采用低温透平压缩循环的氢液化系统的制作方法

1.本发明属于低温工程装备技术领域，具体涉及采用低温透平压缩循环的氢液化系统。

背景技术：

2.近年来，随着我国清洁能源战略实施和结构调整，各种新能源的开发和利用吸引了众多的关注。其中，氢能作为高效清洁的能源，是当前能源问题重要的长期解决方案之一。如何安全有效地储存和运输是氢能大规模应用的关键技术挑战。高压常温储氢是目前应用最为广泛、技术最为成熟的储氢技术。但是随着深冷、绝热及真空技术的日益成熟，低温液氢的储运方式具有更高的存储密度和更低的运行压力，减少了单位质量输运的能耗和空间成本，有望成为氢气长距离运输和大规模存储的有效方式。

3.氢气的液化是液氢储运产业链中最关键的环节，具有技术工艺复杂、能耗占比高、投资成本高的特点。过去的几十年，许多研究这都在研究如何提高氢液化的效率。提高氢液化的效率可以有效地减小氢液化设备运营的成本，也能间接地降低设备投资成本。

4.现有技术中的氢液化系统一般包括主制冷系统、液化系统、低温换热器组，主制冷系统设置压缩机和膨胀机，并通过低温换热器组与液化系统中的氢气进行换热，对氢气制冷，使其最终形成液氢产品。其中，压缩机用于对制冷工质压缩行程高压，为主制冷系统的循环管路提供高压工质，膨胀机用于将高压工质膨胀制冷，为液化系统提供冷量。低温换热器组中，每个低温换热器配备一个正仲氢催化反应器(既可采用等温连续反应器，也可以采用绝热分步反应器)，以将氢气催化为当前换热器温度下的平衡态氢气。由氢气气源提供的原料氢气依次通过多级换热器内的正仲氢反应器，最后以液态的形式进入液氢储罐并由产品出口流出。

5.但是目前运行的氢液化装置的效率仍然比较低，仅有20～30％。氢液化工艺的主要不可逆损失主要来自于压缩机、换热器和膨胀机。目前主流的氢液化工艺所采用的氦气螺杆式压缩机和氢气活塞式压缩机的等温效率都不是十分理想，仅有40～50％左右。

6.而采用氦气或者氦-氖混合气体作为主制冷循环工质的工艺在与换热器进行换热时，尤其是近氢气临界点附近的温区存在较大的换热温差；而采用氢气作为主制冷循环工质的工艺则由于工艺复杂，流道较多，且氢气密度小阻力大等原因，实际工程中在换热器部分所展现出效率也不尽理想。

7.目前氢液化工艺中低温透平膨胀机的等熵效率一般可以达到70％以上，但是由于氢气分子量小，对于大型的高速低温氢气低温透平膨胀机仍然具有诸多技术挑战，如大型透平的轴承刚度和稳定性、透平尖端叶片高应力等等。

技术实现要素：

8.本发明从提升压缩效率、回收膨胀功、优化工艺流程入手，提供了一种具有更高能效的氢液化系统。为此，本发明采用以下技术方案：

9.采用低温透平压缩循环的氢液化系统，包括液化系统、低温换热器组、预冷系统以及为所述低温换热器组提供冷源的主制冷系统；

10.所述液化系统包括正仲氢催化反应器i以及与其依次串联连接的n级正仲氢催化反应器；所述低温换热器组包括对n级正仲氢催化反应器分别进行制冷换热的n级低温换热器；所述预冷系统分别对正仲氢催化反应器i和主制冷系统提供预冷冷量；

11.还包括混合引射器、一轴驱动压缩机、节流元件；

12.所述主制冷系统包括至少一个透平膨胀机，该透平膨胀机的输出轴与所述轴驱动压缩机传动连接；

13.第n-1级正仲氢催化反应器出料口的管路上引出一回流支路，该回流支路内的工质依次经过节流元件节流、至少一个低温换热器换热、轴驱动压缩机压缩和预冷系统预冷后作为高压流体进入所述混合引射器；或者该回流支路的工质依次经过节流元件节流和至少一个低温换热器换热作为低压流体进入所述混合器；

14.所述工质作为高压流体时，正仲氢催化反应器i出口物料作为低压流体进入所述混合引射器，经混合后依次进入n级正仲氢催化反应器；所述工质作为低压流体时，正仲氢催化反应器i出口物料作为高压流体进入所述混合引射器，经混合的物料经过所述轴驱动压缩机压缩、预冷系统预冷后依次进入n级正仲氢催化反应器。

15.上述正仲氢催化反应器和对应的低温换热器，可以采用集成的结构，也可以采用相互独立的结构。前者属于等温连续反应器，本质上是在低温换热器流道中填充催化剂，反应器即是换热器，即完成正仲氢催化反应同时实现入流氢气的冷却；后者是绝热分步反应器，本质上是一个单独的绝热容器中填充了催化剂，氢气首先通过对应的低温换热器冷却后进入该反应器进行催化反应，温度有所上升，然后再次通过后续的低温换热器进行冷却；等温连续反应器比绝热分步反应器效率更高，结构更紧凑；但是前者在制造上比较难，后者则加工制造简单，两种结构均可应用于本发明的技术方案中。

16.上述技术方案中，所述预冷系统对经过正仲氢催化反应器i的氢气和主制冷系统内的工质进行预冷，预冷温度一般是70～120k。所述轴驱动压缩机为低温透平压缩机。所述透平膨胀机为低温透平膨胀机。

