用于液化诸如氢气和/或氦气的流体的装置和方法与流程

用于液化诸如氢气和/或氦气的流体的装置和方法
1.本发明涉及用于液化诸如氢气和/或氦气的流体的装置和方法。
2.本发明更特别地涉及一种用于制冷和/或液化诸如氢气和/或氦气的流体的装置，该装置包括用于待冷却流体的回路，该回路具有旨在连接到流体源的上游端和旨在连接到用于收集该流体的构件的下游端，该装置包括与该用于待冷却流体的回路热交换的一组的一个或多个热交换器，该装置包括与该组的一个或多个热交换器的至少一部分热交换的至少一个第一冷却系统，该第一冷却系统是对循环气体进行制冷循环的制冷机，所述制冷机包括串联设置在循环回路中的以下部件：用于压缩该循环气体的机构、至少一个用于冷却该循环气体的构件、用于使该循环气体膨胀的机构以及至少一个用于加热经膨胀的循环气体的构件，其中该压缩机构包括由一组离心叶轮式压缩机构成的串联的多个压缩级，这些压缩级安装在由一组电机驱动旋转的轴上，该膨胀机构包括由一组向心涡轮机构成的至少一个膨胀级，这些向心涡轮机在入口处具有确定的工作压力，并且其中该涡轮机或相应地这些涡轮机中的至少一个与至少一个压缩级联接到同一个轴，以便将在膨胀期间产生的机械功提供给该压缩级。
3.现有技术中用于液化氢气(h2)的解决方案结合了循环压缩机，其获得相对低的等温效率(约60％至65％)并具有相对有限的体积容量，但是投资成本相当高并且维护成本高。
4.文献ep 3368630 a1描述了已知的用于液化氢气的方法。
5.本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷中的全部或一些缺陷。
6.为此，根据本发明的、在其他方面也符合以上前序部分中给出的一般定义的装置的实质性特征在于，联接的该至少一个涡轮机和对应的压缩级在结构上构造成使得离开涡轮机的循环气体的压力与压缩级的入口处的循环气体的压力相差不超过40％且优选不超过30％或不超过20％，和/或联接的该至少一个涡轮机和对应的压缩级在结构上构造成使得进入涡轮机的循环气体的压力与压缩级的出口处的循环气体的压力相差不超过40％且优选不超过30％或不超过20％。
7.此外，本发明的实施例可以包括以下特征中的一个或多个：
[0008]-该膨胀机构包括由串联的一组向心涡轮机构成的串联的至少两个膨胀级，并且在于，在该循环气体的循环方向上，串联的至少两个涡轮机分别联接到压缩级，按其串联设置的相反顺序考虑，也就是说，至少一个涡轮机联接到位于联接到在该循环回路中在其之前的另一个涡轮机的压缩级上游的压缩级，
[0009]-在该至少一个联接到压缩级的涡轮机内的膨胀率构造成产生循环气体的一定值的压降，该值与同所述涡轮机联接的压缩级内的压力升高值相差不超过40％，
[0010]-该压缩机构仅包括离心压缩机，
[0011]-该膨胀机构仅包括向心涡轮机，
[0012]-该装置包括n个涡轮机和k个压缩机，n和k是整数，使得k≥n，
[0013]-该至少一个涡轮机和该一个或多个压缩级与同一个轴的机械联接构造成确保联接的涡轮机和压缩级的相同或基本上相同的转速，
[0014]-该装置包括十六个压缩级和八个涡轮机、或十二个压缩级和六个涡轮机、或八个压缩级和四个涡轮机、或六个压缩级和三个涡轮机、或四个压缩级和三个涡轮机、或三个压缩级和两个或三个涡轮机、或两个压缩级和一个或两个涡轮机，
[0015]-该组的一个或多个热交换器包括至少一个热交换器，其中该循环回路的两个单独部分在单独的热力学条件下同时以逆流操作进行循环，分别用于冷却和加热该循环气体。
[0016]
本发明还涉及一种用于使用根据上文或下文特征中的任一个的装置生产低温氢气、尤其是液化氢的方法，其中用于压缩循环气体的机构的入口处的循环气体的压力处于两巴绝对压力与四十巴绝对压力之间，并且尤其地处于八巴绝对压力与三十五巴绝对压力之间。
[0017]
根据其他可能性，该循环气体包括以下中的至少一种：氦气、氢气、氮气、氖气、氟利昂、烃(待完善)，和/或该至少一个用于冷却循环气体的构件构造成在该至少一个涡轮机的出口处或在这些涡轮机中的至少一个的出口处冷却该循环气体。
[0018]
本发明还可以涉及包括权利要求范围内的上文或下文特征的任何组合的任何替代性的装置或方法。
