CN115899548A - 一种高效节能的液氢接收储存系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效节能的液氢接收储存系统。所述液氢接收储存系统包括卸料臂、液氢储罐、增压外输泵和气化器；卸料臂通过卸料总管与液氢储罐的液相入口连接，液氢储存罐的液相出口与增压外输泵连接，增压外输泵的出口与气化器连接，气化器连接下游用户，且连接管路上设有计量分析装置；液氢储罐的气相出口连接BOG总管。本发明全面系统地构建了具备液氢接卸、储存、增压气化、蒸发气处理及安全泄放等多功能的工艺流程，该工艺系统可满足氢的安全储运与利用，可用于液氢接收站的建设，为国际化的氢能供应链的构建奠定基础，并有效丰富氢能“制‑储‑运‑用”的产业链建设内容。
Description
技术领域
本发明涉及一种高效节能的液氢接收储存系统，属于液氢储运及利用技术领域。
背景技术
在“双碳”目标的指引下，氢能逐渐成为能源革命的关注热点，围绕氢能“制-储-输-用”全链条的各项技术也得到重点发展。全球氢气供应链逐步形成，液氢接收站的构建成为亟待探究的课题。
当前氢能相关的研究基本是分散于氢制取、液氢或气态氢储存技、液氢加注、氢能利用等各环节技术及设备设施的研制，尚无关于液氢接收储存及利用的全流程多功能系统的研究。为此，需要提供一种可实现安全、高效液氢接收储存及利用的系统，可用于液氢接收站的建设。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效节能的液氢接收储存系统，能够实现液氢的安全接卸、储存、气化、蒸发气处理、液态外输功能，全面系统的为液氢安全储运及利用提供了整体流程，可用于液氢接收站的建设。
本发明提供的液氢接收储存系统，包括卸料臂、液氢储罐、增压外输泵和气化器；
所述卸料臂通过卸料总管与所述液氢储罐的液相入口连接，所述液氢储存罐的液相出口与所述增压外输泵连接，所述增压外输泵的出口与所述气化器连接，所述气化器连接下游用户，且连接管路上设有计量分析装置，在计量管路上设有压力变送器、温度变送器，监测外输氢气的状态，并将控制信号送到工艺控制系统。另外，还配置有连续气相色谱仪检测输出气体的组成、热值、Wobbe指数、比重和密度；
所述液氢储罐的气相出口连接BOG总管。
上述的液氢接收储存系统中，所述增压外输泵的出口还与仲正氢转换气化器连接，所述仲正氢转换气化器的出口连接至下游用户，所述仲正氢转换气化器与储能系统连接，用于储存仲正氢转换和液氢气化过程中释放的冷能；
所述气化器与所述仲正氢转换气化器的入口管线上均设有流量调节阀。
上述的液氢接收储存系统中，所述储能系统与制冷机连接，所述制冷机设于所述液氢储罐的顶部，用于将所述液氢储罐中的BOG再冷凝。
上述的液氢接收储存系统中，所述液氢储罐的液相出口还与液态外输泵连接；
所述液态外输泵与液氢装车设备连接。
上述的液氢接收储存系统中，所述液氢储罐的液相出口还与保冷循环泵连接；
所述保冷循环泵与所述卸料总管连接，如此设置，所述保冷循环泵从所述液氢储罐抽出低温液氢，在非卸船工况时，通过码头保冷循环管道将其输送至码头的所述卸料总管的末端，再经所述卸料总管返回所述液氢储罐，使得卸料管道维持冷态。
在无气态外输的工况下，所述保冷循环泵将低温液氢输送至所述增压外输泵、所述气化器和所述仲正氢转换气化器的入口管道，再经工艺保冷循环管道返回至所述液氢储罐，形成液氢的循环，使得保持外输设备及相关液氢管道为冷态；
在无液态外输的工况下，所述保冷循环泵将低温液氢输送至所述液态外输泵和所述液氢装车设备的入口管道，再经工艺保冷循环管道返回至所述液氢储罐，形成液氢的循环，使得保持外输设备及相关液氢管道为冷态。