17.上述技术方案中，低温透平膨胀机可以设置多个，轴驱动压缩机也可以根据需要设置一个或多个，且每个轴驱动压缩机的传动轴连接一个低温透平膨胀机的输出轴，以便充分回收低温透平膨胀机的膨胀功，提高能源利用。

18.作为优选，所述液化系统还包括与正仲氢催化反应器i入口连接的氢气低温纯化系统，该氢气低温纯化系统用于对进入正仲氢催化反应器i中的氢气进行除杂纯化。

19.所述氢气低温纯化系统为低温纯化吸附器。所述氢气低温纯化系统可以是一个单独的低温纯化吸附器，也可以是两个或多个并联设置的低温纯化吸附器。

20.作为进一步优选，所述氢气低温纯化系统包括两个通过阀门进行切换，交替接入管路的低温纯化吸附器，两个低温纯化吸附器并联组成一个典型的变温吸附装置，当其中一个低温纯化吸附器接入管路时，未接入管路的低温纯化吸附器将被洁净惰性热气体进行吹扫和加热实现再生，提高氢气低温纯化系统的工作效率。

21.作为优选，所述低温换热器组为由板翅式或者绕管式多路对流式换热器组成的换热器组。

22.作为优选，所述主制冷系统包括压缩系统、主制冷工质低温纯化过滤系统和低温级。所述压缩系统、预冷系统、主制冷工质低温纯化过滤系统和低温级依次通过管路连接，并形成回路。所述低温级的循环管路上至少包含一个低温透平膨胀机，主制冷工质通过低温透平膨胀机进行膨胀制冷。所述低温级通过低温换热器组与液化系统耦合，对液化系统中的氢气进行冷却，最低的冷却温度为20k左右。

23.作为进一步优选，所述主制冷工质低温纯化过滤系统采用低温吸附过滤器对制冷工质实现纯化过滤。

24.作为进一步优选，所述压缩系统包括至少一个工质压缩机、至少一个水冷器和除油系统。所述工质压缩机、水冷器和除油系统通过管路依次连接，所述工质压缩机用于将主制冷系统内循环回来的工质压缩为高压气体，而压缩热则被水冷器带走，再经除油系统将高压工质中的油气杂质除去，随后进入预冷系统进行预冷。

25.根据氢液化系统的产能大小，作为优选，所述主制冷系统为布雷顿循环制冷系统或者克劳德循环制冷系统。

26.布雷顿循环制冷系统采用氦气或者氦-氖混合物作为工质，工质通过压缩系统压缩，首先经过预冷系统预冷至70～120k，然后进一步依次进入n级低温换热器被回流的低温工质冷却至40k左右，进而进入一级或者多级低温透平膨胀机进行膨胀制冷，工质温度降低至20k以下，然后依次反向返回n级低温换热器(由第n即低温换热器至第一级低温换热器)，对入流的高温工质以及液化系统的氢气进行冷却。这种技术方案避免了高压氢气管路、氢气压缩机和氢气低温透平膨胀机等技术难度较高的涉氢设备，工艺流程较为简单，比较适合产能在5吨/天以下的中小型氢液化装置。

27.克劳德循环制冷系统采用氢气作为工质，工质通过压缩系统压缩，首先经过预冷系统预冷至70～120k，然后进一步依次进入多级低温换热器被回流的低温工质冷却至40k左右，一部分氢气通过氢气膨胀机(低温透平膨胀机)进行膨胀制冷后依次反向返回上述经过的多级低温换热器去冷却入流的氢气，另一部分氢气继续进入更低温度的低温换热器最后通过节流装置进行等焓节流产生冷量，而后依次反向返回n级低温换热器(由第n即低温换热器至第一级低温换热器)去冷却入流的氢气。根据低温透平膨胀机不同的温位和级数布置以及压缩系统的级数布置，克劳德循环具有多种变化方案。这种技术方案工艺流程较为复杂，但是氢气工质具有较高的换热性能，能够在低温换热器中获得较高的效率，因此能效方面比采用氦气或氦-氖混合工质的布雷顿循环制冷系统更优，比较适合产能在5吨/天以上的中大型氢液化装置。

28.作为优选，所述节流元件为膨胀机、节流阀或旁通引射器。

29.作为进一步优选，所述液化系统还包括通过管路与第n级正仲氢催化反应器连接的液氢储罐；

30.所述节流元件为旁通引射器，所述回流支路与其高压入口连接；所述液氢储罐的气相出口通过一气相回路与所述旁通引射器的低压入口连接。

31.作为进一步优选方案，所述液氢储罐底部引出管路至液氢产品出口，用于液氢的输出。

32.作为进一步优选方案，所述气相回路经过第n级低温换热器换热后与所述旁通引射器的低压入口连接。

33.上述方案中，液氢储罐内气态氢经第n级低温换热器换热后由气相出口流出进入旁通引射器，既能降低液氢储罐内的压力，又可以回收该气态氢的冷量对第n级正仲氢催化反应器内的氢气进一步冷却。

34.更进一步地，所述旁通引射器出口的工质依次与第n-1级～第1级低温换热器进行换热。使该回流工质的冷量得到充分的利用。

35.作为进一步优选方案，所述气相回路直接与所述旁通引射器的低压入口连接。

36.上述方案中，液氢储罐内气态氢由气相出口流出在旁通引射器内与回流的工质混合后，再经第n级低温换热器换热，既能降低液氢储罐内的压力，又可以回收该气态氢的冷量对第n级正仲氢催化反应器内的氢气进一步冷却。