[0019]
通过阅读以下参照附图给出的描述，进一步的特定特征和优点将变得显而易见，在附图中：
[0020]
[图1]示出了展示本发明的第一可能示例性实施例的结构和操作的示意性局部视图，
[0021]
[图2]示出了展示本发明的第二可能示例性实施例的结构和操作的示意性局部视图，
[0022]
[图3]示出了展示本发明的第三可能示例性实施例的结构和操作的示意性局部视图，
[0023]
[图4]示出了展示本发明的第四可能示例性实施例的结构和操作的示意性局部视图，
[0024]
[图5]示出了展示本发明的第五可能示例性实施例的结构和操作的示意性局部视图，
[0025]
[图6]示出了展示本发明的第四可能示例性实施例的细节的示意性局部视图，其展示了装置的电机-涡轮压缩机的结构和操作的可能实例？
[0026]
[图7]示出了展示具有相应的入口和出口压力的联接的涡轮机和压缩机叶轮的实例的示意性局部视图，
[0027]
[图8]示出了展示另一简化实施例的示意性局部视图。
[0028]
[图1]中示出的用于液化流体的装置1可以旨在用于液化氢气，但是也可以适用于其他气体，尤其是氦气或任何混合物。同样地，该装置可以确保以下任何其他流体的冷却或液化：天然气、氦气、甲烷、生物甲烷、氮气、氧气、氖气、这些气体的组合。装置1包括用于待冷却流体(典型地氢气)的回路3，该回路具有旨在连接到气态流体源2的上游端和旨在连接到用于收集液化的流体的构件4的下游端23。源2典型地可以包括电解槽、氢气分布网络、蒸汽甲烷重整(smr)单元或一个或多个任何其他合适的源。
[0029]
装置1包括一组热交换器6、7、8、9、10、11、12、13，这些热交换器串联设置，与用于
待冷却流体的回路3热交换。还可以设想单个热交换器。
[0030]
装置1包括至少一个第一冷却系统20，该第一冷却系统与该组热交换器5、6、7、8、9、10、11、12、13的至少一部分热交换。
[0031]
此第一冷却系统20是对循环气体进行制冷循环的制冷机。
[0032]
此循环气体包括例如以下中的至少一种：氦气、氢气、氮气、氖气、氟利昂、烃。
[0033]
此制冷机20包括串联设置在循环回路14(优选地以环路的形式闭合)中的以下部件：用于压缩循环气体的机构15、至少一个用于冷却循环气体的构件16、5、6、8、10、12、用于使循环气体膨胀的机构17以及至少一个用于加热膨胀的循环气体的构件13、12、11、10、9、8、7、6、5。
[0034]
如所展示的，冷却待液化氢气的该组的一个或多个热交换器优选包括一个或多个逆流热交换器5、6、8、10、12，这些热交换器串联设置，并且其中循环回路14的两个单独部分以逆流操作同时进行循环(分别用于冷却和加热单独的循环气体流)。
[0035]
也就是说，该多个逆流热交换器形成用于冷却循环气体的构件(例如，在压缩之后和在膨胀级之后)和用于加热循环气体的构件(在膨胀之后和在返回到压缩机构之前)两者。
[0036]
压缩机构包括至少两个压缩级15，该压缩级由串联(并且可能并联)设置的一组离心压缩机构成。
[0037]
压缩级15可以由机动化离心压缩机的叶轮构成。
[0038]
压缩级15(也就是说压缩机叶轮)安装在轴19、190上，这些轴由一组电机18(至少一个电机)驱动旋转。优选地，所有压缩机15都是离心型的。
[0039]
膨胀机构本身包括由一个或多个向心涡轮机17形成的至少一个膨胀级(如果存在多个膨胀级，则涡轮机至少部分地串联设置。优选地，所有涡轮机17都是向心型的，并且主要串联设置)。
[0040]
涡轮机17中的至少一个与压缩机的压缩级15联接到同一个轴19上，以便将膨胀期间产生的机械功提供给压缩机。
[0041]
联接的该至少一个涡轮机17和对应的压缩级在结构上构造成使得离开涡轮机17的循环气体的压力p2t与压缩级15的入口处的循环气体的压力p1c相差不超过40％且优选不超过30％或不超过20％(参见[图7])。
[0042]
同样地，联接的该至少一个涡轮机17和对应的压缩级优选地也(或可能可替代地)在结构上构造成使得进入涡轮机17的循环气体的压力与压缩级的出口处的循环气体的压力相差不超过40％且优选不超过30％或不超过20％。
