一种用于氢气储存的多腔球形储罐的制作方法

1.本实用新型涉及氢能储存领域，尤其涉及氢气规模化储存和不同压力等级下储存的多腔球形储罐，具体地说，涉及一种用于氢气储存的多腔球形储罐。


背景技术：

2.随着氢能的发展，特别是绿氢的生产，由于绿氢生产的不连续性，对氢气的规模化储存提出了更迫切的需求。虽然氢气的储存方式多样，但目前能够在工程上大规模实施的还是以气态储存为主，由于氢气密度小，使得采用现有技术在大规模的气态氢气储存时存在占地面积大，成本高等缺点。


技术实现要素：

3.为解决现有氢气储存容器存在的占地面积大、成本高的技术问题，本实用新型提供了一种用于氢气储存的多腔球形储罐，改变传统单一压力等级氢气储存方式，可实现不同压力等级氢气的储存。
4.本实用新型提供的一种用于氢气储存的多腔球形储罐主要由多层由内而外逐层嵌套的密闭球形腔体组成，各球形腔体均为单独成型的球壳，腔体与腔体之间通过腔体间支撑件固定，各腔体上分别设置人孔和氢气进出口，除最外层腔体外的各腔体的氢气进出口上无泄漏固定连接弯曲状的氢气接引管，每根氢气接引管穿透其路径上的各腔体伸至最外层腔体外部，每根氢气接引管与穿透的相应各腔体之间形成无泄漏的固定连接；由内而外逐层嵌套的各腔体组成多个相互独立的压力腔，各个压力腔的储氢压力由内而外逐层降低，最内层的压力腔储氢绝对压力最高，每个压力腔仅承受该压力腔的内外压差。
5.需要说明的是人孔和氢气进出口是必要开口，其余工艺开口数量及位置可根据实际工程需要确定。
6.由此，各相互独立的压力腔，在储存氢气时，最内层压力腔储存高压氢气，由内到外，氢气压力等级逐步降低，最外层压力腔储存压力等级最低的氢气，每个独立压力腔仅承受腔体内外的压力差。
7.一种用于氢气储存的多腔球形储罐整体可采用裙式支座或赤道正切式支柱支撑，单个球形腔体可由足球瓣式、桔瓣式或混合式球壳板组装而成。腔体间支撑件的位置应尽量靠近球壳下极，腔体间支撑件的结构型式可采用支柱或弧形板，在起到支撑作用的同时，还应能保证腔体间气体的流动畅通。
8.为更方便氢气储存和泄放，作为改进，最外层腔体上氢气进出口应沿球壳径向或竖直方向开设，其余腔体上氢气进出口应开设在球壳径向方向，需要说明的是，氢气进出口的接引管应采用弯曲状接管而非直管，这主要是为了补偿腔体间产生的附加机械载荷或温度载荷。为便于操作人员进出，各球形腔体上的人孔位置统一设置在球壳的上极或下极。
9.本实用新型具有以下优点：
10.1)一种用于氢气储存的多腔球形储罐在承压时，由于其壁面应力为圆柱形的一
半，所以在同样的压力和直径下，其壁厚为圆柱形的一半，因而具有较好的经济性，在存储单位质量的氢气时，球形容器的成本最低；
11.2)一种用于氢气储存的多腔球形储罐的多层腔体结构的采用使得通过每一腔体外侧的压力能够抵消相应腔体内的压力，从而提高其承压能力；
12.3)多层腔体结构的采用也可在单位腔体体积内储存更多质量的氢气，以解决大规模存储时所带来的占地面积过大的问题；
13.4)多层腔体结构更有利于不同压力等级氢气的储存，优化了氢气储存流程；
14.5)与传统单腔容器相比，由于各独立腔体在储存氢气时，仅承受腔体内外的压力差，在一定程度上减薄了器壁厚度，降低工程制造难度，更具有可实施性。
附图说明
15.图1为本实用新型的一种用于氢气储存的多腔球形储罐的结构示意图。
16.图中：1-内层球形腔体，2-中间球形腔体，3-外层球形腔体，4-第一氢气进出口，5-第二氢气进出口，6-第三氢气进出口，7-第一氢气接引管，8-第二氢气接引管，9-内层腔体人孔，10-中间腔体人孔，11-外层腔体人孔，12-腔体间支撑件，13-内层压力腔，14-中间压力腔，15-外层压力腔，16-赤道正切式支柱。
17.sr1-内层球形腔体半径，sr2-中间球形腔体半径，sr3-外层球形腔体半径。
实施方式
18.下面结合附图对本实用新型做进一步的描述。
19.本实用新型的一种用于氢气储存的多腔球形储罐的球形腔体层数数量理论上可不受限制，但考虑到工程实际使用需求及制造难度，一般可采用2～5层结构，所储存氢气的压力等级范围为0～10mpa，各球形腔体储存氢气压力等级可根据实际需要配置，由内到外，逐步降低。
20.图1中整个用于氢气储存的多腔球形储罐采用的是赤道正切式支柱16支撑，当然也可采用裙座支撑。图1给出了采用3层球形腔体时的用于氢气储存的多腔球形储罐的结构示意图。
