某氦制冷氢液化主体设备的热力学分析

郑平军 安 刚

(北京航天试验技术研究所 北京 100074)

1 引 言

随着化石能源的短缺和制氢技术的发展，人类对氢能的开发和利用越来越广泛。液氢作为氢气的一种储存和利用方式，当前主要用作运载火箭的推进剂，在不久的将来，可能成为飞机、汽车甚至家用燃料。本文重点对液氢生产设备进行研究，该设备是一套氦制冷氢液化循环系统，整套系统主要由氦压缩机系统和真空绝热冷箱组成。在冷箱中，氢液化过程中所需的冷量主要由氦气布雷顿制冷循环和液氮预冷过程提供。布雷顿制冷循环中，氦作为制冷工质，在膨胀机中获得氢液化的温度，通过板翅式换热器使氢液化。整个氢液化循环可分为两个流程:氦制冷循环流程和氢液化流程，如图1所示，表1中示出了本套氢液化设备的主要技术参数。

氦制冷循环是一个封闭过程。压缩到15×105Pa左右的氦气经换热器E1，E2及E3冷却后，在膨胀机中膨胀至能使氢液化的温度，然后经换热器E4、E3和E1复热后返回氦压缩机。

氢液化流程:如图1所示，压力为11×105Pa左右的氢气首先从常温降温至81 K，降温过程中液氮通过调节阀进入冷箱内部的气液分离器，气液分离器底部的液氮流经换热器E2，在换热器E2中氢气被冷却至约81 K。吸热蒸发后的氮气在换热器E1中将氢气和氦气来流气体进行预冷。

图1 氦制冷氢液化系统流程示意图Fig.1 Schematic diagram of helium refrigeration hydrogen liquefier system

氢气从81 K冷却至19.5 K的冷量由氦气布雷顿制冷循环提供，在换热器E4中被氦气冷凝后，节流进入100 m3液氢贮罐，未液化的氢气复热后返回氢压缩机。氢冷却过程中采用多级催化剂，使得正氢在不同温度级向仲氢转化。

表1 氢液化主体设备的主要技术参数Table 1 Main technology parameter of hydrogen liquefier system

为了从能量的数量和品质方面评价该氢液化系统能量利用或转换的效率，研究采用火用分析方法对该氢液化系统的能量转换和利用效率进行分析，找出该装置中能量利用率不高的部位，从而为设计新装置或改进现有设备提供重要的参考［1］。

液化系统中的能量损失不仅存在于液化器本身，例如压缩机或者透平膨胀机不可逆损失，换热器的漏冷损失等，而且同样发生在液氢的转运过程中。本文结合液化工艺流程，仅对从氢气供应到氢液化及液氢转注到贮罐的生产工艺过程进行火用分析［2］。

2 系统热力学分析模型建立

热力学关心的是能量转换的经济性，即花费一定的补偿能，可以收到多少制冷量［3］。为了对实际运行过程中的一套氢液化设备进行热力学分析，本文从理论循环和实际循环两个循环过程对该系统进行分析。

2.1 理想过程分析

布雷顿(Brayton)制冷循环是以气体为工质的制冷循环，其工作过程包括等熵压缩，等压冷却，等熵膨胀及等压吸热4个过程。

理论循环中，假定压缩过程和膨胀过程均为理想绝热过程，吸热和放热均为理想等压过程(即没有压力损失)，并且换热器出口处没有端部温差。其压容图及温熵图如图2所示。图中T0是冷箱中制冷温度，Tc是环境介质的温度，1－2是等熵压缩过程，2－3是等压冷却过程，3－4是等熵膨胀过程，4－1是在冷箱中的等压吸热过程。

图2 布雷顿理论制冷循环压容图及温熵图Fig.2 p-v and T-S diagram of Brayton refrigerate cycle

2.2 实际过程分析

实际上，由于组成液化循环的各过程总是存在不可逆性，如压缩机工作过程的不可逆损失、换热器不完全热交换损失、环境介质传热给低温设备引起的冷量损失和透平膨胀过程中的不可逆损失等等。因此任何一种理论上的理想循环都是不可能实现的。实际运行过程中的氦制冷氢液化系统的T-S图如图3所示［2］。

图3 氦制冷氢液化系统的T-S图Fig.3 T-S diagram of helium refrigeration hydrogen liquefier system

对液化系统进行火用分析，就要从能量的数量和品质两方面对液化系统各个部件进行统一的评价。火用是一个综合考虑了热力学第一定律和第二定律的状态参数，单位质量工质的火用可表示为［3－4］:

式中:h，s分别为某状态下的焓和熵;ha，sa分别为环境状态下的焓和熵。

在计算一个稳态流动过程的火用损失时，需要用到火用差，即:

火用分析法一般通过火用损失系数REx，i和火用损失率di衡量，定义为:

式中:REx，i为部件 i的火用损失 Exl，i占系统总供给火用Exl的比值。

式中:di为部件 i的火用损失 Exl，i占系统总的火用损失比例。

3 系统热力学计算

为便于对系统中各个部件分析方便，计算中基于以下假设［5－6］:

(1)不计液化系统各部件中的漏冷损失;