[0043]
特定技术特征(离心压缩、向心膨胀、将功从涡轮机传递到压缩机以及联接的压缩叶轮与膨胀叶轮之间的压力调节)的这种组合相对于已知解决方案改善了装置的效率。
[0044]
涡轮机(例如，涡轮机叶轮)和压缩级(例如，压缩叶轮)的这种结构构造意味着这两个元件进行尺寸定制(如果适当的话，叶轮和/或其蜗壳和/或其入口分配器的形状和/或尺寸)以分别进行如上所指明的相同或类似绝对值的压缩和膨胀。也就是说，通过设计，这两个联接的元件可以达到这些压缩和膨胀比(在循环回路中不使用另一个主动或被动元件)，优选地与循环气体流的条件无关。
[0045]
例如，在联接到压缩级的该至少一个涡轮机17内的膨胀率可以构造成产生循环气
体的压降，其值与同所述涡轮机联接的压缩级15内的压力升高值相差不超过40％或不超过20％。
[0046]
例如参见[图7]，如果压缩机15联接到涡轮机17上，并且在10巴与15巴之间操作(将最初在p1c＝10巴下的流压缩到出口压力p2c＝15巴)，则有利的是，涡轮机17使此流膨胀到在15巴与10巴之间的压力(p1t＝15巴且p2t＝10巴)。
[0047]
这改善了支承它们的轴19的轴向力的分布和平衡。
[0048]
由于由在叶轮15、17上的压力差产生的力的符号相反，这趋于减小轴向力的合力。
[0049]
这优选地还适用于多个涡轮机串联联接到一个或多个压缩机15的情况。
[0050]
因此，如所展示的，膨胀机构可以包括由串联的一组向心涡轮机17构成的串联的至少两个膨胀级。
[0051]
另外，在循环气体的循环方向上，串联的至少两个涡轮机17优选地分别联接到压缩级15，按其串联设置的相反顺序考虑。也就是说，至少一个涡轮机17联接到位于联接到在循环回路14中在其之前的另一个涡轮机17的压缩级15上游的压缩级15。
[0052]
优选地，该装置包括n个涡轮机(膨胀叶轮或级)和k个压缩机叶轮或级，其中k》＝n。在每个涡轮机17内选择的膨胀率因此优选地作为它们所联接的压缩机的函数施加(如上所解释)。
[0053]
装置1可以在压缩站的一部分中包括一个或多个电机-涡轮压缩机。电机-涡轮压缩机是包括电机的组件，该电机的轴直接驱动一组的一个或多个压缩级(一个或多个叶轮)和一组的一个或多个膨胀级(一个或多个涡轮机)。这直接在循环气体的一个或多个压缩机处利用机械膨胀功。
[0054]
该至少一个用于冷却循环气体的构件16、5、6、8、10、12可以可能地构造成在涡轮机17中的至少一个的出口处冷却循环气体。也就是说，在涡轮机17中膨胀之后，可以将循环气体冷却典型地在2k与30k之间的值。
[0055]
例如，并且如所展示的，装置1包括比涡轮机17多、例如是其两倍或大约两倍的压缩级15。每个涡轮机17可以与单个相应的压缩机叶轮15联接到由相应的电机18驱动的同一个轴19。未联接到涡轮机17上的一个或多个其他压缩机叶轮15(一个或多个级)可以仅安装在由单独的相应电机18驱动的旋转轴190上(电机-压缩机)。
[0056]
如所展示的，联接到涡轮机17上的压缩级15和未联接到涡轮机17上的压缩机可以在循环回路14中串联地交替。
[0057]
压缩机构可以包括串联的多于六个压缩级。当然，这决不是限制性的。用于实现氢气液化的最小压缩率(通过离心技术)应优选为约1.3至1.6。
[0058]
串联的四个压缩级15使得能够相对于以相对显著的氦气质量流量为代价的活塞压缩的已知解决方案，尤其获得非常好的等温效率。
[0059]
在[图1]中展示的非限制性实例中，仅示出了四个压缩级15和三个涡轮机17，但是装置1可以包括八个压缩级15和四个涡轮机17。可以设想任何其他分布，例如十六个压缩级15和八个涡轮机17、或十二个压缩级和六个涡轮机、或六个压缩级和三个涡轮机、或四个压缩机和三个涡轮机、或三个压缩级和两个涡轮机(膨胀级)、或两个压缩级和一个膨胀级等。
[0060]
冷却可以在所有或一些压缩级的下游或者在所有或一些压缩机15的下游提供(例如，通过由传热流体或尤其不同于循环气体的任何其他制冷剂冷却的热交换器16)。这种冷
