CN115451647B - 一种集成液化空气储能***的氢液化*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种集成液化空气储能***的氢液化***，包括空气液化循环回路、空气透平膨胀制冷循环回路、空气发电回路、蓄冷单元、蓄热单元和氢气液化循环回路；空气液化循环回路利用空气透平膨胀制冷循环回路、蓄冷单元的冷能形成液化空气；空气透平膨胀制冷循环回路为空气液化循环回路提供冷能；空气发电回路利用液态空气输出电力；蓄冷单元回收空气发电回路的冷能，为空气液化循环回路提供冷能；蓄热单元回收空气液化循环回路的热能，为空气发电回路提供热能；氢气液化循环回路利用空气发电回路的冷能预冷氢气，经氢气深冷循环支路形成液氢。本发明解决液氢生产灵活性低、能耗高、成本高以及液化空气储能***能量利用效率和经济效益低的问题。

Description

一种集成液化空气储能***的氢液化***
技术领域
本发明涉及能源储存和氢气液化技术领域，特别是涉及一种集成液化空气储能***的氢液化***。
背景技术
由于气候变化带来的严峻挑战，氢能已成为助力实现***可持续发展目标强有力的选择之一。未来，氢气将深入更多行业和部门以替代传统能源，这将造成氢气需求量及运输距离大大增加。将氢气以低温液态(约-252.8℃)的形式储存，将有效提升储氢体积密度，对于提升氢气输运效率有实质性帮助。
氢气液化循环通常包括两个部分，即氢气的预冷循环和深冷循环。预冷循环将接近环境温度的氢气预冷至-185℃左右。氢气液化的理论最小功约为3.31kW·h/kgH2。然而，实际生产中由于传热等不可逆损失，氢气液化功往往在12.5～15kW·h/kgH2，约占氢气自身能量的30％。因此，较高的氢气液化成本造成此种储运方法的市场竞争力不高。
液化空气储能是一种热机械储能方法。在非用电高峰期，可再生能源产生的能量(即非高峰电力)被输送到空气液化装置，空气在-195℃左右被液化并储存在隔热罐中，当需要电能时，液态空气可以被泵送、加热并膨胀到涡轮机中发电。液化空气储能的储能成本相对较低，且兼具清洁性与灵活性，在未来的储能领域中将占据重要地位。
目前，现有技术中氢气液化循环***和液化空气储能***是相互独立的两个***。独立的氢气液化循环***能耗和成本较高，并且运行模式单一，而独立的液化空气储能***的能量利用效率和经济效益仍有待提高。现有技术中缺乏能将二者相互结合，并降低能耗、成本、提高能量利用效率和经济效益的方案。
发明内容
在下文中将给出关于本公开内容的简要概述，以便提供关于本公开内容某些方面的基本理解。应当理解，此概述并不是关于本公开内容的穷举性概述。它并不是意图确定本公开内容的关键或重要部分，也不是意图限定本公开内容的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
本发明的目的在于提供一种集成液化空气储能***的氢液化***，可以有效解决或缓解目前液氢生产灵活性低、能耗高和生产成本高以及液化空气储能***能量利用效率和经济效益低等问题。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
根据本公开内容的一方面提供一种集成液化空气储能***的氢液化***，其特征在于：所述氢液化***包括空气液化循环回路、空气透平膨胀制冷循环回路、空气发电回路、蓄冷单元、蓄热单元和氢气液化循环回路；所述空气液化循环回路包括多级空气压缩机及级间空气冷却器、第二换热器、空气节流阀、空气气液分离器、以及绝热液空储罐，所述空气液化循环回路将经所述多级空气压缩机及级间空气冷却器压缩和冷却后的第一空气流股送入所述第二换热器降温，降温后的空气经所述空气节流阀节流后，再经所述空气气液分离器后以液态形式储存在所述绝热液空储罐中；所述空气透平膨胀制冷循环回路包括第一换热器、第一空气透平膨胀机、以及所述第二换热器，所述空气透平膨胀制冷循环回路将经所述多级空气压缩机及级间空气冷却器压缩和冷却后的第二空气流股经所述第一换热器换热和所述第一空气透平膨胀机透平膨胀做功降温后送入所述第二换热器，为所述空气液化循环回路提供冷能；所述空气发电回路包括所述绝热液空储罐、低温泵、第三换热器、多级空气透平膨胀机及级间空气加热器、以