CN116972597A - 一种氢液化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及低温制冷技术领域，特别是涉及一种氢液化装置。本发明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***的高压膨胀到低压，在不增加***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***的冷量来源，提高了效率。

Description

一种氢液化装置
技术领域
本发明涉及低温制冷技术领域，特别是涉及一种安全度高、能耗低的氢液化装置。
背景技术
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***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。
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-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。
发明内容
研究发现，氢液化***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。
因此，本发明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***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。
本发明目的是通过如下技术方案实现的：
一种氢液化装置，所述氢液化装置包括氦气***、氢气***、液氮***、液氢存储***和冷箱***，所述氦气***、氢气***、液氮***、液氢存储***分别与冷箱***相连；
所述冷箱***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***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***的低压入口连接；
所述氢气***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***连接；
所述液氮***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。
根据本发明的实施方式，所述液氮***与冷箱***相连，优选地，所述液氮***通过第九调节阀与液氮储罐的第三入口连接；用于为冷箱***提供冷源。
根据本发明的实施方式，所述氦气***与冷箱***相连，优选地，所述氦气***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***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。
根据本发明的实施方式，所述氢气***与冷箱***相连，优选地，所述氢气***的出口与第一换热器的氢气通道入口相连，用于为冷箱***提供氢气，经过冷箱***降温后获得液氢。
根据本发明的实施方式，所述液氮***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。
根据本发明的实施方式，所述氢气***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***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。
根据本发明的实施方式，所述液氢存储***包括液氢储罐，其与冷箱***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。
根据本发明的实施方式，所述氦气***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；
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；
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。
根据本发明的实施方式，所述压缩机选自含油型压缩机或无油型压缩机；若选自含油型压缩机时，则所述压缩机的出口通过油分离器连接过滤除尘器的入口；若选自无油型压缩机时，则所述压缩机的出口直接连接过滤除尘器的入口。
根据本发明的实施方式，所述压缩机可以是单台也可以是多台并联，根据需要进行设置。
根据本发明的实施方式，所述第一调节阀设置的目的主要是调节氦气***的低压压力值，当氦气***的低压压力值过低时，增大第一调节阀的开度，避免超过压缩机功率，同时如果管路出现负压状态，则外界空气容易进入，导致氦气被污染。当氦气***的低压压力值过高时，减小第一调节阀的开度，避免氦气***低压管路超压。