37.更进一步地，所述旁通引射器出口的工质依次经过第n级～第1级低温换热器进行换热。

38.作为进一步优选，所述液氢储罐与第n级低温换热器的管路上设有节流装置，以对第n级低温换热器出口的氢气进一步降压制冷。优选地，所述节流装置为节流阀。

39.作为优选，连接所述膨胀机与压缩机的轴上设有补偿驱动电机。所述补偿驱动电机用于提供额外的动力驱动低温透平压缩机，使其获得足够的压缩驱动力。

40.作为进一步优选，所述补偿驱动电机为高速超导电机，以减小电机损失，缩小电机尺寸。

41.作为优选，所述轴驱动压缩机包括低温透平压缩机。

42.作为优选，所述回流支路内的工质依次与第n-1级～第1级低温换热器换热，进一步提高了冷却制冷效率。

43.作为优选，所述预冷系统包括预冷换热器及为其提供冷源的供冷系统，所述供冷系统通过预冷换热器与主制冷系统和液化系统耦合，所述预冷换热器分别为所述正仲氢催化反应器i和主制冷系统提供冷量。

44.根据氢液化系统所在现场的不同条件，作为进一步优选，所述供冷系统为开式低温冷冻液体预冷系统或者闭式低温制冷预冷系统。所述开式低温冷冻液体预冷系统采用液氮或者液化天然气作为冷源工质，前者特别适用于现场可获得稳定、廉价的液氮的情况，如附近有空分装置能够提供稳定和廉价的液氮资源；后者特别适合液化天然气港口等需要回收液化天然气汽化冷能的场合。

45.所述闭式低温制冷预冷系统为透平布雷顿循环制冷系统、自复叠混合工质制冷系统或者回热式制冷系统，适合电价便宜或者现场不易获得液氮、液化天然气等低温液体的场景。

46.作为进一步优选，所述预冷换热器为板翅式或者绕管式多路对流式换热器。

47.不同于传统的氢液化装置，本发明的上述氢液化系统采用低温压缩的制冷液化循环，其基本理念是：

48.1、循环氢气流(回流氢气，即回流支路内的工质)采用运行在预冷温度下(70～120k)的低温透平压缩机进行压缩，利用预冷系统将压缩热带走；

49.或循环氢气流和原料氢气流先在混合引射器内混合后形成氢气主流，然后再进入低温透平压缩机进行压缩：位于预冷换热器的正仲氢催化反应器i和混合引射器的高压入口相连接，混合引射器的出口与低温透平压缩机低压入口相连，温度最高的低温换热器(第

一级低温换热器)的回流循环氢气流出口与混合引射器的低压入口相连接。

50.2、低温透平压缩机由主制冷系统中的低温透平膨胀机产生的膨胀功驱动；

51.3、采用混合引射器实现循环氢气流和原料氢气流的混合形成氢气主流；

52.4、在氢气主流进入最低温度的低温换热器(第n级低温换热器)前，氢气主流分为循环氢气流和液化氢气流两路：

53.4.1、循环氢气流进入旁通引射器，一方面用于泵吸回收来自于液氢储罐顶部的低压饱和气态氢气，另一方面氢气发生等焓节流，产生制冷效应，混合降温之后的氢气依次返回各级低温换热器(从第n级低温换热器到第一级低温换热器)对入流的氢气进行冷却；

54.或来自液氢储罐内的饱和氢气先经过第n级低温换热器换热，再在旁通引射器中与循环氢气流混合，然后再依次通过第n-1级低温换热器至第一级低温换热器：所述液氢储罐顶部引出气相管路(气相回路)与旁通引射器的低压入口相连接，旁通引射器的出口与第n-1级低温换热器相连。

55.4.2、液化氢气流进入最后一级换热器(第n级低温换热器换热)内的正仲氢催化反应器进行冷却后通过节流装置进行等焓节流实现液化并进入液氢储罐。

56.本发明提供一种采用低温透平压缩循环的氢液化系统，通过设置低温氢气回流支路，在该回流支路管路上设置轴驱动压缩机，该压缩机驱动轴与主制冷系统中的透平膨胀机的输出轴连接，实现透平膨胀机对制冷工质进行膨胀制冷时所产生的膨胀功回收利用，降低了氢液化系统的总能耗；并通过回流支路中的低温氢气对各级正仲氢催化反应器中流入的氢气主流进一步制冷。同时设置混合引射器实现回流支路内氢气与氢气气源内流出的氢气的混合；设置旁通引射器实现液氢储罐内饱和氢气的回流，降低液氢储罐内的压力，同时回收流出的饱和氢气的冷量，进一步降低了能耗，避免了液氢储罐内饱和氢气超压排放的过程，提高了工作效率，降低了成本。

57.与现有技术相比，本发明的有益效果为：

58.本发明的采用低温透平压缩循环的氢液化系统，充分利用主制冷循环透平膨胀机的膨胀功驱动液化系统形成自有的制冷循环，具有更高的能效。本发明采用的低温透平压缩循环工艺，将氢气在77～100k的低温下进行压缩，由于低温下氢气密度更大、具有更低的绝热压缩系数，因此比在室温下进行压缩具有更高的效率。

59.本发明同时采用旁通引射器对主氢气流进行旁通膨胀的工艺，与传统的joule-thomson循环制冷工艺流程相比，在同样节流膨胀压力的情况下具有更高的压缩机回气压力，减少了压缩机功耗，具有更高的能效；与采用透平膨胀机的旁通工艺相比，避免了使用复杂昂贵的低温氢气膨胀机，工艺流程简单且能够兼顾液氢储罐汽相氢气的回收。