及第四换热器，所述空气发电回路将所述绝热液空储罐中的液态空气经所述低温泵加压后，分为第三空气流股和第四空气流股，所述第三空气流股通过所述第三换热器与所述蓄冷单元的蓄冷介质换热，所述第四空气流股通过所述第四换热器和所述氢气液化循环回路的氢气换热，升温后的所述第三空气流股和第四空气流股经所述多级空气透平膨胀机及级间空气加热器输出电力；所述蓄冷单元回收所述第三空气流股的冷能，并为所述第二换热器提供冷能；所述蓄热单元回收所述空气液化循环回路和所述空气透平膨胀制冷循环回路的热能，并为所述多级空气透平膨胀机及级间空气加热器回温提供热能；以及所述氢气液化循环回路包括氢气压缩机、所述第四换热器、氢气深冷循环支路，所述氢气压缩机将氢气压缩后在所述第四换热器中与所述第四空气流股进行热交换以预冷氢气，再经所述氢气深冷循环支路后形成液氢。
进一步的，其中，所述空气液化循环回路还包括第一空气三通阀、第二空气三通阀和第三空气三通阀；所述多级空气压缩机及级间空气冷却器包括第一空气压缩机、第一空气冷却器、第二空气压缩机、第二空气冷却器、第三空气压缩机、以及第三空气冷却器；以及所述第三空气三通阀的第二端口与常温常压的空气流股相连接，所述第三空气三通阀的第三端口、所述第一空气压缩机、所述第一空气冷却器的热流股、所述第二空气压缩机、所述第二空气冷却器的热流股、所述第三空气压缩机、所述第三空气冷却器的热流股、所述第一空气三通阀的第一端口依次相连。
进一步的，其中，所述第二换热器包括由第一冷流股、第二冷流股、第三冷流股和第四热流股组成的换热器；所述第一空气三通阀的第三端口、所述第二换热器的第四热流股、所述空气节流阀、所述空气气液分离器的输入端依次相连；所述空气气液分离器的第一输出端、所述第二换热器的第二冷流股、所述第二空气三通阀的第三端口依次相连；以及所述空气气液分离器的第二输出端连接所述绝热液空储罐。
进一步的，其中，所述第二空气三通阀的第一端口与所述第三空气三通阀的第一端口相连接。
进一步的，其中，所述第一空气冷却器、所述第二空气冷却器和所述第三空气冷却器的冷流股与所述蓄热单元相连接，形成循环回路，储存经多级压缩的压缩热。
进一步的，其中，所述第二换热器的第一冷流股与所述蓄冷单元相连接，形成循环回路，利用所述蓄冷单元储存的冷量。
进一步的，其中，所述空气透平膨胀制冷循环回路还包括第四空气压缩机、第四空气冷却器，所述第二空气流股经所述第四空气压缩机和第四空气冷却器压缩和冷却后进入所述第一换热器，作为所述第一换热器的热流股换热。
进一步的，其中，所述第一空气三通阀的第二端口、所述第四空气压缩机、所述第四空气冷却器的热流股、所述第一换热器的热流股、所述第一空气透平膨胀机、所述第二换热器的第三冷流股、所述第一换热器的冷流股、所述第二空气三通阀的第二端口依次相连，其中，经所述第一换热器换热和所述第一空气透平膨胀机透平膨胀做功降温后送入所述第二换热器的第二空气流股作为所述第二换热器的第三冷流股。
进一步的，其中，所述空气发电回路还包括第四空气三通阀和第五空气三通阀；所述多级空气透平膨胀机及级间空气加热器包括第一空气加热器、第二空气透平膨胀机、第二空气加热器、第三空气透平膨胀机、第三空气加热器、以及第四空气透平膨胀机；所述绝热液空储罐、所述低温泵、所述第四空气三通阀的第一端口依次相连；所述第四空气三通阀的第二端口、所述第三换热器的冷流股、所述第五空气三通阀的第二端口依次相连，构成所述第三空气流股的流道；所述第四空气三通阀的第三端口、所述第四换热器的第一冷流股、所述第五空气三通阀的第三端口依次相连，构成所述第四空气流股的流道；所述第五空气三通阀的第一端口、所述第一空气加热器的冷流股、所述第二空气透平膨胀机、所述第二空气加热器的冷流股、所述第三空气透平膨胀机、所述第三空气加热器的冷流股、所述第四空气透平膨胀机依次相连；以及所述第三换热器的热流股与所述蓄冷单元相连接，形成循环回路，回收所述第三换热器的冷流股的冷量；所述第一空气加热器、所述第二空气加热器和所述第三空气加热器的热流股与所述蓄热单元相连接，形成循环回路，利用所述蓄热单元储存的热量。