上述的液氢接收储存系统中，所述保冷循环泵还与所述液氢装车设备入口管道连接，
所述保冷循环泵还与所述增压外输泵的入口管道连接，所述增压外输泵入口管道与出口管道通过保冷循环用跨接管道连接，所述增压外输泵出口管道通过工艺保冷循环管道与所述液氢储罐连接；
所述保冷循环用跨接管道为双向流，可用于所述增压外输泵启停时的回流操作；
所述液氢装车设备的入口管道与所述液氢储罐连接。
液氢操作温度约-254～-244℃，会不断产生蒸发气(BOG)，为此设置了BOG处理系统。具体地有两种处理方式，一种是利用氢气压缩机组将蒸发气加压计量后供应给下游用户，完成BOG的直接外输处理：所述BOG总管连接BOG压缩机组，所述BOG压缩机组的出口连接下游用户；
所述BOG压缩机组设有0-25％-50％-75％-100％多级负荷调节功能，可实现流量逐级调节，以控制储罐的压力调节。
上述的液氢接收储存系统中，所述BOG总管与返气管线连接，可在卸船时实现BOG从所述液氢储罐返回船舱；
所述液氢装车设备与所述BOG总管连接；
所述BOG总管上连接安全泄放系统，当BOG处理系统无法满足BOG处理需求，所述液氢储罐压力升高的情况下，BOG经过所述安全泄放系统排放，所述安全泄放系统的压力控制阀自动打开，BOG经分液罐后由火炬或放空筒排放，火炬与放空筒排放为一用一备，从而实现系统的泄压。此外，可在所述BOG总管上设置7-6对空泄压排放口，用于紧急情况下的超压泄放。
上述的液氢接收储存系统中，所述液氢储罐上设有工艺状态监控系统，用于对所述液氢储罐的液位、温度和压力进行监测及控制保护，其中，液位具备高低液位自动保护动作设置：当液位过高时，可联锁自动停止进料，防止所述液氢储罐液位进一步升高；当液位过低时，会自动联锁，将所述保冷循环泵和/或所述增压外输泵和/或液态外输泵停机，防止泵气蚀损坏。
本发明液氢接收储存系统还配合8个主功能系统，提供全系统性的水、氮气、空气、燃料气、电力等的供应，以满足主功能系统正常运行及检维修的需求，主要包括生活用水和工业用水、氮气及其分配系统、仪表空气和工厂空气的生产及分配系统、燃料气系统、电力系统、消防系统、置换系统等。生活用水和工业用水系统即主要供应厂区内人员生活及生产过程中的用水需求；氮气及其分配系统起到氮气制取及分配功能，满足厂区内的运行及检维修时吹扫操作所需氮气供应需求；仪表空气和工厂空气的生产及分配系统是向厂区的气动阀门及吹扫等操作供应所需的空气；燃料气系统，全厂燃料气供应，如向火炬长明灯供应燃料气等；电力系统，为全厂用电设备供电，应急发电设备包含在本系统中；消防系统，为全厂提供消防服务；置换系统，厂区内检维修后恢复生产前，或卸船、装车操作前后，利用氢气将相关管道和/或设备进行氢气置换，置换气体通过火炬或放空筒排放，防止液氢产品污染，以及避免系统发生冻堵。
本发明全面系统地构建了具备液氢接卸、储存、增压气化、蒸发气处理及安全泄放等多功能的工艺流程，该工艺系统可满足氢的安全储运与利用，可用于液氢接收站的建设，为国际化的氢能供应链的构建奠定基础，并有效丰富氢能“制-储-运-用”的产业链建设内容。
附图说明
图1是本发明高效节能的液氢接收储存系统的示意图。
图中各标记如下：
