氢气循环制冷液化系统及工艺技术方案

本发明专利技术涉及一种氢气循环制冷液化系统及工艺。所述氢气循环制冷液化系统包括依次连接的氢气预冷单元、若干个循环制冷液化单元、终端制冷单元和气液分离单元，若干个循环制冷液化单元依次连接，利用LNG冷能，实现对原料氢气预冷。所述氢气循环制冷液化工艺基于所述氢气循环制冷液化系统。本发明专利技术有效利用了LNG冷能的同时，降低了氢气液化的能耗；氢气同时作为制冷介质和液化产物，充分利用液化过程的冷能，降低了因冷却介质间传热而引起的熵损失。降低了因冷却介质间传热而引起的熵损失。降低了因冷却介质间传热而引起的熵损失。

【技术实现步骤摘要】
氢气循环制冷液化系统及工艺


[0001]本专利技术涉及一种氢气循环制冷液化系统及工艺。

技术介绍

[0002]氢气作为一种优良的能源载体，具有高效、清洁、无污染和可持续等优势，是当前最有前景的清洁能源之一。与气态储氢和固态储氢相比，液氢储运具有纯度高、远距离输运成本低、加注效率高等优点，是氢储运的重要研究方向，也是氢能经济发展的重要方向。
[0003]氢气的液化温度很低，其经过压缩之后，深冷到～
‑
250℃以下可使氢气变为液氢。因此，氢气的液化过程能耗非常高。