进一步的，其中，所述氢气深冷循环支路包括氢气透平膨胀机、第五换热器、第六换热器、第一氢气三通阀、第二氢气三通阀、氢气节流阀、氢气气液分离器和绝热液氢储罐；常温常压氢气进入所述氢气压缩机，所述氢气压缩机、所述第四换热器的热流股、所述第一氢气三通阀的第一端口依次相连；所述第一氢气三通阀的第二端口、所述第五换热器的热流股、所述第六换热器的热流股、所述氢气节流阀、所述氢气气液分离器的输入端依次相连；所述第一氢气三通阀的第三端口、所述氢气透平膨胀机、所述第二氢气三通阀的第三端口依次相连；所述第二氢气三通阀的第一端口、所述第五换热器的冷流股、所述第四换热器的第二冷流股依次相连；所述氢气气液分离器的第一输出端、所述第六换热器的冷流股、所述第二氢气三通阀的第二端口依次相连；以及所述氢气气液分离器的第二输出端与所述绝热液氢储罐相连接。
与现有氢液化***相比，本发明的有益效果是：
1)本发明改变了传统氢液化***的流程和装置设置。通过与液化空气储能***的集成，可以直接利用部分液态空气的冷能来预冷氢气，此方法可以省略传统氢液化***中的预冷循环部分，利用液化空气储能***将氢气预冷至液态空气温区(约-188℃)。
2)本发明将储能发电加入氢液化***中作为副产品输出。根据峰谷电价的不同，储能发电带来的经济效益可以进一步减少液氢的生产成本投入。同样，预冷氢气后的高压空气仍可以进入空气发电回路输出电力，提高了能量利用效率。
3)本发明可以通过不同的液氢生产需求而改变运行模式。由于冷能集中在用电低谷时期生产并存储，因此氢液化生产更具灵活性。生产模式可以由连续生产转变为间歇生产，例如可以根据需要连续生产液氢或只在用电低谷时期生产液氢，提高了整个***运行的可控性。
附图说明
参照附图下面说明本公开内容的具体内容，这将有助于更加容易地理解本公开内容的以上和其他目的、特点和优点。附图只是为了示出本公开内容的原理。在附图中不必依照比例绘制出单元的尺寸和相对位置。
图1为本发明的一种集成液化空气储能***的氢液化***示意图。
其中：10-第一空气压缩机，11-第一空气冷却器，12-第二空气压缩机，13-第二空气冷却器，14-第三空气压缩机，15-第三空气冷却器，16-第一空气三通阀，17-第四空气压缩机，18-第四空气冷却器，19-第一换热器，20-第一空气透平膨胀机，21-第二换热器，22-第二空气三通阀，23-空气节流阀，24-空气气液分离器，25-绝热液空储罐，26-第三空气三通阀，30-低温泵，31-第四空气三通阀，32- 第三换热器，33-第五空气三通阀，34-第一空气加热器，35-第二空气透平膨胀机，36-第二空气加热器，37-第三空气透平膨胀机，38- 第三空气加热器，39-第四空气透平膨胀机，40-蓄热单元，41-蓄冷单元，50-氢气压缩机，51-第四换热器，52-第一氢气三通阀，53- 氢气透平膨胀机，54-第五换热器，55-第二氢气三通阀，56-第六换热器，57-氢气节流阀，58-氢气气液分离器，59-绝热液氢储罐，60- 第三氢气三通阀；100～121-空气液化循环回路和空气透平膨胀制冷循环回路流股，200～214-空气发电回路流股，300～315-氢气液化循环回路流股。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本公开内容的示例性公开内容进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实现本公开内容的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实现本公开内容的过程中可以做出很多特定于本公开内容的决定，以便实现开发人员的具体目标，并且这些决定可能会随着本公开内容的不同而有所改变。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本公开内容，在附图中仅仅示出了与根据本公开内容的方案密切相关的管网结构，而省略了与本公开内容关系不大的其他细节。
应理解的是，本公开内容并不会由于如下参照附图的描述而只限于所描述的实施形式。本文中，在可行的情况下，不同实施方案之间的特征可替换或借用、以及在一个实施方案中可省略一个或多个特征。
