1,000 L/h氫液化裝置工藝流程分析及優(yōu)化

殷靚，巨永林，王剛

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源需求量也在不斷增長，然而作為主要能源的石油、煤的儲量卻在不斷減少[1]。因此化石燃料時(shí)代向綠色能源時(shí)代的轉(zhuǎn)變是必然的：一方面是化石能源消耗向綠色能源再生的轉(zhuǎn)變，另一方面是從高碳燃料向低碳燃料的轉(zhuǎn)變，其本質(zhì)上是燃料的加氫減碳過程[2]。氫能作為一種清潔、高效的二次能源，具有燃燒熱值高、能量密度大、來源廣泛、利用形式多、可儲能、可再生等特點(diǎn)，有利于解決能源危機(jī)以及環(huán)境污染問題，被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉碵3]。

隨著氫能技術(shù)的不斷成熟以及全球?qū)夂蜃兓铜h(huán)境保護(hù)的重視，氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到了世界各國的關(guān)注。氫能的開發(fā)和利用已經(jīng)成為發(fā)達(dá)國家能源體系中的重要部分。尤其是發(fā)展氫能最積極的日本在2017年底發(fā)布了“氫能源基本戰(zhàn)略”，主要目標(biāo)是到2030年實(shí)現(xiàn)氫燃料發(fā)電商業(yè)化，以實(shí)現(xiàn)能源供給多元化，提高能源自給率[4]。我國在進(jìn)入“十三五”時(shí)期，也密集出臺了一系列支持氫能發(fā)展的政策，在2018年2月11日，由國家能源集團(tuán)牽頭的“中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”在北京正式成立[5]。

制氫、儲氫、運(yùn)氫、加氫是一套完整的系統(tǒng)工程。儲運(yùn)作為氫能應(yīng)用中的重要組成部分，目前主要有以下幾種方式：高壓氣態(tài)儲存、低溫液態(tài)儲存、金屬氫化物儲存等。國際能源署(IEA)提出質(zhì)量儲氫密度大于5%、體積儲氫密度大于50 kg/m3(H2)；美國能源部（DOE）提出質(zhì)量儲氫密度不低于6.5%、體積儲氫密度不低于62 kg/m3(H2)[6]。綜合考慮質(zhì)量、體積儲氫密度和溫度，目前只有液氫儲存能滿足上述要求[6]。

隨著低溫液體產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域不斷開拓，特別是一些特殊技術(shù)領(lǐng)域，對低溫貯存和運(yùn)輸系統(tǒng)提出了更新的要求，并且其使用條件更為苛刻[7]。近年來，大量研究人員和研究機(jī)構(gòu)致力于提高氫液化的效率，目前世界上運(yùn)行的氫液化裝置基本都采用改進(jìn)型帶預(yù)冷的Claude液化流程，另外在此基礎(chǔ)上也提出了許多創(chuàng)新流程[8]。

本文將利用大型化工軟件Aspen Hysys對前期設(shè)計(jì)完成的1,000L/h氫液化裝置流程進(jìn)行模擬分析，并且采用遺傳算法以單位能耗為目標(biāo)函數(shù)，對于氫液化流程進(jìn)行全局優(yōu)化，獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)測試提供理論依據(jù)。

