CN114034158B - 一种氢气液化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及氢气液化技术领域，具体涉及一种氢气液化装置，包括：气体管理模块及与气体管理模块连接的制冷模块，气体管理模块用于调控气体管理模块向制冷模块输出的气压；制冷模块包括第一级换热器、第二级换热器、液氮正仲氢转化换热器、第一正仲氢转化器、第二正仲氢转化器；第一正仲氢转化器设置在第二级换热器内，第二正仲氢转化器设置在液氮正仲氢转化换热器内。本发明将第一正仲氢转化器放置在第二级换热器中，第二正仲氢转化器放置在液氮正仲氢转化换热器中。当液氮级第一正仲氢转化器或第二正仲氢转化器发生故障时，无需割开氮气液分离器，节省了维修时间，降低了维修成本。

Description

一种氢气液化装置
技术领域
本发明涉及氢气液化技术领域，具体而言，涉及一种氢气液化装置。
背景技术
随着工业的发展和人们生活水平的提高，对能源的需求与日俱增。由于煤炭、石油等化石能源储量有限，且会污染环境，需要开发高效、洁净的二次能源，需要寻找可再生的绿色能源。氢是自然界存在最普遍的元素，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。氢能可以同时满足资源、环境和可持续发展的要求，这些独特的优势使其在能源和化工领域具有广泛应用。
氢能在世界范围内备受关注，成为近几年科研热点领域。根据国际氢能委员会发布的《氢能源未来发展趋势调研报告》，预计到2050年，氢能源的需求将是目前的10倍。
氢能利用需要解决制取、储运和应用等一系列问题，氢能的储运是氢能应用的关键。氢的原料气经过压缩之后，降温到-250℃以下使之变为液氢。常压下液氢的密度为气态氢的845倍，液氢的质量密度和体积密度较高。液氢以其体积能量密度高的优点，在远距离运输、储存等方面具有巨大的优势和经济性，在氢能利用中发挥重要的作用。因此氢气液化成为了氢气应用的重要选项。
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，但是转化速率较慢。氢的正仲转化是一放热反应，在液氢储存过程中，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％。
现有氢液化装置存在以下缺陷：
1.液氮温度级正仲氢转化器安装于液氮罐内，且浸泡于液氮内。此种设计，当液氮温度级正仲氢转化器发生故障需要维修时，因为液氮温度级正仲氢转化器安装于液氮罐内，必须将液氮罐割开，耗时较长，严重影响氢液化器正常运行。
2.高压排放气体和中低压排放气体同时排放入同一条氢气排放管道，有串气的危险，给氢液化器造成安全隐患。
3.氢液化器流程中，液氮预冷是一种常用的预冷方式，现有技术难以充分利用液氮的显热和潜热。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种氢气液化装置，将第一正仲氢转化器和第二正仲氢转化器放置在换热器中，当第一正仲氢转化器或第二正仲氢转化器发生故障时方便维修，节省了维修时间，降低了维修成本。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供的一种氢气液化装置，包括：气体管理模块及与气体管理模块连接的制冷模块，气体管理模块用于调控气体管理模块向制冷模块输出的气压；
制冷模块包括第一级换热器、第二级换热器、液氮正仲氢转化换热器、第一正仲氢转化器、第二正仲氢转化器，气体管理模块与第一级换热器连接，第一级换热器、第二级换热器及液氮正仲氢转化换热器的输出端依次连接；
第一正仲氢转化器设置在第二级换热器内，第二正仲氢转化器设置在液氮正仲氢转化换热器内；第一正仲氢转化器的一端与第一级换热器连接、另一端与第二正仲氢转化器连接。
进一步地，制冷模块还包括第一低温吸附器、第二低温吸附器；第一低温吸附器和第二低温吸附器并联，且其中并联的一端与第一正仲氢转化器连接、另一端与第二正仲氢转化器连接。
进一步地，装置还包括第三低温吸附器，第三低温吸附器的一端与第二级换热器连接、另一端与第三级换热器的输入端连接。
进一步地，制冷模块还包括用于进行冷却的第一冷却单元、第二冷却单元、第三冷却单元及液氢储罐；第一冷却单元的一端分别与第一级换热器、第二级换热器及液氮正仲氢转化换热器连接，另一端与第二冷却单元连接；第二冷却单元与第三冷却单元连接，第三冷却单元与液氢储罐连接。
进一步地，第一冷却单元包括第三级换热器、第四级换热器及第三正仲氢转化器；第二冷却单元包括第五级换热器、第六级换热器及第四正仲氢转化器；第三冷却单元包括第七级换热器及第五正仲氢转化器；
第二级换热器及液氮正仲氢转化换热器均与第三级换热器的输入端连接；第三级换热器、第四级换热器、第五级换热器、第六级换热器及第七级换热器的输出端依次相连接；第一级换热器、第三级换热器、第四级换热器、第五级换热器、第六级换热器及第七级换热器的第一回流端依次相连接，并形成第一回流线；第七级换热器的输出端及回流端对应与液氢储罐的入口端及回流端连接；