参见图1，示出了本发明实施例的一种集成液化空气储能***的氢液化***示意图。本发明的实施例包括空气液化循环回路、空气透平膨胀制冷循环回路、空气发电回路、蓄冷单元(41)、蓄热单元(40)和氢气液化循环回路。空气液化循环回路与空气发电回路、空气透平膨胀制冷循环回路、蓄冷单元(41)、蓄热单元(40)相连接，空气透平膨胀制冷循环回路与空气液化循环回路、蓄热单元(40)相连接，空气发电回路与空气液化循环回路、蓄冷单元(41)、蓄热单元(40)、氢气液化循环回路相连接，氢气液化循环回路与空气发电回路相连接。其中，空气液化循环回路将净化后的空气经多级压缩后送入换热器降温，降温后的空气经节流后以液态形式储存在绝热液空储罐(25)中；空气透平膨胀制冷循环回路中的空气经换热器换热和透平膨胀做功降温为空气液化循环回路提供冷能；空气发电回路将绝热液空储罐(25)中的液态空气经低温泵(30)加压，又将其分为两流股，通过换热器分别与蓄冷介质和氢气换热，升温后经多级膨胀和回温的方式输出电力；蓄冷单元(41)是通过蓄冷介质回收经加压后的液态空气的大部分冷能；蓄热单元(40)通过回收压缩热以供给空气发电回路多级膨胀回温；氢气液化循环回路将净化后的氢气经压缩后与空气发电回路中的部分液态空气进行热交换，利用空气发电回路的冷能，可以直接省略现有技术中的氢液化预冷循环所需的步骤和装置，再经深冷循环后节流，制成液氢储存在绝热液氢储罐(59)中。
进一步的，空气液化循环回路包括第三空气三通阀(26)、第一空气压缩机(10)、第一空气冷却器(11)、第二空气压缩机(12)、第二空气冷却器(13)、第三空气压缩机(14)、第三空气冷却器(15)、第一空气三通阀(16)、第二换热器(21)、第二空气三通阀(22)、空气节流阀(23)、空气气液分离器(24)、绝热液空储罐(25)。进一步的，空气液化循环回路的连接方式如下：第三空气三通阀(26)第二端口与经净化的、常温常压的空气流股100相连接。第三空气三通阀(26)第三端口、第一空气压缩机(10)、第一空气冷却器(11)热流股102/103、第二空气压缩机(12)、第二空气冷却器(13)热流股104/105、第三空气压缩机(14)、第三空气冷却器(15)热流股106/107、第一空气三通阀(16)第一端口依次相连。第一空气三通阀(16)第三端口、第二换热器(21)热流股115/116、空气节流阀(23)、空气气液分离器(24)输入端依次相连。空气气液分离器(24)第一输出端、第二换热器(21)第二冷流股119/120、第二空气三通阀(22)第三端口依次相连。第二空气三通阀(22)第一端口与第三空气三通阀(26)第一端口相连接。空气气液分离器(24)第二输出端与绝热液空储罐(25)相连接。所有空气冷却器 11、13、15、18的冷流股与蓄热单元(40)相连接(如图中虚线所示)，形成循环回路，多级压缩过程产生的压缩热通过循环回路送入蓄热单元(40)储存。
进一步的，空气透平膨胀制冷循环回路包括第一空气三通阀 (16)、第四空气压缩机(17)、第四空气冷却器(18)、第一换热器(19)、第一空气透平膨胀机(20)、第二换热器(21)、第二空气三通阀(22)。进一步的，空气透平膨胀制冷循环回路的连接方式如下：第一空气三通阀(16)第二端口、第四空气压缩机(17)、第四空气冷却器(18)热流股109/110、第一换热器(19)热流股110/111、第一空气透平膨胀机(20)、第二换热器(21)第三冷流股112/113、第一换热器(19)冷流股 113/114、第二空气三通阀(22)第二端口依次相连。第二换热器(21) 第一冷流股121/122与蓄冷单元(41)相连接，形成循环回路，蓄冷单元(41)中的蓄冷介质通过流股121进入第二换热器(21)提供冷量，回温后的蓄冷介质通过流股122返回蓄冷单元(41)。
本实施例中，用于空气膨胀制冷后的空气流股114和未液化的闪蒸汽流股120经第二空气三通阀(22)汇流后，进入第三空气三通阀(26)，再与经净化的、常温常压的空气流股100一同作为压缩前的空气使用。显然，空气流股100的质量流量应与液态空气流股118 的质量流量相同，这样可以保证液态空气的稳定性生产。经多级压缩中间冷却后的空气流股107进入第一空气三通阀(16)，空气流股 107应为中压、接近于常温的空气。空气流股107进入第一空气三通阀(16)后被分为两部分，一部分作为空气透平膨胀制冷循环回路的工作介质108，另一部分作为待液化的流股115。空气透平膨胀制冷循环回路的工作介质108通过加压冷却的方式尽可能降低液态空气的单位生产能耗。