却可以在每个压缩级之后提供，或者如所展示的，在每两个(或更多个)压缩级15之后提供，或者仅在压缩站的下游提供。出人意料的是，不是在串联的压缩级15的每一个的出口处、而是在每两个(或三个)压缩级15处的此冷却分布使得能够获得冷却性能，同时限制装置1的成本。
[0061]
同样地，该至少一个用于冷却循环气体的构件可以任选地包括用于冷却循环气体的系统8、10、12，诸如热交换器，这些系统串联地设置在涡轮机17中的至少一些的出口处。
[0062]
这种中间膨胀间冷却使得能够限制达到循环气体的最冷温度所需的高压值。
[0063]
如[图1]中所展示的，装置1可以包括用于冷却循环气体的系统，诸如热交换器，该系统在循环气体的循环方向上串联的除最后一个涡轮机17之外的所有涡轮机17的出口处。如所展示的，此冷却系统可以由上述相应的逆流热交换器8、10、12提供。
[0064]
这种膨胀之后冷却使得能够实现温度分级(也就是说，使得能够达到在每个膨胀级之后不同的、不断降低的温度)，以提取冷量用于待冷却流体。此温度分级通过此布置并经由获得的最小压缩率来获得，用于供应这些不同涡轮机17。
[0065]
上游串联的多个离心压缩级15的布置使得能够获得这种压力差，这使得能够在下游实现充分的冷却分级。具体地，对于相同的压力差，温度降低得越多，膨胀期间在恒定熵下的焓降降低得越多。涡轮机17串联布置和涡轮机出口处的冷却8、10的作用是相对于常规已知的分级增加涡轮机17中的平均质量流量。理论等熵效率因此倾向于增加，并因此使得能够获得涡轮机17的更好效率。
[0066]
特别地，在膨胀级之间的冷却8、10允许循环流体达到目标液化温度，而不需要甚至更大的总压缩率。膨胀优选是等熵的或准等熵的。也就是说，循环流体被逐渐冷却，并且流体被液化。
[0067]
因此，在最后一个准等熵膨胀级的出口处(也就是说，最后一个膨胀涡轮机17的下游)直接达到最低温度。因此，例如，不需要在下游另外提供焦耳-汤姆逊型膨胀阀。待液化氢气的冷且尤其是过冷的温度可以仅用涡轮机17获得(提取功)。
[0068]
优选地，大多数或所有的涡轮机17都联接到一个或多个相应的压缩机15。
[0069]
如上所述，连续的涡轮机17优选地分别联接到压缩机的压缩级15，按其串联设置的相反顺序考虑。也就是说，例如，涡轮机17联接到位于联接到在其之前的涡轮机17的压缩机15上游的压缩机15。
[0070]
因此，优选地，联接的涡轮机17和压缩机的组合顺序在涡轮机和压缩机之间至少部分地颠倒(在循环回路中，更上游的涡轮机联接到更下游的压缩机)。
[0071]
因此，例如在具有串联的六个压缩级15和串联的三个膨胀级的结构的情况下，第一涡轮机17(也就是说，压缩机构之后的第一涡轮机17)可以串联地联接到第五压缩机15(第五压缩级)，而第二涡轮机17可以串联地联接到第三压缩机15(第三压缩级)，第三涡轮机17可以串联地连接到第一压缩机15(第一压缩级)。形成其他压缩级的其他压缩机15可以不联接到涡轮机(电机-压缩机系统，而不是电机-涡轮压缩机)。因此，最强力的涡轮机17(最下游的一个)可以联接到第一压缩级(第一压缩级在循环的低压下进气)。在此相对低的压力水平下，压缩机15的压缩率越大，感受到的在其水平下的压降的影响越小(对于其他压缩机15也是如此)。
[0072]
当然，以上的这个实例决不是限制性的。例如，涡轮机17可以分别联接到偶数编号
的压缩机15(第一涡轮机联接到第六压缩机、第二涡轮机联接到第四压缩机等)或直接与压缩机串联联接(例如，第一涡轮机17与第六压缩机15串联联接、第二涡轮机与第五压缩机串联联接等)。
[0073]
在所展示的交替有联接到涡轮机17的压缩机15和然后未联接到涡轮机的压缩机15的实例中，涡轮机17的工作压力可以“一个一个地”或“两个两个地”地设定为压缩机15的工作压力(也就是说，第一涡轮机17以第5或第6压缩机15的压缩率工作；同样地，第二涡轮机17以第3或第4压缩机的压缩率工作等)。如果考虑一对串联的两个压缩机15(具有联接到涡轮机的压缩叶轮的一个压缩机，随后具有未联接到涡轮机的压缩叶轮的一个压缩机)，这两个压缩机中的第一个将例如循环气体压缩到第一压力pa，而第二个压缩机然后将此循环气体压缩到第二压力pb，其中pb》pa。将与这两个压缩机中的第一个联接的涡轮机17优选地使循环气体从第二压力pb膨胀到第一压力pa。这例如可以通过根据此约束调节此涡轮机17的特性来获得。例如，存在对分配器的截面的调节，校准到达涡轮机17的流量，这对分配器部分和涡轮机叶轮部分中的所产生的压降有影响。
