[发明专利]基于多级超音速两相膨胀机的氢液化系统及氢液化装置

说明书

本发明提供一种基于多级超音速两相膨胀机的氢液化系统及氢液化装置，基于多级超音速两相膨胀机的氢液化系统包括多个压缩机、多个换热器、多个超音速两相膨胀机以及液氢储罐；预冷管路依次流经至少一个换热器；液化管路依次流经至少一个压缩机、至少一个预冷管路流经的换热器、超音速两相膨胀机，超音速两相膨胀机的出液侧与液氢储罐相连接，超音速两相膨胀机的出气侧流过与预冷管路流经的换热器到达压缩机的进口侧参与液化循环。通过上述方式，本系统通过预冷管路对液化管路进行预冷降温，然后再经过超音速两相膨胀机进一步进行膨胀制冷，使得从压缩机侧进入的气态氢气被层级液化为液态，进而被液氢储罐进行存储。

技术领域

本发明涉及氢液化技术领域，尤其涉及一种基于多级超音速两相膨胀机的氢液化系统及氢液化装置。

背景技术

随着化石能源大规模开发和利用，二氧化碳大量排放带来的环境问题已成为全球共同的挑战。为实现“2030年碳达峰、2060年碳中和”的目标，绿色清洁能源的开发利用成为重要的研究方向。氢能作为一种高效、热值高、可再生的清洁能源，将在未来改善能源结构、推动能源革命、实现节能减排中发挥重要作用。储运是氢能应用的重要关键，目前国内以高压气氢为主的储运方式难以满足未来氢能源高便捷性、低成本的要求，液氢在氢气储存和长距离运输中具有重大经济优势，是未来氢能源大规模应用的重要解决方案。

按制冷方式划分，氢液化循环主要有：预冷型Linde-Hampson循环、预冷型Claude循环和氦制冷的氢液化循环；改进的氢液化循环主要有：氮预冷循环、氦预冷循环、Joule-Brayton预冷循环、混合制冷剂预冷循环、LNG预冷循环和级联循环等。但目前的氢液化系统普遍存在能耗大、流程复杂等问题，采用透平膨胀机作为膨胀降温装置，存在高速旋转的机械运动部件对安全运行带来挑战；并且透平膨胀机结构复杂、加工难度大；此外透平膨胀机在工作时不能携液，否则会造成叶片损坏等严重问题。

发明内容

本发明实施例提供一种基于多级超音速两相膨胀机的氢液化系统，用以解决现有技术中氢液化系统结构复杂、运行安全性不高且能耗高的技术问题。

本发明实施例提供一种基于多级超音速两相膨胀机的氢液化系统，包括：多个压缩机、多个换热器、多个超音速两相膨胀机以及液氢储罐；

预冷管路，依次流经至少一个所述换热器；

液化管路，依次流经至少一个所述压缩机、至少一个所述预冷管路流经的所述换热器、所述超音速两相膨胀机，所述超音速两相膨胀机的出液侧与所述液氢储罐相连接，所述超音速两相膨胀机的出气侧流过与所述预冷管路流经的所述换热器到达所述压缩机的进口侧参与液化循环。

根据本发明一个实施例的基于多级超音速两相膨胀机的氢液化系统，所述压缩机包括第一压缩机和第二压缩机，所述换热器包括第一换热器和第二换热器，所述超音速两相膨胀机包括第一超音速两相膨胀机和第二超音速两相膨胀机；

所述液化管路依次流经所述第一压缩机、所述第二压缩机、所述第一换热器、所述第二换热器至所述第一超音速两相膨胀机；所述预冷管路依次流经所述第二换热器和所述第一换热器。

根据本发明一个实施例的基于多级超音速两相膨胀机的氢液化系统，所述预冷管路中的制冷工质为液氮，液氮经所述第二换热器和所述第一换热器依次换热。

根据本发明一个实施例的基于多级超音速两相膨胀机的氢液化系统，所述第一超音速两相膨胀机的出液侧和所述第二超音速两相膨胀机的出液侧汇合并流至所述液氢储罐；

所述第一超音速两相膨胀机的出气侧传输至所述第二超音速两相膨胀机的进气侧。

根据本发明一个实施例的基于多级超音速两相膨胀机的氢液化系统，所述第二超音速两相膨胀机的出气侧连接有节流阀和气液分离器，所述气液分离器一端与所述液氢储罐相连接，另一端与所述第二换热器相连接。