一种液氢气化冷量回收利用的装置系统及方法与流程

1.本发明涉及燃气轮机技术领域，具体涉及一种液氢气化冷量回收利用的装置系统及方法。


背景技术：

2.当前，清洁能源比重逐步提高，氢能将成为能源体系的重要组成部分。其中，发展燃氢燃气轮机可以进一步化解能源安全问题，同时化解因天然气紧张而带来的燃气轮机行业发展阻力，在构建以新能源为主体的新型电力系统中将发挥关键支撑作用。
3.氢作为燃料或作为能量载体，较好的使用和贮存方式之一是液氢。混氢燃气轮机通常燃用掺混氢气的天然气，当混氢燃气轮机使用液氢燃料时，液氢气化是其中重要环节之一。cn 114738662a公开了一种基于液氢储能的可再生能源综合利用系统和方法，该系统包括：电解制氢装置，其与可再生能源供电装置连接，可再生能源供电装置为电解制氢装置提供电能进行电解制氢；氢气液化装置，其与电解制氢装置的氢输出管路连接，氢气液化装置用于使氢气液化；液氢储存装置，其与氢气液化装置的液氢输出端连接，液氢储存装置用于储存液氢；液氢气化装置，其与所述液氢储存装置的输出端连接，液氢气化装置用于使液氢气化。但液氢在气化过程中会释放较多的冷量，然而该发明并未对液氢冷能加以回收利用。
4.液氢冷能可以用于制取液态co2和干冰、冷冻仓库等方面，具有巨大的经济效益。cn 114087846a公开了一种光电制氢储能与冷量回收耦合产干冰装置及使用方法，包括光电转换液氢储能单元：光电在光电转换液氢储能单元中参与电解水制备氢气，满足下游工艺需求后的富余氢气在此单元中经液化，输出液氢从而将间歇性光电能转换成氢能储存；电解水制氢不足但工业用氢连续时，工业尾气提纯co2和空分氮气分别回收在此单元中作为冷源的低温液氢高、低品位冷量，输出液氮和液体co2，分别用于光电转换液氢储能单元和制干冰，液氢复热供入下游工艺。该发明可实现间歇性光电以液氢形式储存、优化回收液氢冷量用于制液氮和干冰，需要应用复杂的光电转换装置，应用领域仍存在一定的局限性。
5.因此，针对现有技术的不足，亟需提供一种能够提高燃氢燃气轮机功率与运行效率且实现液氢气化冷量回收利用的装置系统。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种液氢气化冷量回收利用的装置系统及方法，综合采用燃氢燃气轮机进气冷却技术、中间介质气化技术以及水蓄冷技术，对燃氢燃气轮机液氢燃料的气化冷量进行充分回收利用，解决了燃氢燃气轮机液氢燃料利用过程中的冷量浪费问题。
7.为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
8.第一方面，本发明提供了一种液氢气化冷量回收利用的装置系统，所述装置系统包括液氢储存供给单元、氢气后处理单元、液氢气化单元、进气冷却单元、水蓄冷单元、循环
冷却水单元以及监测控制单元；
9.所述液氢储存供给单元分别与氢气后处理单元以及液氢气化单元连接，所述氢气后处理单元与液氢气化单元连接；所述液氢气化单元与进气冷却单元连接，所述进气冷却单元分别独立地连接有水蓄冷单元与循环冷却水单元；
10.所述监测控制单元用于采集、监控所述装置系统的温度、压力、流量以及阀位信号并远程传输至控制系统。
11.本发明提供的装置系统，将液氢燃料的气化冷能用于燃氢燃气轮机进气系统空气冷却，适当降低机组的进气温度，提高了燃氢燃气轮机联合循环机组基本负荷下的发电功率，提升了燃氢燃气轮机联合循环机组系统能源利用效率，实现了燃氢燃气轮机液氢气化冷量的回收利用，降低了氢燃气轮机电厂的运营成本，具有良好的社会效益和经济效益；本发明提供的装置系统适用于燃氢燃气轮机联合循环电厂应用场景，提升了燃氢燃气轮机联合循环电厂能源综合利用水平，能够满足以新能源为主体的新型电力系统的先进技术需求。
12.优选地，所述液氢储存供给单元包括液氢储存装置与液氢回流流路，所述液氢储存装置连接有液氢供给流路。
13.所述液氢储存供给单元，用于液氢燃料的存储、加压、通断以及流量调节，以满足向液氢气化单元供给液氢的需要；所述液氢储存装置用于储存燃氢燃气轮机燃用的液氢燃料。
14.优选地，所述液氢供给流路包括依次连接的液氢供给逆止阀、液氢供给泵、液氢供给快关隔离阀以及液氢供给流量调节阀。
15.所述液氢供给逆止阀用于防止液氢供给泵抽吸出的液氢汇流至液氢储存装置；所述液氢供给泵用于从液氢储存装置抽吸出液氢，并加压泵送至液氢气化单元；所述液氢供给快关隔离阀用于快速通断向液氢气化单元的液氢供给，快关隔离阀快关时间小于1s；所述液氢供给流量调节阀用于调节进入液氢气化单元的液氢流量。
16.优选地，所述液氢回流流路包括依次连接的液氢回流隔离阀、液氢回流流量调节阀以及液氢回流逆止阀，所述液氢回流逆止阀与液氢供给逆止阀相连接。
17.所述液氢回流隔离阀用于隔离氢气后处理单元中气液分离器回流的液氢流路；所述液氢回流流量调节阀用于调节氢气后处理单元中气液分离器回流的液氢流量；所述液氢回流逆止阀用于防止液氢供给逆止阀后的液氢进入液氢回流流路。
18.优选地，所述液氢储存装置的入口设置有液氢卸液隔离阀，顶部设置有液氢储存装置安全爆破片。
19.所述液氢卸液隔离阀用于隔离燃气轮机厂外液氢气源与液氢储存装置间的卸氢流路；所述液氢储存装置安全爆破片用于液氢储存装置的内部超压保护。
20.优选地，所述液氢供给泵还连接有液氢供给泵出口溢流阀，所述液氢供给泵的出口液氢压力超出所述液氢供给泵出口溢流阀的设定值，部分液氢溢流回液氢储存装置。
21.优选地，所述氢气后处理单元包括氢气液分离装置，所述氢气液分离装置与所述液氢气化单元连接；所述氢气液分离装置的底部与所述液氢回流流路连接，顶部连接有氢气供给流路。
22.所述氢气后处理单元用于气化后氢气和液氢两相流体的气液分离、氢气的供给通
断、流量调节、压力调节以及过滤，向燃氢燃气轮机燃料系统提供满足特定压力、温度和流量参数要求的氢气；所述氢气液分离装置用于接收来自液氢气化单元的气液氢流体并进行气液分离，分离后的纯氢气自氢气液分离装置的顶部引出，分离后的液氢临时存于氢气液分离装置的底部。
23.优选地，所述氢气液分离装置设置有液位计，用于实时监测氢气液分离装置分离后的液氢液位并设置液位超限报警模块。
24.优选地，所述氢气供给流路包括依次连接的第一安全泄放装置、氢气供给快关阀、氢气供给流量控制阀、氢气供给流量计、氢气供给减压阀、氢气供给出口过滤器、第二安全泄放装置以及氢气供给出口隔离阀。
25.所述第一安全泄放装置用于氢气供给快关阀和液氢供给流量调节阀间设备及管路的超压安全保护；所述氢气供给快关阀用于燃气轮机燃料系统急需关闭氢气供应时进行快速通断氢气供应，氢气供给快关阀的快关时间小于1s；所述氢气供给流量控制阀根据氢气供给流量计的流量反馈和燃气轮机控制系统指令，实时调节进入燃气轮机燃料系统的氢气量；所述氢气供给流量计包括涡轮流量计和/或超声波流量计，用于实时测量反馈氢气供给流量；所述氢气供给减压阀用于将氢气供给压力调压至燃气轮机燃料系统要求的氢气供气压力；所述氢气供给出口过滤器用于保证下游氢气的洁净度；所述第二安全泄放装置用于氢气供给快关阀和氢气供给出口隔离阀间设备及管路的超压安全保护；所述氢气供给出口隔离阀用于启闭氢气后处理单元同燃气轮机燃料系统的流路，正常运行时全开，系统停运、检修或紧急情况下关闭。
26.优选地，所述液氢气化单元包括液氢气化装置，所述液氢气化装置的内腔顶部设置有冷凝区，内腔底部设置有蒸发区。
27.所述液氢气化单元采用中间介质蒸发冷凝器形式，利用来自进气冷却单元的冷媒水回水加热来自液氢储存供给单元的液氢，通过中间传热介质换热方式实现液氢气化。
28.优选地，所述中间介质包括丙烷、异丁烷、氨或氟利昂中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括丙烷与异丁烷的组合，异丁烷、氨与氟利昂的组合，或丙烷、异丁烷、氨与氟利昂的组合。
29.优选地，所述冷凝区设置有液氢气化换热管，所述液氢气化换热管的进口与所述液氢供给流路连接，出口与所述氢气液分离装置连接。
