[发明专利]一种液氢冷能梯级利用系统和方法

说明书

本发明涉及能源转化、冷量回收的技术领域，并提供了一种液氢冷能梯级利用系统和方法，该系统包括增压设备、冷能利用单元和管路单元。增压设备与冷能利用单元连接，以用于将常压液氢增压至高压液氢并通过管路单元进入冷能利用单元；冷能利用单元设有多个，包括与增压设备连接用于将高压液氢转变为高压氢气的初级冷能利用单元，以及多个次级冷能利用单元；初级冷能利用单元和多个次级冷能利用单元依次连接，用于阶梯式地回收低温高压氢气的冷量并应用于相应的场景，通过设置多个冷能利用单元实现多温区的液氢冷能利用场景，使氢气冷能梯级利用，减小换热温差，减少不可逆损失。

技术领域

本发明涉及能源转化、冷量回收的技术领域，特别涉及一种液氢冷能梯级利用系统和方法。

背景技术

液氢作为氢能应用领域的重要组成部分，其体积能量密度(8.5MJ/L)是15MPa气氢的6.5倍，是理想的可再生能源，成为弃电消纳、进行大规模储能载体。但氢气液化温度较低(～20K)决定了其液化难度大，液化过程所耗费的能量代价大。通过热力学对的定义可得出，物质温度越低，其冷量越大，温度趋于0K，其蕴藏的冷量趋于无穷大，冷量品质极高。以298.15K，0.1MPa为参考状态，298.15K，0.1MPa的液氢冷量高达14MJ/kg。因此，通过对液氢冷能的回收再利用，对于提高能量综合利用效率具有重要意义。

目前，关于液氢冷量的回收利用，主要局限在应用场景单一，比如当需要用于冷库、制取干冰等场景时，通过换热器换热，利用载冷工质将液氢冷量应用到相应场景。而单一的应用场景导致换热温区较窄，缺点在于换热温差大，不可逆损失大；或是出口氢气温度仍较低，冷量利用不充分，造成效率较低。另外，温区越低，冷量占液氢总的比值相对越大。若在接近液氢温区无合适应用场景，则在低温温区因温差带来的不可逆损失是制约整体冷能利用效率的主要因素之一。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中液氢冷能利用的效率低下的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种液氢冷能梯级利用系统，其包括：增压设备，其用于将常压液氢增压至高压液氢；冷能利用单元，其设置有多个，包括与所述增压设备连接用于将高压液氢转变为高压氢气的初级冷能利用单元，以及多个次级冷能利用单元；所述初级冷能利用单元和多个所述次级冷能利用单元依次连接，用于阶梯式地回收低温高压氢气的冷量并应用于相应的场景；管路单元，与所述增压设备和多个所述冷能利用单元连接以用于输送液氢或氢气。

可选地，所述初级冷能利用单元为氮气液化单元，所述次级冷能利用单元包括依次连接的制干冰单元、冷库单元和空调单元。

可选地，所述氮气液化单元包括氮气液化换热器、氮气液化换热器氮气工质进口和氮气液化换热器液氮工质出口；所述制干冰单元包括制干冰换热器、制干冰换热器载冷工质进口和制干冰换热器载冷工质出口；所述冷库单元包括冷库换热器、冷库换热器载冷工质进口和冷库换热器载冷工质出口；所述空调单元包括空调换热器、空调换热器载冷工质进口和空调换热器载冷工质出口。

可选地，所述氮气液化换热器的载冷工质用于将高压液氢换热后气化为所述高压氢气，所述制干冰换热器、所述冷库换热器和所述空调换热器的载冷工质用于将所述高压氢气换热后升温以实现阶梯式地收集所述高压氢气的冷量。

可选地，所述管路单元包括与所述增压设备连接的前管、用于连接所述增压设备和所述氮气液化单元的液氢进口管路、用于连接所述氮气液化单元和所述制干冰单元的第一氢气管路、用于连接所述制干冰单元和所述冷库单元的第二氢气管路、用于连接所述冷库单元和所述空调单元的第三氢气管路、与所述空调单元连接的常温常压氢气用户端连接管路。

可选地，该液氢冷能梯级利用系统还包括与所述空调单元连接的一级透平膨胀机，所述管路单元还包括第一回路，所述第一回路包括用于使得高压氢气自所述空调单元进入所述一级透平膨胀机的第一氢气进口管路和用于使得氢气自所述一级透平膨胀机排出进入所述空调单元的第一排气再热管路。