技术实现思路

[0004]为降低氢气液化能耗，本专利技术的目的在于提供一种氢气循环制冷液化系统及工艺。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006]氢气循环制冷液化系统，包括依次连接的氢气预冷单元、若干个循环制冷液化单元、终端制冷单元和气液分离单元；其中：
[0007]所述氢气预冷单元包括氢气制冷管路和预冷管路；所述氢气制冷管路上依次设有第一换热器、第一膨胀机、第一压缩机、第二换热器、第一转换器；所述预冷管路用于对第一换热器和第二换热器进行换热预冷；
[0008]若干个循环制冷液化单元依次连接，每个循环制冷液化单元均包括第二膨胀机、第二压缩机、第三换热器和第二转换器；所述第二膨胀机与氢气预冷单元中的第一转换器连接，或与上一个循环制冷液化单元中的第二转换器连接；从第二膨胀机中出来的氢气分为两个管路，其中一个管路直接连接第三换热器并作为制冷工质管路，另一个管路经第二压缩机连接第三换热器并作为氢气产品降温管路；从第三换热器出来的氢气也分为两个管路，其中一个管路直接连接第二转换器，另外一个管路中的氢气回流至氢气预冷单元中的第一压缩机或回流至上一个循环制冷液化单元中的第二压缩机；
[0009]所述终端制冷单元包括第三膨胀机、第三压缩机和第四换热器；所述第三膨胀机与末端循环制冷液化单元中的第二转换器连接，从第三膨胀机出来的氢气分为两个管路，其中一个管路直接连接第四换热器并作为制冷工质管路，另外一个管路经第三压缩机连接第四换热器并作为氢气产品降温管路；从第四换热器出来的氢气也分为两个管路，其中一个管路直接连接气液分离单元，另一个管路中的氢气回流至末端循环制冷液化单元中的第二压缩机；
[0010]所述气液分离单元包括节流阀和气液分离器；所述节流阀与终端制冷单元中的第四换热器连接，所述气液分离器连接节流阀，从所述气液分离器分离出来的液氢输出。
[0011]进一步的，当循环制冷液化单元设有多个时，按照氢气的流动方向分为最上游循环制冷液化单元和其他循环制冷液化单元；
[0012]最上游循环制冷液化单元中：所述第二膨胀机与氢气预冷单元中的第一转换器连接；第三换热器出来的氢气，其另外一个管路中氢气回流至氢气预冷单元中的第一压缩机；
[0013]其他循环制冷液化单元中：所述第二膨胀机与上一个循环制冷液化单元中的的第二转换器连接；第三换热器出来的氢气，其另外一个管路中氢气回流至上一个循环制冷液化单元中的第二压缩机。
[0014]进一步的，所述预冷管路采用LNG为制冷工质。
[0015]进一步的，所述氢气预冷单元中，预冷管路在第一换热器和第二换热器处均设有LNG输入管路和天然气输出管路。
[0016]进一步的，所述气液分离器内部设有第三转换器。
[0017]进一步的，利用LNG冷能通过第一换热器将氢气预冷至
‑
150℃以下。
[0018]进一步的，各转换器内均填充有催化剂。
[0019]进一步的，所述气液分离单元在节流阀前设有第五换热器，从所述气液分离器分离出来的氢气回流至第五换热器，所述第五换热器与终端制冷单元中的第四换热器连接，从第五换热器出来的氢气分为两个管路，其中一个管路中的氢气回流至末端循环制冷液化单元中的第二压缩机，另外一个管路经节流阀连接至所述气液分离器。
[0020]进一步的，所述循环制冷液化单元为2
‑
7个。
[0021]进一步的，所述循环制冷液化单元为3个。
[0022]进一步的，第一压缩机和第二压缩机的入口前分别设有混合器，用于第三换热器、第四换热器或第五换热器的回流氢气与第一膨胀机或第二膨胀机入流氢气的混合。
[0023]采用所述的氢气循环制冷液化系统进行氢气液化的工艺，包括：
[0024]步骤1，利用LNG冷能通过第一换热器将氢气预冷，通过第一膨胀机对外做功使氢气温度进一步降低；
[0025]步骤2，经过第一膨胀机后的氢气进入第一压缩机进行升压，再经过第二换热器冷却，在第一转换器完成正仲氢转换后进入最上游的循环制冷液化单元中第二膨胀机；
[0026]步骤3，通过所述第二膨胀机的对外做功使氢气温度进一步降低，从第二膨胀机出来的氢气分为两股，一股进入第三换热器作为制冷工质，另外一股经第二压缩机压缩升压再进入第三换热器进行冷却；
[0027]步骤4，从第三换热器出来的氢气分为两个管路，其中一个管路回流至第一压缩机，另外一个管路连接至第二转换器完成正仲氢转换并进入下一个循环制冷液化单元中的第二膨胀机；
[0028]步骤5，重复步骤3和步骤4，其中重复步骤4时，从第三换热器出来的氢气沿其中一个管路回流至上一个循环制冷液化单元中的第二压缩机，直至完成若干个循环制冷液化单元的循环；