30.所述液氢气化换热管采用低进高出的多层盘管布置方式，流经管内的液氢吸收管外中间介质的冷凝热气化为氢气。
31.优选地，所述冷凝区与蒸发区之间设置有中间介质集液槽，所述中间介质集液槽的顶部设置有中间介质布气管，底部设置有中间介质布液管。
32.所述中间介质集液槽用于汇集冷凝区冷凝后的中间介质液体。
33.优选地，所述中间介质布气管的顶端设置有阻液罩，以避免上部中间介质液体直接经中间介质布气管进入液氢气化装置的蒸发区。
34.优选地，所述中间介质布气管沿周向均匀开设有直径为1-3mm的圆孔，例如可以是1mm、2mm或3mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
35.所述圆孔用于中间介质蒸气布气和整流，以保证来自蒸发区的中间介质蒸气均匀进入冷凝区，提升冷凝区换热效率。
36.所述圆孔位于所述中间介质集液槽的液面以上，以免液体直接沿布气管开口进入蒸发区，影响蒸发区换热效果。
37.优选地，所述中间介质布液管的底部设置有中间介质喷淋头。
38.所述中间介质布液管用于接收来自中间介质集液槽的中间介质液体，并采用多枝非等距环状结构实现水平面内均匀布液；所述中间介质喷淋头接收布液管管内液体后，喷淋至下方的冷媒水换热管外表面。
39.优选地，所述蒸发区设置有冷媒水换热管，所述冷媒水换热管的进口与出口分别独立地与所述进气冷却单元连接。
40.所述冷媒水换热管，采用多层盘管的布置方式，内部流经的冷媒水因管外中间介质蒸发的气化潜热而得到有效冷却。
41.优选地，所述液氢气化装置的壳体顶部设置有液氢气化装置安全爆破片。
42.所述液氢气化装置工作时，位于上部的中间介质蒸气吸收液氢气化换热管中液氢气化冷量而冷凝为液体，在中间介质集液槽中汇集，经中间介质喷淋头喷淋到装置下部蒸发区的冷媒水换热管上，中间介质液体蒸发吸热变成蒸气，同时冷却冷媒水换热管内的冷媒水；所述液氢气化装置的内部压力超出安全限制时，液氢气化装置安全爆破片破损，装置内部的中间介质经泄放管道排放至厂区指定安全区域进行无害化处理。
43.优选地，所述进气冷却单元包括依次连接的进气冷却冷媒水供水流路、进气冷却器以及进气冷却冷媒水回水流路。
44.所述进气冷却单元利用来自液氢气化单元的冷媒水，冷却燃氢燃气轮机压机入口进气，提升高温天气下燃气轮机的功率和效率，有效回收利用燃氢燃气轮机液氢气化冷量。
45.优选地，所述进气冷却冷媒水供水流路包括依次连接的冷媒水循环泵、冷媒水给水逆止阀、冷媒水给水隔离阀、冷媒水给水流量计，所述冷媒水给水隔离阀还连接有蓄冷水蓄水隔离阀。
46.所述冷媒水循环泵用于加压来自冷媒水换热管的低温冷媒水，克服进气冷却冷媒水供水流路的沿程阻力、高程差等阻力，为冷媒水供水回路循环提供充足动力；所述冷媒水给水逆止阀用于冷媒水循环泵低负荷或停运时，逆流会泵入口或水蓄冷单元或循环冷却水单元；所述冷媒水给水隔离阀用于通断冷媒水供水流路供水；所述冷媒水给水流量计用于监测和计量进入进气冷却器的低温冷媒水流量。
47.优选地，所述冷媒水循环泵还连接有冷媒水循环泵出口溢流阀，所述冷媒水循环泵的压力超出所述冷媒水循环泵出口溢流阀的设定值，部分冷媒水溢流至所述水蓄冷单元和/或循环冷却水单元。
48.优选地，所述冷媒水循环泵还连接有冷媒水分流隔离阀。
49.优选地，所述冷媒水循环泵与所述冷媒水换热管的出口连接。
50.优选地，所述冷媒水给水流量计还连接有蓄冷水给水隔离阀。
51.优选地，所述进气冷却器的上游气流方向设置有进气过滤器。
52.所述进气冷却器采用高效气水换热器方式，管内流通冷媒水，管外布置翅片增加空气侧换热效率，进气系统空气通道内部采用无接头的无缝换热管，全部管置于进气系统空气通道外部，避免冷媒水因接头密封不严进入燃机压气机；所述进气冷却器布置于进气过滤器气流方向下游，防止因空气冷却后相对湿度增加引起的进气过滤器滤芯湿堵。
53.优选地，所述进气冷却冷媒水回水流路包括依次连接的进气冷却器回水流量调节阀、进气冷却器回水隔离阀以及进气冷却器回水流量计。
54.所述进气冷却器回水流量调节阀用于通过进气冷却器的冷媒水水量；所述进气冷却器回水隔离阀用于通断进气冷却器的冷媒水回水以及进气冷却器停运及检修维护期间的进气冷却器冷媒水隔离；所述进气冷却器回水流量计用于监测和计量通过进气冷却器的冷媒水水量。
55.优选地，所述进气冷却冷媒水回水流路还设置有冷媒水疏水隔离阀。
56.所述进气冷却冷媒水回水流路的最低点设置冷媒水疏水隔离阀，用于进气冷却器停运及检修维护期间的冷媒水回路疏水。
57.优选地，所述蓄冷水给水隔离阀、蓄冷水蓄水隔离阀以及冷媒水循环泵出口溢流阀分别与所述水蓄冷单元连接。
58.优选地，所述冷媒水循环泵出口溢流阀、冷媒水分流隔离阀以及冷媒水疏水隔离阀分别与所述循环冷却水单元连接。
59.优选地，所述水蓄冷单元包括依次连接的蓄冷水分流流路、水蓄冷装置以及蓄冷水给水流路。
60.所述水蓄冷单元用于接收进气冷却单元短时无法消纳的液氢气化单元过剩冷媒水冷量，并在进气冷却单元用冷高峰时及时补给冷媒水冷量，平衡短时进气冷却冷量的峰谷差，提升燃机进气冷却的需求响应性和液氢气化装置的运行稳定性。
61.优选地，所述蓄冷水分流流路包括依次连接的蓄冷水分流流量调节阀与蓄冷水分流流量计，所述蓄冷水分流流量调节阀与所述蓄冷水蓄水隔离阀连接。
62.所述蓄冷水分流流量调节阀用于调节进入水蓄冷装置的分流冷媒水流量；所述蓄冷水分流流量计用于监测和计量进入水蓄冷装置的分流冷媒水流量。
63.优选地，所述蓄冷水给水流路包括依次连接的蓄冷水给水泵、蓄冷水给水逆止阀以及蓄冷水给水流量调节阀，所述蓄冷水给水流量调节阀与所述蓄冷水给水隔离阀连接。
64.所述蓄冷水给水泵用于抽吸水蓄冷单元中的低温蓄冷水供给至进气冷却器；所述蓄冷水给水逆止阀用于防止供给进气冷却器的冷媒水回流；所述蓄冷水给水流量调节阀用于调节进入进气冷却器的低温蓄冷水流量。
65.优选地，所述蓄冷水给水泵还连接有蓄冷水给水泵出口溢流阀，所述蓄冷水的供水压力超出所述蓄冷水给水泵出口溢流阀的设定值，部分冷媒水溢流回水蓄冷装置。
66.优选地，所述水蓄冷装置还连接有冷媒水第一溢流隔离阀，所述冷媒水第一溢流隔离阀与所述冷媒水循环泵出口溢流阀连接。
67.所述冷媒水第一溢流隔离阀用于通断来自冷媒水循环泵出口溢流阀的溢流冷媒水。
68.优选地，所述循环冷却水单元包括闭式冷却水装置，所述闭式冷却水装置分别独立地与冷媒水供补水流路、冷媒水分流流路、冷媒水溢流回水流路以及冷却水循环泵连接，所述冷却水循环泵连接有气轮机凝气器。
69.所述循环冷却水单元用于向进气冷却单元的冷媒水回路充注初始冷媒水和在运行过程中补充冷媒水，接收进气冷却单元和水蓄冷单元共同作用后仍无法消纳的液氢气化冷量，接收进气冷却单元中冷媒水循环泵出口溢流的冷媒水回至闭式冷却水装置。
70.优选地，所述冷媒水供补水流路包括依次连接的冷媒水补水流量调节阀与冷媒水补水流量计，所述冷媒水补水流量计与所述冷媒水疏水隔离阀连接。
71.所述冷媒水供补水流路用于向进气冷却单元的冷媒水回路充注初始冷媒水和在运行过程中补充冷媒水；所述冷媒水供补水流量调节阀用于调节进入冷媒水换热管的初始冷媒水充注和运行中的冷媒水补水量；所述冷媒水补水流量计用于监测和计量进入冷媒水换热管的初始冷媒水充注和运行中的冷媒水补水量。
72.优选地，所述冷媒水分流流路包括依次连接的冷媒水分流流量计与冷媒水分流流量调节阀，所述冷媒水分流流量计与所述冷媒水分流隔离阀连接；所述冷媒水分流流量调节阀的上游引出分流支路，所述分流支路包括依次连接的冷却水分流流量调节阀与冷却水分流流量计，所述冷却水分流流量计与所述冷却水循环泵连接。
73.所述冷媒水分流流量计用于监测和计量冷媒水分流流路的总分流水量；所述冷媒水分流流量调节阀用于调节直接回流至闭式冷却水装置的低温冷媒水分流流量；所述冷却水分流流量调节阀用于调节直接注入气轮机凝气器循环水系统的低温冷媒水流量；所述冷却水分流流量计用于监测和计量直接注入气轮机凝气器循环水系统的低温冷媒水流量；所述冷却水循环泵用于将直接注入气轮机凝气器循环水系统的低温冷媒水流量泵送至汽轮机凝气器。
74.优选地，所述冷媒水溢流回水流路设置有冷媒水第二溢流隔离阀，用于通断自所述冷媒水循环泵出口溢流阀的出口回流至闭式冷却水装置的溢流冷媒水。
75.所述监测控制单元用于采集和监控所述装置系统中的温度、压力、流量、阀位等参数信号，相关信号远程至电厂dcs控制系统，接受dcs监控系统监控。
76.第二方面，本发明提供了一种应用第一方面所述的装置系统进行液氢气化冷量回收利用的方法，所述方法包括：
77.基于燃气轮机发电机组的掺氢比例的不同，将所述装置系统的组成单元应用不同的组合进行运行。
78.本发明提供的方法，对不同掺氢比例的燃氢燃气轮机发电机组适用不同的液氢气化冷量回收模式，允许液氢储存供给单元、氢气后处理单元、液氢气化单元、进气冷却单元、水蓄冷单元以及循环冷却水单元应用不同的组合运行方式，典型但非限制性的组合包括液氢储存供给单元、氢气后处理单元、液氢气化单元、进气冷却单元与水蓄冷单元的组合，液氢储存供给单元、氢气后处理单元、液氢气化单元、进气冷却单元与循环冷却水单元的组合，或液氢储存供给单元、氢气后处理单元、液氢气化单元、进气冷却单元、水蓄冷单元与循环冷却水单元的组合。
79.优选地，所述运行中设定进气冷却停运触发条件与进气冷却停运解除条件。
80.优选地，所述进气冷却停运触发条件得到满足，停运所述进气冷却单元与水蓄冷单元，以保证燃氢燃气轮机的运行安全，所述液氢气化单元回收的液氢气化冷量全部由所述循环冷却水单元消纳。
81.优选地，所述进气冷却停运触发条件为：t
a1
≤2℃且t
a2-tc＜2℃；其中，t
a1
为进气冷却器进口空气温度，t
a2
为进气冷却器出口空气温度，tc为压气机进气室入口截面总温度。
82.优选地，所述进气冷却停运解除条件得到满足，重启所述进气冷却单元与水蓄冷单元，液氢气化冷量回收利用的装置系统解除限定模式，所述装置系统的组成单元均处于
待运行状态，接受电厂dcs控制，适用不同的组合运行方式。
83.优选地，所述进气冷却停运解除条件为：t
a1
＞2℃或t
a2-tc＞2℃。
84.第三方面，本发明提供了一种应用第一方面所述的装置系统进行能量平衡分析与冷量回收效果评价的方法，所述方法包括：
85.采用进气冷量回收效率评价进气冷却器对液氢气化冷量回收的效果，采用液氢气化单元的液氢气化冷量回收系数评价液氢气化器效率，采用进气冷却器换热效率评价进气冷却器的换热效果与设备技术完善程度，基于所述装置系统的水流量平衡关系建立装置系统的能量平衡。
86.优选地，所述进气冷量回收效率的计算式为：
[0087][0088]
其中：
[0089]
ηa——进气冷量回收效率，％；
[0090]
ca——空气比热容，kj/(kg
·
k)；
[0091]ma2
——单位时间进气冷却器出口空气量，kg/s；
[0092]
t
a1
——进气冷却器进口空气温度，k；
[0093]
t
a2
——进气冷却器出口空气温度，k；
[0094]mh2
——单位时间液氢气化单元氢气产量，kg/s；
[0095]hh2
——氢气液分离装置氢气出口处氢气质量焓，kj/kg；
[0096]hh1
——液氢气化换热管液氢入口处液氢质量焓，kj/kg；
[0097]
其中，h
h2
＝f(t
h2
，p
h2
)，由氢气液分离装置氢气出口处氢气的温度t
h2
和压力p
h2
确定；其中，h
h1
＝f(t
h1
，p
h1
)，由液氢气化换热管液氢入口处液氢的温度t
h1
和压力p
h1
确定。
[0098]
所述进气冷量回收效率定义为进气冷却器空气吸冷量与液氢气化吸收的气化潜热之比。
[0099]
优选地，所述液氢气化单元的液氢气化冷量回收系数的计算式为：
[0100][0101]
其中：
[0102]
ηb——液氢气化单元的液氢气化冷量回收系数，％；
[0103]cw
——冷媒水比热容，kj/(kg
·
k)；
[0104]mw3
——单位时间冷媒水换热管出口水量kg/s；
[0105]
t
w3
——冷媒水换热管出口水温，k；
[0106]
t
w2
——冷媒水换热管进口水温，k。
[0107]
所述液氢气化单元的液氢气化冷量回收系数定义为冷媒水获得的冷量与液氢气化释放的冷量之比。
[0108]
优选地，所述进气冷却器换热效率的计算式为：
[0109][0110]
其中：
[0111]
ηc——进气冷却器换热效率，％；
[0112]mw6
——单位时间进气冷却器出口冷媒水水量，kg/s；
[0113]
t
w6
——进气冷却器冷媒水出口水温，k；
[0114]
t
w2
——进气冷却器冷媒水入口水温，k。
[0115]
所述进气冷却器换热效率定义为空气吸冷量与冷媒水释放冷量之比。
[0116]
在忽略冷媒水、蓄冷水和冷却水等流路沿程水量损失的条件下，针对不同组合的运行方式，建立水流量平衡关系，基于所述水流量平衡关系建立装置系统的能量平衡，根据监测控制单元对系统的监测和调节需求，在满足参数定义位置介质的温度、压力、流量监测需求条件下，对温度、压力和流量监测仪表进行简化配置与参数定义位置的取用设定。
[0117]
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
[0118]
(1)本发明提供的装置系统，率先综合采用燃氢燃气轮机进气冷却技术、中间介质气化技术和水蓄冷技术，适当降低了燃氢燃气轮机机组的进气温度，解决了燃氢燃气轮机液氢燃料利用过程中的冷量浪费问题，提高了燃氢燃气轮机在高温运行环境下的功率和效率，实现了液氢燃料气化冷量的回收利用，提升了燃氢燃气轮机联合循环电厂能源综合利用水平，满足了以新能源为主体的新型电力系统的先进技术需求；
[0119]
(2)本发明针对燃氢燃气轮机联合循环电厂应用场景，提供了对不同掺氢比例的燃氢燃气轮机发电机组适用不同的液氢气化冷量回收模式，允许装置系统组成单元应用不同的组合运行方式，还提供了适用于所述装置系统的能量平衡分析和与冷量回收效果评价的具体方法，填补了相关技术空白。
附图说明
[0120]
图1为本发明实施例1提供的液氢气化冷量回收利用的装置系统的结构示意图；
[0121]
图2为本发明实施例1提供的液氢储存供给单元的结构示意图；
[0122]
图3为本发明实施例1提供的氢气后处理单元的结构示意图；
[0123]
图4为本发明实施例1提供的液氢气化单元的结构示意图；
[0124]
图5为本发明实施例1提供的进气冷却单元的结构示意图；
[0125]
图6为本发明实施例1提供的水蓄冷单元的结构示意图；
[0126]
图7为本发明实施例1提供的循环冷却水单元的结构示意图；
[0127]
图8为本发明应用例1提供液氢气化冷量回收利用的装置系统的参数定位位置示意图；
[0128]
其中：
[0129]
1，液氢储存供给单元；101，液氢卸液隔离阀；102，液氢储存装置；103，液氢储存装置温度计；104，液氢储存装置压力表；105，液氢储存装置安全爆破片；106，液氢供给逆止阀；107，液氢供给泵；108，液氢供给泵出口溢流阀；109，液氢供给泵出口温度计；110，液氢供给泵出口压力表；111，液氢供给快关隔离阀；112，液氢供给流量调节阀；113，液氢回流隔离阀；114，液氢回流流量调节阀；115，液氢回流逆止阀；
[0130]
2，氢气后处理单元；201，氢气液分离装置；202，氢气液分离装置液位计；203，第一安全泄放装置；204，氢气供给温度计；205，氢气供给压力表；206，氢气供给快关阀；207，氢气供给流量控制阀；208，氢气供给流量计；209，氢气供给减压阀；210，氢气供给温度计；
211，氢气供给压力表；212，氢气供给出口过滤器；213，第二安全泄放装置；214，氢气供给出口隔离阀；
[0131]
3，液氢气化单元；301，液氢气化装置；302，液氢气化换热管；303，中间介质集液槽；304，中间介质布气管；305，中间介质布液管；306，中间介质喷淋头；307，冷媒水换热管；308，冷媒水进水温度计；309，冷媒水出水温度计；310，液氢气化装置成分分析仪；311，液氢气化装置温度计；312，液氢气化装置压力表；313，液氢气化装置安全爆破片；
[0132]
4，进气冷却单元；401，冷媒水循环泵；402，冷媒水循环泵出口温度计；403，冷媒水循环泵出口压力表；404，冷媒水循环泵出口溢流阀；405，冷媒水给水逆止阀；406，冷媒水给水隔离阀；407，冷媒水给水流量计；408，进气冷却器进水温度计；409，进气冷却器；410，进气冷却器回水温度计；411，进气冷却器回水流量调节阀；412，进气冷却器回水隔离阀；413，进气冷却器回水流量计；414，蓄冷水给水隔离阀；415，蓄冷水蓄水隔离阀；416，冷媒水分流隔离阀；417，冷媒水疏水隔离阀；418，冷媒水溢流流量计；419，进气冷却器前温度计；420，进气冷却器后温度计；421，进气冷却器后湿度计；422，进气过滤器；
[0133]
5，水蓄冷单元；501，水蓄冷装置；502，蓄冷水分流流量调节阀；503，蓄冷水分流流量计；504，蓄冷水给水泵；505，蓄冷水给水泵出口溢流阀；506，蓄冷水给水泵出口温度计；507，蓄冷水给水泵出口压力表；508，蓄冷水给水逆止阀；509，蓄冷水给水流量调节阀；510，冷媒水第一溢流隔离阀；
[0134]
6，循环冷却水单元；601，闭式冷却水装置；602，冷媒水补水温度计；603，冷媒水补水流量调节阀；604，冷媒水补水流量计；605，冷媒水分流流量计；606，冷媒水分流流量调节阀；607，冷却水分流流量调节阀；608，冷却水分流流量计；609，冷媒水第二溢流隔离阀；610，冷却水循环泵；611，气轮机凝气器；612，凝气器压力计；
[0135]
7，监测控制单元；1a，液氢储存供给单元第1接口；1b，液氢储存供给单元第2接口；2a，氢气后处理单元第1接口；2b，氢气后处理单元第2接口；3a，液氢气化单元第1接口；3b，液氢气化单元第2接口；3c，液氢气化单元第3接口；3d，液氢气化单元第4接口；4a，进气冷却单元第1接口；4b，进气冷却单元第2接口；4c，进气冷却单元第3接口；4d，进气冷却单元第4接口；4e，进气冷却单元第5接口；4f，进气冷却单元第6接口；4g，进气冷却单元第7接口；4h，进气冷却单元第8接口；5a，水蓄冷单元第1接口；5b，水蓄冷单元第2接口；5c，水蓄冷单元第3接口；6a，循环冷却水单元第1接口；6b，循环冷却水单元第2接口；6c，循环冷却水单元第3接口；
[0136]
h1，液氢气化换热管液氢入口；h2，氢气液分离装置氢气出口；h3，氢气液分离装置液氢出口；a1，进气冷却器空气入口；a2，进气冷却器空气出口；w1，冷媒水补水流量计出口；w2，冷媒水换热管进口；w3，冷媒水换热管出口；w4，冷媒水循环泵出口；w5，进气冷却器冷媒水入口；w6，进气冷却器冷媒水出口；w7，蓄冷水给水泵出口；w8，冷媒水分流流量计出口；w9，冷媒水分流流量计出口；w10，冷却水分流流量计出口；w11，冷媒水溢流流量计出口。
具体实施方式
[0137]
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
[0138]
实施例1
[0139]
本实施例提供了一种液氢气化冷量回收利用的装置系统，如图1所示，所述装置系统包括液氢储存供给单元1、氢气后处理单元2、液氢气化单元3、进气冷却单元4、水蓄冷单元5、循环冷却水单元6以及监测控制单元7；
[0140]
所述液氢储存供给单元1设置有液氢储存供给单元第1接口1a、液氢储存供给单元第2接口1b，所述液氢储存供给单元第1接口1a连接至液氢气化单元3的液氢气化单元第1接口3a，用于向液氢气化单元3供给液氢；所述液氢储存供给单元第2接口1b连接至氢气后处理单元2的氢气后处理单元第2接口2b，用于回收氢气后处理单元2经分离后的液氢；
[0141]
所述氢气后处理单元2设置有氢气后处理单元第1接口2a，连接至液氢气化单元3的液氢气化单元第2接口3b；
[0142]
所述液氢气化单元3设置有液氢气化单元第3接口3c、液氢气化单元第4接口3d，所述液氢气化单元第3接口3c连接至进气冷却单元4的进气冷却单元第1接口4a，用于接收进气冷却单元4的进气冷却回水；所述液氢气化单元第4接口3d连接至进气冷却单元4的进气冷却单元第2接口4b，用于向进气冷却单元4供给低温冷媒水；
[0143]
所述进气冷却单元4设置有进气冷却单元第3接口4c、进气冷却单元第4接口4d、进气冷却单元第5接口4e、进气冷却单元第6接口4f、进气冷却单元第7接口4g以及进气冷却单元第8接口4h，所述进气冷却单元第3接口4c连接至循环冷却水单元6的循环冷却水单元第3接口6c，用于接收来自循环冷却水单元6的初始冷媒水充注和运行过程中的冷媒水补水；所述进气冷却单元第4接口4d连接至循环冷却水单元第2接口6b，用于将过剩冷媒水分流至循环冷却水单元6；所述进气冷却单元第5接口4e连接至循环冷却水单元第1接口6a，用于将冷媒水循环泵出w4溢流的冷媒水回收到循环冷却水单元6；所述进气冷却单元第6接口4f连接至水蓄冷单元5的水蓄冷单元第3接口5c，用于将冷媒水循环泵出口w4溢流的冷媒水回收到水蓄冷单元5；所述进气冷却单元第7接口4g连接至水蓄冷单元第2接口5b，用于将进气冷却短时超量冷媒水输送至水蓄冷单元5；所述进气冷却单元第8接口4h连接至水蓄冷单元第1接口5a，用于向进气冷却系统补给来自水蓄冷单元5的低温蓄冷水；
[0144]
所述的监测控制单元7，用于采集、监控所述装置系统的温度、压力、流量以及阀位信号并远程传输至电厂dcs控制系统，接受dcs监控系统监控；
[0145]
以下将结合图示对本实施例提供的液氢储存供给单元1进行详细描述。如图2所示，所述液氢储存供给单元1包括液氢储存装置102与液氢回流流路，所述液氢储存装置102连接有液氢供给流路；
[0146]
所述液氢供给流路包括依次连接的液氢供给逆止阀106、液氢供给泵107、液氢供给快关隔离阀111以及液氢供给流量调节阀112；所述液氢供给逆止阀106用于防止液氢供给泵107抽吸出的液氢汇流至液氢储存装置102；所述液氢供给泵107用于从液氢储存装置102抽吸出液氢，并加压泵送至液氢气化单元3；所述液氢供给快关隔离阀111用于快速通断向液氢气化单元3的液氢供给，快关隔离阀快关时间为0.8s；所述液氢供给流量流量调节阀112用于调节进入液氢气化单元3的液氢流量；
[0147]
所述氢供给流路在液氢供给泵107设置液氢供给泵出口溢流阀108、液氢供给泵出口温度计109和液氢供给泵出口压力表110；所述液氢供给泵出口溢流阀108用于限定液氢储存供给单元1向液氢气化单元3输送液氢的最高压力，当液氢供给泵107出口液氢压力超出液氢供给泵出口溢流阀108设定值，部分液氢将溢流回液氢储存装置102；所述液氢供给
泵出口温度计109用于监测液氢储存供给单元1向液氢气化单元3输送的液氢温度；所述液氢供给泵出口压力表110用于监测液氢储存供给单元1向液氢气化单元3输送的液氢压力；
[0148]
所述液氢回流流路包括依次连接的液氢回流隔离阀113、液氢回流流量调节阀114以及液氢回流逆止阀115；所述液氢回流隔离阀113用于隔离氢气后处理单元2中气液分离器回流的液氢流路。所述的液氢回流流量调节阀114，用于调节氢气后处理单元2中氢气液分离装置201回流的液氢流量；所述液氢回流逆止阀115用于防止液氢供给逆止阀106阀后的液氢进入液氢回流流路；
[0149]
所述液氢储存装置102入口设置液氢卸液隔离阀101，用于隔离燃气轮机厂外液氢气源与液氢储存装置102间的卸氢流路；液氢储存装置102上设置液氢储存装置温度计103，用于监测液氢储存装置102内部温度；液氢储存装置102上设置液氢储存装置压力表104，用于监测液氢储存装置102内部压力；液氢储存装置102顶部设置液氢储存装置安全爆破片105，用于液氢储存装置102内部超压保护；
[0150]
以下将结合图示对本实施例提供的氢气后处理单元2进行详细描述。如图3所示，所述氢气后处理单元2包括氢气液分离装置201，所述氢气液分离装置201与所述液氢气化单元3连接；所述氢气液分离装置201的底部与所述液氢回流流路连接，顶部连接有氢气供给流路；
[0151]
所述氢气液分离装置201设置有氢气液分离装置液位计202，用于实时监测氢气液分离装置201分离后的液氢液位并设置液位超限报警模块；所述氢气液分离装置201出口处设置氢气供给温度计204与氢气供给压力表205，分别用于监测氢气液分离装置201气化后氢气的温度与压力；
[0152]
所述氢气供给流路包括依次连接的第一安全泄放装置203、氢气供给快关阀206、氢气供给流量控制阀207、氢气供给流量计208、氢气供给减压阀209、氢气供给出口过滤器212、第二安全泄放装置213以及氢气供给出口隔离阀214；所述第一安全泄放装置203用于氢气供给快关阀206和液氢供给流量调节阀112间设备及管路的超压安全保护；所述氢气供给快关阀206用于装置系统急需关闭氢气供应时快速通断氢气供应，氢气供给快关阀的快关时间为0.8s；所述氢气供给流量控制阀207根据氢气供给流量计208的流量反馈和燃气轮机控制系统指令，实时调节进入燃气轮机燃料系统的氢气量；所述氢气供给流量计208用于实时测量反馈氢气供给流量；所述氢气供给减压阀209用于将氢气供给压力调压至燃气轮机燃料系统要求的氢气供气压力；所述氢气供给出口过滤器212用于保证下游氢气的洁净度；所述第二安全泄放装置213用于氢气供给快关阀206和氢气供给出口隔离阀214间设备及管路的超压安全保护；所述氢气供给出口隔离阀214用于启闭氢气后处理单元2同燃气轮机燃料系统的流路，正常运行时全开，系统停运、检修或紧急情况下关闭；所述氢气供给减压阀209后设置氢气供给温度计210与氢气供给压力表211，分别用于实时监测氢气供给减压阀209后的氢气温度与氢气压力；
[0153]
以下将结合图示对本实施例提供的液氢气化单元3进行详细描述。如图4所示，所述液氢气化单元3包括液氢气化装置301，所述液氢气化装置301的内腔顶部设置有冷凝区，内腔底部设置有蒸发区；
[0154]
所述冷凝区设置有低进高出的多层盘管布置的液氢气化换热管302，所述液氢气化换热管302的进口与所述液氢供给流路连接，出口与所述氢气液分离装置201连接；
[0155]
所述冷凝区与蒸发区之间设置有中间介质集液槽303，所述中间介质集液槽303的顶部设置有中间介质布气管304，底部设置有中间介质布液管305，用于接受来自中间介质集液槽303的中间介质丙烷液体，并采用多枝非等距环状结构实现水平面内均匀布液；所述中间介质布气管304的顶端设置有阻液罩；所述中间介质布气管304沿周向均匀开设有直径为1mm的圆孔，用于丙烷蒸气布气和整流，以保证来自蒸发区的丙烷蒸气均匀进入冷凝区，提升冷凝区换热效率；所述中间介质布气管304的最低排开口位于中间介质集液槽303液面以上10cm，避免丙烷液体直接沿中间介质布气管304开口进入蒸发区，影响蒸发区换热效果；所述中间介质布液管305的底部设置有中间介质喷淋头306；
[0156]
所述蒸发区设置有多层盘管布置的冷媒水换热管307，所述冷媒水换热管307的进口与出口分别独立地与所述进气冷却单元4连接；所述冷媒水换热管307进口处设置冷媒水进水温度计308，用于实时监测冷媒水进水温度；所述冷媒水换热管307出口处设置冷媒水出水温度计309，用于实时监测冷媒水的出水温度；
[0157]
所述液氢气化装置301的顶部设置有液氢气化装置成分分析仪310、液氢气化装置温度计311、液氢气化装置压力表312以及液氢气化装置安全爆破片313，所述液氢气化装置温度计311与液氢气化装置压力表312分别用于监测液氢气化装置301内部中间介质温度与压力；所述液氢气化装置安全爆破片313在液氢气化装置301内部压力超出安全限制时破损，中间介质经泄放管道排放至厂区指定安全区域进行无害化处理；
[0158]
以下将结合图示对本实施例提供的进气冷却单元4进行详细描述。如图5所示，所述进气冷却单元4包括依次连接的进气冷却冷媒水供水流路、进气冷却器以及进气冷却冷媒水回水流路；
[0159]
所述进气冷却冷媒水供水流路包括依次连接的冷媒水循环泵401、冷媒水给水逆止阀405、冷媒水给水隔离阀406、冷媒水给水流量计407，所述冷媒水给水隔离阀406还连接有蓄冷水蓄水隔离阀415；所述冷媒水循环泵401用于加压来自冷媒水换热管307的低温冷媒水，克服进气冷却冷媒水供水流路的沿程阻力、高程差阻力，为冷媒水供水回路循环提供充足动力；所述冷媒水给水逆止阀405用于冷媒水循环泵401低负荷或停运时，逆流回冷媒水循环泵401入口、水蓄冷单元5或循环冷却水单元6；所述冷媒水给水隔离阀406用于通断冷媒水供水流路供水；所述冷媒水给水流量计407用于监测和计量进入进气冷却器409的低温冷媒水流量；所述冷媒水给水流量计407还连接有蓄冷水给水隔离阀414；
[0160]
所述冷媒水循环泵401还连接有冷媒水循环泵出口溢流阀404，所述冷媒水循环泵401的压力超出所述冷媒水循环泵出口溢流阀404的设定值，部分冷媒水溢流至所述水蓄冷单元5或循环冷却水单元6；所述冷媒水循环泵出口溢流阀404设置冷媒水溢流流量计418，用于测量冷媒水循环泵出口溢流阀404溢流的低温冷媒水流量；所述冷媒水循环泵401还连接有冷媒水分流隔离阀416；所述冷媒水循环泵401与所述冷媒水换热管307的出口连接；
[0161]
所述进气冷却冷媒水供水流路设置冷媒水循环泵出口温度计402，用于监测冷媒水循环泵401出口处冷媒水水温；设置循环泵出口压力表403，用于监测冷媒水循环泵401出口处冷媒水水压；设置进气冷却器进水温度计408，用于监测进气冷却器409的冷媒水进水水温；
[0162]
所述进气冷却器409的内部流通冷媒水，外部布置翅片增加空气侧换热效率，进气系统空气通道内部采用无接头的无缝换热管，所述无缝换热管置于进气系统空气通道外
部，避免冷媒水因接头密封不严进入燃机压气机；所述进气冷却器409布置于进气过滤器422气流方向下游，防止因空气冷却后相对湿度增加引起的进气过滤器422滤芯湿堵；
[0163]
所述进气冷却器409设置进气冷却器前温度计419与进气冷却器后温度计420，分别用于监测进气冷却器409前空气温度与后空气温度；所述进气冷却器409还设置进气冷却器后湿度计421，用于监测进气冷却器409后空气湿度；
[0164]
所述进气冷却冷媒水回水流路包括依次连接的进气冷却器回水流量调节阀411、进气冷却器回水隔离阀412以及进气冷却器回水流量计413；所述进气冷却器回水流量调节阀411用于控制进气冷却器409的冷媒水水量；所述进气冷却器回水隔离阀412用于通断进气冷却器409的冷媒水回水以及进气冷却器409停运及检修维护期间的进气冷却器冷媒水隔离；所述进气冷却器回水流量计413用于监测和计量通过进气冷却器409的冷媒水水量；
[0165]
所述进气冷却冷媒水回水流路设置进气冷却器回水温度计410，用于监测进气冷却器409的冷媒水回水水温；所述进气冷却冷媒水回水流路还设置有冷媒水疏水隔离阀417，用于进气冷却器409停运及检修维护期间的冷媒水回路疏水；
[0166]
以下将结合图示对本实施例提供的水蓄冷单元5进行详细描述。如图6所示，所述水蓄冷单元5包括依次连接的蓄冷水分流流路、水蓄冷装置501以及蓄冷水给水流路；
[0167]
所述蓄冷水分流流路包括依次连接的蓄冷水分流流量调节阀502与蓄冷水分流流量计503，所述蓄冷水分流流量调节阀502与所述蓄冷水蓄水隔离阀415连接；所述蓄冷水分流流量调节阀502用于调节进入水蓄冷装置501的分流冷媒水流量；所述蓄冷水分流流量计503用于监测和计量进入水蓄冷装置501的分流冷媒水流量；
[0168]
所述蓄冷水给水流路包括依次连接的蓄冷水给水泵504、蓄冷水给水逆止阀508以及蓄冷水给水流量调节阀509，所述蓄冷水给水流量调节阀509与所述蓄冷水给水隔离阀414连接；所述蓄冷水给水泵504用于抽吸水蓄冷单元5中的低温蓄冷水供给至进气冷却器409；所述蓄冷水给水逆止阀508用于防止供给给进气冷却器409的冷媒水回流；所述蓄冷水给水流量调节阀509用于调节进入进气冷却器409的低温蓄冷水流量；
[0169]
所述蓄冷水给水泵504还连接有蓄冷水给水泵出口溢流阀505，当蓄冷水的供水压力超出所述蓄冷水给水泵出口溢流阀505的设定值，部分冷媒水溢流回水蓄冷装置501；所述蓄冷水给水泵504还设置有蓄冷水给水泵出口温度计506与蓄冷水给水泵出口压力表507，分别用于监测蓄冷水给水泵504出口蓄冷水水温与水压；
[0170]
所述水蓄冷装置还连接有冷媒水第一溢流隔离阀510，所述冷媒水第一溢流隔离阀510与所述冷媒水循环泵出口溢流阀404连接，用于通断来自冷媒水循环泵出口溢流阀404的溢流冷媒水；
[0171]
以下将结合图示对本实施例提供的循环冷却水单元6进行详细描述。如图7所示，所述循环冷却水单元6包括闭式冷却水装置601，所述闭式冷却水装置601分别独立地与冷媒水供补水流路、冷媒水分流流路、冷媒水溢流回水流路以及冷却水循环泵610连接，所述冷却水循环泵610连接有气轮机凝气器611；所述气轮机凝气器611设置有凝气器压力计612，用于实时监测气轮机凝气器611内的气轮机排气背压；
[0172]
所述冷媒水供补水流路用于向进气冷却单元4的冷媒水回路充注初始冷媒水以及在运行过程中补充冷媒水，包括依次连接的冷媒水补水流量调节阀602与冷媒水补水流量计603，所述冷媒水补水流量计603与所述冷媒水疏水隔离阀417连接；所述冷媒水供补水流
量调节阀602用于调节进入冷媒水换热管307的初始冷媒水充注和运行中的冷媒水补水量；所述冷媒水补水流量计603用于监测和计量入冷媒水换热管307的初始冷媒水充注和运行中的冷媒水补水量；所述冷媒水补水流量计603下游设置冷媒水补水温度计604，用于监测冷媒水补水温度；
[0173]
所述冷媒水分流流路包括依次连接的冷媒水分流流量计605与冷媒水分流流量调节阀606，所述冷媒水分流流量计605与所述冷媒水分流隔离阀416连接；所述冷媒水分流流量调节阀606的上游引出分流支路，所述分流支路包括依次连接的冷却水分流流量调节阀607与冷却水分流流量计608，所述冷却水分流流量计608与所述冷却水循环泵610连接；所述冷媒水分流流量计605用于监测和计量冷媒水分流流路的总分流水量；所述冷媒水分流流量调节阀606用于调节直接回流至闭式冷却水装置601的低温冷媒水分流流量；所述冷却水分流流量调节阀607用于调节直接注入气轮机凝气器611循环水系统的低温冷媒水流量；所述冷却水分流流量计608用于监测和计量直接注入气轮机凝气器611循环水系统的低温冷媒水流量；
[0174]
所述冷媒水溢流回水流路设置有冷媒水第二溢流隔离阀609，用于通断自所述冷媒水循环泵出口溢流阀404的出口回流至闭式冷却水装置601的溢流冷媒水。
[0175]
应用例1
[0176]
本应用例提供了一种应用实施例1提供的装置系统进行液氢气化冷量回收利用的方法，所述方法包括：
[0177]
基于燃气轮机发电机组的掺氢比例，将所述装置系统中液氢储存供给单元、氢气后处理单元、液氢气化单元、进气冷却单元、水蓄冷单元和循环冷却水单元组合进行运行；
[0178]
所述运行中设定进气冷却停运触发条件与进气冷却停运解除条件；所述进气冷却停运触发条件得到满足，停运所述进气冷却单元与水蓄冷单元，所述液氢气化单元回收的液氢气化冷量全部由所述循环冷却水单元消纳；所述进气冷却停运触发条件为：t
a1
≤2℃且t
a2-tc＜2℃；所述进气冷却停运解除条件得到满足，重启所述进气冷却单元与水蓄冷单元，所述装置系统的组成单元均处于待运行状态；所述进气冷却停运解除条件为：t
a1
＞2℃或t
a2-tc＞2℃；其中，t
a1
为进气冷却器进口空气温度，t
a2
为进气冷却器出口空气温度，tc为压气机进气室入口截面总温度；
[0179]
采用所述方法进行液氢气化冷量回收利用，然后应用所述装置系统进行能量平衡分析与冷量回收效果评价，所述能量平衡分析与冷量回收效果评价的方法包括：
[0180]
采用进气冷量回收效率评价进气冷却器对液氢气化冷量回收的效果，采用液氢气化单元的液氢气化冷量回收系数评价液氢气化器效率，采用进气冷却器换热效率评价进气冷却器的换热效果与设备技术完善程度，基于所述装置系统的水流量平衡关系建立装置系统的能量平衡。
[0181]
以下将结合图示对本应用例提供的能量平衡分析与冷量回收效果评价的方法进行详细描述。如图8所示，所述液氢气化冷量回收利用的装置系统的参数定义位置包括：液氢气化换热管液氢入口h1，氢气液分离装置氢气出口h2，氢气液分离装置液氢出口h3，进气冷却器空气入口a1，进气冷却器空气出口a2，冷媒水补水流量计出口w1，冷媒水换热管进口w2，冷媒水换热管出口w3，冷媒水循环泵出口w4，进气冷却器冷媒水入口w5，进气冷却器冷媒水出口w6，蓄冷水给水泵出口w7，冷媒水分流流量计w8，冷媒水分流流量计出口w9，冷却
水分流流量计出口w10，冷媒水溢流流量计出口w11。
[0182]
所述进气冷量回收效率定义为进气冷却器空气吸冷量与液氢气化吸收的气化潜热之比，计算式为：
[0183][0184]
其中：
[0185]
ηa——进气冷量回收效率，％；
[0186]
ca——空气比热容，kj/(kg
·
k)；
[0187]ma2
——单位时间进气冷却器出口空气量，kg/s；
[0188]
t
a1
——进气冷却器进口空气温度，k；
[0189]
t
a2
——进气冷却器出口空气温度，k；
[0190]mh2
——单位时间液氢气化单元氢气产量，kg/s；
[0191]hh2
——氢气液分离装置氢气出口处氢气质量焓，kj/kg；
[0192]hh1
——液氢气化换热管液氢入口处液氢质量焓，kj/kg；
[0193]
其中，h
h2
＝f(t
h2
，p
h2
)，由氢气液分离装置氢气出口处氢气的温度t
h2
和压力p
h2
确定；其中，h
h1
＝f(t
h1
，p
h1
)，由液氢气化换热管液氢入口处液氢的温度t
h1
和压力p
h1
确定。
[0194]
所述液氢气化单元的液氢气化冷量回收系数定义为冷媒水获得的冷量与液氢气化释放的冷量之比，计算式为：
[0195][0196]
其中：
[0197]
ηb——液氢气化单元的液氢气化冷量回收系数，％；
[0198]cw
——冷媒水比热容，kj/(kg
·
k)；
[0199]mw3
——单位时间冷媒水换热管出口水量kg/s；
[0200]
t
w3
——冷媒水换热管出口水温，k；
[0201]
t
w2
——冷媒水换热管进口水温，k。
[0202]
所述进气冷却器换热效率定义为空气吸冷量与冷媒水释放冷量之比，计算式为：
[0203][0204]
其中：
[0205]
ηc——进气冷却器换热效率，％；
[0206]mw6
——单位时间进气冷却器出口冷媒水水量，kg/s；
[0207]
t
w6
——进气冷却器冷媒水出口水温，k；
[0208]
t
w2
——进气冷却器冷媒水入口水温，k。
[0209]
在忽略冷媒水、蓄冷水和冷却水等流路沿程水量损失条件下，存在下述水流量平衡关系：
[0210]
以冷媒水换热管进口w2节点为对象，流入该节点的水量等于进气冷却器冷媒水出口w6处水量与冷媒水补水流量计出口w1处水量之和；流出该节点的水量等于冷媒水换热管进口w2处水量，即：
[0211]mw2
＝m
w6
+m
w1
(式-4)
[0212]
式中：
[0213]mw1
——冷媒水补水流量计出口水量，kg/s；
[0214]mw2
——冷媒水换热管进口水量，kg/s；
[0215]mw6
——进气冷却器冷媒水出口水量，kg/s；
[0216]
当停用冷媒水补水时，冷媒水换热管进口水量等于进气冷却器冷媒水出口水量。
[0217]
以冷媒水循环泵出口w4节点为对象，流入该节点的水量等于冷媒水换热管出口w3水量；流出该节点的水量等于进气冷却器冷媒水入口w5水量、蓄冷水分流流量计出口w8水量、冷媒水分流流量计出口水量w9及冷媒水溢流流量计出口水量w11之和扣除蓄冷水给水泵出口w7水量，即：
[0218]mw3
＝(m
w5-m
w7
)+m
w8
+m
w9
+m
w11
(式-5)
[0219]
式中：
[0220]mw3
——冷媒水换热管出口水量，kg/s；
[0221]mw5
——进气冷却器冷媒水入口水量，kg/s；
[0222]mw7
——蓄冷水给水泵出口水量，kg/s；
[0223]mw8
——蓄冷水分流流量计出口水量，kg/s；
[0224]mw9
——冷媒水分流流量计出口水量，kg/s；
[0225]mw11
——冷媒水溢流流量计出口水量，kg/s；
[0226]
燃氢燃气轮机掺氢比例＜15％时，液氢气化释放的能量有限，以进气冷却器回收冷量为主，停用冷媒水分流至闭式冷却水流路，此时冷媒水分流流量m
w9
为零，上式简化为：m
w3
＝(m
w5-m
w7
)+m
w8
+m
w11
；
[0227]
当进气冷却器冷量负荷长期稳定，停用水蓄冷单元，且冷媒水循环泵运行平稳，出口压力长期小于设定的溢流压力，无冷媒水溢流时，冷媒水循环泵出口w4节点流量平衡公式简化为：m
w3
＝m
w5
。
[0228]
基于上述流量平衡关系，建立系统能量平衡。根据监测控制单元对装置系统的监测和调节需求，在满足参数定义位置介质的温度、压力、流量监测需求条件下，对温度、压力和流量监测仪表进行简化配置，各位置参数取用方式如下：
[0229]
液氢气化换热管液氢入口h1位置，流量参数取用氢气供给流量计208测量值，温度参数取用液氢供给泵出口温度计109测量值，压力参数取用液氢供给泵出口压力表110测量值；
[0230]
氢气液分离装置氢气出口h2位置，流量参数取用氢气供给流量计208所测质量流量，温度参数取用氢气供给温度计204测量值，压力参数取用氢气供给压力表205测量值；
[0231]
进气冷却器空气入口a1，流量参数取用燃气轮机压气机进气流量，温度参数取用进气冷却器前温度计418测量值；
[0232]
进气冷却器空气出口a2，流量参数取用燃气轮机压气机进气流量，温度参数取用进气冷却器后温度计419测量值，湿度参数取用进气冷却器后湿度计420测量值；
[0233]
冷媒水补水流量计出口w1，流量参数取用冷媒水补水流量计604测量值，温度取用闭式冷却水装置供水水温；
[0234]
冷媒水换热管进口w2，流量参数按(式-4)取用，温度参数取用冷媒水进水温度计
308测量值；
[0235]
冷媒水换热管出口w3，流量参数取用冷媒水换热管进口w2流量，温度参数取用冷媒水出水温度计309测量值；
[0236]
冷媒水循环泵出口w4，流量参数按(式-5)取用，温度参数取用冷媒水出水温度计309测量值；
[0237]
进气冷却器冷媒水入口w5，流量参数取用进气冷却器回水流量计413测量值，温度参数取用进气冷却器进水温度计408测量值；
[0238]
进气冷却器冷媒水出口w6，流量参数取用进气冷却器回水流量计413测量值，温度参数取用进气冷却器回水温度计410测量值；
[0239]
蓄冷水给水泵出口w7，流量参数取用按进气冷却器回水流量计413测量值减去冷媒水给水流量计407测量值，温度参数取用蓄冷水给水泵出口温度计506测量值；
[0240]
冷媒水分流流量计w8，流量参数取用冷媒水分流流量计503测量值，温度参数取用冷媒水循环泵出口温度计402测量值；
[0241]
冷媒水分流流量计出口w9，流量参数取用冷媒水分流流量计605测量值，温度参数取用冷媒水循环泵出口温度计402测量值；
[0242]
冷却水分流流量计出口w10，流量参数取用冷却水分流流量计608测量值，温度参数取用冷媒水循环泵出口温度计402测量值；
[0243]
冷媒水溢流流量计出口w11，流量参数取用冷媒水溢流流量计421测量值，温度参数取用冷媒水循环泵出口温度计402测量值。
[0244]
按照上述方法结合具体应用例，对实施例1提供的装置系统进行液氢气化冷量回收利用、能量平衡分析与冷量回收效果评价。
[0245]
某型号燃气轮机发电机组无进气冷却、应用本发明提供的装置系统将进气温度降低10℃后的性能参数对比情况如表1所示。
[0246]
表1
[0247][0248]
通过表1可以得出，通过降低压气机进气温度可以提高联合循环机组在基本负荷下的进气质量流量、压比及发电功率，其中发电功率可升高约4.7-6.0％，大气温度越高时采用进气冷却的效果越明显。
[0249]
以某250mw燃气轮机联合循环机组为例，按体积分数15％掺混氢气时，单台机组天然气设计小时用气量60900nm3/h，单台机组氢气设计小时用气量10750nm3/h，对应单台机组
消耗的氢气质量流量为2.986kg/s。在简化能量平衡分析过程时，液氢气化单元3的液氢气化冷量回收系数按1，进气冷却器409进气冷却器换热效率ηc按98％，所述装置系统的氢、空气、水的主要状态点参数如表2所示。
[0250]
表2
[0251][0252][0253]
对于某250mw燃气轮机联合循环机组燃料系统，液氢气化单元内的液氢由状态1(温度-250℃、压力10mpa)气化为状态2(温度0℃、压力0.101325mpa)时，气化冷量为：2.986
×
(3832.979-123.504)＝11077kj/s；液氢气化单元的冷媒水由状态2(温度15℃)冷却为状态1(温度7℃)且流量为329.7kg/s时，冷媒水获取冷量为：329.7
×
4.2
×
(15-7)＝11077kj/s。此时，在忽略液氢气化单元的液氢气化冷量回收损失时，液氢气化单元能量平衡；
[0254]
对于进气冷却器，当进气流量为613kg/s时，气水换热量为613
×1×
(38-19.6)
×
98％＝11077kj/s。此时，液氢气化冷量回收利用的装置系统内部能量平衡，联合循环机组在基本负荷下的发电功率提升率可达到6％以上，实现燃氢燃气轮机液氢气化冷量的充分回收利用，有效降低了氢燃气轮机电厂运营成本，具有良好的社会效益和经济效益。
[0255]
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

技术特征：
1.一种液氢气化冷量回收利用的装置系统，其特征在于，所述装置系统包括液氢储存供给单元、氢气后处理单元、液氢气化单元、进气冷却单元、水蓄冷单元、循环冷却水单元以及监测控制单元；所述液氢储存供给单元分别与氢气后处理单元以及液氢气化单元连接，所述氢气后处理单元与液氢气化单元连接；所述液氢气化单元与进气冷却单元连接，所述进气冷却单元分别独立地连接有水蓄冷单元与循环冷却水单元；所述监测控制单元用于采集、监控所述装置系统的温度、压力、流量以及阀位信号并远程传输至控制系统。2.根据权利要求1所述的装置系统，其特征在于，所述液氢储存供给单元包括液氢储存装置与液氢回流流路，所述液氢储存装置连接有液氢供给流路；优选地，所述液氢供给流路包括依次连接的液氢供给逆止阀、液氢供给泵、液氢供给快关隔离阀以及液氢供给流量调节阀；优选地，所述液氢回流流路包括依次连接的液氢回流隔离阀、液氢回流流量调节阀以及液氢回流逆止阀，所述液氢回流逆止阀与液氢供给逆止阀相连接；优选地，所述液氢储存装置的入口设置有液氢卸液隔离阀，顶部设置有液氢储存装置安全爆破片；优选地，所述液氢供给泵还连接有液氢供给泵出口溢流阀，所述液氢供给泵的出口液氢压力超出所述液氢供给泵出口溢流阀的设定值，部分液氢溢流回液氢储存装置。