附图说明

60.图1为本发明的采用低温透平压缩循环的氢液化装置的第一种实施方式示意图；

61.图2为本发明的采用低温透平压缩循环的氢液化装置的第二种实施方式示意图；

62.图3为本发明的采用低温透平压缩循环的氢液化装置的第三种实施方式示意图；

63.图4为本发明的采用低温透平压缩循环的氢液化装置的第四种实施方式示意图，其中预冷系统采用了开式液氮预冷系统，主制冷系统采用了氦布雷顿循环制冷系统；

64.图5为本发明的采用低温透平压缩循环的氢液化装置的第五种实施方式示意图，

其中预冷系统采用了闭式的透平布雷顿制冷系统，主制冷系统采用了氢克劳德循环制冷系统。

65.附图中标记与部件名称的对应关系为：

66.100.供冷系统、101.液氮储罐、102.液氮源、103.低温透平压缩机i、104.水冷器、105.低温透平膨胀机i、106.高速电机、200.主制冷系统、210.压缩系统、211.螺杆式压缩机、212.水冷器i、213.除油系统、214.一级压缩机、215.一级水冷器、216.二级压缩机、217.二级水冷器、220.主制冷工质低温纯化过滤系统、221.低温吸附过滤器、230.低温级、231.低温透平膨胀机、232.一级低温透平膨胀机、233.二级低温透平膨胀机、234.节流阀、300.液化系统、301.氢气气源、302.氢气低温纯化系统、302a.氢气低温纯化吸附器a、302b.氢气低温纯化吸附器b、303.正仲氢催化反应器i、304.混合引射器、305.低温透平压缩机、306.补偿驱动电机、307.第一级正仲氢催化反应器、308.第n-1级正仲氢催化反应器、309.旁通引射器、310.第n级正仲氢催化反应器、311.节流装置、312.液氢储罐、313.液氢产品出口、314.第二级正仲氢催化反应器、315.第三级正仲氢催化反应器、316.节流阀、317.第四级正仲氢催化反应器、318.第五级正仲氢催化反应器、319.第六级正仲氢催化反应器、400.预冷换热器、500.低温换热器组、501.第一级低温换热器、502.第n-1级低温换热器、503.第n级低温换热器、504.第二级低温换热器、505.第三级低温换热器、506.第四级低温换热器、507.第五级低温换热器、508.第六级低温换热器。

具体实施方式

67.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清晰，下面结合本发明实施例及其附图，对本发明的技术方案进行进一步详细描述，但是所描述的实施例是本发明的部分实施例，不是全部。基于本发明的实施例，本领域的技术人员非创造性劳动的其他实施例都属于本发明保护的范围。

68.实施例1：

69.如图1所示，采用低温透平压缩循环的氢液化系统，包括供冷系统100、主制冷系统200、液化系统300、预冷换热器400和低温换热器组500。供冷系统100通过预冷换热器400与主制冷系统200以及液化系统300耦合，对主制冷系统200的工质和液化系统300的氢气进行预冷，预冷温度一般是70～120k左右。

70.主制冷系统200包括压缩系统210、主制冷工质低温纯化过滤系统220和低温级230。压缩系统210、预冷换热器400、主制冷工质低温纯化过滤系统220和低温级230依次通过管路连接，并形成回路。低温级220的循环管路上包含一个低温透平膨胀机231(本实施例选择一级低温透平膨胀机)，气体工质通过低温透平膨胀机231进行膨胀制冷。低温级230通过低温换热器组500与液化系统300耦合，对液化系统300中的氢气进行冷却，最低的预冷温度为20k左右。

71.液化系统300包括氢气气源301、氢气低温纯化系统302、正仲氢催化反应器i 303、n级正仲氢催化反应器、混合引射器304、低温透平压缩机305、旁通引射器309、节流装置311、液氢储罐312和补偿驱动电机306。

72.其中氢气气源301、预冷换热器400、氢气低温纯化系统302、正仲氢催化反应器i 303、混合引射器304的低压入口依次通过管路连接；混合引射器304的出口、各个低温换热

器组中的n级正仲氢催化反应器沿温度自高而低(由第一级正仲氢催化反应器307至第n级正仲氢催化反应器310)、节流装置311和液氢储罐312依次通过管路连接，其中温度最低和次低的两个正仲氢催化反应器(第n级正仲氢催化反应器310和第n-1级正仲氢催化反应器308)之间的管路上引出一路管路(回流支路)与旁通引射器309的高压入口相连接。

73.液氢储罐312底部引出管路至液氢产品出口313用于液氢的输出，液氢储罐312顶部引出气相管路(气相回路)返回通过温度最低的低温换热器(第n级低温换热器503)之后与旁通引射器309的低压入口相连接；旁通引射器309的出口和剩余的(第n-1级低温换热器503～第一级低温换热器501)各个低温换热器沿温度自低而高依次相连，然后与低温透平压缩机305的低压入口相连。

74.低温透平压缩机305的高压出口通过管路与预冷换热器400中部的接口相连，经过预冷换热器400预冷后，与混合引射器304的高压入口相连接；低温透平压缩机305与主制冷系统200中的低温透平膨胀机231通过轴进行机械耦合，轴上设有补偿驱动电机306，将主制冷工艺流程中的低温透平膨胀机231所产生的膨胀功用于驱动低温透平压缩机305，补偿驱动电机306则用于提供额外的动力驱动低温透平压缩机305。

