一种氢液化装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及低温制冷技术领域，特别是涉及一种氢液化装置。本实用新型专利技术的氢液化装置是在液氮以下温区采用两个一级透平膨胀机并联的预冷方式，此时两个一级透平膨胀机均从系统的高压膨胀到低压，在不增加系统复杂性的前提下，使得压缩能得到充分利用。而且，第一透平膨胀机和第二透平膨胀机可相互独立调节，使得所述装置在运行期间互相不干扰，减轻了调试的难度，同时更加方便用户使用。采用二次节流的形式，即通过第八调节阀和第十调节阀的设置，充分利用了氢气在高温侧的节流制冷效应，增加了系统的冷量来源，提高了效率。提高了效率。提高了效率。

【技术实现步骤摘要】
一种氢液化装置


[0001]本技术涉及低温制冷
，特别是涉及一种安全度高、能耗低的氢液化装置。

技术介绍

[0002]随着我国碳达峰、碳中和目标的提出，能源安全清洁低碳高效转型将进一步加强。氢能是公认的绿色可再生能源。如何确保能源体系安全平稳转型是我国面临的巨大挑战和艰巨任务。在这种背景下，氢能解决方案的独特优势，使得氢能具有很大的潜力来实现能源系统向清洁、低碳方向转型，对我国提高能源体系安全、实现碳中和具有极高战略价值。液氢的密度(70.85kg/m3)是气态氢气(0.089kg/m3)的近800倍，可大幅度降低储运压力、提高单次运输量、占地规模小等，是氢能的高密度存储方式之一。
[0003]同时，液氢是发展航空航天，氢能源产业的重要战略资源。随着我国航天事业发展，探月探火计划的不断推进，对重载火箭的需求日益增长，作为重载火箭液氢
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液氧发动机最佳能量来源的液氢需求量不断增加。目前，我国液氢仍由国外进口的氢液化器生产，国外始终对氢液化关键技术及设备对我国采取限制和封锁的措施。

