氢气液化工艺装备与技术

主要涉及4类较典型的液氢低温液化工艺流程的具体设计计算方法 可为氢气液化关键环节中所涉及主要液化工艺设计计算提供可参考样例 有利于推进液氢系列板翅式换热器的标准化进程 助力推进相应液氢液化工艺技术的国产化研发进程 ★液氢的国外发展现状 ★液氢的国内发展现状 ★液氢的低温生产过程 ★30万立方米PFHE型液氮预冷五级膨胀制冷氢液化系统工艺装备 ★30万立方米PFHE型液氮预冷一级膨胀两级节流氢液化工艺装备 ★30万立方米PFHE型LNG预冷两级氦膨胀五级氢液化工艺装备 ★30万立方米PFHE型四级氦膨胀制冷氢液化系统工艺装备等内容 这4种LH2板翅式换热器设计计算方法属LH2装备领域内目前流行的具有一定技术设计难度的LH2系统工艺主设备核心技术，同时，也可应用于LNG、LPG、煤化工、石油化工、低温制冷等领域。从工艺基础研发及设计技术等方面来讲均已成熟，已能够推进PFHE型LH2液化主设备的设计计算过程及液氢系列液化工艺的设计计算进程。

在氢气液化（LH2）领域，国际上流行的大型LH2液化工艺有10多种，其中，3×105m3/d以上大型LH2液化工艺系统多采用以板翅式换热器为主液化装备的PFHE型膨胀制冷液化工艺技术，具有集约化程度高、制冷效率高、占地面积小以及非常便于自动化管理等优势，已成为大型LH2液化工艺装备领域内的标准性主流选择，在世界范围内已开始应用。目前，国内尚未有20～30t/d的大型工业化LH2系统，即使是中小型LH2工艺系统一般也是随着成套工艺技术整体进口，日产量在2～3t/d以下，包括工艺技术包及主设备专利技术等，整体系统造价非常昂贵，后期维护及更换设备的费用同样巨大。由于大型LH2系统工艺及主设备仍未国产化，即还没有成型的设计标准，因此，给LH2液化工艺系统及装备的国产化设计计算带来了难题。
近年来，兰州交通大学张周卫等开始系统研究开发大型LH2液化工艺及核心装备——LH2多股流板翅式换热器，并前后研发LH2混合制冷剂多股流板翅式换热器、LH2一级三股流板翅式换热器、LH2二级四股流板翅式换热器、LH2三级五股流板翅式换热器等系列LH2板翅式换热器等设计计算方法，可应用于10多种国际上流行的LH2液化工艺流程主液化设备的设计计算过程。以板翅式换热器为主液化装备的LH2液化工艺也是目前流行的大型LH2液化系统的主液化工艺。（3～6）×105m3/d以上大型LH2液化工艺系统多采用以板翅式换热器为主液化装备的PFHE型LH2液化工艺技术，其具有集约化程度高、制冷效率高、占地面积小以及便于自动化管理等优势，已成为大型LH2液化工艺装备领域内的标准性主流选择。由于大型LH2板翅式换热器主要用于3×105m3/d以上大型LH2液化系统，可作为该系统中的核心设备，一般达到6×105m3/d以上时，可采用并联多套的模块化办法，实行LH2系统的大型化。
《氢气液化工艺装备与技术》主要围绕4类大型PFHE型LH2液化工艺及主液化装备进行系统的研究与开发，主要涉及3×105m3/d LH2液化工艺流程及主设备PFHE研发及设计计算过程，包括液氮预冷五级膨胀八级制冷氢液化系统工艺装备设计计算、液氮预冷一级膨胀两级节流四级制冷氢液化系统工艺装备设计计算、两级氦膨胀两级节流制冷氢液化系统工艺装备设计计算、四级氦膨胀制冷氢液化系统工艺装备设计计算等过程。研究内容主要涉及4类较典型的LH2低温液化工艺流程的具体设计计算方法，可为LH2液化关键环节中所涉及的主要液化工艺设计计算提供可参考样例，并有利于推进LH2系列板翅式换热器的标准化及相应LH2液化工艺技术的国产化研发进程。由于研究内容涵盖3×105m3/d以上LH2液化领域内具有代表性的LH2板翅式换热器的设计计算方法，研究还包括不同类型LH2板翅式换热器计算过程及制冷剂运算法则，也是当前国际上流行的主流PFHE型LH2液化工艺主设备。以上4种LH2板翅式换热器设计计算方法属LH2装备领域内目前流行的具有一定技术设计难度的LH2系统工艺主设备核心技术，同时，也可应用于LNG（液化天然气）、LPG（液化石油气）、煤化工、石油化工、低温制冷等领域。从工艺基础研发及设计技术等方面来讲均已成熟，已能够推进PFHE型LH2液化主设备的设计计算过程及LH2系列液化工艺的设计计算进程。
本书第1章为绪论部分，主要讲述氢气液化工艺装备技术的基本特点及国内外研究开发和工业化发展现状等。
第2章主要讲述3×105m3/d PFHE型液氮预冷五级膨胀八级制冷氢液化系统工艺装备设计计算过程，包括LH2液化工艺的设计计算过程及LH2板翅式换热器的设计计算过程。
第3章及后续章节主要讲述PFHE型液氮预冷一级膨胀两级节流四级制冷氢液化系统工艺装备、PFHE型两级氦膨胀两级节流制冷氢液化系统工艺装备、PFHE型四级氦膨胀制冷氢液化系统工艺装备等不同LH2液化工艺流程及板翅式换热器等设计计算方法，以便为从事LH2液化装备领域内的工程技术人员及研发人员提供必要的参考。
本书共分5章，其中，第1~4章由张周卫撰写，第5章由汪雅红、耿宇阳、车生文撰写，全书由张周卫统稿。耿宇阳、樊翔宇、李文振、杨发炜、刘要森、盛日昕、孙少伟、荣欣等参与全书的编辑整理及校正等工作。王松涛、贠孝东、唐鹏、孙少康、赵银江、杨玉俭、付敏君、樊广存等参与各章节的撰写及编排校正工作。
本书受国家自然科学基金（编号：51666008）、甘肃省重点人才项目（编号：26600101）、甘肃省财政厅基本科研业务费（编号：214137）、甘肃省高等学校产业支撑计划项目（编号：2020C22）等支持。
本书按照目前所列4种LH2液化工艺流程的设计计算进度，重点针对4种典型的且具有代表性的LH2液化工艺及板翅式换热装备进行研究开发，总结设计计算方法，并与相关行业内的研究开发人员共同分享。
由于作者水平有限、时间有限及其他原因，书中难免存在疏漏与不足之处，希望同行及广大读者批评指正。