1-1卸料臂，1-2回气臂，1-3卸料取样分析装置，1-4卸料总管，1-5返气管道；2-1液氢储罐，2-2储罐工艺状态监控系统；3-1保冷循环泵，3-2码头保冷循环管道，3-3外输保冷循环管道；4-1增压外输泵，4-2气化器；5取样分析计量装置；6-1BOG压缩机组，6-2BOG总管，6-3储能系统，6-4制冷机；7-1火炬，7-2放空筒，7-3分液罐，7-4压力控制阀，7-5安全阀，7-6对空排放口；8-1液态外输泵，8-2液氢装车设备。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，本发明提供的高效节能的液氢接收储存系统包括：液氢接卸系统、液氢储存系统、保冷循环系统、增压气化系统、蒸发气处理系统、计量系统、安全泄放系统、液态外输系统以及其他辅助系统。
如图1所示，液氢接卸系统包括：卸料臂1-1、回气臂1-2、卸料取样分析装置1-3，卸料总管1-4、返气管道1-5；液氢储存系统包括：液氢储罐2-1、储罐工艺状态监控系统2-2；保冷循环系统包括：保冷循环泵3-1、码头保冷循环管道3-2、外输保冷循环管道3-3；增压气化系统包括：增压外输泵4-1、气化器4-2、仲正氢转换气化器4-3及设备间的连接管道；计量系统包括：取样分析计量5；蒸发气处理系统包括：BOG压缩机组6-1、BOG总管6-2、储能系统6-3、制冷机6-4；安全泄放系统包括：火炬7-1、放空筒7-2、分液罐7-3、压力控制阀7-4、安全阀7-5、对空排放口7-6及相关管道；液态外输系统包括：液态外输泵8-1、液氢装车设备8-2。其他辅助系统包括：生活用水和工业用水系统、氮气及其分配系统、仪表空气和工厂空气的生产及分配系统、燃料气系统、电力系统、消防系统、置换系统等。
如图1所示，液氢接卸系统是通过卸料臂1-1、回气臂1-2等设备及卸料管线将船载液氢输送至液氢储罐内，具体为：液氢运输船到达卸船码头后，液氢通过运输船上的输送泵，经卸料臂1-1通过卸料总管1-4输送到液氢储罐2-1。卸料总管1-4上设置了卸料取样分析装置1-3，可检测液氢的质量。返气管线1-5直接接入BOG总管6-3和液氢储罐气相空间，卸船期间液氢进入液氢储罐2-1后置换出蒸发气(BOG)，BOG通过返气管道1-5，再经回气臂1-2送回运输船的液氢储舱中，以维持系统的压力平衡。
如图1所示，液氢储存系统是采用液氢储罐2-1实现低温液氢的储存，液氢储罐2-1为承压能力可达0.6MPaG的球形罐，储罐的气相接口到BOG总管6-3。液氢储罐2-1设有储罐工艺状态监控系统2-2，全面对储罐的液位、温度、压力参数进行监测及控制保护，其中液位具备高低液位自动保护动作设置：当液位过高时，可联锁自动停止进料，防止储罐液位进一步升高；当液位过低时，会自动联锁将保冷循环泵3-1、增压外输泵4-1、液态外输泵8-1停机，防止泵气蚀损坏。
如图1所示，保冷循环系统用于解决低温液相管道无流动工况下的管道升温问题，具体为：保冷循环泵3-1从液氢储罐2-1抽出低温液氢，在非卸船工况时，通过码头保冷循环管道3-2将其输送至码头的卸料总管1-4末端，再经卸料总管1-4返回储罐，使得卸料管道维持冷态；在无气态外输的工况下，保冷循环泵3-1将低温液氢输送至增压外输泵4-1及气化器4-2和仲正氢转换气化器4-3的入口管道，再经外输保冷循环管道3-3返回至液氢储罐2-1，形成液氢的循环，使得保持外输设备及相关液氢管道为冷态；在无液态外输的工况下，保冷循环泵3-1将低温液氢输送至液态外输泵8-1及液氢装车设备8-2的入口管道，再经外输保冷循环管道3-3返回至液氢储罐2-1，形成液氢的循环，使得保持外输设备及相关液氢管道为冷态。
如图1所示，增压气化系统主要通过增压外输泵及气化器实现液氢的增压及气化，具体为：根据下游氢气用户需求，增压外输泵4-1将从液氢储罐2-1中抽取的液氢进行增压。增压后的液氢输送至气化器4-2，液氢在气化器4-2中通过与周围环境的换热，或输送至仲正氢转换气化器4-3，利用储能系统换热，气化为氢气。气化器4-2和仲正氢转换气化器4-3的入口管线上设有流量调节阀，用以控制气化器出口气体的温度。