[0074]
因此，例如当涡轮机联接串联的每两个压缩级时，在联接的膨胀级与压缩级之间的以上详细描述的压力关系(入口/出口)因此可以单独地适用于支承涡轮机的压缩级或串联的一组两个压缩机叶轮。另外，涡轮机17和压缩机叶轮15与同一个轴19的一种或多种机械联接构造成优选地确保联接的涡轮机17和压缩机叶轮15的相同(或基本上相同)的转速。这使得能够直接和有效地利用装置中的膨胀功。如果适当的话，所有压缩机和涡轮机叶轮的转速可以等于同一个确定值。
[0075]
可以任选地为所有或一些压缩级提供控制构件。例如，可以为驱动至少一个压缩级的每个电机18提供变频驱动器(“vfd”)。这使得可以独立地调节多个压缩级或每个压缩级的速度，并且因此调节膨胀，而不使用复杂的齿轮系统或驱动器以及连接到一个或多个压缩级上游的可变叶片的特定控制装置。可以为该组压缩机或为每个压缩级提供此速度控制构件。
[0076]
优选地，装置1不包括流量阀或用于降低压缩级之间、膨胀级之间或循环的膨胀下游的回路中的压力(压降)的阀。因此，在循环回路14中可以仅提供用于维护目的隔离阀。
[0077]
也就是说，涡轮机17的操作点(速度、压力)可以仅通过涡轮机17的尺寸特征来调节(例如，在涡轮机入口处没有节流阀)。这增加了装置的可靠性(没有涉及用于控制过程的阀的故障的潜在问题，因为它们不存在)。此外，这使得能够消除昂贵的辅助回路(安全阀等)并简化了制造(减少要隔离的线路的数量等)。
[0078]
使用基于氦气的循环气体使得能够达到使液化氢过冷的温度，而在该过程内没有低于大气压的区域的风险(如果循环流体是氢气，这将是危险的)并且没有冷源冻结的风险(氦气的最大液化温度等于5.17k)。使液化氢过冷的效果对于氢分子的传输链具有非常显著的优点，并且然后由于运输期间蒸发气体的减少，对于用户(典型地为液体站)潜在地具有非常显著的优点。
[0079]
因此，可以在不使冷源结晶的情况下达到待液化氢气流冰点(13k)。
[0080]
循环回路14的低压部分可以在相对高的压力下操作。这使得能够减小热交换器6、7、8、9、10、11、12、13中的体积流量。因此，循环气体的工作压力可以与待冷却流体的压力或目标温度解相关。因此，可以增加循环气体的此压力以适应涡轮机的约束，而且还减小在低
压下的体积流量，该体积流量通常是决定热交换器的尺寸的主要参数之一。
[0081]
循环回路14中的此低压水平例如大于或等于10巴，并且典型地可以在10巴与40巴之间。这降低了热交换器中的体积流量，其平衡了每个压缩级的低压缩率。
[0082]
如所展示的，例如装置1可以包括第二冷却系统，该第二冷却系统与该组的一个或多个热交换器5的至少一部分热交换，该组的一个或多个热交换器与循环气体热交换。此第二冷却系统21包括例如用于诸如液氮或制冷剂混合物的传热流体的回路25，该回路通过一个或多个第一逆流热交换器冷却循环气体和/或待液化氢气，并且还可以使得能够经由至少一个预冷却交换器5防止由于在闭合环路(如[图1]中所展示)中循环该一种或多种传热流体而在热端处引起的差异带来的损失。
[0083]
此第二冷却系统21使得能够例如在压缩机构的出口处预冷却待液化的流体和/或工作气体。在用于传热流体的回路25中(例如在环路中)循环的此制冷剂例如由用于产生和/或储存28此制冷剂的单元27提供。如果适当的话，用于待冷却流体的回路3经此单元27穿过，以便在上游被预冷却。应当注意，可以设想的是，装置1具有一个或多个其他另外的冷却系统。例如，除了上述系统之外，可以提供由冷却器(例如，提供温度典型地在5℃与-60℃之间的冷源)供应的第三冷却回路。如果需要的话，还可以提供第四冷却系统以再次向装置1提供冷量并增加装置1的液化能力。[图2]的实施例与前一个实施例的区别仅在于，循环回路14包括回流管22，该回流管具有与涡轮机17中的一个(除了下游的最后一个涡轮机之外)的出口连接的第一端和与除了第一压缩机15(上游)之外的压缩机15中的一个的入口连接的第二端。此回流管22使得能够在压缩机构入口处的低压与压缩机构出口处的高压之间的中间压力水平下使循环气体流的一部分返回压缩机构。
