一种低温高压氢气球形储存容器

技术领域

本发明涉及高压容器应用领域，尤其涉及一种低温高压氢气储存容器。

背景技术

现在普遍使用的储氢容器，一般都是常温高压气态储氢，操作压力分为45MPa及70MPa两大类，采用圆筒体两端球形封头的结构，多见于加氢站。可是此类储氢方式，氢气密度范围仅为约18～40g/L。

氢气液化通过多次循环节流膨胀等方式实现，其与外界存在巨大温差，对装置保温性能要求极为严苛，且氢气液化成本高、能耗大，全套技术苦难程度较大。因此为在常温高压储氢的基础上进一步提高储氢密度，将考虑采用低温高压的储氢方式。

氢气在临界状态前，密度随温度的降低而增大，当温度来到-200℃，压力70MPa，氢气密度约为82g/L。在提高储氢密度的同时，降低了设备制造、使用的难度，因此低温高压储氢在将来会逐步推广应用。

尤其需要一种低温高压储氢容器，自重轻，适用于绝热要求高，储存压力大，需要反复充放气的场景。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是，克服常温高压储氢氢气密度不足，同时避免液氢储存技术难度过高的问题。旨在提供一种低温高压球形储氢容器。

本发明的技术方案是，一种低温高压氢气球形储存容器，包括用于储存高压氢气的内容器，所述内容器呈球形，设于所述储存容器的最内部；所述内容器外为液氮夹套层，所述液氮夹套层外为真空绝热夹套层；

所述液氮夹套层开设有液氮加注口和液氮泄放口两个接口；所述真空绝热夹套层开设有抽真空口；

所述液氮加注口和液氮泄放口通过缠绕管将最终接口设置在所述真空绝热夹套层；所述液氮夹套层在靠近所述两个接口处与锻造凸缘固定连接；

所述球形储存容器立式安装时，所述液氮夹套层通过储氢内容器轴向吊耳以及凸缘处固定连接提供轴向支撑；所述内容器与所述液氮夹套层底部通过圆环支撑相隔；所述真空绝热夹套层通过夹套支座与内部设备连接；氢气加注口和氢气泄放口开设于真空绝热夹套层的外壁，通过管路与所述内容器的开口处连通。

为保证设备绝热性能，真空绝热夹套不直接与凸缘固定连接；立式安装时，液氮夹套通过储氢内容器吊耳以及凸缘处焊缝提供轴向支撑，真空绝热夹套则通过夹套支座托举内部设备，并由设备支座提供整体约束；为考虑设备整体绝热性能，真空绝热夹套层与内部设备的直接连接应尽量减少，故真空绝热夹套层与内部设备的连接处只保留液氮加注口，液氮泄放口，氢气加注口，氢气泄放口及真空绝热夹套支座。

所采用的时球形储氢容器，在相同压力下所需的设备壁厚更薄，重量更轻。球形容器，具有更大的比表面积，传热更加均匀。

可根据已有的管线布置进行接头方位设计，有极高的泛用性。由液氮先行为容器预冷，预冷达到所需温度后加注氢气至指定压力及所需温度。

本发明的一种低温高压氢气球形储存容器，优选的是，所述内容器的材料为低碳奥氏体不锈钢。

本发明的一种低温高压氢气球形储存容器，优选的是，所述内容器上设置整锻增强接管。

本发明的一种低温高压氢气球形储存容器，优选的是，所述真空绝热夹套层外壁设有支座。由支座提供整体约束。

本发明的一种低温高压氢气球形储存容器，优选的是，所述固定连接为焊接。

本发明的一种低温高压氢气球形储存容器，优选的是，所述真空绝热夹套层设有安全泄放装置。

本发明的一种低温高压氢气球形储存容器，优选的是，所述的液氮管路，采用螺旋管。这样能够大大降低轴向温差应力。

本发明的一种低温高压氢气球形储存容器，优选的是，所采用的管路材料为TP316L。

本发明的一种低温高压氢气球形储存容器，优选的是，所述真空绝热夹套层外壁设有安全阀口。

本发明的一种低温高压氢气球形储存容器，优选的是，所述圆环支撑与所述液氮夹套层内壁间设有柔性支撑垫。柔性支撑垫保持了一定的装配过盈量。

整体容器为三层结构设计，内层盛装氢气，中间层盛装-196℃液氮，最外层为真空绝热层。目的是降低氢气温度，保证整个系统有效绝热，降低氮气循环量，达到稳定的低温储存情况。

