气体液化系统技术方案

一种气体液化系统，包括压缩机组、预冷换热器、多级中间透平预冷单元、第一换热器、末级透平膨胀机、第二换热器、节流阀和低温液体储罐。第二换热器设于节流阀和低温液体储罐之间。该气体液化系统包括待液化气体路、制冷工质循环过程和预冷工质循环回路。上述气体液化系统，在同样的系统耗功下，通过改变低温端的液化流程形式，使得末级透平膨胀机在高温下膨胀，获得更大冷量，与传统的氦制冷氢液化系统相比，在节流阀节流之后再增加一级第二换热器可以进一步将液化后的气体的干度降为0，保证第二换热器的出口管路为全液相运行，安全，节约设备成本；整个气体液化系统的最低温度提高，有助于提高系统效率，节约能源。

Gas liquefaction system

A gas liquefaction system consists of a compressor unit, a pre cooled heat exchanger, a multistage intermediate turbine precooling unit, a first heat exchanger, a last stage turbine expander, a second heat exchanger, a throttle valve and a cryogenic liquid storage tank. Second the heat exchanger is between the throttle valve and the cryogenic liquid storage tank. The gas liquefaction system includes liquefied gas path, refrigerant cycle process and pre cooling working cycle loop. The above gas liquefaction system, under the same system energy consumption, can make the last stage turbo expander expand at high temperature by altering the liquefaction process at the low temperature end, and obtain a greater cooling capacity. Compared with the traditional helium refrigeration hydrogen liquefaction system, the second heat exchanger can be further liquefied after the throttle valve is throttle. The dry degree of the gas is reduced to 0, and the outlet pipeline of the second heat exchanger is guaranteed to run in full liquid phase, and the cost of the equipment is saved, and the minimum temperature of the whole gas liquefaction system is raised, which helps to improve the efficiency of the system and save energy.