75.采用本实施例实现氢气液化的工作原理如下：

76.供冷系统100通过预冷换热器400与主制冷系统200以及液化系统300耦合，对主制冷系统200的工质和液化系统300的氢气进行预冷，预冷温度一般是70～120k左右。供冷系统100产生的低温工质进入预冷换热器400冷端入口，在预冷换热器400中对主制冷系统200的工质和液化系统300的氢气进行预冷；工质在预冷换热器400中复温至室温左右，离开预冷换热器400热端出口，随后根据供冷系统100的类型离开整个氢液化装置(针对开式低温冷冻液体供冷系统)或者返回供冷系统100(针对闭式低温制冷供冷系统)。

77.主制冷系统200通过预冷换热器400和低温换热器组500与液化系统300耦合，对液化系统300的氢气进行预冷，预冷温度一般是20k左右。主制冷系统200的工质通过压缩系统210进行压缩变为高压后，进入预冷换热器400被预冷至70～120k左右，然后进一步依次进入各级低温换热器(依次由第一级低温换热器501至第n级低温换热器503进入)中，被回流的冷工质(主制冷系统200工质)冷却。期间，工质将经过低温透平膨胀机231进行膨胀，产生制冷效应，最后低压低温的工质依次返回各级低温换热器(依次由第n级低温换热器503至第一级低温换热器501返回)，对入流的高压高温工质以及液化系统300的氢气进行冷却。

78.液化系统300中，来自氢气气源301的原料氢气流首先进入预冷换热器400进行预冷，并依次通过设于预冷换热器400中的氢气低温纯化系统302和正仲氢催化反应器i 303，将氢气中的杂质气体和颗粒物去除，并完成初步的正仲氢催化反应，仲氢含量达到接近于平衡态(如预冷温度为液氮温度77.4k，平衡态氢气的仲氢含量为50.2％)。

79.接着，原料氢气流(压力为p

feed

)被泵入混合引射器304的低压入口，与进入混合引射器304高压入口的经由低温透平压缩机305压缩并通过预冷换热器400冷却的高压循环氢气流(压力为p

compr

)混合成为氢气主流(压力为p

main

)，从混合引射器304的出口流出。混合引射器304中，p

compr

＞p

main

＞p

feed

，利用高压循环氢气流的压力势能将原料氢气流的压力由p

reed

提升至p

main

。氢气主流进一步沿着温度递减的方向依次进入各级低温换热器中的正仲氢催化反应器，被主制冷系统200的回流工质和回流的冷氢气循环流冷却至35k左右，同时发生正仲氢反应，仲氢含量达到接近于平衡态。

80.在进入温度最低的低温换热器(n级低温换热器503)前，氢气主流分为两路，一路为循环氢气流(回流氢气分支)，进入旁通引射器309的高压入口；另一路为液化氢气流，进一步进入温度最低的低温换热器(第n级低温换热器503)中的第n级正仲氢催化反应器310，被主制冷系统200的回流工质和来自于液氢储罐312气相管路的低温饱和氢气冷却至20～25k左右，同时发生正仲氢反应使得仲氢含量达到95％以上。

81.液化氢气流离开第n级低温换热器503后进入一个节流装置311进行等焓节流，实现氢气的液化，然后进入液氢储罐312。在液氢储罐312中，位于底部的液氢作为产品从设在液氢储罐312底部的液相管路流出，位于顶部的饱和氢气则通过设在液氢储罐312顶部的气相管路返回，进入第n级低温换热器503对入流的液化氢气流进行预冷，然后进入旁通引射器309的低压入口。

82.旁通引射器309中，回流氢气分支(压力为p

main

)与饱和氢气流(压力为p

sat

，一般是1～2bar)进行混合形成回流的氢气循环流(压力为p

return

)，其中p

main

＞p

return

＞p

sat

，利用来自氢气主流的回路氢气分支的压力势能将低压的饱和氢蒸汽从液氢储罐312中泵出(压力由p

main

提升至p

sat

)。回流的氢气循环流随后沿着温度递增的方向依次进入各级低温换热器(依次由第n级低温换热器503至第一级低温换热器501返回)，对入流的氢气主流进行冷却，最终进入低温透平压缩机305被压缩至高压(压力为p

compr

)。

83.实施例2：

84.如图2所示，采用低温透平压缩循环的氢液化系统，与实施案例1不同之处在于：

85.位于预冷换热器400的正仲氢催化反应器i303和混合引射器304的高压入口相连接，混合引射器304的出口与低温透平压缩机305低压入口相连，温度最高的低温换热器(第一级低温换热器501)的回流的氢气循环流出口与混合引射器304的低压入口相连接。在本实施例中，回流的氢气循环流(压力为p