高压低温储氢装置工作温度低，压力高，单位体积储氢密度大，在相同的占用空间中实现高效储氢；低温高压储氢技术休眠期长、储氢成本低，有利于装备保障维护；在液氮层设立缠绕管进出管口，降低设备热应力，提高管件使用寿命；在液氮层与绝热真空层的支撑结构，减少刚性连接，采用圆筒件的间隙配合，在底部衬以玻璃钢考虑轴向刚度问题。

本发明低温高压储氢容器与普通常温高压储氢容器相比，其多出的低温夹套及绝热层是设备的关键。

第一，储氢内容器采用的是低碳奥氏体不锈钢封头对焊形成的球壳。该材料具有稳定奥氏体，抗氢脆性能优异，且在低温情况下是一种优异的临氢材料。同时具有成熟的制造工艺，且材料有良好的焊接性能，设备制造不存在较大困难。

第二，液氮层采用了非刚性连接的方式，考虑了在低温情况下的弹性体收缩问题，在常温制造的过程中，考虑了一定的过盈量，保证了容器在低温状态下的稳定问题。

第三，真空绝热层是此设备的关键一环，在设计中采用高真空度及减少直接刚性连接的部件，在轴向支撑方面与内一层的轴向支撑在环向上错开一定距离，达到减少壳体冷量散失的目的。设备绝热性能的提高，可以在降低液氮循环量的同时，减少内部氢气因温度变化引起的压力波动。

第四，设备在设计的过程充分考虑了立式安装的可靠性，在轴向上设计了足够的支撑，确保在轴向上的设备刚度。

本发明的有益效果是：

1.设备采用液氮夹套，在低温情况下储存氢气，具有储氢密度高，结构紧凑，可靠性高。在提高储氢密度的同时，降低技术难度，提高使用安全性。

2.设备整体泛用性强，对于不同储存容积、压力、温度等需求，可进行二次优化设计，用户匹配度高。

附图说明

图1是低温高压氢气球形储存容器结构示意图。

图中，1.设备支座；2.真空绝热夹套层；3.抽真空口；4.氢气泄放口；5.真空压力表口；6.内容器吊耳；7.液氮加注口；8.液氮泄放口；9.安全阀口；10.真空试验阀；11.氢气加注口；12.内容器；13.液氮夹套层；14.液氮夹套支座；15.柔性支撑垫；16.圆环支撑。

具体实施方式

所述内容器呈球形，设于所述储存容器的最内部；所述内容器外为液氮夹套层，所述液氮夹套层外为真空绝热夹套层；

所述液氮夹套层开设有液氮加注口7和液氮泄放口8两个接口；所述真空绝热夹套层5开设有抽真空口；

所述液氮加注口7和液氮泄放口8通过缠绕管将最终接口设置在所述真空绝热夹套层；所述液氮夹套层13在靠近所述两个接口处与锻造凸缘固定连接；

所述球形储存容器立式安装时，所述液氮夹套层13通过储氢内容器吊耳6以及凸缘处固定连接提供轴向支撑；所述内容器与所述液氮夹套层底部通过圆环支撑16相隔；所述真空绝热夹套层通过夹套支座14与内部设备连接；氢气加注口11和氢气泄放口4开设于真空绝热夹套层的外壁，通过管路与所述内容器的开口处连通。

为保证设备绝热性能，真空绝热夹套2不直接与凸缘固定连接；立式安装时，液氮夹套通过储氢内容器吊耳6以及凸缘处焊缝提供轴向支撑，真空绝热夹套则通过夹套支座14托举内部设备，并由设备支座1提供整体约束；为考虑设备整体绝热性能，真空绝热夹套层与内部设备的直接连接应尽量减少，故真空绝热夹套层与内部设备的连接处只保留液氮加注口7，液氮泄放口8，氢气加注口11，氢气泄放口4及真空绝热夹套支座14。

如图1所示，真空绝热夹套2在设备充气前先填充绝热材料并抽气至真空状态，在真空夹套内形成绝热屏蔽层。

设备充气操作顺序如下:

首先液氮通过液氮加注口7进入液氮夹套13，对整体容器进行预冷，期间氮气泄放口8时刻保持开启，以最高效率使得设备温度达到稳态-196℃。

在设备达到-196℃时，打开氢气加注口11，同时打开氢气泄放口4对储氢内容器12进行气体置换，置换气体由管路到达高空释放。气体置换完成后，关闭氢气泄放口4，通过外接运输泵加注氢气至指定压力，期间氮气泄放口8依旧时刻保持开启。当氢气温度及压力达到储存要求，关闭液氮加注口7及氮气泄放口8，停止氢气供应。

由于氮气预冷的作用，氢气加注时的对流传热在进行整体热力学计算时将就不必考虑，这样的作法简化了计算，但保留了计算的准确性及有效性。以上，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。