根据本发明的实施方式，所述第二调节阀设置的目的主要是当压缩机的出口压力过高时，通过PID控制回路调节第二调节阀的开度，将多余的氦气流入氦气缓冲罐。
根据本发明的实施方式，所述第三调节阀设置的目的主要是当压缩机的出口压力过低时，则需要从氦气缓冲罐中补气，通过PID控制回路调节第三调节阀的开度，将氦气缓冲罐中的氦气流入压缩机的低压侧。
根据本发明的实施方式，通过第一调节阀、第二调节阀和第三调节阀的联合作用，实现氦气***的高低压的稳定输入和输出。
根据本发明的实施方式，所述氦气纯度分析仪用于检测氦气体系中氦气的杂质含量，特别是高压侧的氦气的杂质含量，避免存在水蒸气、氮气、油等在低温下固化造成换热器、阀门乃至管道堵塞，引起设备超压的风险。当氦气***中氦气的杂质含量过高时，通过PID控制回路启动低温纯化器对氦气体系中氦气进行纯化处理。
根据本发明的实施方式，压缩机压缩后的高压氦气从高压管路中流入低温纯化器和氦气纯度分析仪，经过分析和纯化后的低压氦气流入低压管路再次被压缩机压缩。
根据本发明的实施方式，所述除尘器的出口即为氦气***的高压出口，所述压缩机的入口即为氦气***的低压入口。
根据本发明的实施方式，所述第六调节阀可以调节流经第一透平膨胀机的氦气的流量，保证透平的稳定运转，防止透平超速。
根据本发明的实施方式，所述第一透平膨胀机将高压氦气的压力能通过叶轮旋转转变为叶轮的动能，从而降低氦气的温度跟压力，进而提供77.5K以下的冷量冷源。所述第一透平膨胀机的数量可以是单个也可以是多个。
根据本发明的实施方式，所述第七调节阀可以调节流经第二透平膨胀机的氦气的流量，保证透平的稳定运转，防止透平超速。
根据本发明的实施方式，所述第二透平膨胀机将高压氦气的压力能通过叶轮旋转转变为叶轮的动能，从而降低氦气的温度跟压力，进而提供30K以下的冷量冷源。所述第二透平膨胀机的数量可以是单个也可以是多个。
根据本发明的实施方式，所述第一透平膨胀机和所述第二透平膨胀机并联设置，更有利于实现压力能的完全利用及透平膨胀机的独立调节，相比于现有技术中采用两个串联的透平膨胀机的预冷循环，由于一级透平膨胀机是膨胀到中压，因此，其不能有效利用气体的压力能，导致效率偏低，且两个透平膨胀机的互相串联，实际运行中增大了对氢液化器性能的影响。
根据本发明的实施方式，所述第一换热器为纯气相换热，所述第一换热器可以实现将高压氦气和氢气的温度降低到80K左右。
根据本发明的实施方式，所述第二换热器和所述第三换热器为热虹吸换热器，所述第二换热器和所述第三换热器的设置能够使得被冷却的氢气和氦气的温度进一步降低到77.5K左右，可以实现液氮的冷能的充分利用。
具体地，所述第二换热器是利用液氮的液位差，实现液氮的驱动，此时第二换热器的液氮通道内充满液氮，因此，氦气出口处的温度和氢气出口处的温度能够达到略高于液氮的饱和温度，比如77.5K。通过这样的换热器的形式，能够实现液氮的冷能的充分利用。而常规的换热器中由于换热温差的存在，氦气出口处的温度和氢气出口处的温度与液氮存在较大换热温差，液氮的冷能无法充分利用。此外，相比将换热器放置到液氮储罐内部的形式，本发明的第二换热器更方便进行检修。
具体地，所述第三换热器是利用液氮的液位差，实现液氮的驱动，此时第三换热器的液氮通道内充满液氮，因此，氦气出口处的温度和氢气出口处的温度能够达到略高于液氮的饱和温度，比如77.5K。通过这样的换热器的形式，能够实现液氮的冷能的充分利用。而常规的换热器中由于换热温差的存在，氦气出口处的温度和氢气出口处的温度与液氮存在较大换热温差，液氮的冷能无法充分利用。此外，相比将换热器放置到液氮储罐内部的形式，本发明的第三换热器更方便进行检修。
根据本发明的实施方式，所述第三换热器的氢气通道内填充正-仲氢催化转化剂，有利于在第三换热器内实现等温转化。
根据本发明的实施方式，所述第四换热器的氢气通道、第五换热器的氢气通道、第六换热器的氢气通道、第七换热器的氢气通道内均填充正-仲氢催化转化剂，在第四换热器、第五换热器、第六换热器、第七换热器内氢气被冷氦气冷却，实现氢的连续正仲转化。
根据本发明的实施方式，所述第八调节阀可以调节氢气管路的流量，实现液氢的第一次降压的作用，此处氢气的温度较高，处于节流制冷效应的区段，自我产生部分冷能。
根据本发明的实施方式，所述第十调节阀可以实现液氢的第二次节流降压的作用，产生过冷液氢，通过管线流入液氢储罐。
根据本发明的实施方式，所述第四调节阀和第五调节阀用于切换管路，实现第一氢气吸附器和第二氢气吸附器中的一个工作一个备用。
本发明的有益效果：
(1)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***的高压膨胀到低压，在不增加***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。
(2)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***的冷量来源，提高了效率。
附图说明
图1为本发明的氢液化装置的结构示意图。