21.内层球形腔体1上设有第一氢气进出口4和内层腔体人孔9，第一氢气进出口4通过第一氢气接引管7穿透中间球形腔体2和外层球形腔体3引出至外层球形腔体3外部；中间球形腔体2上设有第二氢气进出口5和中间腔体人孔10，第二氢气进出口5通过第二氢气接引管8穿透外层球形腔体3引出至外层球形腔体3外部；外层球形腔体3上设有第三氢气进出口6和外层腔体人孔11，不同腔体之间通过腔体间支撑件12进行无泄漏固定连接，各氢气接引管与腔体之间均形成密封性良好的无泄漏连接。各层腔体人孔均独立地开设在各腔体球壳上极或下极。内层球形腔体1的内部空间形成内层压力腔13，内层球形腔体1和中间球形腔体2之间形成中间压力腔14，中间球形腔体2和外层球形腔体3之间形成外层压力腔15。
22.图1所示的用于氢气储存的多腔球形储罐在制造时，可先制造内层球形腔体1，在制造检验完成后，接着组装中间球形腔体2，通过腔体间支撑件12连接两腔体，将内层球形腔体1完全包裹后完成中间球形腔体2的整体检验检测；同样地，组装外层球形腔体3，并通过腔体间支撑件12连接两侧腔体，将内部腔体完全包裹后进行外层球形腔体3的整体检验
检测。在以上步骤进行过程中，应注意各腔体上开口位置，确保各氢气接引管能顺利引至腔体外部。
23.图1所示的用于氢气储存的多腔球形储罐在氢气储存或泄放时，应保证各腔体内氢气的压力平衡。充装时，步骤如下：对三个腔体同时充装，在压力达到外层球形腔体3的工作压力p3时，关闭外层球形腔体3的充装阀门，继续对内层球形腔体1和中间球形腔体2进行充装，当中间球形腔体2内氢气压力达到其腔体内工作压力p2时，关闭中间球形腔体2的充装阀门，继续对内层球形腔体1进行充装，直至其腔体内氢气压力达到其工作压力p1。相反地，泄放时，应先泄放最内层压力腔体氢气，当压力泄放至中间腔体内工作压力p2时，开始对中间压力腔体氢气进行泄放，当压力泄放至中间腔体内工作压力p3时，泄放最外层压力腔体氢气。在实际工程操作中，可对实际泄放过程灵活控制，只需满足泄放时两相邻腔体的压力差小于设计值即可。
24.下面结合图1以具体的实施例说明相对于传统结构本实用新型具有的优势。
实施例
25.为进一步说明本实用新型结构在储存氢气方面的优势，将本实用新型结构和传统单腔球罐结构在储存条件相互对应且壳体材质完全相同的前提下进行充分对比，对比数据详见表1～表3。
26.表1
27.内层压力腔中间压力腔外层压力腔总压力腔对应球形腔体半径（mm）710085009200储存容积（m3）150010706903260储存氢气压力（mpa）531.5球壳厚度（mm）504648储存氢气质量（kg）608626288489562
28.表2
29.传统单腔球罐1传统单腔球罐2传统单腔球罐3球罐半径（mm）710063505480储存容积（m3）15001070690储存氢气压力（mpa）531.5球壳厚度（mm）1206630储存氢气质量（kg）60862628848
30.表3
31.可工程实施传统单腔球罐1可工程实施传统单腔球罐2球罐半径（mm）29454400储存容积（m3）105355储存氢气压力（mpa）53球壳厚度（mm）5046储存氢气质量（kg）435876
32.通过对比分析，可得出如下结论：
33.a)在储存条件相同情况下，本实用新型结构对5mpa和3mpa氢气的储存使用的球壳厚度更薄，可由120mm厚减薄到50mm，66mm厚减薄到46mm，减薄至少30%，在工程应用中可实施性更强；
34.b)表2数据的得出是在保证氢气储量与表1各腔体氢气储量一致的前提下进行的，实际上表2中所对应厚度的球罐，尤其是球罐1厚度达到了120mm，基于目前的制造能力和制造质量很难实现。为满足工程上制造要求，如需存储5mpa、6086kg和3mpa、2628kg的氢气，则需要5mpa、105m3传统单腔球罐14台，3mpa、355m3传统单腔球罐3台，1.5mpa、690m3传统单腔球罐1台，详见表3，而采用本实用新型结构仅需要1台即可，采用本实用新型结构使用的占地面积将减少约80%，大大节约了占地面积；
35.c)在基于氢气储量一致的条件下，较传统单腔球罐相比，可减少附属管线阀门及安全附件数量；
36.d)值得说明的是，结合本实用新型结构多个腔体共同承压的特点，在实际运用过程中应在满足压力平衡的条件下，尽量减少外层腔体体积，即降低低压氢气储存量，增加相对高压氢气储存量。
37.在实际工程项目操作时，考虑到更为复杂的设计工况，应从多方面考虑进行氢气储存压力、储存量和设备尺寸等的优化配置，充分发挥本实用新型结构优势，更好地解决工程实际问题，为氢气储存领域的发展起到一定的促进作用。