技术实现思路

[0004]研究发现，氢液化系统中的制冷部分可以采用不同的工质实现，一种采用氢气作为预冷工质，目前常用在大型氢液化器中；一种以氦气作为预冷工质，常见于现有的小、中型氢液化器中。现有的氦制冷氢液化的方案，安全性及技术成熟度更高，但能耗比较高。
[0005]因此，本技术提出一种新型的氦制冷氢液化装置，所述装置能够有效提高系统效率，降低比功耗，实现方便快捷的控制。所述装置采用两个一级透平膨胀机并联的形式直接膨胀到低压，此过程可以充分利用原料路高压氢气的压力能，降低能耗，还可以开展互相独立调节。所述装置还采用液氮热虹吸式换热器，减小氦气侧与氢气侧的换热温差，实现液氮冷能的充分利用。所述装置还采用末端二次节流的方式，减小节流热效应导致的氢气升温现象，进一步降低能耗。
[0006]本技术目的是通过如下技术方案实现的：
[0007]一种氢液化装置，所述氢液化装置包括氦气系统、氢气系统、液氮系统、液氢存储系统和冷箱系统，所述氦气系统、氢气系统、液氮系统、液氢存储系统分别与冷箱系统相连；
[0008]所述冷箱系统包括第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器、第六换热器、第七换热器、液氮储罐、氦低温吸附器、第一氢气吸附器、第二氢气吸附器、第一透平膨胀机、第二透平膨胀机、第四调节阀、第五调节阀、第六调节阀、第七调节阀、第八调节阀、第九调节阀、第十调节阀、第一气动阀、第二气动阀、第三气动阀、第四气动阀以及连接各组件的管路；
[0009]所述氦气系统的高压出口与第一换热器的高压氦气通道入口相连，所述第一换热器的高压氦气通道出口与第二换热器的氦气通道入口连接，所述第二换热器的氦气通道出
口与氦低温吸附器的入口连接，所述氦低温吸附器的出口与第四换热器的高压氦气通道入口连接，所述第四换热器的高压氦气通道出口一通过第三气动阀与第六换热器的高压氦气通道入口连接，出口二通过第六调节阀、第一透平膨胀机与第五换热器的氦气通道入口连接，所述第六换热器的高压氦气通道出口一通过第四气动阀与第七换热器的氦气通道入口连接，出口二通过第七调节阀、第二透平膨胀机与第七换热器的氦气通道入口连接，所述第七换热器的氦气通道出口与第六换热器的低压氦气通道入口连接，所述第六换热器的低压氦气通道出口与第五换热器的氦气通道入口连接，所述第五换热器的氦气通道出口与第四换热器的低压氦气通道入口连接，所述第四换热器的低压氦气通道出口与第一换热器的低压氦气通道入口连接，所述第一换热器的低压氦气通道出口与氦气系统的低压入口连接；
[0010]所述氢气系统的出口与第一换热器的氢气通道入口相连，所述第一换热器的氢气通道出口与第二换热器的氢气通道入口连接，所述第二换热器的氢气通道出口通过依次连接的第四调节阀、第一氢气吸附器和第一气动阀与第三换热器的氢气通道入口连接或者通过依次连接的第五调节阀、第二氢气吸附器和第二气动阀与第三换热器的氢气通道入口连接；所述第三换热器的氢气通道出口与第四换热器的氢气通道入口连接，所述第四换热器的氢气通道出口与第五换热器的氢气通道入口连接，所述第五换热器的氢气通道出口与第六换热器的氢气通道入口连接，所述第六换热器的氢气通道出口通过第八调节阀与第七换热器的氢气通道入口连接，所述第七换热器的氢气通道出口通过第十调节阀与液氢存储系统连接；
[0011]所述液氮系统通过第九调节阀与液氮储罐的第三入口连接；
[0012]所述液氮储罐的第一出口与第二换热器的液氮通道入口连接，所述第二换热器的液氮通道出口与液氮储罐的第一入口连接；所述液氮储罐的第二出口与第三换热器的液氮通道入口连接，所述第三换热器的液氮通道出口与液氮储罐的第二入口连接；所述液氮储罐的第三出口与第一换热器的液氮通道入口连接，所述第一换热器的氮气通道出口排空。
[0013]根据本技术的实施方式，所述液氮系统与冷箱系统相连，优选地，所述液氮系统通过第九调节阀与液氮储罐的第三入口连接；用于为冷箱系统提供冷源。
[0014]根据本技术的实施方式，所述氦气系统与冷箱系统相连，优选地，所述氦气系统的高压出口与第一换热器的高压氦气通道入口相连，用于为冷箱系统提供高压氦气，高压氦气可以作为制冷工质循环利用，实现氢气的冷却。
[0015]根据本技术的实施方式，所述氢气系统与冷箱系统相连，优选地，所述氢气系统的出口与第一换热器的氢气通道入口相连，用于为冷箱系统提供氢气，经过冷箱系统降温后获得液氢。
[0016]根据本技术的实施方式，所述液氮系统包括外接液氮管网，所述外接液氮管网通过第九调节阀与液氮储罐的第三入口连接。第九调节阀的开度与液氮储罐的液位可以使用PID控制。
[0017]根据本技术的实施方式，所述氢气系统包括外接氢气管网、阀门和流量计；所述外接氢气管网通过阀门和流量计与冷箱系统相连。例如，所述外接氢气管网通过阀门和流量计与第一换热器的氢气通道入口相连。
[0018]根据本技术的实施方式，所述液氢存储系统包括液氢储罐，其与冷箱系统相连。优选地，所述液氢储罐通过第十调节阀与所述第七换热器的氢气通道出口连接。
[0019]根据本技术的实施方式，所述氦气系统包括压缩机单元和氦气纯化单元；所述压缩机单元包括压缩机、油分离器、除尘器、氦气缓冲罐、第一调节阀、第二调节阀和第三调节阀；
[0020]所述压缩机的出口直接连接或者通过油分离器连接过滤除尘器的入口，所述除尘器的出口分别与第一调节阀的入口和第二调节阀的入口连接，所述第二调节阀的出口分别与氦气缓冲罐和第三调节阀的入口连接，所述第三调节阀的出口与第一调节阀的出口分别与压缩机的入口相连；
[0021]所述氦气纯化单元包括低温纯化器和氦气纯度分析仪，所述低温纯化器的入口和氦气纯度分析仪的入口分别与除尘器F1的出口相连，所述低温纯化器的出口和氦气纯度分析仪的出口分别与压缩机的入口连接。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氢液化装置，所述氢液化装置包括氦气系统、氢气系统、液氮系统、液氢存储系统和冷箱系统，所述氦气系统、氢气系统、液氮系统、液氢存储系统分别与冷箱系统相连；所述冷箱系统包括第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器、第六换热器、第七换热器、液氮储罐、氦低温吸附器、第一氢气吸附器、第二氢气吸附器、第一透平膨胀机、第二透平膨胀机、第四调节阀、第五调节阀、第六调节阀、第七调节阀、第八调节阀、第九调节阀、第十调节阀、第一气动阀、第二气动阀、第三气动阀、第四气动阀以及连接各组件的管路；所述氦气系统的高压出口与第一换热器的高压氦气通道入口相连，所述第一换热器的高压氦气通道出口与第二换热器的氦气通道入口连接，所述第二换热器的氦气通道出口与氦低温吸附器的入口连接，所述氦低温吸附器的出口与第四换热器的高压氦气通道入口连接，所述第四换热器的高压氦气通道出口一通过第三气动阀与第六换热器的高压氦气通道入口连接，出口二通过第六调节阀、第一透平膨胀机与第五换热器的氦气通道入口连接，所述第六换热器的高压氦气通道出口一通过第四气动阀与第七换热器的氦气通道入口连接，出口二通过第七调节阀、第二透平膨胀机与第七换热器的氦气通道入口连接，所述第七换热器的氦气通道出口与第六换热器的低压氦气通道入口连接，所述第六换热器的低压氦气通道出口与第五换热器的氦气通道入口连接，所述第五换热器的氦气通道出口与第四换热器的低压氦气通道入口连接，所述第四换热器的低压氦气通道出口与第一换热器的低压氦气通道入口连接，所述第一换热器的低压氦气通道出口与氦气系统的低压入口连接；所述氢气系统的出口与第一换热器的氢气通道入口相连，所述第一换热器的氢气通道出口与第二换热器的氢气通道入口连接，所述第二换热器的氢气通道出口通过依次连接的第四调节阀、第一氢气吸附器和第一气动阀与第三换热器的氢气通道入口连接或者通过依次连接的第五调节阀、第二氢气吸附器和第二气动阀与第三换热器的氢气通道入口连接；所述第三换热器的氢气通道出口与第四换热器的氢气通道入口连接，所述第四换热器的氢气通道出口与第五换热器的氢气通道入口连接，所述第五换热器的氢气通道出口与第六换热器的氢气通道入口连接，所述第六换热器的氢气通道出口通过第八调节阀与第七换热器的氢气通道入口连接，所述第七换热器的氢气通道出口通过第十调节阀与液氢存储系统连接；所述液氮系统通过第九调节阀与液氮储罐的第三入口连接；所述液氮储罐的第一出口与第二换热器的液氮通...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕翠，周刚，刘立强，伍继浩，龚领会，
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：