兰州交通大学
兰州兰石换热设备有限责任公司
张周卫 汪雅红 耿宇阳 车生文

张周卫，兰州交通大学，教授，男，国家“万人计划”领军人才，国家 级创新创业人才，国家科技专家库专家，环境科学博士后，动力工程及工程热物理博士，毕业于西安交通大学能源与动力工程学院制冷及低温工程系，高 级工程师，教授，主要从事空间低温制冷技术、压缩机械、真空低温设备、LNG过程控制装备、多股流缠绕管式换热装备、螺旋压缩膨胀制冷机等研究，涉及系统耦合传热及传热数值模拟计算，低温节流减压装置、低温系统换热装备、低温冷屏蔽系统、高超声速飞行器空间低温制冷机理研究等；先后参与北京航空航天大学863系统项目子项目“天然气涡旋压缩机”、清华大学航天航空学院973系统子项目“空间气流组织测试模拟环境室”、总装备部“空间低温红外辐射冷屏蔽系统研究”、真空低温国防重点实验室“空间低温流体流动特性实验研究”、国家重点实验室“空间低温流体自密封加注系统研究”等，先后参与国家 级项目20多项，主持国家自然基金及国家创新基金等6项、甘肃省创新基金4项、甘肃省自然基金等项目4项，与企业合作4项等；主持申报发明专利46项，发表论文30多篇，出版学术专著3部等；带领创新创业团队获得省级二等以上奖励54人次，厅级以上奖励80多人次，2013年入选江苏省启东市“东疆英才扶持计划”，2014年入选“国家创新人才推进计划”，2016年入选国家“特殊人才支持计划”。

本书共分为5章，主要介绍了液氢的国内外发展现状和低温生产过程、30万立方米PFHE型液氮预冷五级膨胀制冷氢液化系统工艺装备、30万立方米PFHE型液氮预冷一级膨胀两级节流氢液化工艺装备、30万立方米PFHE型LNG预冷两级氦膨胀五级氢液化工艺装备、30万立方米PFHE型四级氦膨胀制冷氢液化系统工艺装备等内容。研究内容主要涉及4类较典型的LH2低温液化工艺流程的具体设计计算方法，可为LH2液化关键环节中所涉及主要液化工艺设计计算提供可参考样例，并有利于推进LH2系列板翅式换热器的标准化及相应LH2液化工艺技术的国产化研发进程。
本书不仅可供氢气、天然气、低温与制冷工程、煤化工、石油化工、动力工程及工程热物理领域内的研究人员、设计人员、工程技术人员参考，还可供高等学校能源化工、石油化工、低温与制冷工程、能源与系统工程等相关专业的师生参考。