技术特征：
1.一种用于氢气储存的多腔球形储罐，其特征在于：主要由多层由内而外逐层嵌套的密闭球形腔体组成，各球形腔体均为单独成型的球壳，腔体与腔体之间通过腔体间支撑件固定，各腔体上分别设置人孔和氢气进出口，除最外层腔体外的各腔体的氢气进出口上无泄漏固定连接弯曲状的氢气接引管，每根氢气接引管穿透其路径上的各腔体伸至最外层腔体外部，每根氢气接引管与穿透的相应各腔体之间形成无泄漏的固定连接；由内而外逐层嵌套的各腔体组成多个相互独立的压力腔，各个压力腔的储氢压力由内而外逐层降低，最内层的压力腔储氢绝对压力最高，每个压力腔仅承受该压力腔的内外压差。2.根据权利要求1所述的多腔球形储罐，其特征在于：所述多腔球形储罐整体采用裙式支座或赤道正切式支柱支撑。3.根据权利要求1所述的多腔球形储罐，其特征在于：所述各球形腔体由足球瓣式、桔瓣式或混合式球壳板组装而成。4.根据权利要求1所述的多腔球形储罐，其特征在于：所述腔体间支撑件的位置靠近球壳下极，腔体间支撑件的结构型式采用支柱或弧形板。5.根据权利要求1所述的多腔球形储罐，其特征在于：所述最外层腔体上氢气进出口沿球壳径向或竖直方向开设，其余腔体上氢气进出口开设在球壳径向方向。6.根据权利要求1所述的多腔球形储罐，其特征在于：所述各球形腔体上的人孔位置统一设置在球壳的上极或下极。7.根据权利要求1～6任一所述的多腔球形储罐，其特征在于：所述逐层嵌套的密闭球形腔体为2～5层。

技术总结
本实用新型公开了一种用于氢气储存的多腔球形储罐，由多层由内而外逐层嵌套的密闭球形腔体组成，腔体之间通过支撑件固定，各腔体上分别设置人孔和氢气进出口，除最外层腔体外的各腔体的氢气进出口上无泄漏固定连接弯曲状的氢气接引管，各氢气接引管穿透其路径上的各腔体伸至最外层腔体外部，各氢气接引管与穿透的相应各腔体之间形成无泄漏的固定连接；逐层嵌套的各腔体组成多个相互独立的压力腔，各个压力腔的储氢压力由内而外逐层降低，最内层的储氢压力最高，每个压力腔仅承受该压力腔的内外压差。本实用新型充分利用压力平衡，通过一部分储存压力平衡掉更高压力等级的储存压力，不但解决了大容积高压储氢的难题，还降低了储氢容器的成本。了储氢容器的成本。了储氢容器的成本。


技术研发人员：胡庆均 刘博文 陈崇刚 赵予川
受保护的技术使用者：中石化广州工程有限公司
技术研发日：2023.03.08
技术公布日：2023/7/14