航天科技：氦膨胀制冷氢气液化系统示范应用

  随着交通、工业等领域内氢气的广泛使用，液氢加氢站已成为国际舞台的主流，预计到2030年我国在氢液化设备领域的市场总容量将达到300亿元，市场容量巨大。液氢具有携氢密度大、增加车辆（装备）续驶里程、运输成本低、储氢纯度高、液体低压储存和使用安全性好于大规模高压气态形式等优势，是解决氢的规模化、商业化储运供应的理想方式。航天科技集团成功研制国产首套2吨/天氦膨胀制冷氢气液化系统，该套系统包括透平膨胀机、控制管理系统、压缩机、正仲氢转化器等在内的90%以上的设备完全采用国产，填补了我国自主知识产权的基于氦膨胀制冷的液氢规模化生产方面的空白，在保障氢氧型运载火箭推进剂供给方面有重要的战略意义，同时为我国绿色低碳氢能产业氢的规模化储运奠定了自主可控的技术和装备基础，具有里程碑式意义。

  本项目着重关注技术指标的制定、总工艺流程的优化、设备的工艺开发、全系统集成以及系统性能指标的验证，其中设备工艺开发过程与关键技术突破过程相辅相成。在技术开发过程中，技术团队主要是针对氢液化工艺包的研制和验证、控制逻辑研制并成功验证、高效率吨级透平膨胀机研制、高效正仲氢转化器研制和氢液化冷箱结构与制造工艺五大方面做研究。主要做法依次为：

  确定工艺路线。根据国际主流工艺和运行安全考虑，本套氢液化装置采用氦制冷的氢液化流程，以氦作为制冷工质，由液氮预冷和氦制冷循环提供氢气冷凝液化所需的冷量。考虑该生产规模下的系统经济性及适用性，选择采用氦气布雷顿工艺流程。在仿真计算分析对比的基础上，综合考虑系统整体的经济性及可靠性，采用双透平常压液氮预冷为基本流程。

  确定系统组成。本套氢液化系统主要工艺系统包括主体系统和辅助系统两大部分，如图1所示。主体系统包括：冷箱系统、氦气压缩机系统和控制管理系统。

  推进工艺流程设计。国产氢气液化系统的研制示范应用项目攻关设计的工艺图包括：厂区工艺总流程图、工艺流程图说明、氦压缩机ORS/GMP工艺流程图、真空系统工艺流程图、冷箱工艺流程图、液氢接收及液氢转注工艺流程图、液氮氮气供应系统工艺流程图、氮气回收系统工艺流程图、冷却水冷冻水工艺流程图、氢气在线分析工艺流程图、氦气在线分析工艺流程图、配气系统工艺流程图、配电系统流程图、控制系统流程图等。

  研制单体设备与分系统。研制包括各主体设备与辅助系统在内的各个单体设备的研制生产。

  基于复杂热流环境的热力计算与动力学分析设计能力大幅度的提高，并在单体设备研制、试验过程中修正了多项热力学耦合因子，充实了理论计算依据、丰富了应用参考模型，深低温复杂热力学计算与仿真模拟技术大幅度提高，能更快、更准确地定位关键参数、设计薄弱点和实况运行预测，为复杂工况下的材料、工艺、装备设计、研制提供了理论基础保障。

  在理论分析与热力学、流动力学和热力交变特性计算分析的基础上，提升了技术理论向工程应用转化的水平，具备先进工艺设计和先进工业制造能力的基础，拥有高精密、高转速、高可靠性动力装备的测试与工艺制造能力，为解决后期更大规模氢液化系统关键装备、液氢应用领域关键动力设备液氢泵等高端装备的设计制造奠定了理论和工业基础。

  此前，我国在液氢规模化高效率生产方面关键技术装备一直依赖进口。国产首套基于氦膨胀制冷的氢液化系统研制成功，意味着我国民用市场两个氢液化系统集成建设项目基本落成，两次成功示范应用彻底打通了氢能领域的液氢应用之路，提升我国氢液化技术的整体水平，并带动相关产业高质量发展，解决了氢能应用领域亟待突破的高效储、运装备难题，可以某些特定的程度上摆脱对进口设备的依赖，缩小与国外企业差距，通过自主知识产权技术成果的积累，将实现设备的国产化替代，打破国外技术垄断，摆脱氢液化设备和技术全部依赖进口的局面。同时，项目将建设气、液两用加氢站，属国内首创，将实现国内液态加氢站“零”的突破，在推动我们国家加氢站技术和燃料电池车发展领域具有里程碑式的重要意义。