第三正仲氢转化器的一端与第四级换热器的输出端一侧连接，另一端与第四级换热器另一侧的输入端连接；第四正仲氢转化器的一端与第六级换热器的输出端一侧连接，另一端与第六级换热器另一侧的输入端连接；第三正仲氢转化器和第四正仲氢转化器通过第五级换热器连接；第五正仲氢转化器的一端与第七级换热器的输出端连接，另一端连接于第七级换热器和液氢储罐入口端的互联端；第四正仲氢转化器和第五正仲氢转化器通过第七级换热器连接。
进一步地，第一冷却单元还包括第一氢气透平膨胀机组，第二冷却单元还包括第二氢气透平膨胀机组；
第一级换热器、第三级换热器、第四级换热器、第五级换热器及第六级换热器的第二回流端形成第二回流线；
第一氢气透平膨胀机组的一端连接于第三级换热器输出端和第四级换热器的输入端的互联端，另一端与第五级换热器连接、且连接于第四级换热器和第五级换热器之间的第二回流线；第二氢气透平膨胀机组的一端与第五级换热器的输出端连接，另一端与第六级换热器的第二回流端连接。
进一步地，装置还包括用于预冷第一级换热器、第二级换热器及液氮正仲氢转化换热器的液氮预冷模块；液氮预冷模块包括液氮入口管线、液氮入口管线调节阀、氮气液分离器、第一液氮管路、第二液氮管路、氮气液分离器出口管路、气氮排气管路、第一气氮回气管路、第二气氮回气管路以及蝶阀；氮气液分离器里面的液面高度要求高于第二级换热器顶部和液氮正仲氢转化换热器顶部；
氮气液分离器的下部、第二液氮管路、第二级换热器、第一气氮回气管路及氮气液分离器的上部依次连接，形成回路；
氮气液分离器的下部、第一液氮管路、液氮正仲氢转化换热器、第二气氮回气管路及氮气液分离器的上部依次连接，形成回路；
氮气液分离器的上部通过氮气液分离器出口管路与第一级换热器连接，第一级换热器与气氮排气管路连接，蝶阀安装在所述气氮排气管路上；氮气液分离器与液氮入口管线连接。
进一步地，装置还包括中压氢气排放管道及高压氢气排放管道；中压氢气排放管道通过安全阀泄放管路与第一级换热器的第一回流端连接；高压氢气排放管道通过管路与第一级换热器的输入端连接，高压氢气排放管道通过管路与第一氢气透平膨胀机组连接、并连接于第四级换热器及第五级换热器之间的第二回流线。
进一步地，气体管理模块包括中压氢气压缩机组及高压氢气压缩机组，中压氢气压缩机组及高压氢气压缩机组串联；中压氢气压缩机组远离与高压氢气压缩机组的一端与第一级换热器的第一回流端连接，高压氢气压缩机组远离中压氢气压缩机组的一端与第一级换热器的输入端连接；气体管理模块调控中压氢气压缩机组及高压氢气压缩机组的进出口压力。
进一步地，气体管理模块还包括氢气缓冲罐、加载阀、卸载阀、低压旁通阀及中压旁通阀；加载阀和卸载阀串联，加载阀远离卸载阀的一端连接于第一回流线，卸载阀远离加载阀的一端连接于第一级换热器输入端；
低压旁通阀的两端与第一级换热器的输入端和第一回流端连接；中压旁通阀与高压氢气压缩机组并联，中压旁通阀的两端与第一级换热器的输入端和第二回流端连接。
本发明的氢气液化装置中，包括：气体管理模块及与气体管理模块连接的制冷模块，气体管理模块用于调控气体管理模块向制冷模块输出的气压；制冷模块包括第一级换热器、第二级换热器、液氮正仲氢转化换热器、第一正仲氢转化器、第二正仲氢转化器，气体管理模块与第一级换热器连接，第一级换热器、第二级换热器及液氮正仲氢转化换热器的输出端依次连接；第一正仲氢转化器设置在第二级换热器内，第二正仲氢转化器设置在液氮正仲氢转化换热器内；第一正仲氢转化器的一端与第一级换热器连接、另一端与第二正仲氢转化器连接。本发明将液氮温度级第一正仲氢转化器和第二正仲氢转化器都放置在换热器中，第一正仲氢转化器放置在第一级换热器中，第二正仲氢转化器放置在液氮正仲氢转化换热器中；当液氮级第一正仲氢转化器或第二正仲氢转化器发生故障时，无需割开氮气液分离器，节省了维修时间，降低了维修成本。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明氢气液化装置的结构原理图。
其中附图标记为：
GH2 Buffer-氢气缓冲罐、C1-中压氢气压缩机组、C2-高压氢气压缩机组、CV1-液氮入口管线调节阀、CV2-卸载阀、CV3-加载阀、CV4-低压旁通阀、CV5-中压旁通阀、CV7-节流阀、CV8-节流阀、CV9-回气阀、CV10-旁通阀、HV500-蝶阀；
1-液氮入口管线、2-第一液氮管路、3-第二液氮管路、4-第一气氮回气管路、5-第二气氮回气管路、6-氮气液分离器出口管路、7-气氮排气管路、8-中压氢气回气管路、9-高压路安全阀排放管路、10-透平膨胀机路安全阀排放管路、11-压缩机低压吸气端安全阀排放管路、100-中压氢气排放管道、200-高压氢气排放管道、300-第一回流线、400-第二回流线、D3100-氮气液分离器；