【技术实现步骤摘要】
气体液化系统
本技术涉及液化
，尤其涉及一种气体液化系统。
技术介绍
由于满足当前世界能源需求的化石燃料几近枯竭，而且其燃烧产物会对环境造成污染，因此寻求新能源成为世界瞩目的重大课题。氢的资源丰富，来源多样，作为一种二次能源，它具有燃烧热值高、清洁环保、可储存、可再生等优点。且氢能可以同时满足资源、环境和可持续发展的要求，所以被称作人类未来的能源。氢气通常是正氢和仲氢的平衡混合物。氢气的平衡浓度随温度的不同而有显著的变化。当温度降低时，具有高能量基态的正氢自发地向低能态的仲氢转化，直到不能转化，成为该温度下的平衡氢。室温热平衡态下，氢气大约由75％正氢和25％仲氢组成，此称为正常氢。气态氢的正-仲态转化在存在催化剂的情况下才能发生，而液态氢则在没有催化剂的情况下也能自发地发生正-仲转化。但是转换速率较慢。氢的正仲转化是一放热反应，在液氢存储过程中，为了避免转化热引起液氢产品的汽化，减少再液化的能耗，对于大型氢液化装置，产品中仲氢含量应超过95％。液氢作为目前最重要的储运方式之一，在长距离运输，储存等方面具有巨大的经济性，在氢能利用中发挥重要的作用。氢气液化的过程(包括正仲转化热)大约需要耗费17kWh/kgLH2，因此，提高整机效率，节约能耗，有助于液氢的大规模使用与推广。传统的利用氦气作为制冷剂，进行氢气液化的流程形式如图1所示。其主要包括一套封闭的氦制冷循环，液氮预冷，以及氢路。具体的，包括氦压缩机20，氦透平膨胀机30，氢压缩机40，四个换热器50、60、70、80，100m3液氢贮罐90，氢气源22，管路24和管路26。液氮从管路24进入，换热后，液氮变成氮气从管路26流出。氢路经低温氦气冷却后，经过节流阀进入液氢储罐。如果节流阀前的过冷度足够大，则节流后全部为液氢；如果过冷度不够，则节流后有闪蒸气，则通过氢压缩机回收。针对该传统流程，一种方法是节流后气液两相的流体直接进入液体储罐，将气体回热后经氢压缩机升高压力，回收使用，此工艺流程复杂，且氢为易燃易爆气体，存在安全、成本等一系列问题；第二种方法则可以通过降低节流阀前温度的方式，保证其一定的过冷度，使得节流后的气体仍然处于全液相的状态，这种情况下会造成系统效率的下降。
技术实现思路
鉴于此，有必要提供一种安全、能够提高制冷效率，节约能源的气体液化系统。一种气体液化系统，包括压缩机组、预冷换热器、多级中间透平预冷单元、第一换热器、末级透平膨胀机、第二换热器、节流阀和低温液体储罐；所述压缩机组的出口和所述预冷换热器的高压侧制冷工质入口连通，所述预冷换热器的高压侧制冷工质出口和所述多级中间透平预冷单元的高压侧制冷工质入口连通，所述多级中间透平预冷单元的高压侧制冷工质出口和所述第一换热器的高压侧制冷工质入口连通，所述第一换热器的高压侧制冷工质出口和所述末级透平膨胀机的入口连通，所述末级透平膨胀机的出口和所述第二换热器的制冷工质入口连通，所述第二换热器的制冷工质出口和所述第一换热器的低压侧制冷工质入口连通，所述第一换热器的低压侧制冷工质出口和所述多级中间透平预冷单元的低压侧制冷工质入口连通，所述多级中间透平预冷单元的低压侧制冷工质出口和所述预冷换热器的低压侧制冷工质入口连通，所述预冷换热器的低压侧制冷工质出口和所述压缩机组的入口连通；所述预冷换热器还包括待液化气体入口和待液化气体出口，所述预冷换热器的待液化气体出口和所述多级中间透平预冷单元的待液化气体入口连通，所述多级中间透平预冷单元的待液化气体出口和所述第一换热器的待液化气体入口连通，所述第一换热器的待液化气体出口和所述节流阀的入口连通，所述节流阀的出口和所述第二换热器的待液化气体入口连通，所述第二换热器的待液化气体出口和所述低温液体储罐连通；所述预冷换热器还包括预冷工质入口和预冷工质出口。在一个实施例中，还包括预冷工质单元，所述预冷工质单元的出口和所述预冷换热器的预冷工质入口连通，所述预冷换热器的预冷工质出口和所述预冷工质单元的入口连通。在一个实施例中，所述多级中间透平预冷单元为换热器和透平膨胀机的组合。在一个实施例中，所述多级中间透平预冷单元为基于克劳德制冷循环或柯林斯制冷循环的换热器和透平膨胀机的组合。在一个实施例中，所述待液化气体为氢气，所述预冷换热器的待液化气体入口还设有氢过滤装置和氢纯化装置。在一个实施例中，所述待液化气体为氢气，所述预冷换热器、所述多级中间透平预冷单元内的换热器和所述第一换热器中的氢气通道内均充装有正仲氢转化剂。在一个实施例中，所述第一换热器的待液化气体出口，仲氢浓度大于等于95％。上述气体液化系统，在同样的系统耗功下，通过改变低温端的液化流程形式，使得末级透平膨胀机在高温下膨胀，获得更大冷量，与传统的氦制冷氢液化系统相比，在节流阀节流之后再增加一级第二换热器可以进一步将液化后的气体的干度降为0，保证第二换热器的出口管路为全液相运行，相比方案一，安全，可以节约设备成本；相比方案二，整个气体液化系统的最低温度提高，有助于提高系统效率，节约能源。附图说明图1为传统的氦制冷氢液化系统的结构示意图；图2为一实施方式的气体液化系统的结构示意图；图3为末端流程采用常规的流程结构的气体液化系统的结构示意图。具体实施方式为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。如图2所示，一实施方式的气体液化系统10，包括压缩机组1、预冷换热器8、多级中间透平预冷单元3、第一换热器4、末级透平膨胀机5、第二换热器9、节流阀6和低温液体储罐7。压缩机组1的出口和预冷换热器8的高压侧制冷工质入口连通，预冷换热器8的高压侧制冷工质出口和多级中间透平预冷单元3的高压侧制冷工质入口连通，多级中间透平预冷单元3的高压侧制冷工质出口和第一换热器4的高压侧制冷工质入口连通，第一换热器4的高压侧制冷工质出口和末级透平膨胀机5的入口连通，末级透平膨胀机5的出口和第二换热器9的制冷工质入口连通，第二换热器9的制冷工质出口和第一换热器4的低压侧制冷工质入口连通，第一换热器4的低压侧制冷工质出口和多级中间透平预冷单元3的低压侧制冷工质入口连通，多级中间透平预冷单元3的低压侧制冷工质出口和预冷换热器8的低压侧制冷工质入口连通，预冷换热器8的低压侧制冷工质出口和压缩机组1的入口连通。预冷换热器8还包括待液化气体入口和待液化气体出口，预冷换热器8的待液化气体出口和多级中间透平预冷单元3的待液化气体入口连通，多级中间透平预冷单元3的待液化气体出口和第一换热器4的待液化气体入口连通，第一换热器4的待液化气体出口和节流阀6的入口连通，节流阀6的出口和第二换热器9的待液化气体入口连通，第二换热器9的待液化气体出口和低温液体储罐7连通。预冷换热器8还包括预冷工质入口和预冷工质出口。气体液化系统10还包括预冷工质单元，预冷工质单元2的出口和预冷换热器8的预冷工质入口连通，预冷换热器8的预冷工质出口和预冷工质单元2的入口连通。预冷工质可以为液氮。可以理解，预冷工质不限于液氮。多级中间透平预冷单元3为换热器和透平膨胀机的组合。进一步的，多级中间透平预冷单元3为基于克劳德制冷循环或柯林斯制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气体液化系统，其特征在于，包括压缩机组、预冷换热器、多级中间透平预冷单元、第一换热器、末级透平膨胀机、第二换热器、节流阀和低温液体储罐；所述压缩机组的出口和所述预冷换热器的高压侧制冷工质入口连通，所述预冷换热器的高压侧制冷工质出口和所述多级中间透平预冷单元的高压侧制冷工质入口连通，所述多级中间透平预冷单元的高压侧制冷工质出口和所述第一换热器的高压侧制冷工质入口连通，所述第一换热器的高压侧制冷工质出口和所述末级透平膨胀机的入口连通，所述末级透平膨胀机的出口和所述第二换热器的制冷工质入口连通，所述第二换热器的制冷工质出口和所述第一换热器的低压侧制冷工质入口连通，所述第一换热器的低压侧制冷工质出口和所述多级中间透平预冷单元的低压侧制冷工质入口连通，所述多级中间透平预冷单元的低压侧制冷工质出口和所述预冷换热器的低压侧制冷工质入口连通，所述预冷换热器的低压侧制冷工质出口和所述压缩机组的入口连通；所述预冷换热器还包括待液化气体入口和待液化气体出口，所述预冷换热器的待液化气体出口和所述多级中间透平预冷单元的待液化气体入口连通，所述多级中间透平预冷单元的待液化气体出口和所述第一换热器的待液化气体入口连通，所述第一换热器的待液化气体出口和所述节流阀的入口连通，所述节流阀的出口和所述第二换热器的待液化气体入口连通，所述第二换热器的待液化气体出口和所述低温液体储罐连通；所述预冷换热器还包括预冷工质入口和预冷工质出口。...