第一换热器(19)的作用是进一步降低工作介质进入第一空气透平膨胀机20前的温度。经过膨胀降温的工作介质 112进入第二换热器(21)作为第三冷流股112/113为待液化的流股 115提供冷能。第二换热器(21)的第一冷流股121/122和第二冷流股 119/120分别为蓄冷单元(41)的蓄冷介质121/122和空气气液分离器 (24)中未液化的闪蒸汽流股119/120。经第二换热器(21)冷却的待液化的流股116通过空气节流阀(23)的焦耳-汤普森效应进一步降压并降温，进入空气气液分离器(24)，然后从空气气液分离器(24)流出的液化的空气流股118进入绝热液空储罐(25)，未液化的闪蒸汽流股119进入第二换热器(21)。
优选的是，蓄热单元(40)的蓄热介质一般为导热油，也可以是其他蓄热介质，例如丙烷、熔融盐等，蓄冷单元(41)的蓄冷介质一般为丙烷，也可以是其他蓄冷介质，例如导热油、乙二醇、其他烷烃等。
本实施例中，空气液化循环回路与空气透平膨胀制冷循环回路均在用电低谷时期工作。与现有技术的液化空气储能***不同，本发明改进了现有技术液化空气储能***的储能部分，即本实施例中的空气液化循环回路和空气透平膨胀制冷循环回路，以此可以保证液态空气持续定量的生产储存。
进一步的，空气发电回路包括绝热液空储罐(25)、低温泵(30)、第四空气三通阀(31)、第三换热器(32)、第五空气三通阀(33)、第一空气加热器(34)、第二空气透平膨胀机(35)、第二空气加热器(36)、第三空气透平膨胀机(37)、第三空气加热器(38)、第四空气透平膨胀机(39)、第四换热器(51)。
进一步的，空气发电回路的连接方式如下：绝热液空储罐(25)、低温泵(30)、第四空气三通阀(31)第一端口依次相连。第四空气三通阀(31)第二端口、第三换热器(32)冷流股202/203、第五空气三通阀(33) 第二端口依次相连。第五空气三通阀(33)第一端口、第一空气加热器(34)冷流股208/209、第二空气透平膨胀机(35)、第二空气加热器(36) 冷流股210/211、第三空气透平膨胀机(37)、第三空气加热器(38)冷流股212/213、第四空气透平膨胀机(39)依次相连。第四空气三通阀 (31)第三端口、氢气液化循环回路中的第四换热器(51)第一冷流股 206/207、第五空气三通阀(33)第三端口依次相连。第三换热器(32) 热流股204/205与蓄冷单元(41)相连接，形成循环回路，储存在蓄冷单元(41)的回温的蓄冷介质通过流股205进入第三换热器(32)吸收冷流股202中的液态空气的冷量，冷却后的蓄冷介质通过流股204 进入蓄冷单元(41)，将吸收的冷量储存在蓄冷单元(41)中。所有空气加热器34、36、38的热流股与蓄热单元(40)相连接(如图中点划线所示)，形成循环回路，利用蓄热单元(40)储存的热量加热空气加热器34、36、38的冷流股的流体。
本实施例中，绝热液空储罐中(25)的常压液态空气200经低温泵(30)加压至高压后进入第四空气三通阀(31)第一端口。第四空气三通阀(31)将高压液态空气分为两部分，一部分经流股202与蓄冷单元41的蓄冷介质进行热交换，另一部分经流股206进入氢气液化循环回路并预冷氢气。上述两股流股经过换热后通过流股203和流股207汇入第五空气三通阀(33)，并经过流股208依次进入空气加热器34、36、38和空气透平膨胀机35、37、39以多级膨胀中间回温来输出电力。
进一步的，氢气液化循环回路包括第三氢气三通阀(60)、氢气压缩机(50)、第四换热器(51)、以及氢气深冷循环支路，所述氢气深冷循环支路包括第一氢气三通阀(52)、氢气透平膨胀机(53)、第五换热器(54)、第二氢气三通阀(55)、第六换热器(56)、氢气节流阀(57)、氢气气液分离器(58)、绝热液氢储罐(59)。