如图1所示，计量系统的作用是对外输气体的状况进行监控，并精确地记录输出气体的数量。由取样分析计量装置5实现外输氢气流量的监测与记录；在计量管路上设有压力变送器、温度变送器，监测外输氢气的状态，并将控制信号送到工艺控制系统。另外，还配置有连续气相色谱仪检测输出气体的组成、热值、Wobbe指数、比重和密度。
如图1所示，蒸发气处理系统是用于外界能量输入引起的低温液氢气化产生的蒸发气(BOG)的处理，以维持系统压力在正常运行要求范围内。气相空间的BOG通过BOG总管6-3连接至BOG压缩机组6-1增压至下游用户要求，直接输送至计量系统，最终进入下游气态外输管道。BOG压缩机组6-1设有0-25％-50％-75％-100％多级负荷调节功能，可实现流量逐级调节，以控制储罐的压力调节。BOG总管6-3除了与BOG压缩机组6-1入口连接，实现BOG输送至BOG处理装置；BOG总管6-3还与返气管线1-5、安全泄放系统相连，一方面可在卸船时实现BOG从储罐返回船舱；另一方面，当BOG处理系统无法满足BOG处理需求，储罐压力升高的情况下，BOG经过安全泄放系统排放。或利用储能系统将仲正氢转换气化器4-3的冷能进行存储，然后将冷能送至制冷机6-5，用于将液氢储罐2-1中的BOG再冷凝。
如图1所示，安全泄放系统用于实现系统的超压排放。全系统内的低温管道及液氢设备设置有安全阀7-5，并通过放空管线连接至液氢储罐2-1，即放空总管与液氢储罐气相空间联通，该空间提供了一个缓冲空间，保持放空管线的压力稳定，同时可减少由于泄放造成的物料损失。当BOG处理系统无法维持该空间压力在正常压力范围要求，系统超压时，安全泄放系统的压力控制阀7-4自动打开，BOG经分液罐7-3后由火炬7-1或放空筒7-2排放，火炬7-1与放空筒7-2排放为一用一备，从而实现系统的泄压。此外，在BOG总管6-5上设置了7-6对空泄压排放口，用于紧急情况下的超压泄放。
如图1所示，液态外输系统用于实现系统的槽车外输功能，具体为：液态外输泵8-1将从液氢储罐2-1中抽取的液氢进行增压，增压后的液氢输通过液氢装车设备8-2送至槽车。利用装车返气管道将液氢槽车与液氢接收站BOG系统联通，装车过程中产生的BOG返回至液氢接收站进行处理，以维持系统的压力平衡。
其他辅助系统是配合以上8个主功能系统，提供全系统性的水、氮气、空气、燃料气、电力等的供应，以满足主功能系统正常运行及检维修的需求，主要包括生活用水和工业用水、氮气及其分配系统、仪表空气和工厂空气的生产及分配系统、燃料气系统、电力系统、消防系统、置换系统等。生活用水和工业用水系统即主要供应厂区内人员生活及生产过程中的用水需求；氮气及其分配系统起到氮气制取及分配功能，满足厂区内的运行及检维修时吹扫操作所需氮气供应需求；仪表空气和工厂空气的生产及分配系统是向厂区的气动阀门及吹扫等操作供应所需的空气；燃料气系统，全厂燃料气供应，如向火炬长明灯供应燃料气等；电力系统，为全厂用电设备供电，应急发电设备包含在本系统中；消防系统，为全厂提供消防服务；置换系统，厂区内检维修后恢复生产前，或者卸船、装车操作前后，利用氢气将相关管道和/或设备进行氢气置换，置换气体通过火炬或放空筒排放，防止液氢产品污染，以及避免系统发生冻堵。
Claims (10)
1.一种液氢接收储存系统，包括卸料臂、液氢储罐、增压外输泵和气化器；
所述卸料臂通过卸料总管与所述液氢储罐的液相入口连接，所述液氢储存罐的液相出口与所述增压外输泵连接，所述增压外输泵的出口与所述气化器连接，所述气化器连接下游用户，且连接管路上设有计量分析装置；