[0029]步骤6，氢气从末端循环制冷液化单元的第二转换器进入第三膨胀机，从第三膨胀机出来的氢气分为两股，一股进入第四换热器作为制冷工质，另外一股经第三压缩机压缩升压再进入第四换热器进行冷却；
[0030]步骤7，从第四换热器出来的氢气分为两个管路，其中一个管路回流至末端循环制冷液化单元中的第二压缩机，另外一个管路连接至第五换热器；
[0031]步骤8，从第五换热器出来的氢气分为两个管路，其中一个管路回流至末端循环制
冷液化单元中的第二压缩机，另外一个管路经节流阀连接至所述气液分离器；从所述气液分离器分离出来的氢气回流至第五换热器，从所述气液分离器分离出来的液氢输出。
[0032]本专利技术的有益效果为：
[0033]本专利技术利用LNG冷能，实现对原料氢气预冷，有效利用了LNG冷能的同时，降低了氢气液化的能耗，能够将氢气液化的能耗降低到15～20kWh/kg。氢气同时作为制冷介质和液化产物，充分利用液化过程的冷能，降低了因冷却介质间传热而引起的熵损失；采用多个循环制冷液化单元循环，有效降低氢气液化系统的工作压力，降低对管道系统、换热设备等的要求；采用换热器回流氢气温度控制技术，保证回流氢气状态与汇入流股的氢气状态相同，有效降低了因氢气混合产生的损失，提高系统的液化效率。采用多级正仲氢转化技术，实现在不同温度下正仲氢的充分转化，实现氢液化系统冷能的梯级有效利用。
附图说明
[0034]图1为本专利技术所述氢气循环制冷液化系统结构示意图；
[0035]其中，1
‑
第一换热器，2...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.氢气循环制冷液化系统，其特征在于，包括依次连接的氢气预冷单元、若干个循环制冷液化单元、终端制冷单元和气液分离单元；其中：所述氢气预冷单元包括氢气制冷管路和预冷管路；所述氢气制冷管路上依次设有第一换热器、第一膨胀机、第一压缩机、第二换热器、第一转换器；所述预冷管路用于对第一换热器和第二换热器进行换热预冷；若干个循环制冷液化单元依次连接，每个循环制冷液化单元均包括第二膨胀机、第二压缩机、第三换热器和第二转换器；所述第二膨胀机与氢气预冷单元中的第一转换器连接，或与上一个循环制冷液化单元中的第二转换器连接；从第二膨胀机中出来的氢气分为两个管路，其中一个管路直接连接第三换热器并作为制冷工质管路，另一个管路经第二压缩机连接第三换热器并作为氢气产品降温管路；从第三换热器出来的氢气也分为两个管路，其中一个管路直接连接第二转换器，另外一个管路中的氢气回流至氢气预冷单元中的第一压缩机或回流至上一个循环制冷液化单元中的第二压缩机；所述终端制冷单元包括第三膨胀机、第三压缩机和第四换热器；所述第三膨胀机与末端循环制冷液化单元中的第二转换器连接，从第三膨胀机出来的氢气分为两个管路，其中一个管路直接连接第四换热器并作为制冷工质管路，另外一个管路经第三压缩机连接第四换热器并作为氢气产品降温管路；从第四换热器出来的氢气也分为两个管路，其中一个管路直接连接气液分离单元，另一个管路中的氢气回流至末端循环制冷液化单元中的第二压缩机；所述气液分离单元包括节流阀和气液分离器；所述节流阀与终端制冷单元中的第四换热器连接，所述气液分离器连接节流阀，从所述气液分离器分离出来的液氢输出。2.根据权利要求1所述的氢气循环制冷液化系统，其特征在于，当循环制冷液化单元设有多个时，按照氢气的流动方向分为最上游循环制冷液化单元和其他循环制冷液化单元；最上游循环制冷液化单元中：所述第二膨胀机与氢气预冷单元中的第一转换器连接；第三换热器出来的氢气，其另外一个管路中氢气回流至氢气预冷单元中的第一压缩机；其他循环制冷液化单元中：所述第二膨胀机与上一个循环制冷液化单元中的的第二转换器连接；第三换热器出来的氢气，其另外一个管路中氢气回流至上一个循环制冷液化单元中的第二压缩机。3.根据权利要求1所述的氢气循环制冷液化系统，其特征在于，所述预冷管路采用LNG为制冷工质。4.根据权利要求3所述的氢气循环制冷液化系统，其特征在于，所述氢气预冷单元中，预冷管路在第一换热器和第二换热器处均设有LNG输入管路和天然气输出管路。5.根据权利要求1所述的氢气循环制冷液化系统，其特征在于，所述气液分离器内部设有第三转换器；各转换器内均填充有催化剂。6.根据权利要求3所述的氢气循环制冷...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱凯，赵立前，罗文倩，李国辉，李洪涛，尹倩，刘春枝，张宁，党富华，蔡金洋，汪青鑫，
申请(专利权)人：中国石油管道局工程有限公司中国石油天然气管道工程有限公司，
类型：发明
国别省市：