(2)忽略管道中的压力损失。

根据氦制冷氢液化循环实际运行过程中的状态参数值以及能量平衡方程求出流程中各点的状态参数值见表2－表4。

表2中是氦气制冷循环工艺流程中的各点状态参数值。

表3中为氢气被冷却冷凝过程中的各点状态参数值。

表4中为氢气和氦气预冷过程中所需液氮和氮气的状态参数值。

以下采用式(1)－式(4)逐个分析氢液化系统中各部件的火用损失

3.1 压缩机

氦气首先经压缩机压缩至高温高压，然后在压缩机系统内部的换热器中降温至常温。因此分析过程中将氦气压缩过程近似为等温压缩。螺杆式压缩机等温效率ηT=0.6。

单位质量工质所耗功量:

表2 氦气各点状态参数Table 2 State parameter of each point on helium refrigeration system

表3 氢气各点状态参数Table 3 State parameter of each point on hydrogen pipes

表4 氮气各点状态参数Table 4 State parameter of each point on nitrogen pipes

压缩机压缩单位介质所耗的实际功量:

系统总耗能:

氦气在压缩机内得到的火用值为:

压缩机火用损失:

3.2 换热器E1、E2、液氮槽

以E1、E2、液氮槽整体为研究对象，如图4所示，1、2表示高温氦气进出换热器的状态，6、7表示低温返流氦气进出换热器的状态，a、c表示氢气进出换热器的状态，In、Out分别表示液氮进入换热器的状态、氮气出换热器的状态。

氦气进出换热器火用损为:

图4 换热器E1、E2和液氮槽的火用分析图Fig.4 Exergy Analysis of Exchange E1、E2 and LN2pot

氢气放热火用损为:

液氮吸热火用损为:

3.3 E3换热器

如图5所示，2、3表示高温氦气进出换热器的状态，5、6表示低温返流氦气进出换热器的状态，c、d表示氢气进出换热器的状态。

图5 换热器E3的火用分析图Fig.5 Exergy analysis of exchange E3

氦气进出换热器火用损为:

氢气放热火用损为:

3.4 E4换热器

如图6所示，4、5表示低温返流氦气进出换热器的状态，d、e表示氢气进出换热器的状态。

图6 换热器E4的火用分析图Fig.6 Exergy analysis of exchange E4

氢气进出换热器火用损为:

低温氦气进出换热器火用损为:

3.5 透平膨胀机

透平输出火用为:

透平输入火用为:

将各点的状态参数值带入式(9)－式(18)，可得氦制冷氢液化系统火用损失分布，计算结果列于表5。

表5 氦制冷氢液化系统各部件火用损失分布Table 5 Exergy loss distribution of each part on helium refrigeration hydrogen liquefier system

4 计算结果

从表5可知，在本套氦制冷氢液化循环中，压缩机、换热器、膨胀机火用损失分别为181.16 kW ，147.98 kW 和74.63 kW，这3部分的火用损失都和循环氦流量成正比，在满足相同循环制冷量的情况下，改善循环以减少系统氦质量流量是提高系统循环效率的有效途径。

4.1 氦压缩机火用损原因分析

该套氦制冷氢液化系统中，压缩机的火用损失最大，主要原因在于氦压缩机的压缩过程为不可逆等温压缩过程;因此压缩机设计中应尽量提高压缩机的等温效率，减少火用损失。

4.2 换热器火用损原因分析

换热器的火用损失主要在于冷热流体间的温差传热以及换热器与环境间的热交换。本套系统采用的冷箱为高真空隔热，减小了换热器与环境间热交换产生的火用损失，因此换热器内冷、热流体温差是造成换热器火用损失的主要原因。

4.3 膨胀机火用损原因分析

膨胀机的火用损失主要在于膨胀机内部的不可逆过程，火用损失正比于膨胀前后的熵增，所以要降低膨胀机火用损失就应尽量减少膨胀前后的熵增，即提高膨胀机的等熵效率。

5 小 结

(1)火用分析方法对于明确氢液化循环的成本，改进系统设计和提高系统的用能效率，是一种非常有用的方式。

(2)采用火用分析方法，综合热力学第一定律和第二定律，对氢液化系统的整体性能能够作出客观统一的评价，揭示了能量分配的数量和质量的关系，明确了能量损失的部位及量的多少，找出了火用损较大的部位，为氢液化系统的优化设计提供了参考。

(3)在本套氦制冷氢液化循环中，压缩机火用损最大，在整套系统的功耗中比重增加。

1 余 锋，厉彦忠，陈二锋，等.冷中子源逆布雷顿循环氦制冷机性能分析和优化［J］.华中科技大学学报，2007，35(9):38－41.

2 Takashi FUKANO，Urs FITZI，Karl LÖHLEIN，Isabelle VINAGE.Efficiency of Hydrogen Liquefaction Plants.

3 高洪亮.制冷装置的用效率分析［J］.冷藏技术，1999(3):13－15.

4 朱朝辉，侯 予，熊联友，等.逆布雷顿循环空气制冷机的火用分析［J］.低温工程，2002(3):23－28.

5 曹建华，王 捷，杨小勇，等.高温气冷堆氦气透平直接循环的Exergy分析［J］.原子能科学技术，2007，41(2):211－214.

6 余 锋，厉彦忠，王斯民，等.用于冷中子源系统的氦制冷循环方案分析［J］.西安交通大学学报，2007，41(3):316－325.