附图标记：HEX1为第一换热器、HEX2为第二换热器、HEX3为第三换热器、HEX4为第四换热器、HEX5为第五换热器、HEX6为第六换热器、HEX7为第七换热器、TANK2为液氮储罐、A1为氦低温吸附器、A2为第一氢气吸附器、A3为第二氢气吸附器、T1为第一透平膨胀机、T2为第二透平膨胀机、CV4为第四调节阀、CV5为第五调节阀、CV6为第六调节阀、CV7为第七调节阀、CV8为第八调节阀、CV9为第九调节阀、CV10为第十调节阀、PV1为第一气动阀、PV2为第二气动阀、PV3为第三气动阀、PV4为第四气动阀、液氢储罐TANK3、V1为阀门、FLOW1为流量计、C1为压缩机、OIL1为油分离器、F1为除尘器、TANK1为氦气缓冲罐、CV1为第一调节阀、CV2为第二调节阀、CV3为第三调节阀、AN1低温纯化器、CA1氦气纯度分析仪。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而并非指示或暗示相对重要性。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种氢液化装置，所述氢液化装置包括氦气***、氢气***、液氮***、液氢存储***和冷箱***，所述氦气***、氢气***、液氮***、液氢存储***分别与冷箱***相连；
所述冷箱***包括第一换热器HEX1、第二换热器HEX2、第三换热器HEX3、第四换热器HEX4、第五换热器HEX5、第六换热器HEX6、第七换热器HEX7、液氮储罐TANK2、氦低温吸附器A1、第一氢气吸附器A2、第二氢气吸附器A3、第一透平膨胀机T1、第二透平膨胀机T2、第四调节阀CV4、第五调节阀CV5、第六调节阀CV6、第七调节阀CV7、第八调节阀CV8、第九调节阀CV9、第十调节阀CV10、第一气动阀PV1、第二气动阀PV2、第三气动阀PV3、第四气动阀PV4以及连接各组件的管路；
所述氦气***的高压出口与第一换热器HEX1的高压氦气通道入口相连，所述第一换热器HEX1的高压氦气通道出口与第二换热器HEX2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A1的入口连接，所述氦低温吸附器A1的出口与第四换热器HEX4的高压氦气通道入口连接，所述第四换热器HEX4的高压氦气通道出口一通过第三气动阀PV3与第六换热器HEX6的高压氦气通道入口连接，出口二通过第六调节阀CV6、第一透平膨胀机T1与第五换热器HEX5的氦气通道入口连接，所述第六换热器HEX6的高压氦气通道出口一通过第四气动阀PV4与第七换热器HEX7的氦气通道入口连接，出口二通过第七调节阀CV7、第二透平膨胀机T2与第七换热器HEX7的氦气通道入口连接，所述第七换热器HEX7的氦气通道出口与第六换热器HEX6的低压氦气通道入口连接，所述第六换热器HEX6的低压氦气通道出口与第五换热器HEX5的氦气通道入口连接，所述第五换热器HEX5的氦气通道出口与第四换热器HEX4的低压氦气通道入口连接，所述第四换热器HEX4的低压氦气通道出口与第一换热器HEX1的低压氦气通道入口连接，所述第一换热器HEX1的低压氦气通道出口与氦气***的低压入口连接；
所述氢气***的出口与第一换热器HEX1的氢气通道入口相连，所述第一换热器HEX1的氢气通道出口与第二换热器HEX2的氢气通道入口连接，所述第二换热器HEX2的氢气通道出口通过依次连接的第四调节阀CV4、第一氢气吸附器A2和第一气动阀PV1与第三换热器HEX3的氢气通道入口连接或者通过依次连接的第五调节阀CV5、第二氢气吸附器A3和第二气动阀PV2与第三换热器HEX3的氢气通道入口连接；所述第三换热器HEX3的氢气通道出口与第四换热器HEX4的氢气通道入口连接，所述第四换热器HEX4的氢气通道出口与第五换热器HEX5的氢气通道入口连接，所述第五换热器HEX5的氢气通道出口与第六换热器HEX6的氢气通道入口连接，所述第六换热器HEX6的氢气通道出口通过第八调节阀CV8与第七换热器HEX7的氢气通道入口连接，所述第七换热器HEX7的氢气通道出口通过第十调节阀CV10与液氢存储***连接；
所述液氮***通过第九调节阀CV9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HEX2的液氮通道入口连接，所述第二换热器HEX2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HEX3的液氮通道入口连接，所述第三换热器HEX3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HEX1的液氮通道入口连接，所述第一换热器HEX1的氮气通道出口排空。
所述液氮***与冷箱***相连，优选地，所述液氮***通过第九调节阀CV9与液氮储罐的第三入口连接；用于为冷箱***提供冷源。