进一步的，氢气液化循环回路的连接方式如下：第三氢气三通阀(60)第二端口、氢气压缩机(50)、第四换热器(51)热流股302/303、氢气深冷循环支路的第一氢气三通阀(52)第一端口依次相连。所述氢气深冷循环支路中，第一氢气三通阀(52)第二端口、第五换热器(54) 热流股304/305、第六换热器(56)热流股305/306、氢气节流阀(57)、氢气气液分离器(58)输入端依次相连。第一氢气三通阀(52)第三端口、氢气透平膨胀机(53)、第二氢气三通阀(55)第三端口依次相连。第二氢气三通阀(55)第一端口、第五换热器(54)冷流股313/314、第四换热器(51)第二冷流股314/315、第三氢气三通阀(60)第一端口依次相连。氢气气液分离器(58)第一输出端、第六换热器(56)冷流股309/310、第二氢气三通阀(55)第二端口依次相连。氢气气液分离器(58)第二输出端与绝热液氢储罐(59)相连接。
具体的，本实施例中，流股300为常温常压的进料氢气，由第三氢气三通阀(60)第三端口进入氢气液化循环回路，流股315为返流氢气，由第三氢气三通阀(60)第一端口进入氢气液化循环回路。以上两股流体汇流由第三氢气三通阀(60)第二端口流出，流股301 作为氢气压缩机(50)的进料气被加压。加压后的氢气流股302进入第四换热器(51)与第四换热器(51)第一冷流股206/207和第二冷流股 314/315换热后预冷，预冷后的氢气流股303进入氢气深冷循环支路进一步冷却并液化。第一氢气三通阀(52)将预冷的氢气分为两部分，一部分氢气由第一氢气三通阀(52)第二端口流出并依次通过第五换热器(54)、第六换热器(56)换热，再通过氢气节流阀(57)的焦耳- 汤普森效应进一步降压并降温，进入氢气气液分离器(58)，然后从氢气气液分离器(58)流出的液氢流股308进入绝热液氢储罐(59)，未液化的闪蒸汽流股309作为冷流体进入第六换热器(56)换热。另一部分氢气由第一氢气三通阀(52)第三端口流出并进入氢气透平膨胀机(53)膨胀降温。通过第六换热器(56)换热后的闪蒸汽流股310进入第二氢气三通阀(55)第二端口，膨胀降温后的氢气流股312进入第二氢气三通阀(55)第三端口。以上两股流体汇流由第二氢气三通阀 (55)第一端口流出，返流氢气流股313依次进入第五换热器(54)、第四换热器(51)作为冷流体提供冷量，回温的返流氢气流股315作为进料氢气的一部分由第三氢气三通阀(60)第一端口进入氢气液化循环回路。
可以理解的是，本实施例中，空气冷却器、空气加热器、换热器、蓄冷单元(41)、蓄热单元(40)中对于热流股和冷流股的定义是相对的，即在同一个装置中，进口温度最高的流股定义为热流股，其余流股定义为冷流股。
优选的是，本发明的换热器可以是板翅式换热器，也可以是其他换热器，例如绕管式换热器、管壳式换热器等。
本实施例中，第四空气三通阀(31)的分流比根据氢液化***的工作时段的不同而切换。例如，在连续生产模式下，即氢液化***为连续24h不间断生产，则当处于用电高峰时期，应当打开第四空气三通阀(31)和第五空气三通阀(33)的全部端口，并且第四空气三通阀(31)的第二端口和第三端口的流量大小应当根据氢气液化循环回路中所需要的冷量和空气液化循环回路中所需要的冷量并结合实际进行调节，此时流股202/203、206/207均有空气流通，并通过第五空气三通阀(33)汇流进入空气加热器34、36、38和空气透平膨胀机35、37、39以多级膨胀中间回温来输出电力；当处于用电低谷或平段时期，则应当仅关闭第四空气三通阀(31)的第二端口和第五空气三通阀(33)的第二端口，打开其余全部端口，此时仅流股206/207 有空气流通，液态空气只作为预冷氢气来使用，并通过第五空气三通阀(33)依次进入空气加热器和空气透平膨胀机以多级膨胀中间回温来输出电力。应当理解的是，由于空气液化循环回路与空气透平膨胀制冷循环回路均在用电低谷时期工作，在液氢连续生产模式下，空气液化循环回路在用电低谷时期应保证生产供应一个周期(即平、峰、谷组成的24h)氢气预冷及发电所需要的液态空气量。
在间歇生产模式下，基于生产任务和计划，液氢只在用电低谷时期生产。则当处于用电高峰时期，应当仅关闭第四空气三通阀(31) 的第三端口和第五空气三通阀(33)的第三端口，打开其余全部端口，此时仅流股202/203有空气流通，液态空气不预冷氢气，通过第三换热器(32)回收冷量，并通过第五空气三通阀(33)依次进入空气加热器和空气透平膨胀机以多级膨胀中间回温来输出电力；当处于用电平段时期，空气发电回路和氢气液化循环回路均不工作，因此第四空气三通阀(31)和第五空气三通阀(33)的所有端口处于关闭状态，此时流股202/203、206/207都没有空气流通；当处于用电低谷时期，则应当仅关闭第四空气三通阀(31)的第二端口和第五空气三通阀(33) 的第二端口，打开其余全部端口，此时仅流股206/207有空气流通，液态空气作为预冷氢气来使用，并通过第五空气三通阀(33)依次进入空气加热器和空气透平膨胀机以多级膨胀中间回温来输出电力。