1 1,000L/h氫液化系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)工藝流程介紹

氫液化裝置工藝流程如圖1所示。該液化流程由三部分組成：氫氣系統(tǒng)、液氮預(yù)冷系統(tǒng)和氦氣制冷循環(huán)。

原料氫氣進(jìn)入冷箱，經(jīng)過冷氮?dú)忸A(yù)冷的一級換熱器 HEX1預(yù)冷后再進(jìn)入液氮預(yù)冷的二級換熱器HEX2進(jìn)行降溫，然后進(jìn)入液氮浸泡的一級正仲氫轉(zhuǎn)化器，進(jìn)行恒溫轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化后的氫氣經(jīng)三、四級換熱器 HEX3、HEX4 冷卻后，進(jìn)入二級正仲氫轉(zhuǎn)化器絕熱轉(zhuǎn)化，同時(shí)放熱升溫后再次回到四級換熱器HEX4冷卻。冷卻后的氫氣經(jīng)五、六級換熱器HEX5、HEX6冷卻后，進(jìn)入三級正仲氫轉(zhuǎn)化器絕熱轉(zhuǎn)化，同時(shí)放熱升溫后再次回到六級換熱器HEX6冷卻。冷卻后的氫氣經(jīng)七級換熱器HEX7冷卻后通過J-T閥節(jié)流降溫，再經(jīng)第八級換熱器 HEX8冷卻，進(jìn)入第四級正仲氫轉(zhuǎn)化器絕熱轉(zhuǎn)化，同時(shí)放熱升溫后再次回到八級換熱器HEX8冷卻后進(jìn)入液氫儲存杜瓦瓶。

通過氦氣螺桿壓縮機(jī)排出的高壓氦氣經(jīng)過水冷器進(jìn)行降溫后，經(jīng)過冷氮?dú)忸A(yù)冷的一級換熱器HEX1預(yù)冷后再進(jìn)入液氮預(yù)冷的二級換熱器HEX2。之后進(jìn)入三、四級換熱器 HEX3、HEX4降溫至更低溫度，再經(jīng)過兩級透平串聯(lián)，中間降溫的膨脹回路進(jìn)行絕熱膨脹制冷后，變成低溫低壓氦氣回到第八級換熱器HEX8低壓側(cè)入口?；亓鞯牡蜏氐蛪汉庖来文媪魍ㄟ^第八至第一級換熱器（HEX8～ HEX1）回收冷量后出冷箱，再回到壓縮機(jī)吸氣端進(jìn)行再次循環(huán)。

圖1 氫液化工藝流程

1.2 流程模擬

本節(jié)采用大型化工軟件Aspen Hysys對上述氫液化工藝流程進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬[9]，模擬過程采用Peng-Robinson方程[10]，并且對流程進(jìn)行了如下假設(shè)：

1）流程是穩(wěn)態(tài)的，忽略動能和勢能的影響；

2）由于Aspen Hysys中沒有正仲氫轉(zhuǎn)換器模塊，流程中正仲氫轉(zhuǎn)換器分別用換熱器和加熱器表示，轉(zhuǎn)化熱在流程中被消耗掉，該假設(shè)與實(shí)際較符；

3）壓縮機(jī)和膨脹機(jī)絕熱效率均為80%；

4）進(jìn)入液化流程的原料氣為純氫氣；

5）水冷器、多股流換熱器的壓降均為0。

根據(jù)以上5個(gè)假設(shè)和圖1的氫液化工藝流程，利用Aspen Hysys對流程進(jìn)行了詳細(xì)的模擬計(jì)算，得到各節(jié)點(diǎn)溫度、壓力、流量等參數(shù)，如表1所示。

表1 工藝模擬節(jié)點(diǎn)參數(shù)

1.3 流程優(yōu)化

基于上述氫液化流程模擬，本節(jié)結(jié)合MATLAB對遺傳算法進(jìn)行編程。MATLAB可以通過Aspen Hysys COM組件實(shí)現(xiàn)與Aspen Hysys實(shí)時(shí)通訊，獲得Aspen Hysys的模擬參數(shù)，然后用MATLAB中的遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化[11]。遺傳算法優(yōu)化氫液化工藝流程的框圖如圖2所示。

圖2 遺傳算法優(yōu)化框圖

對于多個(gè)待優(yōu)化參數(shù)，遺傳算法在一定范圍內(nèi)對變量進(jìn)行全局搜索，從而找到最小的目標(biāo)函數(shù)值。遺傳算法的設(shè)置參數(shù)如表2所示。

表2 遺傳算法設(shè)定參數(shù)