return

)和原料氢气流(压力为p

feed

)先在混合引射器304中混合后形成氢气主流(压力为p

main

)，然后再进入低温透平压缩机305进行压缩至高压(压力为p

compr

)。

86.在本实施例的混合引射器304中，p

feed

＞p

main

＞p

return

，利用原料氢气流的压力势能将回流的更低压力的氢气循环流从p

return

提升至p

main

。本实施例适用于氢气气源301所提供的的氢气压力具有较高的压力，且高于回流的氢气循环流压力的情况。

87.实施例3：

88.如图3所示，采用低温透平压缩循环的氢液化系统，与实施例1不同之处在于：

89.液氢储罐312顶部引出气相管路(气相回路)与旁通引射器309的低压入口相连接，旁通引射器309的出口与温度最低的低温换热器(第n级低温换热器503)相连。

90.在本实施例中，来自液氢储罐312的饱和氢气(压力为p

sat

)在旁通引射器309中与循环氢气流(回流氢气分支)(压力为p

main

)先混合并进行节流膨胀至较低的压力形成回流的氢气循环流(压力为p

return

)，然后进入温度最低的低温换热器(第n级低温换热器503)对入流的液化氢气流进行冷却。

91.在本实施例的旁通引射器309中，p

main

＞p

return

＞p

sat

，利用来自氢气主流的循环氢气流的压力势能将低压的饱和氢气从液氢储罐312中泵出(压力由p

main

提升至p

sat

)。

92.实施例4：

93.如图4所示，采用低温透平压缩循环、液氮预冷和氦布雷顿循环的氢液化系统更详

细的示意，包括供冷系统100、主制冷系统200、液化系统300、预冷换热器400和低温换热器。

94.供冷系统100包括液氮源102和液氮储罐101。主制冷系统200包括螺杆式压缩机211(工质压缩机)、水冷器i 212、除油系统213、低温吸附过滤器221、一级低温透平膨胀机232和二级低温透平膨胀机233。液化系统300包括氢气气源301、氢气低温纯化吸附器a302a、氢气低温纯化吸附器b 302b、正仲氢催化反应器i 303、混合引射器304、第一级正仲氢催化反应器307、第二级正仲氢催化反应器314、第三级正仲氢催化反应器315、节流阀316、液氢储罐312、液氢产品出口313、旁通引射器309、低温透平压缩机305和补偿驱动电机306。低温换热器组500包括温度从高到低的三个对流式换热器：第一级低温换热器501、第二级低温换热器504和第三级低温换热器505。

95.供冷系统100中的各部件连接顺序如下：液氮源102与液氮储罐101相连，液氮储罐101底部引出的液相管路与预冷换热器400冷端入口相连，然后从预冷换热器400中部引出管路与液氮储罐101顶部相连，液氮储罐101顶部另有一路气相管路与预冷换热器400中部的入口相连，将液氮储罐101内冷氮气引入预冷换热器400，最终从预冷换热器400热端排出。

96.供冷系统100的工作原理是：液氮源102将液氮补充至液氮储罐101中，保持液氮储罐101中液位不低于设定高度；从液氮储罐101引出的饱和液氮首先进入预冷换热器400冷端，对主制冷系统200的工质和液化系统300的氢气进行预冷，液氮被加热蒸发形成饱和气体从预冷换热器400中部离开，进入液氮储罐101顶部的气相空间，形成一个典型的自增压流程；饱和液氮气体在自增压工艺的作用下，从液氮储罐101顶部的另一个气相出口(气相管路)流出，进入预冷换热器400中部并继续向热端流动，为主制冷系统200的工质和液化系统300的氢气提供预冷，最终氮气被加热至室温左右在预冷换热器400热端离开。

97.在本实施例中，采用液氮作为冷源工质的开式低温冷冻液体供冷系统100，根据液氮储罐101压力的不同，能够提供77～100k左右的预冷温度。

98.主制冷系统200中的各部件连接顺序如下：螺杆式压缩机211高压出口、水冷器212、除油系统213、预冷换热器400、低温吸附过滤器221、第一级低温换热器501、一级低温透平膨胀机232、第二级低温换热器504、二级低温透平膨胀机233依次相连，从二级低温透平膨胀机233出口管路依次从低温至高温通过第三级低温换热器505、第二级低温换热器504和第一级低温换热器501，最终与螺杆式压缩机211低压入口相连。

99.其中，主制冷系统200中的工质是氦气。主制冷系统200的工作原理是：氦气工质经由螺杆式压缩机211压缩至高压，通过水冷器212将压缩产生的压缩热带走降温至室温左右，然后进入除油系统213将工质中绝大多数的油气杂质去除；经过压缩、冷却、除油之后的高压氦气首先进入预冷换热器400被预冷至77～100k左右，接着通过低温吸附过滤器221将低温凝固下来的残余颗粒物杂质去除；氦气离开低温吸附过滤器221后进入第一级低温换热器501被回流的冷氦气预冷至40～50k左右，然后进入一级低温透平膨胀机232进行膨胀制冷，温度降低5～10k左右，压力降至中压；氦气离开一级低温透平膨胀机232后进入第二级低温换热器504进一步被预冷至25～30k左右；然后进入二级低温透平膨胀机233进行膨胀制冷，温度降低至17～20k左右，压力降至低压；随后，低温低压的氦气反向依次经过第三级低温换热器505、第二级低温换热器504和第一级低温换热器501对入流的氦气以及液化系统300的氢气提供冷量，通过预冷换热器400之后氦气复温至室温左右最后返回压缩机低

压入口。

100.液化系统300中的各部件连接顺序如下：氢气气源301与预冷换热器400热端接口相连，入流原料氢气离开预冷换热器400冷端后，与并联的氢气低温纯化吸附器a302a和氢气低温纯化吸附器b302b相连。这里氢气低温纯化吸附器a302a和氢气低温纯化吸附器b302b组成一个典型的变温吸附装置，两个吸附器通过阀门进行切换，交替接入管路，未接入管路的吸附器将被洁净惰性热气体进行吹扫和加热实现再生。氢气低温纯化吸附器a302a和氢气低温纯化吸附器b302b并联后通过管路与预冷换热器400中部的入口相连，然后进入位于预冷换热器400较低温端的正仲氢催化反应器i 303。在本实施例中，所有正仲氢催化反应器(包括正仲氢催化反应器i 303、第一级正仲氢催化反应器307、第二级正仲氢催化反应器314、第三级正仲氢催化反应器315)都是耦合在换热器中的等温反应器，即将催化剂颗粒填充在换热器换热通道中，在换热的同时实现正仲氢催化反应。