所述液氢储罐的气相出口连接BOG总管。
2.根据权利要求1所述的液氢接收储存系统，其特征在于：所述增压外输泵的出口还与仲正氢转换气化器连接，所述仲正氢转换气化器的出口连接至下游用户，所述仲正氢转换气化器与储能系统连接，用于储存仲正氢转换和液氢气化过程中释放的冷能；
所述气化器与所述仲正氢转换气化器的入口管线上均设有流量调节阀。
3.根据权利要求2所述的液氢接收储存系统，其特征在于：所述储能系统与制冷机连接，所述制冷机设于所述液氢储罐的顶部，用于将所述液氢储罐中的BOG再冷凝。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的液氢接收储存系统，其特征在于：所述液氢储罐的液相出口还与液态外输泵连接；
所述液态外输泵与液氢装车设备连接。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的液氢接收储存系统，其特征在于：所述液氢储罐的液相出口还与保冷循环泵连接；
所述保冷循环泵与所述卸料总管连接。
6.根据权利要求5所述的液氢接收储存系统，其特征在于：所述保冷循环泵还与所述液氢装车设备入口管道连接；
所述保冷循环泵还与所述增压外输泵入口管道连接，所述增压外输泵入口管道与出口管道通过保冷循环用跨接管道连接，所述增压外输泵出口管道通过工艺保冷循环管道与所述液氢储罐连接；
所述保冷循环用跨接管道为双向流，可用于所述增压外输泵启停时的回流操作；
所述液氢装车设备的入口管道与所述液氢储罐连接。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的液氢接收储存系统，其特征在于：所述BOG总管连接BOG压缩机组，所述BOG压缩机组的出口连接下游用户。
8.根据权利要求7所述的液氢接收储存系统，其特征在于：所述BOG压缩机组的出口与下游用户连接。
9.根据权利要求7或8所述的液氢接收储存系统，其特征在于：所述BOG总管与返气管线连接；
所述液氢装车设备与所述BOG总管连接；
所述BOG总管上连接安全泄放系统。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的液氢接收储存系统，其特征在于：所述液氢储罐上设有工艺状态监控系统，用于对所述液氢储罐的液位、温度和压力进行监测及控制保护，其中，液位具备高低液位自动保护动作设置：当液位过高时，可联锁自动停止进料，防止所述液氢储罐液位进一步升高；当液位过低时，会自动联锁，将所述保冷循环泵和/或所述增压外输泵停机，防止泵气蚀损坏。
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|---|---|---|---|---|
| CN116906825A (zh) * | 2023-07-17 | 2023-10-20 | 青岛安泰科气体有限公司 | 一种无排放氢气燃料供应系统 |
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| CN113776372A (zh) * | 2021-11-12 | 2021-12-10 | 北京大臻科技有限公司 | 一种基于正仲氢转化的常温蓄冷装置、蓄冷方法及取冷方法 |
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2022
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