HEX1-第一级换热器、HEX2-第二级换热器、HEX3-第三级换热器、HEX4-第四级换热器、HEX5-第五级换热器、HEX6-第六级换热器、HEX7-第七级换热器、HEX-OP-液氮正仲氢转化换热器、OP1-第一正仲氢转化器、OP2-第二正仲氢转化器、OP3-第三正仲氢转化器、OP4-第四正仲氢转化器、OP5-第五正仲氢转化器、A1-第一低温吸附器、A2-第二低温吸附器、A3-第三低温吸附器、E11-氢气透平、E12-氢气透平、E21-氢气透平、E22-氢气透平、Cold Box-冷箱、D4100-液氢储罐。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例的一种氢气液化装置，包括：气体管理模块及与气体管理模块连接的制冷模块，气体管理模块用于调控气体管理模块向制冷模块输出的气压；
制冷模块包括第一级换热器HEX1、第二级换热器HEX2、液氮正仲氢转化换热器HEX-OP、第一正仲氢转化器OP1、第二正仲氢转化器OP2，气体管理模块与第一级换热器HEX1连接，第一级换热器HEX1、第二级换热器HEX2及液氮正仲氢转化换热器HEX-OP的输出端依次连接；
第一正仲氢转化器OP1设置在第二级换热器HEX2内，第二正仲氢转化器OP2设置在液氮正仲氢转化换热器HEX-OP内；第一正仲氢转化器OP1的一端与第一级换热器HEX1连接、另一端与第二正仲氢转化器OP2连接。
本发明的氢气液化装置中，包括：气体管理模块及与气体管理模块连接的制冷模块，气体管理模块用于调控气体管理模块向制冷模块输出的气压；制冷模块包括第一级换热器HEX1、第二级换热器HEX2、液氮正仲氢转化换热器HEX-OP、第一正仲氢转化器OP1、第二正仲氢转化器OP2，气体管理模块与第一级换热器HEX1连接，第一级换热器HEX1、第二级换热器HEX2及液氮正仲氢转化换热器HEX-OP的输出端依次连接；第一正仲氢转化器OP1设置在第二级换热器HEX2内，第二正仲氢转化器OP2设置在液氮正仲氢转化换热器HEX-OP内；第一正仲氢转化器OP1的一端与第一级换热器HEX1连接、另一端与第二正仲氢转化器OP2连接。本发明将液氮温度级第一正仲氢转化器OP1和第二正仲氢转化器OP2都放置在换热器中，第一正仲氢转化器OP1放置在第一级换热器HEX1中，第二正仲氢转化器OP2放置在液氮正仲氢转化换热器HEX-OP中；当液氮级第一正仲氢转化器OP1或第二正仲氢转化器OP2发生故障时，无需割开氮气液分离器D3100，节省了维修时间，降低了维修成本。
实施例中，制冷模块还包括第一低温吸附器A1、第二低温吸附器A2；第一低温吸附器A1和第二低温吸附器A2并联，且其中并联的一端与第一正仲氢转化器OP1连接、另一端与第二正仲氢转化器OP2连接。设置吸附器用于对氢气净化去除杂质，去除杂质后的氢气再进入换热器；吸附器包括第一低温吸附器A1、第二低温吸附器A2及第三低温吸附器A3。
进一步地，原料气路第一低温吸附器A1和第二低温吸附器A2并联；切换使用，一个再生时，另一个可以正常工作。换热器组包括第一级换热器HEX1、第二级换热器HEX2、液氮正仲氢转化换热器HEX-OP，第三级换热器HEX3，第四级换热器HEX4，第五级换热器HEX5，第六级换热器HEX6及第七级换热器HEX7。
实施例中，装置还包括第三低温吸附器A3，第三低温吸附器A3的一端与第二级换热器HEX2连接、另一端与第三级换热器HEX3的输入端连接。设置第三低温吸附器A3用于对第二级换热器HEX2输出的氢气进行净化去除杂质。
实施例中，制冷模块还包括用于进行冷却的第一冷却单元、第二冷却单元、第三冷却单元及液氢储罐D4100；第一冷却单元的一端分别与第一级换热器HEX1、第二级换热器HEX2及液氮正仲氢转化换热器HEX-OP连接，另一端与第二冷却单元连接；第二冷却单元与第三冷却单元连接，第三冷却单元与液氢储罐D4100连接。通过设置第一冷却单元、第二冷却单元及第三冷却单元来对各冷却单元输出的氢气进行冷却，使得冷却效果更好。
实施例中，第一冷却单元包括第三级换热器HEX3、第四级换热器HEX4及第三正仲氢转化器OP3；第二冷却单元包括第五级换热器HEX5、第六级换热器HEX6及第四正仲氢转化器OP4；第三冷却单元包括第七级换热器HEX7及第五正仲氢转化器OP5；
第二级换热器HEX2及液氮正仲氢转化换热器HEX-OP均与第三级换热器HEX3的输入端连接；第三级换热器HEX3、第四级换热器HEX4、第五级换热器HEX5、第六级换热器HEX6及第七级换热器HEX7的输出端依次相连接；第一级换热器HEX1、第三级换热器HEX3、第四级换热器HEX4、第五级换热器HEX5、第六级换热器HEX6及第七级换热器HEX7的第一回流端依次相连接，并形成第一回流线300；第七级换热器HEX7的输出端及回流端对应与液氢储罐D4100的入口端及回流端连接；
第三正仲氢转化器OP3的一端与第四级换热器HEX4的输出端一侧连接，另一端与第四级换热器HEX4另一侧的输入端连接；第四正仲氢转化器OP4的一端与第六级换热器HEX6的输出端一侧连接，另一端与第六级换热器HEX6另一侧的输入端连接；第三正仲氢转化器OP3和第四正仲氢转化器OP4通过第五级换热器HEX5连接；第五正仲氢转化器OP5的一端与第七级换热器HEX7的输出端连接，另一端连接于第七级换热器HEX7和液氢储罐D4100入口端的互联端；第四正仲氢转化器OP4和第五正仲氢转化器OP5通过第七级换热器HEX7连接。