[0084]
回流管22可以与逆流热交换器中的至少一部分热交换。根据所需的方法优化水平，可以有利地安装多个在中间压力下至压缩站的回流管。例如，抽取点(在所考虑的涡轮机处)和注入点(在所考虑的压缩级处)可以处于不同的压力水平。
[0085]
[图3]的实施例与前一个实施例的区别仅在于，循环回路14进一步包括局部旁通管24，该局部旁通管具有连接到涡轮机17(例如，第一上游涡轮机17)上游的第一端和连接到位于下游的另一涡轮机17(例如，第三涡轮机)的入口的第二端。例如，旁通管24使得能够将在高压下离开压缩机构的循环气体流中的一部分朝向更下游的最冷涡轮机转移。其余的流穿过此较热的第一上游涡轮机17。这使得能够根据就不同涡轮机和压缩机的特定速度而言的定位来调节发送到不同级的流量。例如，处于较高压力下的压缩机吸入比第一压缩级(接近过程的低压)低的体积流量。增加此体积流量并因此潜在地增加其等熵效率的一种方式是合并来自膨胀级的在中间压力下的回流，如图3中所示。
[0086]
[图4]中示出的装置1展示了又另一个非限制性实施例。与上述元件相同的元件由相同的附图标记表示，并且不再详细描述。
[0087]
[图4]的装置的循环回路14包括三个压缩机(分别由三个电机18驱动)。如所展示的，每个压缩机可以包括四个压缩级15(也就是说，串联的四个压缩叶轮)。这些压缩机叶轮15可以通过直接联接到所述电机18的轴19的一端而安装。在此实例中，该装置因此具有串联的十二个离心压缩级。如所示，可以每两个压缩级提供循环气体的冷却26。
[0088]
在此实例中，装置1具有串联的五个膨胀级(六个向心涡轮机叶轮，其中两个并联设置)，例如每个压缩机一个或两个膨胀级。如所展示的，所有涡轮机17都可以联接到压缩
机轴19(例如，两个涡轮机17安装在每个电机18的轴19的另一端，以将机械功提供给也安装在此轴19上的压缩机叶轮15)。当然，涡轮机17可以与压缩叶轮15在轴19的同一侧。例如，四个第一膨胀级由串联的四个涡轮机17形成。第五膨胀级例如由分别设置在循环回路14的并联的两个支路中的两个涡轮机17形成。
[0089]
[图5]中示出的装置1与[图4]的装置的区别在于，它包括用于循环气体的回流管线122、123、124，这些回流管线将在中间压力水平(中压)下离开涡轮机17的循环气体的一部分在压缩机构内传递。例如，管线124将第一涡轮机的出口连接到第八压缩级的出口。同样地，管线123将第二涡轮机的出口连接到第六压缩级的出口。同样地，管线122将第三涡轮机17的出口连接到第四压缩级的出口。当然，该装置可以仅具有这些中压回流管线中的一个或仅具有这些中压回流管线中的两个。同样地，可以设想其他回流管线。此外，这些管线的端部可以改变(一个或多个其他涡轮机的出口和其他压缩级的一个或多个出口)。
[0090]
该一个或多个回流使得能够增加压缩机的体积流量，从而被供应过量的流量，并因此潜在地增加了它们的等熵效率。
[0091]
[图6]中所示的装置1展示了装置1的细节，其展示了电机-涡轮压缩机布置的结构和操作的非限制性可能实例。电机18的轴19的一端驱动四个压缩机叶轮(四个压缩级15)。轴19的另一端直接联接到两个膨胀级(两个涡轮机17)。
[0092]
当然，可以设想压缩级15和膨胀级17的任何其他合适类型的布置(数量和分布)(对于电机的数量也是如此)。
[0093]
因此，可能有其他修改。
[0094]
因此，对于涡轮机17、尤其是对于下游涡轮机(最冷的涡轮机)，可能有各种构造。
[0095]
例如，如已经展示的，最后两个膨胀级(两个涡轮机)可以并联安装而不是串联安装。这使得能够在这些涡轮机内实现更大的焓降。这将以损害效率实现(因为两个涡轮机将共享100％的流量，并且可得的压力差将几乎加倍)。尽管这最后两个膨胀级的效率可能下降，但是实现更大的焓降可以使得更有效地分级膨胀。
[0096]