101.这种等温反应器具有较高的反应效率和较低的不可逆损失。正仲氢催化反应器i 303的低温端出口与混合引射器304的低压入口相连。混合引射器304的出口、第一级正仲氢催化反应器307、第二级正仲氢催化反应器314和第三级正仲氢催化反应器315依次相连，然后通过一个节流阀316与液氢储罐312相连。

102.液氢储罐312底部的液相管路是氢液化机的液氢产品输出口，液氢储罐312顶部的气相管路(气相回路)引出管路首先返回经过第三级低温换热器505，然后与旁通引射器309的低压入口相连。第二级正仲氢催化反应器314和第三级正仲氢催化反应器315中间的管路上分出一路管路(回路支路)与旁通引射器309的高压入口相连。旁通引射器309的出口、第二级低温换热器504和第三级低温换热器505依次相连，然后与低温透平压缩机305的低压入口相连。

103.低温透平压缩机305的高压出口通过管路与预冷换热器400中部的接口相连，经过预冷换热器400预冷后最后与混合引射器304的高压入口相连接；低温透平压缩机305与主制冷系统200中的一级低温透平膨胀机232通过轴进行机械耦合，将主制冷工艺流程中的一级低温透平膨胀机232所产生的膨胀功用于驱动低温透平压缩机305。低温透平压缩机305与主制冷系统200中的一级低温透平膨胀机232进行机械耦合的轴上设有补充驱动电机306，用于提供额外的动力驱动低温透平压缩机305。本实施案例中，液化系统300的工作原理与实施例1中的液化系统300工作原理相同。

104.实施例5：

105.如图5所示，采用低温透平压缩循环、供冷系统100采用透平布雷顿循环制冷系统、主制冷系统200采用氢克劳德循环制冷系统的氢液化系统更详细的示意，与实施例4不同之处在于：

106.本实施例中，供冷系统100是透平布雷顿循环制冷系统，主制冷系统200是氢克劳德循环制冷系统，低温换热器组500包括了温度从高到低的6个低温换热器(第一～六级低温换热器)。

107.供冷系统100所采用的透平布雷顿循环制冷系统包括低温透平压缩机i 103、水冷器104、低温透平膨胀机105、高速电机106。上述部件连接顺序如下：低温透平压缩机i 103高压出口、水冷器104、预冷换热器400热端入口、预冷换热器400冷端出口、低温透平膨胀机i 105入口、低温透平膨胀机i 105出口、预冷换热器400冷端入口、预冷换热器400热端出口

和低温透平压缩机i 103低压入口依次相连形成回路。

108.低温透平压缩机i 103和低温透平膨胀机i 105通过轴进行机械耦合，轴上设有高速电机106。本实施例中，透平布雷顿循环制冷系统的工作原理如下：制冷工质经由低温透平压缩机i 103压缩至高压，通过水冷器104将压缩产生的压缩热带走降温至室温左右，经过压缩、冷却之后的工质进入预冷换热器400被回流的冷工质预冷至100～120k左右；随后工质进入低温透平膨胀机i 105进行膨胀制冷，根据工质和膨胀后压力不同，工质温度最终可降至80～100k左右；低温低压的工质返回预冷换热器400对入流的高压工质以及主制冷循环的工质和液化系统300的氢气进行预冷，复温至室温左右离开预冷换热器400，最终返回到低温透平压缩机i 103低压入口。高速电机106提供主驱动力驱动低温透平压缩机i 103，低温透平膨胀机i 105的膨胀功通过轴进行回收，为低温透平压缩机i 103提供辅助驱动力。

109.主制冷系统200所采用的的氢克劳德循环制冷系统包括一级压缩机214(工质压缩机)、一级水冷器215、二级压缩机216(工质压缩机)、二级水冷器217、除油系统213、低温吸附过滤器221、一级低温透平膨胀机232、二级低温透平膨胀机233和节流阀234。上述部件连接关系如下：一级压缩机214、一级水冷器215、二级压缩机216、二级水冷器217、除油系统213以及预冷换热器400热端入口依次通过管路相连；通过预冷换热器400后，预冷换热器400冷端出口与低温吸附过滤器221相连，随后通过第一级低温换热器501；

110.至此，氢气管路分为两路，一路首先与一级低温透平膨胀机232相连，接着通过第三级低温换热器505后，再进入二级低温透平膨胀机233，最后与第四级低温换热器506冷端入口相连，依次返回通过第四级低温换热器506、第三级低温换热器505、第二级低温换热器504、第一级低温换热器501和预冷换热器400，最后汇入一级水冷器215和二级压缩机216之间的管路；

111.另一路依次通过第二级低温换热器504、第三级低温换热器505、第四级低温换热器506和第五级低温换热器507，与一个节流阀234相连；节流阀234出口通过管路与第六级低温换热器508的冷端入口相连，随后依次返回通过第六级低温换热器508、第五级低温换热器507、第四级低温换热器506、第三级低温换热器505、第二级低温换热器504、第一级低温换热器501和预冷换热器400，最后与一级压缩机214的低压入口相连。

112.采用氢克劳德循环制冷系统的主制冷系统200的工作原理如下：从预冷换热器400返回的室温低压氢气工质进入一级压缩机214被压缩至中压，经过一级水冷器215被冷却至室温，再进入二级压缩机216被进一步压缩至高压，通过二级水冷器217被冷却至室温，然后进入除油系统213将工质中绝大多数的油气杂质去除；经过压缩、冷却、除油之后的高压氢气首先进入预冷换热器400被预冷至77～100k左右。

