нагрузок АЭС, по ряду причин может быть меньше значения номинального расхода. В этом случае работа криогенной системы ожижения водорода перестраивается таким образом, чтобы сохранить технологические параметры системы, характерные для номинального режима ее работы. Индикатором снижения расхода водорода от источника его получения является положение колокола газгольдера 15. При снижении колокола газгольдера 15 система автоматического управления (САУ) получает сигнал отдатчика контроля положения колокола газгольдера 15 (датчик на чертеже не показан) и выдает команду на открытие регулирующего клапана 19 на величину, обеспечивающую стабилизацию соответствующего положения колокола газгольдера 15 за счет отбора части расхода водорода после дожимающего компрессора 18, который затем поступает по трубопроводу 20 в газгольдер 15. При этом одновременно происходит отработка положения дроссельного вентиля 40 для поддержания давления 5,0 МПа, контролируемого по датчику 41, и дроссельного вентиля 42, для поддержания давления 1,0-1,2 МПа, контролируемого по датчику 43. Понятно, что байпасирование через регулирующий клапан 19 части расхода водорода после дожимающего компрессора 18 с одной стороны обеспечивает устойчивое положение колокола газгольдера 15 и сохраняет стабильным режим работы пароэжекторного агрегата, но с другой стороны снижает расход продукционного потока водорода, контролируемого по расходомеру 22, что приведет к разбалансировке расходов в рекуперативных теплообменниках 32…36 между продукционным потоком водорода и гелиевыми потоками и, как следствие, к нарушению температурного режима охлаждения и ожижения водорода. В этом случае САУ для сохранения оптимального режима охлаждения и ожижения водорода производит корректировку режима работы гелиевого блока охлаждения 77, которая заключается в уменьшении на требуемую величину расходов гелия, подаваемых в блок ожижения водорода 31, после второго турбодетандера 83 и третьего турбодетандера 84 и перенаправления этих расходов с помощью регулирующих клапанов 92, 93, 94 соответственно в имитаторы тепловой нагрузки 90 и 91 через открытые в этом случае клапаны 95, 96. В имитаторах тепловой нагрузки 90 и 91 осуществляется подогрев потоков до температуры, равной температуре обратного потока гелия после рекуперативного теплообменника 81, и последующее соединение этих потоков с обратным потоком гелия после рекуперативного теплообменника 81. Регулирование тепловой мощности имитаторов тепловой нагрузки 90 и 91 осуществляется по сигналам от датчиков температуры 97 и 98. Таким образом, в результате удается сохранить стабильность температурного режима работы криогенной системы ожижения водорода без снижения ее термодинамической эффективности. В том случае, если расход водорода, поступающего от источника его производства в газгольдер 15, восстановится до номинального значения, то алгоритм возврата криогенной системы ожижения водорода к исходному режиму работы будет происходить в обратном порядке.During the operation of a cryogenic system, the flow rate of production hydrogen supplied from the source of its production, for example, during peak loads of nuclear power plants, for a number of reasons, may be less than the nominal flow rate. In this case, the operation of the cryogenic hydrogen liquefaction system is rearranged in such a way as to preserve the technological parameters of the system characteristic of the nominal mode of its operation. An indicator of reducing the flow of hydrogen from the source of its production is the position of the bell of the gas tank 15. When the bell of the gas tank 15 is lowered, the automatic control system (ACS) receives a signal from the sensor for controlling the position of the bell of the gas tank 15 (the sensor is not shown in the drawing) and issues a command to open the control valve 19 by the amount , which ensures stabilization of the corresponding position of the bell of the gas tank 15 by taking part of the hydrogen flow after the booster compressor 18, which then enters the gas tank 15 through the pipeline 20. At the same time, the position of the throttle valve 40 is adjusted to maintain a pressure of 5.0 MPa, controlled by the sensor 41 , and a throttle valve 42 to maintain a pressure of 1.0-1.2 MPa, controlled by the sensor 43. It is clear that bypassing through the control valve 19 part of the hydrogen flow after the booster compressor 18 on the one hand ensures a stable position of the gas tank bell 15 and saves t stable mode of operation of the steam ejector unit, but on the other hand reduces the flow rate of the production flow of hydrogen, controlled by the flow meter 22, which will lead to an imbalance in the flow rates in recuperative heat exchangers 32 ... 36 between the production flow of hydrogen and helium flows and, as a result, to violation of the temperature regime of cooling and liquefaction of hydrogen. In this case, in order to maintain the optimal mode of cooling and liquefaction of hydrogen, the ACS adjusts the operating mode of the helium cooling unit 77, which consists in reducing the helium flow rates supplied to the hydrogen liquefaction unit 31 by the required amount after the second turboexpander 83 and the third turboexpander 84 and redirecting these costs with the help of control valves 92, 93, 94, respectively, into heat load simulators 90 and 91 through valves 95, 96 open in this case. and the subsequent connection of these flows with the reverse flow of helium after the recuperative heat exchanger 81. The thermal power of the heat load simulators 90 and 91 is controlled by signals from temperature sensors 97 and 98. Thus, as a result, it is possible to maintain the stability of the temperature regime of the cryogenic hydrogen liquefaction systems without reducing its thermodynamic efficiency. In the event that the flow rate of hydrogen supplied from the source of its production to the gas tank 15 is restored to the nominal value, then the algorithm for returning the cryogenic hydrogen liquefaction system to the initial operating mode will occur in the reverse order.