第三级换热器HEX3、第四级换热器HEX4、第五级换热器HEX5、第六级换热器HEX6及第七级换热器HEX7的输出端依次相连接，并且相连接的线路为氢气输出线路，第七级换热器HEX7的输出端与液氢储罐D4100的入口端连接，氢气经过逐级冷却，经过节流阀CV7和CV8节流后形成气液混合物进入液氢储罐D4100。第一级换热器HEX1、第三级换热器HEX3、第四级换热器HEX4、第五级换热器HEX5、第六级换热器HEX6及第七级换热器HEX7的第一回流端依次相连接形成第一回流线300，返流氢气自液氢储罐D4100经过该第一回流线300返回至气体管理模块。
实施例中，第一冷却单元还包括第一氢气透平膨胀机组，第二冷却单元还包括第二氢气透平膨胀机组；
第一级换热器HEX1、第三级换热器HEX3、第四级换热器HEX4、第五级换热器HEX5及第六级换热器HEX6的第二回流端形成第二回流线400；
第一氢气透平膨胀机组的一端连接于第三级换热器HEX3的输出端和第四级换热器HEX4的输入端的互联端，另一端与第五级换热器HEX5连接、且连接于第四级换热器HEX4和第五级换热器HEX5之间的第二回流线400；第二氢气透平膨胀机组的一端与第五级换热器HEX5的输出端连接，另一端与第六级换热器HEX6的第二回流端连接。
第一氢气透平膨胀机组包括氢气透平E11及氢气透平E12，两个透平串联，第二氢气透平膨胀机组包括氢气透平E21及氢气透平E22，两个透平串联；第一级换热器HEX1、第三级换热器HEX3、第四级换热器HEX4、第五级换热器HEX5及第六级换热器HEX6的第二回流端形成第二回流线400；高压氢气排放管道200连接在第二回流线400上。第一氢气透平膨胀机组连接于第二回流线400和高压氢气排放管道200连接互联端。
第一氢气透平膨胀机组由两个氢气透平E11和E12串联组成；第二氢气透平膨胀机组由两个氢气透平E21和E22串联组成；在第一氢气透平膨胀机组出口有旁通阀CV10连接到中压氢气回气管路8。旁通阀CV10用于在氢液化器降温时调节第二氢气透平膨胀机组流量，使得第二氢气透平膨胀机组的透平E21和E22的转速与第一氢气透平膨胀机组的透平E11和E12的转速相匹配。
进一步地，装置还包括节流阀CV7及节流阀CV8；节流阀CV7的一端与第七级换热器HEX7的输出端连接，另一端与液氢储罐D4100的入口端连接；节流阀CV8的一端与第七级换热器HEX7连接，另一端与第五正仲氢转化器OP5连接。
实施例中，装置还包括用于预冷第一级换热器HEX1、第二级换热器HEX2及液氮正仲氢转化换热器HEX-OP的液氮预冷模块；液氮预冷模块包括液氮入口管线1、液氮入口管线1调节阀CV1、氮气液分离器D3100、第一液氮管路2、第二液氮管路3、氮气液分离器D3100出口管路6、气氮排气管路7、第一气氮回气管路4、第二气氮回气管路5以及蝶阀HV500；要求氮气液分离器D3100的液面高度高于第二级换热器HEX2顶部和液氮正仲氢转化换热器HEX-OP顶部；
氮气液分离器D3100的下部、第二液氮管路3、第二级换热器HEX2、第一气氮回气管路4及氮气液分离器D3100的上部依次连接，形成回路；
氮气液分离器D3100的下部、第一液氮管路2、液氮正仲氢转化换热器HEX-OP、第二气氮回气管路5及氮气液分离器D3100的上部依次连接，形成回路；
氮气液分离器D3100的上部通过氮气液分离器出口管路6与第一级换热器HEX1连接，第一级换热器HEX1与气氮排气管路7连接，蝶阀HV500安装在气氮排气管路7上；氮气液分离器D3100与液氮入口管线1连接。
液氮预冷模块包括液氮入口管线1、液氮入口管线调节阀CV1、氮气液分离器D3100、第一液氮管路2、第二液氮管路3、氮气液分离器出口管路6、气氮排气管路7、第一气氮回气管路4、第二气氮回气管路5以及蝶阀HV500等。液氮预冷模块用来预冷第一级换热器HEX1、第二级换热器HEX2以及液氮正仲氢转化换热器HEX-OP。
氮气液分离器D3100、第一液氮管路2、第二液氮管路3、第一气氮回气管路4及第二气氮回气管路5，利用了液氮与气氮的密度差，与第二级换热器HEX2和液氮正仲氢转化换热器HEX-OP构成了两个热虹吸式回路。第一液氮管路2中的液氮冷却正仲氢转化换热器HEX-OP后变成干度为1的饱和氮蒸汽，经第二气氮回气管路5回到氮气液分离器D3100中；第二液氮管路3中的液氮冷却第二级换热器HEX2后变成干度为1的饱和氮蒸汽，经第一气氮回气管路4回到氮气液分离器D3100中；氮气液分离器D3100出口管路6中干度为1的饱和氮蒸汽去冷却第一级换热器HEX1后排往大气。这种设计采用了热虹吸式液氮热交换器，充分利用了液氮的潜热和显热，预冷效率高。
