[发明专利]等压放热与等容复热过程耦合热力升压储供氢系统及方法

权利要求书

1.一种等压放热与等容复热过程耦合热力升压储/供氢系统，其特征是该循环系统包括水平阵列排布的储/供氢罐，氢罐内置铝制双程翅片管换热器，氢罐数量根据需要而定，所有氢罐及其内置换热器构造相同、可以互换，氢罐上的接口与低温液氢总管、高压供氢总管、循环补充氢总管、氢膨胀机进口总管及换热器连通管的连接方式也对应相同；

低温液氢总管、高压供氢总管、循环补充氢总管、氢膨胀机进口总管各自为一个闭环回路，通过自动控制阀组执行每一个氢罐与各总管接通/断开的状态切换、由此进行氢罐操作周期切换以及氢罐动态分区，调控相关自动阀门开或闭的幅度及速度配合，以使系统内连接氢膨胀机、气液分离器和氢压缩机的管道内保持稳态流动；

氢罐内置铝制双程翅片管换热器有效传热面积与氢罐储氢容积之比≥200 m²/m³、与氢罐内表面积之比≥20 m²/m²，任一氢罐经历从常温降至液氢低温区后又复热升温至常温的串联耦合热力转换过程历时不超过2小时，通过氢罐表面的传热量小于罐内换热器传热负荷的5%，氢罐无绝热保冷层。

2.一种等压放热与等容复热过程耦合热力升压储/供氢的方法，其特征是通过自动控制阀组使热力升压储/供氢系统内水平阵列排布的所有氢罐循环遍历以下各种动态分区操作过程：

动态空罐冷却区，包括12~24个氢罐，与每个氢罐连接的翅片换热器出口截止阀开启、出口换向阀与连通管连通、入口换向阀也与连通管连通、进/出口截止阀关闭，由此形成低温循环氢气通过翅片换热器管内强制对流吸热冷却氢罐的动态空罐冷却区；至一个动态空罐冷却周期5~30分钟的终点时刻，该区离低温循环氢气接入点最近的氢罐内温已降至≤38K、启动切换程序即该罐退出该区而进入液氢充注区、顺低温循环氢气流下游最靠近该罐的一罐自动替代该罐的阀门连接状态而成为新的离低温循环氢气最近的氢罐、同时原排在该罐区下游离低温循环氢气接入点最远一罐之后的一个常温空罐自动替代原最远一罐的阀门连接状态而成为新最远一罐，由此从新的离低温循环氢气最近的氢罐到新的最远一罐、开始一个新的动态空罐冷却周期；

动态充注液氢区，包括氢罐的个数根据需要而定，该区内所有氢罐的双程翅片管换热器出口截止阀始终关闭、进口换向阀和出口换向阀始终与翅片换热器连通管连通，空罐温度≤38K、罐内保留氢气压力≤0.5MPa，在任一充注液氢周期内至少有一个氢罐的进/出口截止阀开启、与之相连的换向阀使该氢罐充注空间与低温液氢总管连通、接受从气液分离器底部输送来的、压力比空罐内保留氢气压力高0.05~0.1MPa的液氢，在一个动态充注周期5~30分钟的终点时刻充满该罐、关闭该罐截止阀的同时开启另一个待充液氢罐的截止阀，开始一个新的动态充注液氢周期；

氢罐等压放热/等容复热过程耦合动态传热区，包括12~24个已充注低温液氢的氢罐，所有氢罐进/出口截止阀均关闭、换热器出口截止阀均开启，离循环及补充氢接入点最近的氢罐换热器进口换向阀使该进口与循环及补充氢总管连通、使输送来的预加压3~6MPa常温303K的循环及补充氢气进入该罐换热器、顺序串联流经该区所有氢罐的翅片管双程换热器直至离循环及补充氢接入点最远的氢罐换热器出口、通过与膨胀机进口总管连通的换向阀进入膨胀机，该区内其余氢罐换热器进口及出口换向阀均与连通管连通构成循环及补充氢串联流程、流经该区所有翅片管内等压放热、使管外低温氢在氢罐内自然对流等容复热，管内等压放热的循环及补充氢沿串联流动方向温度递降、罐内等容复热的低温氢则沿与之逆流的方向温度递升，至一个等压放热/等容复热动态传热周期5~30分钟终点时刻，最先接入预压缩常温氢气的罐内自然对流等容复热的氢气温升至比接入的预压缩常温氢气温度低10~50K、罐内相应达到≥55MPa的储氢压力，启动切换程序即该罐退出该区而进入高压供氢罐区、顺循环及补充氢气流下游最靠近该罐的一个罐自动替代该罐的阀门连接与开启状态而成为新的预压缩常温氢气接入罐、同时使紧邻原离补充氢接入点最远的氢罐之后一个充满低温液氢的罐自动替代原罐的阀门连接与开启状态而成为新的与膨胀机进口总管连通的罐，由此从新的预压缩常温氢气接入罐到新的膨胀机进口总管连通罐、开始一个新的动态传热区周期；

高压供氢罐区，经过等容升温复热升压至常温高压55~90MPa的储氢罐进入该罐区、氢罐数量根据需要而定，供氢量1.0~40.0kg/min、供氢压力1.0~90MPa；调控该区内阀门开闭状态，实现单罐对外供氢和多罐同时对外供氢，单罐供氢时该罐的进/出口截止阀开启并通过换向阀与高压供氢总管连通、供氢区内其它罐的进/出口截止阀关闭，多罐供氢时所有供氢罐的进/出口阀门均开启并与高压供氢总管连通；供氢罐区内所有氢罐的翅片换热器出口截止阀关闭、换热器进口换向阀及出口换向阀与连通管连通；采取单罐与多罐组合，实现压力递增式梯级供氢方式，即供氢罐区内多罐组合的12~24个储氢罐、各罐内保有氢气压力按从低到高的顺序从2MPa递增至90MPa、通过自动控制阀门开闭状态切换供氢罐使其正在对外供氢压力与正在受氢容器内氢气压力之比在1.1~1.5范围之内，从而确保任何时刻受氢容器内因氢气压缩产生的温升20K；任何时刻当正在供氢罐内的压力下降至罐内保留氢气规定值≥1.0MPa时、该罐停止供氢并关闭截止阀，随之该罐作为空罐退出高压供氢罐区、进入动态空罐冷却区排队；

通过氢膨胀机进口总管进入氢膨胀机的循环与补充氢气压力3~6MPa、温度≤40K，通过膨胀机做功后压力下降至0.3~0.8MPa、温度26~30K、液/气质量比≥3/2，通过气液分离器分离后，液氢由低温液氢总管输送到氢罐充注液氢区、氢气作为低温循环氢气输送到动态空罐冷却区、通过翅片换热器连通管串联流过动态空罐冷却区内所有氢罐的双程翅片管换热器管内强制对流传热吸取空罐的热量至该区的最后一个换热器出口其温度升至比该空罐平均温度低8~15K、离开该罐后等压汇合补充氢气的质量流量与充注液氢相同，汇合后的循环与补充氢气进入氢气压缩机预加压到3~6MPa、通过冷却器等压降温至≤303K、通过循环与补充氢气总管输送到等压放热/等容复热传热区串联通过12~24个换热器管内等压放热降温至≤40K、通过氢膨胀机进口总管进入氢膨胀机膨胀做功，由此构成循环与补充氢气预加压并冷却至273~303K常温后等压放热降温至50K低温及膨胀液化、再折返等容复热至常温的过程耦合热力升压循环。