Проведенные оценочные расчеты показали, что капитальные и эксплуатационные затраты при использовании для сжатия и вакуумирования водорода и сжатия гелия с помощью пароэжекторных агрегатов будет обходиться в 1,5-2.0 раза дешевле, а пожаро- и взрывобезопасность значительно возрастет по сравнению с вариантом применения традиционных компрессорных агрегатов. Таким образом, предложенные технические решения позволяют выполнить поставленные цели:Estimated calculations have shown that capital and operating costs when using hydrogen and helium for compression and evacuation with the help of steam jet units will be 1.5-2.0 times cheaper, and fire and explosion safety will increase significantly compared to the option of using traditional compressor units . Thus, the proposed technical solutions make it possible to achieve the set goals:

- снизить капитальные и эксплуатационные затраты при создании и работе ожижителей водорода на АЭС;- reduce capital and operating costs in the creation and operation of hydrogen liquefiers at nuclear power plants;

- обеспечить глубокое регулирование производительности ожижителя, что для специфических условий работы АЭС, с одной стороны, дает возможность в полной мере задействовать освобождающиеся в период без пиковых нагрузок энергетические компоненты АЭС(пар и электроэнергию), чем повышают КПД системы (АЭС-ожижитель) в целом, с другой стороны в период пиковых нагрузок АЭС, обеспечить безостановочную работу криогенной системы с пониженной производительностью, готовую в любой момент выйти на максимальную производительность;- ensure deep regulation of the liquefier performance, which, for the specific operating conditions of the NPP, on the one hand, makes it possible to fully utilize the energy components of the NPP (steam and electricity) released during the period without peak loads, thereby increasing the efficiency of the system (NPP-liquefier) as a whole , on the other hand, during the period of peak loads of nuclear power plants, to ensure non-stop operation of the cryogenic system with reduced productivity, ready at any time to reach maximum productivity;

- создать условия для увеличения сроков бездренажного хранения жидкого параводорода за счет его переохлаждения.- to create conditions for increasing the terms of non-drainage storage of liquid parahydrogen due to its supercooling.

Сравнение существенных признаков предлагаемого и уже известных решении дает основание считать, что предлагаемое техническое решение отвечает критериям «изобретательский уровень» И «ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНЯЕМОСТЬ».Comparison of the essential features of the proposed and already known solution gives reason to believe that the proposed technical solution meets the criteria of "inventive step" and "INDUSTRIAL APPLICABILITY".

Claims

Cryogenic hydrogen liquefaction system, consisting of a hydrogen liquefaction unit made in the form of a compressor boosting the hydrogen production stream, a nitrogen cooling unit equipped with the first refrigeration unit, a hydrogen liquefaction unit in the form of five recuperative heat exchangers, three adiabatic hydrogen steam converters and two throttle valves, one of which installed on the line for the delivery of liquid hydrogen in the storage of liquid hydrogen, and a helium refrigeration unit consisting of a compressor that compresses helium from the return pressure to the operating pressure, a nitrogen pre-cooling unit equipped with a second refrigeration unit, a helium cooling unit consisting of four successive recuperative heat exchangers and three turbo expanders, the first and second of which are installed in series, as well as pipelines for supplying helium to the hydrogen liquefaction unit after the second and third turbo expanders, and three helium return pipelines from the hydrogen liquefaction unit ode to the helium cooling unit, characterized in that in the hydrogen liquefaction unit, before the booster compressor for precompressing the hydrogen production stream, a multi-stage steam ejector unit is installed, made in the form of successively connected ejector stages consisting of an ejector, a water cooler and a separator with a valve in each stage, and as well as a steam supply manifold, a cold water supply manifold to water coolers, a heated water outlet manifold from water coolers and a water outlet manifold from separators, while all ejector stages are connected in parallel to the steam supply manifold, the first ejector stage is connected to a hydrogen gas tank on which bell position sensor connected to a source of hydrogen gas production, and the end ejector stage - to the booster compressor, which is made without lubrication and is connected through a control valve to a gas tank, and through a flow meter - to a nitrogen cooling unit, to After the first refrigeration unit, a separator and an adsorption drying unit are installed in series after the first refrigeration unit, and, in addition, the unit is equipped with a liquid hydrogen supercooling unit, made in the form of a cryogenic tank with a heat exchanger located inside the tank and connected to the liquid hydrogen output line with a throttle valve after the hydrogen liquefaction unit , and an ejector stage for pumping hydrogen vapor from a tank consisting of an ejector, a water cooler and a separator, while the ejector stage is also connected to a steam supply manifold and a gas tank, and a multi-stage steam ejector unit, made in the form of series-connected ejector stages consisting of an ejector, a water cooler and a separator with a valve in each stage, while the water coolers are connected to the cold water supply manifold and to the hot water outlet manifold, with separators - to the water outlet manifold, and ejectors - to the steam supply manifold, while its first ejector stage through the low pressure receiver and the end ejector stage through the high pressure receiver are connected to the nitrogen pre-cooling unit, in which, after the second refrigeration unit, a separator and adsorption drying unit, and in the helium cooling unit there are two heat load simulators, one of which is connected to the outlet from the third expander and the return flow outlet from the fourth heat exchanger, and the second is connected to the outlet after the second expander and also to the return flow outlet from the fourth heat exchanger, at the same time, a valve is installed at the inlet of each thermal load simulator, and a temperature sensor is installed at the outlet, and control valves are installed on the pipelines for supplying helium to the hydrogen liquefaction unit after the second and third turboexpanders, as well as at the return flow inlet to the fourth heat exchanger after the second turboexpander. e valves, and, in addition, the cryogenic system is equipped with a steam supply line from the steam generator connected through valves to the steam supply manifolds of both steam ejector units, a pump unit for returning water from the separators of the same steam ejector units to the steam generator and an autonomous water cooling unit for water coolers, made in in the form of a water tank, a circulation pump connected to the cold water supply manifolds to the water coolers, and two water cooling heat exchangers connected to the heated water outlet manifolds from the water coolers of the steam jet units.