113.接着通过低温吸附过滤器221将低温凝固下来的残余颗粒物杂质去除；氢气离开低温吸附过滤器221后进入一级低温换热器501进行预冷，随后氢气分为两路，一路进入一级低温透平膨胀机232进行膨胀制冷，温度降低5～10k，再进入第三级低温换热器505进一步预冷后，进入二级低温透平膨胀机233进行膨胀制冷，温度再次降低5～10k，压力减小至中压，然后返回通过第四级低温换热器506、第三级低温换热器505、第二级低温换热器504、第一级低温换热器501和预冷换热器400对入流的高压氢气和液化系统300的氢气进行冷却，最后汇入一级水冷器215和二级压缩机216之间的氢气工质流；

114.另一路进一步通过第二级低温换热器504、第三级低温换热器505、四级低温换热器506和五级低温换热器507，被预冷至20k左右，最后通过一个节流阀234进行等焓节流制冷，氢气温度继续下降至18～20k，并部分液化，然后低温低压的氢气依次返回通过第六级低温换热器508、第五级低温换热器507、第四级低温换热器506、第三级低温换热器505、第二级低温换热器504、第一级低温换热器501和预冷换热器400对入流的高压氢气和液化系统300的氢气进行冷却，最后返回至一级压缩机214的低压入口再次被压缩循环。

115.本实施案例中，液化系统300的部件、连接方式及工作原理与实施案例4相同。技术特征：

1.采用低温透平压缩循环的氢液化系统，包括液化系统、低温换热器组、预冷系统以及为所述低温换热器组提供冷源的主制冷系统；所述液化系统包括正仲氢催化反应器ⅰ以及与其依次串联连接的n级正仲氢催化反应器；所述低温换热器组包括对n级正仲氢催化反应器分别进行制冷换热的n级低温换热器；所述预冷系统分别对正仲氢催化反应器ⅰ和主制冷系统提供预冷冷量；其特征在于，还包括混合引射器、一轴驱动压缩机、节流元件；所述主制冷系统包括至少一个透平膨胀机，该透平膨胀机的输出轴与所述轴驱动压缩机传动连接；第n-1级正仲氢催化反应器出料口的管路上引出一回流支路，该回流支路内的工质依次经过节流元件节流、至少一个低温换热器换热、轴驱动压缩机压缩和预冷系统预冷后作为高压流体进入所述混合引射器；或者该回流支路的工质依次经过节流元件节流和至少一个低温换热器换热作为低压流体进入所述混合器；所述工质作为高压流体时，正仲氢催化反应器ⅰ出口物料作为低压流体进入所述混合引射器，经混合后依次进入n级正仲氢催化反应器；所述工质作为低压流体时，正仲氢催化反应器ⅰ出口物料作为高压流体进入所述混合引射器，经混合的物料经过所述轴驱动压缩机压缩、预冷系统预冷后依次进入n级正仲氢催化反应器。2.根据权利要求1所述的氢液化系统，其特征在于，所述节流元件为膨胀机、节流阀或旁通引射器。3.根据权利要求2所述的氢液化系统，其特征在于，所述液化系统还包括通过管路与第n级正仲氢催化反应器连接的液氢储罐；所述节流元件为旁通引射器，所述回流支路与其高压入口连接；所述液氢储罐的气相出口通过一气相回路与所述旁通引射器的低压入口连接。4.根据权利要求3所述的氢液化系统，其特征在于，所述气相回路经过第n级低温换热器换热后与所述旁通引射器的低压入口连接。5.根据权利要求4所述的氢液化系统，其特征在于，所述旁通引射器出口的工质依次与第n-1级～第1级低温换热器进行换热。6.根据权利要求3所述的氢液化系统，其特征在于，所述气相回路直接与所述旁通引射器的低压入口连接。7.根据权利要求6所述的氢液化系统，其特征在于，所述旁通引射器出口的工质依次经过第n级～第1级低温换热器进行换热。8.根据权利要求1所述的氢液化系统，其特征在于，连接所述膨胀机与压缩机的轴上设有补偿驱动电机。9.根据权利要求1所述的氢液化系统，其特征在于，所述回流支路内的工质依次与第n-1级～第1级低温换热器换热。10.根据权利要求1所述的氢液化系统，其特征在于，所述预冷系统包括预冷换热器及为其提供冷源的供冷系统，所述预冷换热器分别为所述正仲氢催化反应器ⅰ和主制冷系统提供冷量。

技术总结

本发明提供采用低温透平压缩循环的氢液化系统，通过设置低温氢气回流支路，在该回流支路管路上设置轴驱动压缩机，该压缩机驱动轴与主制冷系统中的透平膨胀机的输出轴连接，实现透平膨胀机对制冷工质进行膨胀制冷时所产生的膨胀功回收利用，降低了氢液化系统的总能耗；并通过回流支路中的低温氢气对各级正仲氢催化反应器中流入的氢气主流进一步制冷。同时设置混合引射器实现回流支路内氢气与氢气气源内流出的氢气的混合；设置旁通引射器实现液氢储罐内饱和氢气的回流，降低液氢储罐内的压力，同时回收流出的饱和氢气的冷量，进一步降低了能耗，避免了液氢储罐内饱和氢气超压排放的过程，提高了工作效率，降低了成本。降低了成本。降低了成本。

技术研发人员：吴英哲 姜伟 钱佚

受保护的技术使用者：河南中科清能科技有限公司

技术研发日：2021.04.15

技术公布日：2022/8/30