实施例中，氢液化装置还包括中压氢气排放管道100及高压氢气排放管道200；中压氢气排放管道100通过安全阀泄放管路与第一级换热器HEX1的第一回流端连接；高压氢气排放管道通过管路9与第一级换热器HEX1的输入端连接，高压氢气排放管道通过管路10与第一氢气透平膨胀机组连接、并连接于第四级换热器HEX4及第五级换热器HEX5之间的第二回流线400。
高压排放氢气和中低压排放氢气分别排放入相应的高压氢气排放管道200和中压氢气排放管道100。管路9是压缩机高压路的安全阀泄放管道，排放入高压氢气排放管道200中。管路10是第一级氢气透平膨胀机组的安全阀泄放管道，排放入高压氢气排放管道200中。管路11是压缩机低压吸气端的安全阀泄放管路，排放入中压氢气排放管道100中。这种设置避免了高压排放气体和中低压排放气体同时排放入相同排放管道中引起串气，提高了氢液化器的安全性。本示例并没有全部列出氢液化装置中所有的排放管路，仅仅举例说明。并不代表氢液化装置中仅有这几条排放管路。实际上，实际氢液化装置中涉及多条高中低压排放管道。
实施例中，装置还包括中压氢气压缩机组C1及高压氢气压缩机组C2，中压氢气压缩机组C1及高压氢气压缩机组C2串联；中压氢气压缩机组C1远离与高压氢气压缩机组C2的一端与第一级换热器HEX1的第一回流端连接，高压氢气压缩机组C2远离中压氢气压缩机组C1的一端与第一级换热器HEX1的输入端连接；气体管理模块调控中压氢气压缩机组C1及高压氢气压缩机组C2的进出口压力。
中压氢气压缩机组C1，高压氢气压缩机组C2都是无油活塞压缩机，组成氢气压缩机站。氢气缓冲罐GH2 Buffer和加载阀CV3，卸载阀CV2，低压旁通阀CV4，中压旁通阀CV5组成氢液化器的气体管理面板。气体管理面板用来调节控制中压氢气压缩机组C1和高压氢气压缩机组C2进出口压力。
实施例中，气体管理模块包括氢气缓冲罐GH2 Buffer、加载阀CV3、卸载阀CV2、低压旁通阀CV4及中压旁通阀CV5；加载阀CV3和卸载阀CV2串联，加载阀CV3远离卸载阀CV2的一端连接于第一回流线300，卸载阀CV2远离加载阀CV3的一端连接于第一级换热器HEX1输入端；
低压旁通阀CV4的两端对应与第一级换热器HEX1的输入端和第一回流端连接；中压旁通阀CV5与高压氢气压缩机组C2并联，中压旁通阀CV5的两端对应于第一级换热器HEX1的输入端和第二回流端连接。
本发明的整体工作原理或工作过程如下：
氢气液化装置包括中压氢气压缩机组C1、高压氢气压缩机组C2、氢气缓冲罐GH2Buffer、冷箱Cold Box、液氮预冷模块、第一氢气透平膨胀机组、第二氢气透平膨胀机组、第一低温吸附器A1、第二低温吸附器A2、换热器组、正仲氢转化器组、常温调节阀、低温调节阀、节流阀、安全阀、中压氢气排放管道100及高压氢气排放管道200。液氢储罐D4100在图中仅做示意图，因为液氢储罐D4100涉及到的安全阀门，安全管路和喷淋***比较复杂，因此本发明不包括液氢储罐D4100部分。
液氮预冷模块，第一氢气透平膨胀机组，第二氢气透平膨胀机组，第一低温吸附器A1，第二低温吸附器A2，换热器组，正仲氢转化器组，低温调节阀，节流阀均安装于冷箱ColdBox内。
中压氢气压缩机组C1，高压氢气压缩机组C2都是无油活塞压缩机，组成氢气压缩机站。氢气缓冲罐GH2 Buffer、加载阀CV3、卸载阀CV2、低压旁通阀CV4、中压旁通阀CV5组成氢液化装置的气体管理模块。气体管理模块用来调节控制中压氢气压缩机组C1和高压氢气压缩机组C2进出口压力。
液氮预冷模块包括液氮入口管线1、液氮入口管线调节阀CV1、氮气液分离器D3100、第一液氮管路2、第二液氮管路3、氮气液分离器出口管路6、气氮排气管路7、第一气氮回气管路4、第二气氮回气管路5以及蝶阀HV500等。液氮预冷模块用来预冷第一级换热器HEX1、第二级换热器HEX2以及液氮正仲氢转化换热器HEX-OP。
本发明将液氮温度级的第一正仲氢转化器OP1和第二正仲氢转化器OP2都放置在换热器中，第一正仲氢转化器OP1放置在第二级换热器HEX2中，第二正仲氢转化器OP2放置在液氮正仲氢转化换热器HEX-OP中。氮气液分离器D3100液面高度要求高于第二级换热器HEX2和液氮正仲氢转化换热器HEX-OP顶部，这样确保第二级换热器HEX2中的第一正仲氢转化器OP1和液氮正仲氢转化换热器HEX-OP中的第二正仲氢转化器OP2完全浸泡在液氮中，使得氢气在第一正仲氢转化器OP1和第二正仲氢转化器OP2中实现等温转化。
氮气液分离器D3100、第一液氮管路2、第二液氮管路3、第一气氮回气管路4及第二气氮回气管路5利用了液氮与气氮的密度差，与第二级换热器HEX2和液氮正仲氢转化换热器HEX-OP构成了两个热虹吸式回路。液氮管路2中的液氮冷却正仲氢转化换热器HEX-OP后变成干度为1的饱和氮蒸汽，经第二气氮回气管路5回到氮气液分离器D3100中；液氮管路3中的液氮冷却第二级换热器HEX2后变成干度为1的饱和氮蒸汽，经第一气氮回气管路4回到氮气液分离器D3100中；氮气液分离器出口管路6中干度为1的饱和氮蒸汽去冷却第一级换热器HEX1后排往大气。这种设计采用了热虹吸式液氮热交换器，充分利用了液氮的潜热和显热，预冷效率高。