【技术特征摘要】
1.一种气体液化系统，其特征在于，包括压缩机组、预冷换热器、多级中间透平预冷单元、第一换热器、末级透平膨胀机、第二换热器、节流阀和低温液体储罐；所述压缩机组的出口和所述预冷换热器的高压侧制冷工质入口连通，所述预冷换热器的高压侧制冷工质出口和所述多级中间透平预冷单元的高压侧制冷工质入口连通，所述多级中间透平预冷单元的高压侧制冷工质出口和所述第一换热器的高压侧制冷工质入口连通，所述第一换热器的高压侧制冷工质出口和所述末级透平膨胀机的入口连通，所述末级透平膨胀机的出口和所述第二换热器的制冷工质入口连通，所述第二换热器的制冷工质出口和所述第一换热器的低压侧制冷工质入口连通，所述第一换热器的低压侧制冷工质出口和所述多级中间透平预冷单元的低压侧制冷工质入口连通，所述多级中间透平预冷单元的低压侧制冷工质出口和所述预冷换热器的低压侧制冷工质入口连通，所述预冷换热器的低压侧制冷工质出口和所述压缩机组的入口连通；所述预冷换热器还包括待液化气体入口和待液化气体出口，所述预冷换热器的待液化气体出口和所述多级中间透平预冷单元的待液化气体入口连通，所述多级中间透平预冷单元的待液化气体出口和所述第一换热器的待液化气体入口连通，所述第一换热...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕翠，伍继浩，龚领会，李青，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：新型
国别省市：北京,11