这是因为在冷条件下的相同焓差导致在涡轮机内的温度变化，该温度变化小于较热涡轮机情况下的温度变化。这改善了制冷和液化过程的效率。因此，尽管在涡轮机内的温差相对减小，但该装置的效率使得能够以良好的能量效率使氢气液化。
[0097]
由涡轮机17引起的温差可以是涡轮机17上游的循环气体的温度的函数。
[0098]
可以提供缓冲罐(未示出)和一组阀，其优选地在低压水平下，目的是限制用气体填充冷却回路的最大压力。优选地，在压缩站内的最小压缩率在1.3与1.6之间。例如，循环气体可以由100％或99％的氦气构成并且补充有氢气。
[0099]
循环回路可以在涡轮机17中的至少一个的入口处包括入口导流叶片(“igv”)，该入口导流叶片构造成将流体的流量调节到确定的操作点。
[0100]
另外，压缩机叶轮15和/或涡轮机17的布置不限于以上实例。因此，可以修改压缩机15的数量和布置。例如，压缩机构可以仅由三个压缩机构成，每个压缩机可以提供有多个压缩级，例如三个压缩级，也就是说三个压缩机叶轮(具有或不具有级间冷却)。
[0101]
[图8]展示了具有串联的两个压缩级(叶轮)和一个膨胀级(叶轮)的另一个实例。
[0102]
同样地，两个压缩级15可以并联设置并且与其他压缩级串联设置(例如三个串联)。并联的两个压缩级可以置于其他压缩级的上游，并且因此在下游方向上通过使用可以
都相同的机器在低压下提供相对高的流量。
[0103]
以相同的方式，涡轮机17可以并联地置于循环回路14中。
[0104]
另外，如已经展示的，所有涡轮机都可以联接到一个或多个压缩机叶轮(例如，一个或多个涡轮机17与一个或多个压缩级联接到同一个轴19)。
[0105]
如所展示的，用于待冷却流体的回路3可以在交换器的外部或一个或多个交换器的一个或多个部分29处包括一个或多个催化构件(一个或多个转化器280)，例如用于(邻-对)氢转化。

技术特征：
1.一种用于制冷和/或液化诸如氢气和/或氦气的流体的装置，该装置包括用于待冷却流体的回路(3)，该回路具有旨在连接到流体源(2)的上游端和旨在连接到用于收集该流体的构件(4)的下游端(23)，该装置(1)包括与该用于待冷却流体的回路(3)热交换的一组的一个或多个热交换器(6，7，8，9，10，11，12，13)，该装置(1)包括与该组的一个或多个热交换器(6，7，8，9，10，11，12，13)的至少一部分热交换的至少一个第一冷却系统(20)，该第一冷却系统(20)是对循环气体进行制冷循环的制冷机，所述制冷机(20)包括串联设置在循环回路(14)中的以下部件：用于压缩该循环气体的机构(15)、至少一个用于冷却该循环气体的构件(16，5，6，8，10，12)、用于使该循环气体膨胀的机构(17)以及至少一个用于加热经膨胀的循环气体的构件(13，12，11，10，9，8，7，6，5)，其中该压缩机构包括由一组离心叶轮式压缩机(15)构成的串联的多个压缩级(15)，这些压缩级(15)安装在由一组电机(18)驱动旋转的轴(19，190)上，该膨胀机构包括由一组向心涡轮机(17)构成的至少一个膨胀级，这些向心涡轮机在入口处具有确定的工作压力，并且其中该涡轮机(17)或相应地这些涡轮机(17)中的至少一个与至少一个压缩级(15)联接到同一个轴(19)，以便将在膨胀期间产生的机械功提供给该压缩级(15)，其特征在于，联接的该至少一个涡轮机(17)和该对应的压缩级在结构上构造成使得离开该涡轮机(17)的该循环气体的压力与该压缩级(15)的入口处的该循环气体的压力相差不超过40％且优选不超过30％或不超过20％，并且在于，联接的该至少一个涡轮机(17)和该对应的压缩级在结构上构造成使得进入该涡轮机(17)的该循环气体的压力与该压缩级(15)的出口处的该循环气体的压力相差不超过40％且优选不超过30％或不超过20％，并且在于，在联接到压缩级的该至少一个涡轮机(17)内的膨胀率构造成产生该循环气体的压降，其值与同所述涡轮机联接的压缩级(15)内的压力升高值相差不超过40％。