本发明将第一正仲氢转化器OP1放置在第二级换热器HEX2中，第二正仲氢转化器OP2放置在液氮正仲氢转化换热器HEX-OP中。当液氮级第一正仲氢转化器OP1或第二正仲氢转化器OP2发生故障时，无需割开氮气液分离器D3100，节省了维修时间，降低了维修成本。
第一氢气透平膨胀机组由氢气透平E11和氢气透平E12串联组成；第二氢气透平膨胀机组由氢气透平E21和氢气透平E22串联组成；在第一氢气透平膨胀机组出口有旁通阀CV10连接到中压氢气回气管路8。旁通阀CV10用于在氢液化装置降温时调节第二氢气透平膨胀机组流量，使得第二氢气透平膨胀机组的氢气透平E21和氢气透平E22的转速与第一氢气透平膨胀机组的氢气透平E11和氢气透平E12的转速相匹配。
原料气路第一低温吸附器A1和第二低温吸附器A2并联，切换使用；一个再生时，另一个可以正常工作。换热器组包括第一级换热器HEX1、第二级换热器HEX2、液氮正仲氢转化换热器HEX-OP、第三级换热器HEX3、第四级换热器HEX4、第五级换热器HEX5、第六级换热器HEX6和第七级换热器HEX7。
CV7和CV8是节流阀，CV9是回气阀。
第一正仲氢转化器OP1是内嵌在第二级换热器HEX2中的液氮温度级正仲氢转化器，等温转化。第二正仲氢转化器OP2是内嵌在液氮正仲氢转化换热器HEX-OP中的液氮温度级正仲氢转化器，等温转化。第三正仲氢转化器OP3和第四正仲氢转化器OP4是绝热转化，第五正仲氢转化器OP5是等温转化。
高压排放氢气和中低压排放氢气分别排放入相应的高压氢气排放管道200和中压氢气排放管道100。管路9是压缩机高压路的安全阀泄放管道，排放入高压氢气排放管道200中。管路10是第一级氢气透平膨胀机组的安全阀泄放管道，排放入高压氢气排放管道200中。管路11是压缩机低压吸气端的安全阀泄放管路，排放入中压氢气排放管道100中。这种设置避免了高压排放气体和中低压排放气体同时排放入相同排放管道中引起串气，提高了氢液化器的安全性。
本发明的氢气液化装置氢气液化能力大于等于5吨/天，氢制冷循环采用带有液氮预冷、两级透平膨胀机组(每级包括两个透平)的克劳德(Claude)制冷循环，为了防止正仲氢转化所造成的生成热蒸发液氢储罐D4100中的液氢，需要在制冷机不同温度区域增加正仲氢催化转化过程。本流程大致可分为液氮预冷、正仲氢催化转化、气体膨胀制冷和节流制冷三个阶段。
如图1所示，本发明氢气液化装置还设置有包括：阀HV1、HV2、HV3、HV4、HV5、HV6、HV100、HV200、HV300、HV400、CV11，及安全阀SV1、SV2、SV3。
本氢气液化装置的工作过程如下：
1.高压氢气压缩机组C2排出的高压氢气进入冷箱Cold Box；
2.进入冷箱Cold Box的高压氢气经过第一级换热器HEX1和第二级换热器HEX2被返流冷氢气及预冷用的液氮冷却到一定温度后进入第三级换热器HEX3降至更低温度，之后分成两股流，其中大部分先后进入第一氢气透平膨胀机组(两个透平串联)和第二氢气透平膨胀机组(两个透平串联)的膨胀回路进行绝热膨胀制冷，变成低温中压的氢气回到第六级换热器HEX6中压侧入口，并依次逆流通过第五级换热器HEX5、第四级换热器HEX4、第三级换热器HEX3和第一级换热器HEX1回收冷量后出冷箱，再回到高压氢气压缩机组C2吸气端进行再次循环；
3.分流的另一部分高压氢气继续通过第四级换热器HEX4至第七级换热器HEX7被回流的低温低压氢气冷却，然后经节流阀CV7节流得到含液氢的两相氢，并与原料气路节流得到的两相氢混合后进入液氢储罐D4100；
4.液氢储罐D4100内的低温低压气氢返流经过第七级换热器HEX7对节流前的高压氢气进行冷却，并依次逆流通过第六级换热器HEX6、第五级换热器HEX5、第四级换热器HEX4、第三级换热器HEX3和第一级换热器HEX1，回收冷量后出冷箱Cold Box，再回到中压氢气压缩机组C1吸气端，通过中压氢气压缩机组C1压缩到中压压力，并与透平路回气的中压氢气进行混合。
氢气原料气的冷却及液化过程如下：
1.原料氢气(正常氢)经过第一级换热器HEX1和第二级换热器HEX2被返流冷氢气及预冷用的液氮冷却到一定温度后，进入液氮浸泡的第一正仲氢转化器OP1进行等温正仲氢转化，同时将反应热通过液氮排出；
2.被液氮冷却后的氢气仲氢比例有所上升，经过第一低温吸附器A1或第二低温吸附器A2净化去除杂质后进入液氮正仲氢转化换热器HEX-OP，进入液氮浸泡的第二正仲氢转化器OP2进行等温正仲氢转化，同时将反应热通过液氮排出；
3.被液氮冷却后的氢气仲氢比例有所上升，随后进入第三级换热器HEX3和第四级换热器HEX4被返流冷氢气进一步冷却，并进入第三正仲氢转化器OP3，由于没有相应的低温液体进行等温放热，此时的正仲氢转化是绝热转化，在仲氢比例升高的同时，低温液体的温度也会提高，因此将第三正仲氢转化器OP3出口处的氢气重新引入第四级换热器HEX4热端入口，并在第四级换热器HEX4内通过回流气体将反应热带走；