所述氦气***与冷箱***相连，优选地，所述氦气***的高压出口与第一换热器HEX1的高压氦气通道入口相连，用于为冷箱***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。
所述氢气***与冷箱***相连，优选地，所述氢气***的出口与第一换热器HEX1的氢气通道入口相连，用于为冷箱***提供氢气，经过冷箱***降温后获得液氢。
所述液氮***包括外接液氮管网，所述外接液氮管网通过第九调节阀CV9与液氮储罐的第三入口连接。第九调节阀CV9的开度与液氮储罐的液位可以使用PID控制。
所述氢气***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***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HEX1的氢气通道入口相连。
所述液氢存储***包括液氢储罐TANK3，其与冷箱***相连。优选地，所述液氢储罐通过第十调节阀CV10与所述第七换热器HEX7的氢气通道出口连接。
所述氦气***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C1、油分离器OIL1、除尘器F1、氦气缓冲罐TANK1、第一调节阀CV1、第二调节阀CV2和第三调节阀CV3；
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CV1的入口和第二调节阀CV2的入口连接，所述第二调节阀CV2的出口分别与氦气缓冲罐和第三调节阀CV3的入口连接，所述第三调节阀CV3的出口与第一调节阀CV1的出口分别与压缩机的入口相连；
所述氦气纯化单元包括低温纯化器AN1和氦气纯度分析仪CA1，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。
所述压缩机选自含油型压缩机或无油型压缩机；若选自含油型压缩机时，则所述压缩机的出口通过油分离器连接过滤除尘器的入口；若选自无油型压缩机时，则所述压缩机的出口直接连接过滤除尘器的入口。
所述压缩机可以是单台也可以是多台并联，根据需要进行设置。
所述第一调节阀CV1设置的目的主要是调节氦气***的低压压力值，当氦气***的低压压力值过低时，增大第一调节阀CV1的开度，避免超过压缩机功率，同时如果管路出现负压状态，则外界空气容易进入，导致氦气被污染。当氦气***的低压压力值过高时，减小第一调节阀CV1的开度，避免氦气***低压管路超压。
所述第二调节阀CV2设置的目的主要是当压缩机的出口压力过高时，通过PID控制回路调节第二调节阀CV2的开度，将多余的氦气流入氦气缓冲罐。
所述第三调节阀CV3设置的目的主要是当压缩机的出口压力过低时，则需要从氦气缓冲罐中补气，通过PID控制回路调节第三调节阀CV3的开度，将氦气缓冲罐中的氦气流入压缩机的低压侧。
通过第一调节阀CV1、第二调节阀CV2和第三调节阀CV3的联合作用，实现氦气***的高低压的稳定输入和输出。
所述氦气纯度分析仪用于检测氦气体系中氦气的杂质含量，特别是高压侧的氦气的杂质含量，避免存在水蒸气、氮气、油等在低温下固化造成换热器、阀门乃至管道堵塞，引起设备超压的风险。当氦气***中氦气的杂质含量过高时，通过PID控制回路启动低温纯化器对氦气体系中氦气进行纯化处理。
压缩机压缩后的高压氦气从高压管路中流入低温纯化器和氦气纯度分析仪，经过分析和纯化后的低压氦气流入低压管路再次被压缩机压缩。
所述除尘器的出口即为氦气***的高压出口，所述压缩机的入口即为氦气***的低压入口。
所述第六调节阀CV6可以调节流经第一透平膨胀机T1的氦气的流量，保证透平的稳定运转，防止透平超速。
所述第一透平膨胀机T1将高压氦气的压力能通过叶轮旋转转变为叶轮的动能，从而降低氦气的温度跟压力，进而提供77.5K以下的冷量冷源。所述第一透平膨胀机T1的数量可以是单个也可以是多个。
所述第七调节阀CV7可以调节流经第二透平膨胀机T2的氦气的流量，保证透平的稳定运转，防止透平超速。
所述第二透平膨胀机T2将高压氦气的压力能通过叶轮旋转转变为叶轮的动能，从而降低氦气的温度跟压力，进而提供30K以下的冷量冷源。所述第二透平膨胀机的数量可以是单个也可以是多个。
所述第一透平膨胀机T1和所述第二透平膨胀机T2并联设置，更有利于实现压力能的完全利用及透平膨胀机的独立调节，相比于现有技术中采用两个串联的透平膨胀机的预冷循环，由于一级透平膨胀机是膨胀到中压，因此，其不能有效利用气体的压力能，导致效率偏低，且两个透平膨胀机的互相串联，实际运行中增大了对氢液化器性能的影响。
所述第一换热器HEX1为纯气相换热，所述第一换热器HEX1可以实现将高压氦气和氢气的温度降低到80K左右。
所述第二换热器HEX2和所述第三换热器HEX3为热虹吸换热器，所述第二换热器HEX2和所述第三换热器HEX3的设置能够使得被冷却的氢气和氦气的温度进一步降低到77.5K左右，可以实现液氮的冷能的充分利用。