第1章绪论
1.1氢气（H2）与液氢（LH2）物理特性  1
1.2液氢（LH2）国外发展现状  3
1.3液氢（LH2）国内发展现状  5
1.4液氢（LH2）低温生产过程  6
1.4.1原料氢气主要来源  8
1.4.2氢气主要净化方法  9
1.4.3氢气制冷液化循环  10
1.4.4典型的氢液化系统  13
1.4.5氢气液化系统设备  16
1.4.6液氢（LH2）板翅式主换热装备  17
本章小结  19
参考文献  19

第2章30万立方米PFHE型液氮预冷五级膨胀制冷氢液化系统工艺装备
2.1板翅式换热器的发展  22
2.1.1总体发展概况  22
2.1.2国外发展概况  22
2.1.3国内发展概况  24
2.2LH2板翅式换热器设计目的  24
2.3板翅式换热器构造及工作原理  24
2.3.1板翅式换热器基本单元  24
2.3.2板翅式换热器翅片作用  24
2.3.3板翅式换热器主要附件  24
2.4板翅式换热器中氢气的液化  25
2.5板翅式换热器制冷系统  25
2.6板翅式换热器工艺流程设计  25
2.7氢气液化工艺流程设计  25
2.8制冷剂主要参数的确定  26
2.9各状态点参数设计计算  27
2.10氢液化流程工艺计算过程  28
2.10.1氢气膨胀制冷循环  28
2.10.2氮气膨胀制冷循环  33
2.11温熵图、压焓图绘制  37
2.12氢液化COP计算过程  38
2.12.1氢气膨胀制冷循环  38
2.12.2氮气膨胀制冷循环  40
2.13板翅式换热器工艺计算过程  42
2.13.1氢1换热器  42
2.13.2氢2换热器  55
2.13.3氢3换热器  62
2.13.4氢4换热器  70
2.13.5氢5换热器  74
2.13.6氮1换热器  78
2.13.7氮2换热器  81
2.13.8氮3换热器  85
2.14板翅式换热器结构设计过程  89
2.14.1封头设计  89
2.14.2液压试验  98
2.14.3接管设计  103
2.14.4接管补强  108
2.14.5法兰和垫片  133
2.14.6隔板和封条设计造型  134
2.14.7换热器的成型安装  136
2.14.8换热器的绝热保冷  138
本章小结  138
参考文献  139

第3章30万立方米PFHE型液氮预冷一级膨胀两级节流氢液化工艺装备
3.1一级膨胀两级节流LH2板翅式主换热器  142
3.2板翅式换热器工艺设计计算概述  143
3.2.1板翅式换热器设计步骤  143
3.2.2制冷剂设计参数的确定  143
3.2.3氢气液化工艺流程设计  143
3.3板翅式换热器工艺计算过程  143
3.3.1一级设备预冷制冷过程  143
3.3.2二级设备预冷制冷过程  145
3.3.3三级设备预冷制冷过程  146
3.3.4四级设备预冷制冷过程  147
3.3.5一级换热器流体参数计算  148
3.3.6二级换热器流体参数计算  154
3.3.7三级换热器流体参数计算  159
3.3.8四级换热器流体参数计算  163
3.3.9一级板翅式换热器传热面积计算  168
3.3.10二级板翅式换热器传热面积计算  174
3.3.11三级板翅式换热器传热面积计算  178
3.3.12四级板翅式换热器传热面积计算  182
3.3.13换热器压力损失计算  185
3.4板翅式换热器结构设计  193
3.4.1封头设计  193
3.4.2封头计算  194
3.4.3EX1换热器各个板侧封头壁厚计算  194
3.4.4EX2换热器各个板侧封头壁厚计算  196
3.4.5EX3换热器各个板侧封头壁厚计算  197
3.4.6EX4换热器各个侧封头壁厚计算  198
3.5液压试验  200
3.5.1液压试验目的  200
3.5.2内压通道  200
3.5.3接管计算  204
3.6接管补强  207
3.6.1补强计算  207
3.6.2接管计算  207
3.6.3EX1换热器补强面积计算  208
3.6.4EX2换热器补强面积计算  213
3.6.5EX3换热器补强面积计算  216
3.6.6EX4换热器补强面积计算  220
3.7法兰和垫片  224
3.8隔板、导流板及封条  224
3.8.1隔板厚度计算  224
3.8.2封条设计选择  227
3.8.3导流板的选择  227
3.9换热器的成型安装  227
3.9.1板束安装规则  227
3.9.2焊接工艺和形式  228
3.9.3绝热保冷设计  228
本章小结  229
参考文献  229