4.从第四级换热器HEX4中出来的低温氢气进入第五级换热器HEX5和第六级换热器HEX6，同时被返流冷氢气进一步冷却，进入第四正仲氢转化器OP4，氢气在第四正仲氢转化器OP4中发生正仲氢绝热转化，将第四正仲氢转化器OP4出口处的氢气重新引入第六级换热器HEX6热端入口，并在第六级换热器HEX6内通过回流气体将反应热带走；
5.从第六级换热器HEX6出来的低温氢气进入第七级换热器HEX7进一步被回流气体冷却，此时温度已经达到节流前的最佳温度。由于节流后的两相氢的仲氢浓度达不到95％，此时需要在节流阀CV8后增加一个第五正仲氢转化器OP5，此时的两相氢温度稳定在饱和温度，因此第五正仲氢转化器OP5是一个等温型的正仲氢转化器，反应热将造成液氢有一定量的蒸发；
6.经过第五正仲氢转化器OP5后，仲氢的浓度超过了95％，将两相氢与制冷路的两相氢混合，得到的液氢流量即为原料气流量，并引入液氢储罐D4100。
图1中举例说明了高压排放氢气和中低压排放氢气分别排放入相应的高压氢气排放管道200和中压氢气排放管道100。管路9是压缩机高压路的安全阀泄放管道，排放入高压氢气排放管道200中。管路10是第一氢气透平膨胀机组的安全阀泄放管道，排放入高压氢气排放管道200中。管路11是压缩机低压吸气端的安全阀泄放管路，排放入中压氢气排放管道100中。这种设置避免了高压排放气体和中低压排放气体同时排放入相同排放管道中引起串气，提高了氢液化器的安全性。本示例并没有全部列出氢液化器中所有的排放管路，仅仅举例说明。并不代表氢液化装置中仅有这几条排放管路。实际上，实际氢液化装置中涉及多条排放管道，根据排放气或泄放气的压力分别排放到相应的排放管道中，避免了高压排放气体和中低压排放气体串气给氢液化装置造成的安全隐患。
现有技术的缺陷包括以下：
1.液氮温度级正仲氢转化器安装于液氮罐内，且浸泡于液氮内；此种设计，当液氮温度级正仲氢转化器发生故障需要维修时，因为液氮温度级正仲氢转化器安装于液氮罐内，必须将液氮罐割开，耗时较长，严重影响氢液化器正常运行。
2.氢气的排放必须通过专门的排放管道排放至氢液化器的火炬管网***；现有的氢液化器流程中仅设置一条氢气排放管道，排放管道里通微正压的热氮气。高压排放气体和中低压排放气体同时排放入同一条氢气排放管道，有串气的危险，给氢液化器造成安全隐患。
3.氢液化器流程中，液氮预冷是一种常用的预冷方式，现有技术难以充分利用液氮的显热和潜热。
本发明的有益效果在于：
1.本发明将液氮温度级第一正仲氢转化器OP1和第二正仲氢转化器OP2都放置在换热器中，第一正仲氢转化器OP1放置在第二级换热器HEX2中，第二正仲氢转化器OP2放置在液氮正仲氢转化换热器HEX-OP中。当液氮级第一正仲氢转化器OP1或第二正仲氢转化器OP2发生故障时，无需割开氮气液分离器D3100，节省了维修时间，降低了维修成本。
2.氮气液分离器D3100，第一液氮管路2，第二液氮管路3，第一气氮回气管路4，第二气氮回气管路5，利用了液氮与气氮的密度差，与第二级换热器HEX2和液氮正仲氢转化换热器HEX-OP构成了两个热虹吸式回路。氮气液分离器D3100液面高度要求高于第二级换热器HEX2和液氮正仲氢转化换热器HEX-OP顶部，这样确保第二级换热器HEX2中的第一正仲氢转化器OP1和液氮正仲氢转化换热器HEX-OP中的第二正仲氢转化器OP2完全浸泡在液氮中，使得氢气在第一正仲氢转化器OP1和第二正仲氢转化器OP2中实现等温转化。这种设计采用了热虹吸式液氮热交换器，充分利用了液氮的潜热和显热，预冷效率高、氢液化效率高、安全性好及能耗低。
3.本发明在氢气液化装置中分别设置了高压氢气排放管道200和中压氢气排放管道100，根据排放气或泄放气的压力分别泄放到相应的排放管道中，避免高压排放气体和中低压排放气体串气，消除了安全隐患。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种氢气液化装置，其特征在于，包括：气体管理模块及与所述气体管理模块连接的制冷模块，所述气体管理模块用于调控所述气体管理模块向所述制冷模块输出的气压；
所述制冷模块包括第一级换热器、第二级换热器、液氮正仲氢转化换热器、第一正仲氢转化器、第二正仲氢转化器，所述气体管理模块与所述第一级换热器连接，所述第一级换热器、所述第二级换热器及液氮正仲氢转化换热器的输出端依次连接；
所述第一正仲氢转化器设置在所述第二级换热器内，所述第二正仲氢转化器设置在所述液氮正仲氢转化换热器内；所述第一正仲氢转化器的一端与所述第一级换热器连接、另一端与所述第二正仲氢转化器连接；
原料氢气经过所述第一级换热器和所述第二级换热器被返流冷氢气及预冷用的液氮冷却后，进入液氮浸泡的所述第一正仲氢转化器进行等温正仲氢转化，同时将反应热通过液氮排出；
被液氮冷却后的具有一定仲氢含量的氢气进入所述液氮正仲氢转化换热器，并进入液氮浸泡的所述第二正仲氢转化器进行等温正仲氢转化，同时将反应热通过液氮排出。
2.根据权利要求1所述的氢气液化装置，其特征在于，所述制冷模块还包括第一低温吸附器、第二低温吸附器；所述第一低温吸附器和第二低温吸附器并联，且其中并联的一端与所述第一正仲氢转化器连接、另一端与所述第二正仲氢转化器连接。