具体地，所述第二换热器HEX2是利用液氮的液位差，实现液氮的驱动，此时第二换热器HEX2的液氮通道内充满液氮，因此，氦气出口处的温度和氢气出口处的温度能够达到略高于液氮的饱和温度，比如77.5K。通过这样的换热器的形式，能够实现液氮的冷能的充分利用。而常规的换热器中由于换热温差的存在，氦气出口处的温度和氢气出口处的温度与液氮存在较大换热温差，液氮的冷能无法充分利用。此外，相比将换热器放置到液氮储罐内部的形式，本发明的第二换热器HEX2更方便进行检修。
具体地，所述第三换热器HEX3是利用液氮的液位差，实现液氮的驱动，此时第三换热器HEX3的液氮通道内充满液氮，因此，氦气出口处的温度和氢气出口处的温度能够达到略高于液氮的饱和温度，比如77.5K。通过这样的换热器的形式，能够实现液氮的冷能的充分利用。而常规的换热器中由于换热温差的存在，氦气出口处的温度和氢气出口处的温度与液氮存在较大换热温差，液氮的冷能无法充分利用。此外，相比将换热器放置到液氮储罐内部的形式，本发明的第三换热器HEX3更方便进行检修。
所述第三换热器HEX3的氢气通道内填充正-仲氢催化转化剂，有利于在第三换热器HEX3内实现等温转化。
所述第四换热器HEX4的氢气通道、第五换热器HEX5的氢气通道、第六换热器HEX6的氢气通道、第七换热器HEX7的氢气通道内均填充正-仲氢催化转化剂，在第四换热器HEX4、第五换热器HEX5、第六换热器HEX6、第七换热器HEX7内氢气被冷氦气冷却，实现氢的连续正仲转化。
所述第八调节阀CV8可以调节氢气管路的流量，实现液氢的第一次降压的作用，此处氢气的温度较高，处于节流制冷效应的区段，自我产生部分冷能。
所述第十调节阀CV10可以实现液氢的第二次节流降压的作用，产生过冷液氢，通过管线流入液氢储罐。
所述第四调节阀CV4和第五调节阀CV5用于切换管路，实现第一氢气吸附器A2和第二氢气吸附器A2中的一个工作一个备用。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种氢液化装置，所述氢液化装置包括氦气***、氢气***、液氮***、液氢存储***和冷箱***，所述氦气***、氢气***、液氮***、液氢存储***分别与冷箱***相连；
所述冷箱***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***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***的低压入口连接；
所述氢气***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***连接；
所述液氮***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。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述氢气***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***相连。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述液氢存储***包括液氢储罐，其与冷箱***相连。
4.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述氦气***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；
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；
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。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述压缩机选自含油型压缩机或无油型压缩机；若选自含油型压缩机时，则所述压缩机的出口通过油分离器连接过滤除尘器的入口；若选自无油型压缩机时，则所述压缩机的出口直接连接过滤除尘器的入口。
6.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述第一透平膨胀机的数量是单个或多个，所述第二透平膨胀机的数量是单个或多个。
7.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述第一换热器为纯气相换热。
8.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述第二换热器和所述第三换热器为热虹吸换热器。
9.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述第三换热器的氢气通道、第四换热器的氢气通道、第五换热器的氢气通道、第六换热器的氢气通道、第七换热器的氢气通道内均填充正-仲氢催化转化剂。
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