在本实施例中，氢气液化循环回路以一个Claude循环来代表氢气液化循环中的深冷循环。应当理解的是，本发明重在展示液化空气储能***与氢液化***的结合方式，因此，将预冷后的氢气以其他任何方式液化均在本发明的保护范围之内。第四至第六换热器51、 54、56中装有正仲氢转化催化剂，保证最终液氢中仲氢含量在95％以上。
综上，通过本实施例将液化空气储能***和氢液化***有效结合，在生产液氢的同时可以进行储能发电，以此可以提高整个***的经济效益。同时通过本发明中空气三通阀的开关设置，可以实现在不同用电时段灵活控制生产液态空气、液氢和输出电力。因此，本发明可以实现一种集成液化空气储能***的氢液化***。
上述具体实施方式，仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的技术特点所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。
以上结合具体的实施方案对本公开内容进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本公开内容的保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本公开内容的精神和原理对本公开内容做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本公开内容的范围内。

Claims (10)

1.一种集成液化空气储能***的氢液化***，其特征在于：
所述氢液化***包括空气液化循环回路、空气透平膨胀制冷循环回路、空气发电回路、蓄冷单元、蓄热单元和氢气液化循环回路；
所述空气液化循环回路包括多级空气压缩机及级间空气冷却器、第二换热器、空气节流阀、空气气液分离器、以及绝热液空储罐，所述空气液化循环回路将经所述多级空气压缩机及级间空气冷却器压缩和冷却后的第一空气流股送入所述第二换热器降温，降温后的空气经所述空气节流阀节流后，再经所述空气气液分离器后以液态形式储存在所述绝热液空储罐中；
所述空气透平膨胀制冷循环回路包括第一换热器、第一空气透平膨胀机、以及所述第二换热器，所述空气透平膨胀制冷循环回路将经所述多级空气压缩机及级间空气冷却器压缩和冷却后的第二空气流股经所述第一换热器换热和所述第一空气透平膨胀机透平膨胀做功降温后送入所述第二换热器，为所述空气液化循环回路提供冷能；
所述空气发电回路包括所述绝热液空储罐、低温泵、第三换热器、多级空气透平膨胀机及级间空气加热器、以及第四换热器，所述空气发电回路将所述绝热液空储罐中的液态空气经所述低温泵加压后，分为第三空气流股和第四空气流股，所述第三空气流股通过所述第三换热器与所述蓄冷单元的蓄冷介质换热，所述第四空气流股通过所述第四换热器和所述氢气液化循环回路的氢气换热，升温后的所述第三空气流股和第四空气流股经所述多级空气透平膨胀机及级间空气加热器输出电力；
所述蓄冷单元回收所述第三空气流股的冷能，并为所述第二换热器提供冷能；
所述蓄热单元回收所述空气液化循环回路和所述空气透平膨胀制冷循环回路的热能，并为所述多级空气透平膨胀机及级间空气加热器回温提供热能；以及
所述氢气液化循环回路包括氢气压缩机、所述第四换热器、氢气深冷循环支路，所述氢气压缩机将氢气压缩后在所述第四换热器中与所述第四空气流股进行热交换以预冷氢气，再经所述氢气深冷循环支路后形成液氢。
2.根据权利要求1所述的集成液化空气储能***的氢液化***，其中，所述空气液化循环回路还包括第一空气三通阀、第二空气三通阀和第三空气三通阀；
所述多级空气压缩机及级间空气冷却器包括第一空气压缩机、第一空气冷却器、第二空气压缩机、第二空气冷却器、第三空气压缩机、以及第三空气冷却器；以及