3.根据权利要求2所述的氢气液化装置，其特征在于，所述装置还包括第三低温吸附器，所述第三低温吸附器的一端与所述第二级换热器连接、另一端与第三级换热器的输入端连接。
4.根据权利要求2所述的氢气液化装置，其特征在于，所述制冷模块还包括用于进行冷却的第一冷却单元、第二冷却单元、第三冷却单元及液氢储罐；所述第一冷却单元的一端分别与第一级换热器、第二级换热器及液氮正仲氢转化换热器连接，另一端与所述第二冷却单元连接；所述第二冷却单元与所述第三冷却单元连接，所述第三冷却单元与所述液氢储罐连接。
5.根据权利要求4所述的氢气液化装置，其特征在于，所述第一冷却单元包括第三级换热器、第四级换热器及第三正仲氢转化器；第二冷却单元包括第五级换热器、第六级换热器及第四正仲氢转化器；第三冷却单元包括第七级换热器及第五正仲氢转化器；
所述第二级换热器及液氮正仲氢转化换热器均与所述第三级换热器的输入端连接；所述第三级换热器、所述第四级换热器、所述第五级换热器、所述第六级换热器及所述第七级换热器的输出端依次相连接；所述第一级换热器、所述第三级换热器、所述第四级换热器、所述第五级换热器、所述第六级换热器及所述第七级换热器的第一回流端依次相连接，并形成第一回流线；所述第七级换热器的输出端及回流端对应与所述液氢储罐的入口端及回流端口连接；
所述第三正仲氢转化器的一端与所述第四级换热器的输出端一侧连接，另一端与所述第四级换热器另一侧的输入端连接；所述第四正仲氢转化器的一端与所述第六级换热器的输出端一侧连接，另一端与所述第六级换热器另一侧的输入端连接；所述第三正仲氢转化器和所述第四正仲氢转化器通过所述第五级换热器连接；所述第五正仲氢转化器的一端与所述第七级换热器的输出端连接，另一端连接于所述第七级换热器和所述液氢储罐入口端的互联端；所述第四正仲氢转化器和所述第五正仲氢转化器通过所述第七级换热器连接。
6.根据权利要求5所述的氢气液化装置，其特征在于，所述第一冷却单元还包括第一氢气透平膨胀机组，所述第二冷却单元还包括第二氢气透平膨胀机组；
所述第一级换热器、所述第三级换热器、所述第四级换热器、所述第五级换热器及所述第六级换热器的第二回流端形成第二回流线；
所述第一氢气透平膨胀机组的一端连接于所述第三级换热器的输出端和所述第四级换热器的输入端的互联端，另一端与所述第五级换热器连接、且连接于所述第四级换热器和第五级换热器之间的所述第二回流线；所述第二氢气透平膨胀机组的一端与所述第五级换热器的输出端连接，另一端与所述第六级换热器的第二回流端连接。
7.根据权利要求1所述的氢气液化装置，其特征在于，所述装置还包括用于预冷所述第一级换热器、第二级换热器及液氮正仲氢转化换热器的液氮预冷模块；所述液氮预冷模块包括液氮入口管线、液氮入口管线调节阀、氮气液分离器、第一液氮管路、第二液氮管路、氮气液分离器出口管路、气氮排气管路、第一气氮回气管路、第二气氮回气管路以及蝶阀；所述氮气液分离器里面的液面高度要求高于第二级换热器顶部和液氮正仲氢转化换热器顶部；
所述氮气液分离器的下部、第二液氮管路、第二级换热器、第一气氮回气管路及所述氮气液分离器的上部依次连接，形成回路；
所述氮气液分离器的下部、第一液氮管路、液氮正仲氢转化换热器、第二气氮回气管路及所述氮气液分离器的上部依次连接，形成回路；
所述氮气液分离器的上部通过氮气液分离器出口管路与所述第一级换热器连接，所述第一级换热器与所述气氮排气管路连接，所述蝶阀安装在所述气氮排气管路上；所述氮气液分离器与所述液氮入口管线连接。
8.根据权利要求6所述的氢气液化装置，其特征在于，所述装置还包括中压氢气排放管道及高压氢气排放管道；所述中压氢气排放管道通过安全阀泄放管路与所述第一级换热器的第一回流端连接；所述高压氢气排放管道通过管路与第一级换热器的输入端连接，所述高压氢气排放管道通过管路与所述第一氢气透平膨胀机组连接、并连接于第四级换热器及第五级换热器之间的所述第二回流线。
9.根据权利要求6所述的氢气液化装置，其特征在于，所述气体管理模块包括中压氢气压缩机组及高压氢气压缩机组，中压氢气压缩机组及高压氢气压缩机组串联；所述中压氢气压缩机组远离与所述高压氢气压缩机组的一端与所述第一级换热器的第一回流端连接，所述高压氢气压缩机组远离所述中压氢气压缩机组的一端与所述第一级换热器的输入端连接；所述气体管理模块调控所述中压氢气压缩机组及高压氢气压缩机组的进出口压力。
10.根据权利要求9所述的氢气液化装置，其特征在于，所述气体管理模块还包括氢气缓冲罐、加载阀、卸载阀、低压旁通阀及中压旁通阀；所述加载阀和所述卸载阀串联，所述加载阀远离所述卸载阀的一端连接于第一回流线，所述卸载阀远离所述加载阀的一端连接于所述第一级换热器输入端；
所述低压旁通阀的两端与所述第一级换热器的输入端和第一回流端连接；所述中压旁通阀与所述高压氢气压缩机组并联，所述中压旁通阀的两端与所述第一级换热器的输入端和第二回流端连接。
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