2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该膨胀机构包括由串联的一组向心涡轮机构成的串联的至少两个膨胀级，并且在于，在该循环气体的循环方向上，串联的至少两个涡轮机(17)分别联接到压缩级(15)，按其串联设置的相反顺序考虑，也就是说，至少一个涡轮机(17)联接到位于联接到在该循环回路(14)中在其之前的另一个涡轮机(17)的压缩级(15)上游的压缩级(15)。3.如权利要求1和2中任一项所述的装置，其特征在于，该压缩机构仅包括离心压缩机(15)。4.如权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，该膨胀机构仅包括向心涡轮机。5.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，该装置包括n个涡轮机和k个压缩机，n和k是整数，使得k大于或等于n。6.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，该至少一个涡轮机(17)和该一个或多个压缩级(15)与同一个轴(19)的机械联接构造成确保联接的该涡轮机(17)和这些压缩级(15)的相同或基本上相同的转速。7.如权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，该装置包括十六个压缩级(15)和八个涡轮机(17)、或十二个压缩级(15)和六个涡轮机(17)、或八个压缩级(15)和四个涡轮机(17)、或六个压缩级(15)和三个涡轮机(17)、或四个压缩级(15)和三个涡轮机(17)、或三个压缩级和两个或三个涡轮机、或两个压缩级和一个或两个涡轮机。8.如权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，该组的一个或多个热交换器包
括至少一个热交换器(5，6，7，8，9，10，11，12，13)，其中该循环回路(14)的两个单独部分在单独的热力学条件下同时以逆流操作进行循环，分别用于冷却和加热该循环气体。9.如权利要求1至8中任一项所述的装置，其特征在于，该装置包括与该组的一个或多个热交换器(5，6，7，8，9，10，11，12，13)的至少一部分热交换的第二冷却系统，所述第二冷却系统(21)包括用于诸如液氮或制冷剂混合物的传热流体的回路(25)。10.一种用于使用如前述权利要求中任一项所述的装置(1)生产低温氢气、尤其是液化氢的方法，其中，用于压缩循环气体的机构(15)的入口处的该循环气体的压力处于两巴绝对压力与四十巴绝对压力之间，并且尤其是处于八巴绝对压力与三十五巴绝对压力之间。

技术总结
披露了一种用于液化流体的装置，该装置包括用于待冷却流体的回路(3)，该装置(1)包括与该待冷却流体的回路(3)交换热的一组的一个或多个热交换器(6，7，8，9，10，11，12，13)、与该组的一个或多个热交换器(6，7，8，9，10，11，12，13)中的至少一些交换热的至少一个第一冷却系统(20)，该第一冷却系统(20)是具有主要包含氦气的循环气体的制冷循环的制冷机，该制冷机(20)包括串联布置在循环回路(14)中的以下部件：循环气体压缩机构(15)、至少一个循环气体冷却构件(16，5，6，8，10，12)、用于使该循环气体膨胀的机构(17)以及至少一个膨胀的循环气体加热构件(13，12，11，10，9，8，7，6，5)，其中该压缩机构包括由一组的一个或多个离心型压缩机(15)组成的串联的至少四个压缩级(15)，这些压缩级(15)安装在由一组的一个或多个电机(18)旋转的轴(19，190)上，该膨胀机构包括由一组向心涡轮机(17)组成的串联的至少三个膨胀级，该至少一个循环气体冷却构件(16，5，6，8，10，12)构造成在这些涡轮机(17)中的至少一个的出口处冷却该循环气体，并且其中这些涡轮机(17)中的至少一个与至少一个压缩级(15)联接到同一个轴(19)，以便将在膨胀期间产生的机械功供应给该压缩级(15)。压缩级(15)。压缩级(15)。


技术研发人员：皮埃尔
受保护的技术使用者：乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司
技术研发日：2022.02.01
技术公布日：2023/9/14