對于氫液化工藝流程，影響該流程單位能耗的主要是由氫氣的質(zhì)量流量和氦氣制冷循環(huán)中的部分關(guān)鍵參數(shù)決定。氦氣壓縮機(jī)的進(jìn)口溫度和出口壓力、氦氣質(zhì)量流量會影響壓縮機(jī)的功耗以及制冷循環(huán)效率，所以要對其進(jìn)行優(yōu)化。另外氦氣進(jìn)出口膨脹機(jī)的溫度會對流程的單位能耗造成較大的影響，因?yàn)檫M(jìn)出口膨脹機(jī)溫度會影響膨脹機(jī)的輸出功以及制冷量。待優(yōu)化參數(shù)的上限和下限如表3所示。

表3 待優(yōu)化參數(shù)上限和下限

本文采用單位能耗作為遺傳算法的目標(biāo)函數(shù)。單位能耗w是流程總能耗與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體積流量的比值，單位是kWh/Nm3[8]。對于該氫液化工藝流程，單位能耗w可以用以下公式表示：

式中：

W——壓縮機(jī)能耗，kW；

q ——產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體積流量，Nm3/h；

X ——待優(yōu)化參數(shù)一維矩陣；

P ——壓力，kPa；

t ——溫度，K；

m——質(zhì)量流量，kg/h。

為了保證氫液化流程在優(yōu)化過程中能夠安全、穩(wěn)定地工作，必須要設(shè)置約束條件和罰值函數(shù)[12]。當(dāng)優(yōu)化過程中，任何一個(gè)約束條件得不到滿足時(shí)，理論上輸出的目標(biāo)函數(shù)值就應(yīng)該相對較大，此時(shí)被定義為罰值函數(shù)值。一般來說，在優(yōu)化的過程中，遺傳算法只選擇最小的目標(biāo)函數(shù)值進(jìn)行進(jìn)化，罰值函數(shù)值就在優(yōu)化過程中被淘汰掉。本文的約束條件為，各級換熱器的最小溫差必須大于等于2 K：

式中下標(biāo)min表示換熱器中的最小換熱溫差，上標(biāo)HEX1-8表示換熱器1-8。

如果優(yōu)化過程中不滿足上述約束條件，就用罰值函數(shù)代替目標(biāo)函數(shù)。罰值函數(shù)的公式如下：

通過遺傳算法在待優(yōu)化參數(shù)上、下限之間進(jìn)行全局搜索，得到的參數(shù)值如表4所示。

表4 待優(yōu)化參數(shù)經(jīng)遺傳算法優(yōu)化后數(shù)值

遺傳算法優(yōu)化收斂曲線如圖3所示，可以看出在開始階段曲線下降較快，這是因?yàn)樵诔跏茧A段遺傳算法較容易找到更優(yōu)的下一代，隨著代數(shù)的增加，越來越難找到更優(yōu)的下一代，到第120代左右找到了目標(biāo)函數(shù)最小值。

圖3 遺傳算法收斂曲線

1.4 優(yōu)化結(jié)果與分析

優(yōu)化前后的單位能耗和流程性能數(shù)值如表5所示。經(jīng)過遺傳算法優(yōu)化后的單位能耗為0.9222 kWh/Nm3，相比與優(yōu)化前的0.9375 kWh/Nm3，單位能耗降低了1.63%。優(yōu)化后氦氣壓縮機(jī)的能耗為665.4594 kW，而優(yōu)化前的氦氣壓縮機(jī)能耗為686.9663 kW，氦氣壓縮機(jī)能耗下降3.13%。

表6給出了優(yōu)化前、后8個(gè)換熱器的最小換熱溫差和換熱量的數(shù)值。由表中可以看出，換熱器1的最小換熱溫差在優(yōu)化后有所上升但是換熱量卻在減小，總換熱量優(yōu)化后為670.6694 kW，相比于優(yōu)化前的687.8000 kW下降了2.49%，說明整體的換熱效果得到了提升。

表5 優(yōu)化后的單位能耗及流程性能參數(shù)

表6 優(yōu)化前后換熱器性能參數(shù)