3.根据权利要求2所述的装置系统，其特征在于，所述氢气后处理单元包括氢气液分离装置，所述氢气液分离装置与所述液氢气化单元连接；所述氢气液分离装置的底部与所述液氢回流流路连接，顶部连接有氢气供给流路；优选地，所述氢气液分离装置设置有液位计，用于实时监测氢气液分离装置分离后的液氢液位并设置液位超限报警模块；优选地，所述氢气供给流路包括依次连接的第一安全泄放装置、氢气供给快关阀、氢气供给流量控制阀、氢气供给流量计、氢气供给减压阀、氢气供给出口过滤器、第二安全泄放装置以及氢气供给出口隔离阀；优选地，所述液氢气化单元包括液氢气化装置，所述液氢气化装置的内腔顶部设置有冷凝区，内腔底部设置有蒸发区；优选地，所述冷凝区设置有液氢气化换热管，所述液氢气化换热管的进口与所述液氢供给流路连接，出口与所述氢气液分离装置连接；优选地，所述冷凝区与蒸发区之间设置有中间介质集液槽，所述中间介质集液槽的顶部设置有中间介质布气管，底部设置有中间介质布液管；优选地，所述中间介质布气管的顶端设置有阻液罩；优选地，所述中间介质布气管沿周向均匀开设有直径为1-3mm的圆孔；优选地，所述中间介质布液管的底部设置有中间介质喷淋头；优选地，所述蒸发区设置有冷媒水换热管，所述冷媒水换热管的进口与出口分别独立地与所述进气冷却单元连接；优选地，所述液氢气化装置的壳体顶部设置有液氢气化装置安全爆破片。4.根据权利要求3所述的装置系统，其特征在于，所述进气冷却单元包括依次连接的进
气冷却冷媒水供水流路、进气冷却器以及进气冷却冷媒水回水流路；优选地，所述进气冷却冷媒水供水流路包括依次连接的冷媒水循环泵、冷媒水给水逆止阀、冷媒水给水隔离阀、冷媒水给水流量计，所述冷媒水给水隔离阀还连接有蓄冷水蓄水隔离阀；优选地，所述冷媒水循环泵还连接有冷媒水循环泵出口溢流阀，所述冷媒水循环泵的压力超出所述冷媒水循环泵出口溢流阀的设定值，部分冷媒水溢流至所述水蓄冷单元和/或循环冷却水单元；优选地，所述冷媒水循环泵还连接有冷媒水分流隔离阀；优选地，所述冷媒水循环泵与所述冷媒水换热管的出口连接；优选地，所述冷媒水给水流量计还连接有蓄冷水给水隔离阀；优选地，所述进气冷却器的上游气流方向设置有进气过滤器；优选地，所述进气冷却冷媒水回水流路包括依次连接的进气冷却器回水流量调节阀、进气冷却器回水隔离阀以及进气冷却器回水流量计；优选地，所述进气冷却冷媒水回水流路还设置有冷媒水疏水隔离阀；优选地，所述蓄冷水给水隔离阀、蓄冷水蓄水隔离阀以及冷媒水循环泵出口溢流阀分别与所述水蓄冷单元连接；优选地，所述冷媒水循环泵出口溢流阀、冷媒水分流隔离阀以及冷媒水疏水隔离阀分别与所述循环冷却水单元连接。5.根据权利要求4所述的装置系统，其特征在于，所述水蓄冷单元包括依次连接的蓄冷水分流流路、水蓄冷装置以及蓄冷水给水流路；优选地，所述蓄冷水分流流路包括依次连接的蓄冷水分流流量调节阀与蓄冷水分流流量计，所述蓄冷水分流流量调节阀与所述蓄冷水蓄水隔离阀连接；优选地，所述蓄冷水给水流路包括依次连接的蓄冷水给水泵、蓄冷水给水逆止阀以及蓄冷水给水流量调节阀，所述蓄冷水给水流量调节阀与所述蓄冷水给水隔离阀连接；优选地，所述蓄冷水给水泵还连接有蓄冷水给水泵出口溢流阀，所述蓄冷水的供水压力超出所述蓄冷水给水泵出口溢流阀的设定值，部分冷媒水溢流回水蓄冷装置；优选地，所述水蓄冷装置还连接有冷媒水第一溢流隔离阀，所述冷媒水第一溢流隔离阀与所述冷媒水循环泵出口溢流阀连接。6.根据权利要求5所述的装置系统，其特征在于，所述循环冷却水单元包括闭式冷却水装置，所述闭式冷却水装置分别独立地与冷媒水供补水流路、冷媒水分流流路、冷媒水溢流回水流路以及冷却水循环泵连接，所述冷却水循环泵连接有汽轮机凝气器；优选地，所述冷媒水供补水流路包括依次连接的冷媒水补水流量调节阀与冷媒水补水流量计，所述冷媒水补水流量计与所述冷媒水疏水隔离阀连接；优选地，所述冷媒水分流流路包括依次连接的冷媒水分流流量计与冷媒水分流流量调节阀，所述冷媒水分流流量计与所述冷媒水分流隔离阀连接；所述冷媒水分流流量调节阀的上游引出分流支路，所述分流支路包括依次连接的冷却水分流流量调节阀与冷却水分流流量计，所述冷却水分流流量计与所述冷却水循环泵连接；优选地，所述冷媒水溢流回水流路设置有冷媒水第二溢流隔离阀，用于通断自所述冷媒水循环泵出口溢流阀的出口回流至闭式冷却水装置的溢流冷媒水。
7.一种应用权利要求1-6任一项所述的装置系统进行液氢气化冷量回收利用的方法，其特征在于，所述方法包括：基于燃气轮机发电机组的掺氢比例的不同，将所述装置系统的组成单元应用不同的组合进行运行。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述运行中设定进气冷却停运触发条件与进气冷却停运解除条件；优选地，所述进气冷却停运触发条件得到满足，停运所述进气冷却单元与水蓄冷单元，所述液氢气化单元回收的液氢气化冷量全部由所述循环冷却水单元消纳；优选地，所述进气冷却停运触发条件为：t
a1
≤2℃且t
a2-t
c
＜2℃；其中，t
a1
为进气冷却器进口空气温度，t
a2
为进气冷却器出口空气温度，t
c
为压气机进气室入口截面总温度；优选地，所述进气冷却停运解除条件得到满足，重启所述进气冷却单元与水蓄冷单元，所述装置系统的组成单元均处于待运行状态；优选地，所述进气冷却停运解除条件为：t
a1
＞2℃或t
a2-t
c
＞2℃。9.一种应用权利要求1-6任一项所述的装置系统进行能量平衡分析与冷量回收效果评价的方法，其特征在于，所述方法包括：采用进气冷量回收效率评价进气冷却器对液氢气化冷量回收的效果，采用液氢气化单元的液氢气化冷量回收系数评价液氢气化器效率，采用进气冷却器换热效率评价进气冷却器的换热效果与设备技术完善程度，基于所述装置系统的水流量平衡关系建立装置系统的能量平衡。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述进气冷量回收效率的计算式为：其中：η
a
——进气冷量回收效率，％；c
a
——空气比热容，kj/(kg
·
k)；m
a2
——单位时间进气冷却器出口空气量，kg/s；t
a1
——进气冷却器进口空气温度，k；t
a2
——进气冷却器出口空气温度，k；m
h2
——单位时间液氢气化单元氢气产量，kg/s；h
h2
——氢气液分离装置氢气出口处氢气质量焓，kj/kg；h
h1
——液氢气化换热管液氢入口处液氢质量焓，kj/kg；优选地，所述液氢气化单元的液氢气化冷量回收系数的计算式为：其中：η
b
——液氢气化单元的液氢气化冷量回收系数，％；c
w
——冷媒水比热容，kj/(kg
·
k)；m
w3
——单位时间冷媒水换热管出口水量kg/s；t
w3
——冷媒水换热管出口水温，k；
t
w2
——冷媒水换热管进口水温，k；优选地，所述进气冷却器换热效率的计算式为：其中：η
c
——进气冷却器换热效率，％；m
w6
——单位时间进气冷却器出口冷媒水水量，kg/s；t
w6
——进气冷却器冷媒水出口水温，k；t
w2
——进气冷却器冷媒水入口水温，k。

技术总结
本发明涉及一种液氢气化冷量回收利用的装置系统及方法，所述装置系统包括液氢储存供给单元、氢气后处理单元、液氢气化单元、进气冷却单元、水蓄冷单元、循环冷却水单元以及监测控制单元。本发明综合采用燃氢燃气轮机进气冷却技术、中间介质气化技术和水蓄冷技术，适当降低了燃氢燃气轮机机组的进气温度，提高了燃氢燃气轮机在高温运行环境下的功率和效率，实现液氢燃料气化冷量的回收利用，提升了燃氢燃气轮机联合循环电厂能源综合利用水平，满足了以新能源为主体的新型电力系统的先进技术需求。求。求。


技术研发人员：王思远 江路毅 华浩磊 史进渊 刘网扣 朱志劼 徐望人
受保护的技术使用者：上海发电设备成套设计研究院有限责任公司
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/7/20