第4章30万立方米PFHE型LNG预冷两级氦膨胀五级氢液化工艺装备
4.1LH2板翅式换热器制冷工艺  230
4.2LH2板翅式换热器的工艺计算  232
4.2.1板翅式换热器工艺设计  232
4.2.2制冷剂设计参数的确定  232
4.2.3氢气液化工艺计算过程  232
4.3换热器长度计算  237
4.3.1一级换热器流体参数计算  237
4.3.2一级板翅式换热器传热面积计算  243
4.3.3二级换热器流体参数计算  248
4.3.4二级板翅式换热器传热面积计算  253
4.3.5三级换热器流体参数计算  257
4.3.6三级板翅式换热器传热面积计算  262
4.3.7四级换热器流体参数计算  266
4.3.8四级板翅式换热器传热面积计算  270
4.3.9五级换热器流体参数计算  272
4.3.10五级板翅式换热器传热面积计算  277
4.3.11换热器压力损失的计算  279
4.4板翅式换热器结构设计  288
4.4.1封头设计选型  288
4.4.2EX1换热器各个板侧封头壁厚计算  289
4.4.3EX2换热器各个板侧封头壁厚计算  291
4.4.4EX3换热器各个板侧封头壁厚计算  292
4.4.5EX4换热器各个板侧封头壁厚计算  293
4.4.6EX5换热器各个板侧封头壁厚计算  294
4.5液压试验  295
4.5.1液压试验目的  295
4.5.2内压通道  296
4.5.3接管计算  300
4.6接管补强  304
4.6.1开孔补强方式  304
4.6.2换热器接管计算  304
4.6.3EX1换热器补强面积计算  305
4.6.4EX2换热器补强面积计算  310
4.6.5EX3换热器补强面积计算  313
4.6.6EX4换热器补强面积计算  317
4.6.7EX5换热器补强面积计算  320
4.7法兰与垫片选择  323
4.8隔板、封条与导流板选择  324
4.8.1隔板厚度计算  324
4.8.2封条设计选择  327
4.8.3导流板形式选择  327
4.9换热器的成型安装  327
4.9.1板束安装规则  327
4.9.2焊接工艺形式  328
4.9.3试验、检验  328
4.9.4绝热保冷设计  328
本章小结  329
参考文献  329

第5章30万立方米PFHE型四级氦膨胀制冷氢液化系统工艺装备
5.1基于级联式LH2液化工艺的板翅式主液化装备  331
5.2LH2板翅式主液化装备工艺设计计算  333
5.2.1一级换热器  333
5.2.2二级换热器  333
5.2.3三级换热器  333
5.2.4四级换热器  334
5.2.5换热器A  334
5.2.6换热器B  335
5.2.7换热器C  335
5.3板翅式换热器流体参数及换热器板束长度计算  337
5.3.1一级换热器流体参数计算(单层通道)  337
5.3.2二级换热器流体参数计算(单层通道)  344
5.3.3三级换热器流体参数计算(单层通道)  349
5.3.4四级换热器流体参数计算(单层通道)  354
5.3.5换热器A流体参数计算(单层通道)  359
5.3.6换热器B流体参数计算(单层通道)  365
5.3.7换热器C流体参数计算(单层通道)  370
5.4板翅式换热器结构设计  375
5.4.1封头设计选型  375
5.4.2一级换热器各个板侧封头壁厚计算  376
5.4.3二级换热器各个板侧封头壁厚计算  376
5.4.4三级换热器各个板侧封头壁厚计算  377
5.4.5四级换热器各个板侧封头壁厚计算  378
5.4.6换热器A各个板侧封头壁厚计算  378
5.4.7换热器B各个板侧封头壁厚计算  379
5.4.8换热器C各个板侧封头壁厚计算  379
5.5液压试验  381
5.5.1液压试验目的  381
5.5.2内压通道计算  383
5.5.3尺寸校核计算  384
5.6接管确定  386
5.6.1接管尺寸确定  386
5.6.2一级换热器接管壁厚  386
5.6.3二级换热器接管壁厚  387
5.6.4三级换热器接管壁厚  387
5.6.5四级换热器接管壁厚  387
5.6.6换热器A接管壁厚  387
5.6.7换热器B接管壁厚  387
5.6.8换热器C接管壁厚  388
5.6.9接管尺寸汇总  388
5.7接管补强  389
5.7.1补强方式  389
5.7.2接管补强计算  389
5.7.3一级换热器补强面积计算  390
5.7.4二级换热器补强面积计算  392
5.7.5三级换热器补强面积计算  394
5.7.6四级换热器补强面积计算  396
5.7.7换热器A补强面积计算  398
5.7.8换热器B补强面积计算  400
5.7.9换热器C补强面积计算  402
5.8法兰与垫片选择  404
5.8.1法兰与垫片  404
5.8.2法兰与垫片型号选择  404
5.9隔板、封条与导流板选择  404
5.9.1隔板厚度计算  404
5.9.2封条选择  407
5.9.3导流板选择  407
5.10换热器的成型安装  407
5.10.1换热器组装要求  407
5.10.2板束要求  408
5.10.3焊接要求  408
5.10.4封头选择  408
5.10.5试验、检验  408
5.10.6换热器安装  409
5.10.7绝热及保冷  409
本章小结  409
参考文献  409

附录

致谢