所述第三空气三通阀的第二端口与常温常压的空气流股相连接，所述第三空气三通阀的第三端口、所述第一空气压缩机、所述第一空气冷却器的热流股、所述第二空气压缩机、所述第二空气冷却器的热流股、所述第三空气压缩机、所述第三空气冷却器的热流股、所述第一空气三通阀的第一端口依次相连。
3.根据权利要求2所述的集成液化空气储能***的氢液化***，其中，所述第二换热器包括由第一冷流股、第二冷流股、第三冷流股和第四热流股组成的换热器；
所述第一空气三通阀的第三端口、所述第二换热器的第四热流股、所述空气节流阀、所述空气气液分离器的输入端依次相连；
所述空气气液分离器的第一输出端、所述第二换热器的第二冷流股、所述第二空气三通阀的第三端口依次相连；以及
所述空气气液分离器的第二输出端连接所述绝热液空储罐。
4.根据权利要求3所述的集成液化空气储能***的氢液化***，其中，所述第二空气三通阀的第一端口与所述第三空气三通阀的第一端口相连接。
5.根据权利要求2所述的集成液化空气储能***的氢液化***，其中，所述第一空气冷却器、所述第二空气冷却器和所述第三空气冷却器的冷流股与所述蓄热单元相连接，形成循环回路，储存经多级压缩的压缩热。
6.根据权利要求3所述的集成液化空气储能***的氢液化***，其中，所述第二换热器的第一冷流股与所述蓄冷单元相连接，形成循环回路，利用所述蓄冷单元储存的冷量。
7.根据权利要求3所述的集成液化空气储能***的氢液化***，其中，所述空气透平膨胀制冷循环回路还包括第四空气压缩机、第四空气冷却器，所述第二空气流股经所述第四空气压缩机和第四空气冷却器压缩和冷却后进入所述第一换热器，作为所述第一换热器的热流股换热。
8.根据权利要求7所述的集成液化空气储能***的氢液化***，其中，所述第一空气三通阀的第二端口、所述第四空气压缩机、所述第四空气冷却器的热流股、所述第一换热器的热流股、所述第一空气透平膨胀机、所述第二换热器的第三冷流股、所述第一换热器的冷流股、所述第二空气三通阀的第二端口依次相连，其中，经所述第一换热器换热和所述第一空气透平膨胀机透平膨胀做功降温后送入所述第二换热器的第二空气流股作为所述第二换热器的第三冷流股。
9.根据权利要求1所述的集成液化空气储能***的氢液化***，其中，所述空气发电回路还包括第四空气三通阀和第五空气三通阀；
所述多级空气透平膨胀机及级间空气加热器包括第一空气加热器、第二空气透平膨胀机、第二空气加热器、第三空气透平膨胀机、第三空气加热器、以及第四空气透平膨胀机；
所述绝热液空储罐、所述低温泵、所述第四空气三通阀的第一端口依次相连；所述第四空气三通阀的第二端口、所述第三换热器的冷流股、所述第五空气三通阀的第二端口依次相连，构成所述第三空气流股的流道；所述第四空气三通阀的第三端口、所述第四换热器的第一冷流股、所述第五空气三通阀的第三端口依次相连，构成所述第四空气流股的流道；
所述第五空气三通阀的第一端口、所述第一空气加热器的冷流股、所述第二空气透平膨胀机、所述第二空气加热器的冷流股、所述第三空气透平膨胀机、所述第三空气加热器的冷流股、所述第四空气透平膨胀机依次相连；以及
所述第三换热器的热流股与所述蓄冷单元相连接，形成循环回路，回收所述第三换热器的冷流股的冷量；所述第一空气加热器、所述第二空气加热器和所述第三空气加热器的热流股与所述蓄热单元相连接，形成循环回路，利用所述蓄热单元储存的热量。
10.根据权利要求1所述的集成液化空气储能***的氢液化***，其中，所述氢气深冷循环支路包括氢气透平膨胀机、第五换热器、第六换热器、第一氢气三通阀、第二氢气三通阀、氢气节流阀、氢气气液分离器和绝热液氢储罐；
常温常压氢气进入所述氢气压缩机，所述氢气压缩机、所述第四换热器的热流股、所述第一氢气三通阀的第一端口依次相连；
所述第一氢气三通阀的第二端口、所述第五换热器的热流股、所述第六换热器的热流股、所述氢气节流阀、所述氢气气液分离器的输入端依次相连；
所述第一氢气三通阀的第三端口、所述氢气透平膨胀机、所述第二氢气三通阀的第三端口依次相连；
所述第二氢气三通阀的第一端口、所述第五换热器的冷流股、所述第四换热器的第二冷流股依次相连；
所述氢气气液分离器的第一输出端、所述第六换热器的冷流股、所述第二氢气三通阀的第二端口依次相连；以及
所述氢气气液分离器的第二输出端与所述绝热液氢储罐相连接。
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