?是指當(dāng)系統(tǒng)和環(huán)境達(dá)到平衡時(shí)，可以從系統(tǒng)獲得的最大功[13]。液化系統(tǒng)的?效率是指系統(tǒng)理論上消耗的最小液化功和實(shí)際消耗的液化功的比值。液化系統(tǒng)的?效率一般用FOM（Figure of Merit）表示[14]，可以用如下公式表示：

式中，T0是環(huán)境溫度，T0= 298.15 K。

本文中液化氫氣的溫度為21.26 K，壓力為300 kPa，因此理想氫液化工藝流程的最小液化功為241.55 kW。優(yōu)化后系統(tǒng)的總功耗為635.95 kW，根據(jù)式(6)可以算出系統(tǒng)?效率為0.3798。優(yōu)化前系統(tǒng)的總功耗為656.69 kW，?效率為0.3678。因此優(yōu)化后的?效率提高了3.26%。

氫液化工藝流程中的設(shè)備存在熱力學(xué)不可逆損失，因此會產(chǎn)生?損失，系統(tǒng)中各設(shè)備的?損失計(jì)算公式如表7所示[15]。表8顯示了系統(tǒng)中各設(shè)備優(yōu)化前、后的?損失值。

優(yōu)化前系統(tǒng)總的?損失為622.2138 kW，設(shè)備中水冷器的?損失最大，為218.1922 kW，占比為35.07%。經(jīng)過遺傳算法優(yōu)化后，系統(tǒng)總的?損失為604.2500 kW，比優(yōu)化前降低了2.89%，?損失最大的仍然是水冷器，為210.1083 kW，占比為34.77%，這是因?yàn)樗淦鞯膿Q熱效率較低。由表8可以看出，除換熱器1外，各設(shè)備的?損失均有所下降。由此可見，經(jīng)過遺傳算法對前期設(shè)計(jì)的氫液化流程進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化之后，系統(tǒng)的單位能耗降低，系統(tǒng)的?損失降低，系統(tǒng)的?效率提高。

表7 主要設(shè)備?損失計(jì)算公式

表8 優(yōu)化前后各設(shè)備?損失值

1.5 氫液化系統(tǒng)比較

根據(jù)本文對前期設(shè)計(jì)完成的1,000 L/h氫液化工藝流程的模擬分析與優(yōu)化，利用該流程優(yōu)化參數(shù)與幾種典型氫液化系統(tǒng)的單位能耗以及?效率進(jìn)行比較，比較結(jié)果如表9所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，本文的氫液化系統(tǒng)較傳統(tǒng)流程來說，單位能耗較低，?效率較高，雖然對于一些創(chuàng)新流程，本文的氫液化系統(tǒng)單位能耗相對偏高。但本文的氫液化流程設(shè)備簡單，投資成本較低，易于實(shí)現(xiàn)，因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)測試以本文的氫液化裝置工藝流程為理論基礎(chǔ)。

表9 氫液化系統(tǒng)比較

2 結(jié)論

本文針對前期設(shè)計(jì)完成的采用液氮預(yù)冷和氦氣透平膨脹制冷的1,000 L/h氫液化裝置工藝流程進(jìn)行Aspen Hysys模擬計(jì)算和分析。在此基礎(chǔ)上，利用MATLAB對遺傳算法編程，以單位能耗為目標(biāo)函數(shù)對系統(tǒng)中氦氣流量等主要參數(shù)進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化。研究表明，優(yōu)化后系統(tǒng)的單位能耗為0.9222 kWh/Nm3，較優(yōu)化前降低了1.63%，?效率為0.3798，較優(yōu)化前?效率提高了3.26%。同時(shí)，系統(tǒng)總的?損失也從622.2138 kW降低到604.2560 kW，降低了2.89%。說明該系統(tǒng)經(jīng)過遺傳算法優(yōu)化后整體性能有所提升。另外，該氫液化工藝流程具有設(shè)備簡單和投資成本低等優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊。